СБОРНАЯ КАРКАСНАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО-НАПРЯЖЕННАЯ ПЛИТА

Полезная модель относится к технической области строительства малоэтажного жилья, а более конкретно к конструкционным элементам на основе пространственных каркасов для целей строительства малоэтажного жилья.
Как следует из достигнутого уровня техники, задача по созданию легких, прочных и дешевых строительных конструкций всегда находилась в центре внимания изобретателей и инженеров-конструкторов в области строительства. Однако в последнее время все большую актуальность приобретает решение этой задачи с точки зрения проектирования не готовых изделий, а разработки конструкций, которые конечный пользователь может собрать самостоятельно, так называемых, комплектов для самостоятельной сборки. Такие конструкции должны обеспечивать, помимо простоты монтажа, широкий спектр возможных архитектурно-строительных решений на их основе, требуемую прочность, теплоизоляционные характеристики, конструктивную возможность размещения внутри каркаса дополнительной изоляции и средств коммуникаций - систем водо- и теплоснабжения, электрической проводки, вентиляционных каналов, каналов связи и др.
Так известны активные по вектору пространственные конструкции - плоские стержневые структуры, иначе называемые, пространственными фахверками [Хайно Энгель. Несущие системы. 2006. 342 стр.]. Отличительными особенностями данных структур является треугольное соединение конструкционных элементов каркаса - стержней, объединенных в систему шарнирными узловыми точками. Такая структура фахверка позволяет перераспределять внешнюю нагрузку на конструкцию в направлении, определяемом пространственным расположением стержней. Установка стержней в направлении, противоположном направлению приложения внешних сил в системе, активной по вектору, определяет величину векторных усилий в стержнях. Оптимальным является угол 45°-60° по отношению к направлению сил; он обеспечивает действенное перераспределение сил меньшими векторными усилиями.
Недостатком подобных конструкция является то, что при использовании в качестве материала стержней, из которых формируется фахверк, древесины конструктивно не учитывается неоднородность ее физико-механических характеристик (анизотропия, наличие пороков, влажность), что приводит к снижению прочности всей пространственной конструкции и изменению физико-механических свойств каркаса со временем в результате коробления и высыхания материала стержней. При использовании металлических стержней неоправданно увеличивается вес конструкции и ее стоимость, при этом процесс сборки металлического фахверка связан с применением сварочного оборудования, что затрудняет процесс сборки, а наряду с большим весом, транспортировку и монтаж таких строительных элементов.
Из уровня техники известна также конструкция клеедощатой панели для сейсмостойкого строительства (Жданов В.И. и др., патент РФ на изобретение RU 2535866). Конструкция включает в себя каркас из продольных и поперечных ребер, клеедощатую обшивку, распорное устройство, нащельники, размещенные по обеим сторонам панели, прижимные стержни, упругие элементы, выполненные в виде предварительно сжатых пружин с помощью съемных шайб, охватывающие армирующие стержни. Данная конструкция предполагает, что в процессе ее монтажа основные конструктивные элементы подвергаются предварительному сжатию при помощи распорных устройств и прижимных стержней, что обеспечивает трещиностойкость и герметичность обшивки в условиях нагружения.
Недостатком указанной конструкции является то, что при механическом нагружении локального участка площади панели нагрузка воспринимается только теми конструкционными элементами, которые расположены непосредственно под обшивкой в области нагружения или непосредственно связаны с нагружаемым участком панели, при этом нагрузка не распределяется равномерно по всем элементам жесткости конструкции в результате снижается общая прочность конструкции, определяемая прочностью локальных конструкционных элементов в направлении нагружения. Аналогичные недостатки имеет сборная панель (патент РФ на изобретение RU 2487979, автор и патентообладатель - Соловьев А.Н.).
В качестве прототипа взята конструкция арматурного каркаса (патент на изобретение РФ RU 2331743, Сычев В.В. и др.). Приведенный в качестве прототипа каркас содержит в своей конструкции арматурные стержни, наклонно расположенные по ребрам тетраэдров, ориентированных вершинами в противоположные стороны, при этом каждый из образованных стержнями тетраэдров имеет общие для смежных их сторон арматурные стержни и размещенные в его вершинах узловые элементы по форме цилиндров с отверстиями на боковой поверхности, в которых размещены, или иными словами, жестко защемлены концы наклонно расположенных арматурных стержней. По сути арматурный каркас, взятый в качестве прототипа, представляет собой тип пространственного фахверка (Хайно Энгель. Несущие системы. 2006. 342 стр.), отличающийся жестким защемлением элементов каркаса в узлах в отличие от шарнирного закрепления в фахверках, что обеспечивает конструкции большую, по сравнению с аналогичным по параметрам стержней пространственного фахверка, прочность, жесткость и меньшие деформации при одинаковом типе и величине нагрузки.
Недостатком арматурного каркаса, взятого в качестве прототипа, является его большой вес в том случае, если каркас выполнен из металла, невозможность жесткого защемления стержней в узлах конструкции в том случае, если каркас выполнен на основе композитных стержней, необходимость в сварочном оборудовании и соблюдении производственных технологий сварки (в случае металлических стержней) или склеивания (в случае композитных). Для металлического каркаса, с точки зрения применения в области малоэтажного домостроения, можно выделить также следующие недостатки: металлические стержни в составе каркаса обладают высокой по сравнению, например с деревом или полимерными композитами, теплопроводностью и являются так называемыми «мостиками холода». Наличие в составе строительной конструкции сквозных теплопроводящих элементов резко снижает ее теплоизолирующие свойства.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по повышению прочности перекрытий и несущих стен малоэтажных жилых зданий, построенных на ее основе.
Достигаемый при этом технический результат, с одной стороны, заключается в повышении максимально допустимой нагрузки на перекрытие за счет фахверковой конструкции сборной каркасной предварительно-напряженной плиты с жестким защемлением сжатых стержней каркаса в узлах конструкции, а с другой - в снижении удельного веса всей конструкции за счет использования в качестве материала стержней каркаса древесины.
Заявляемая конструкция также обеспечивает возможность снижения стоимости строительства за счет возможности самостоятельной сборки элементов конструкции здания на месте строительства без использования специального строительного оборудования, снижения стоимости фундамента и фундаментных работ за счет снижения веса общей конструкции здания, а также способствует повышению теплоизолирующих свойств стен и перекрытий, выполненных на основе сборной каркасной предварительно-напряженной плиты, за счет возможности использования в ее конструкции широкого спектра теплоизолирующих материалов и отсутствия «мостиков холода».
Поставленная задача решена тем, что:
- сборный каркас, представляющий собой предварительно-напряженную плиту, включает нижнюю пластину, на которой установлены вертикальные опорные бруски квадратного поперечного сечения, снабженные соответственно расположенными верхними и нижними коннекторами, посредством которых к опорным брускам закреплена преднатяженная комбинированная деревянно-тросовая система боковых ребер каркаса, состоящая из цепей, образованных тросами с подвижно закрепленными через определенные интервалы деревянными брусками треугольного сечения, формирующими наклонные боковые ребра, верхнюю пластину, закрепленную к торцам опорных брусков;
- опорные бруски сборного каркаса установлены на нижней пластине в центрах условных квадратов, на целое число которых условно разделена нижняя пластина, при этом стороны условных квадратов параллельны соответствующим сторонам нижней пластины, а стороны квадратов, представляющих собой поперечное сечение опорных брусков, параллельны соответствующим диагоналям условных квадратов;
- незакрепленные верхние концы опорных брусков сборного каркаса выполняют функцию основания верхнего коннектора для закрепления комбинированной деревянно-тросовой системы боковых ребер каркаса;
- верхний коннектор сборного каркаса представляет собой металлическую квадратную шайбу с ребрами, отстоящими от края шайбы и образующими замкнутый квадратный выступ, при этом в каждом из ребер выполнен Г-образный вырез для протягивания и фиксации троса деревянно-тросовой системы боковых ребер;
- трос комбинированной деревянно-тросовой системы боковых ребер сборного каркаса представляет собой стальной, базальтовый или композитный трос;
- трос деревянно-тросовой системы сборного каркаса натянут с усилием 400-2000 кг.
Заявленная полезная модель поясняется следующими фигурами. На фиг. 1 схематично изображено расположение основных элементов сборного каркаса;
на фиг. 2 представлено устройство верхнего коннектора;
на фиг. 3 представлено устройство нижнего коннектора;
на фиг. 4 представлен торец деревянного бруска треугольного сечения - бокового ребра каркаса.
Позициями на чертежах обозначены
1 - нижняя пластина,
2 - деревянный брусок треугольного сечения,
3 - трос комбинированной деревянно-тросовой системы боковых ребер сборного каркаса,
4 - цепь деревянно-тросовой системы боковых ребер каркаса,
5 - затягивающая скоба нижнего коннектора,
6 – скоба,
7 - шайба верхнего коннектора,
8 - опорный вертикальный брусок квадратного сечения.
Заявляемая полезная модель представляет собой сборную конструкцию из деревянных (например, фанерные листы в качестве пластин) и тросовых элементов, взаимосопряженных между собой посредством натяжения тросов и применения стандартных крепежных элементов, например саморезов.
Нижняя или базовая пластина (фиг. 1, поз. 1) представляет собой горизонтально размещенный лист фанеры, внутри которого условно выбирается прямоугольная область с отступом сторон прямоугольника от края фанерного листа не более (1,1-2,5)а, где а - наибольший из размеров поперечного сечения вертикального опорного бруска каркаса. Для данной прямоугольной области должно выполняться условие: она может быть разделена на целое число одинаковых квадратных ячеек со стороной квадрата из интервала (1,4-28,1)а, притом, что каждая из сторон квадратных ячеек параллельна двум сторонам прямоугольной области и перпендикулярна двум другим. В каждой квадратной ячейке в точке пересечения диагоналей квадрата определяется центр квадрата, в котором устанавливают опорный вертикальный брусок (фиг. 1, поз. 8) квадратного сечения высотой (2,5-11,5)а, таким образом, что геометрический центр сечения вертикального опорного бруска совпадает с точкой пересечения диагоналей квадратной ячейки, а две любые параллельные стороны квадратного сечения опорного вертикального бруска параллельны одной диагонали квадратной ячейки и перпендикулярны другой. Опорные вертикальные бруски устанавливаются соответствующим образом в центре каждой квадратной ячейки на нижней пластине и закрепляются, например, саморезами, ввернутыми с обратной стороны базового фанерного листа в торцы каждого из вертикальных опорных брусков. Незакрепленный конец вертикального опорного бруска выполняет функцию основания верхнего коннектора для закрепления комбинированной деревянно-тросовой системы боковых ребер каркаса. Верхний коннектор (фиг. 2, поз.7) представляет собой наконечник специальной формы, надеваемый на незакрепленный конец вертикального опорного бруска - основание верхнего коннектора. Верхний коннектор изготавливается цельнометаллическим или сборным из нержавеющей стали. Конструктивно верхний коннектор представляет собой квадратную стальную шайбу с длиной стороны из интервала от  до , при этом шайба имеет снизу четыре ребра, равноудаленных от сторон квадратной шайбы и формирующих замкнутую «юбку» квадратного сечения высотой из интервала от  до  и длиной стороны сечения а. В каждом из ребер замкнутой «юбки» верхнего коннектора выполнен Г-образный вырез для протягивания и фиксации троса деревянно-тросовой системы боковых ребер. Притом вертикальный участок Г-образного выреза смещен относительно осевой вертикальной линии симметрии ребра «юбки» верхнего коннектора, а горизонтальный участок Г-образного выреза заканчивается на пересечении горизонтального участка Г-образного выреза с вертикальной линией осевой симметрии ребра «юбки» верхнего коннектора. В вершинах квадратных ячеек (условных квадратов) нижней пластины выполняют продолговатые фигурные отверстия для размещения затягивающих стальных скоб нижнего коннектора. Нижний коннектор представляет собой круглую шайбу с двумя отверстиями, в которые вставляются свободные концы затягивающей скобы (фиг. 3, поз. 5). Свободные концы скобы имеют резьбу для накручивания гаек, с помощью которых реализуется натяжение деревянно-тросовой системы боковых ребер. Комбинированная деревянно-тросовая система боковых ребер каркаса представляет собой цепь (фиг. 1, поз. 4), состоящую из стального, базальтового или композитного троса (фиг. 2, поз. 3; Фиг. 3, поз. 3, фиг. 4, поз. 3), на котором закреплены через определенные интервалы деревянные бруски треугольного сечения (фиг. 1, поз. 2), формирующие наклонные боковые ребра четырехгранных правильных пирамид. Стальной, базальтовый или композитный трос заводят в продольный паз определенной конфигурации деревянного бруска треугольного сечения. Трос внутри бруска не зажимается и имеет возможность свободного перемещения вдоль оси бруска, поперечное перемещение троса внутри деревянного бруска треугольного сечения ограничено стальными скобами (фиг. 4, поз. 6), забиваемыми над пазом после установки внутри него троса. Бруски треугольного сечения в составе цепи комбинированной деревянно-тросовой системы имеют различия в форме верхнего и нижнего концов. Верхний конец деревянного треугольного бруска имеет прямоугольный срез (фиг. 2, поз. 2) или иными словами запил, обеспечивающий плотное примыкание деревянного бруска треугольного сечения к поверхности, образуемой квадратной шайбой верхнего коннектора и ребром его «юбки», при условии установки деревянного бруска треугольного сечения под углом 29-61° по отношению к базовому горизонтальному фанерному листу. Нижний конец деревянного бруска треугольного сечения (фиг. 3, поз. 2) имеет запилы, одновременно обеспечивающие плотное примыкание бруска треугольного сечения к базовому горизонтальному фанерному листу и плотную стыковку четырех таких брусков в точке нижнего коннектора, при условии установки бруска под углом 29-61° к плоскости базового горизонтального фанерного листа. Сборная каркасная предварительно-напряженная плита формируется из нескольких цепей комбинированных деревянно-тросовых систем, которые могут иметь различное число звеньев в виде деревянных брусков треугольного сечения. Звенья цепи, или иными словами деревянные бруски треугольного сечения, в составе комбинированной деревянно-тросовой системы имеют чередование, при котором соседние бруски всегда расположены друг к другу одноименными концами: «нижний к нижнему» и «верхний к верхнему», при этом любая цепь комбинированной деревянно-тросовой системы начинается и заканчивается нижним концом деревянного бруска треугольного сечения, а проходящий внутри него стальной, базальтовый и или композитный трос на свободном конце имеет гильзу, обеспечивающую блокировку троса в нижнем коннекторе. Совокупность цепей комбинированных деревянно-тросовых систем, используемых в сборной каркасной предварительно-напряженной плите, формирует конструкцию наклонных ребер четырехгранных пирамид сборной каркасной предварительно-напряженной плиты. Цепи комбинированных деревянно-тросовых систем последовательно укладываются на вертикальные опорные бруски квадратного сечения следующим образом: свободный конец стального, базальтового ли композитного троса при первом в цепи деревянном бруске треугольного сечения блокируется в нижнем коннекторе при помощи гильзы. Первый деревянный брусок треугольного сечения устанавливается в наклонном положении под углом 29-61° по отношению к базовому горизонтальному фанерному листу, при этом нижним концом брусок треугольного сечения опирается на базовый горизонтальный фанерный лист в точке расположения нижнего коннектора, а верхний его конец устанавливается в комплементарный ему угловой упор, образуемый горизонтальным листом шайбы верхнего коннектора и вертикальным ребром «юбки» верхнего коннектора. Плотное примыкание бруска треугольного сечения к базовому горизонтальному фанерному листу и к упору верхнего коннектора обеспечивается конфигурацией запилов нижнего и верхнего концов бруска треугольного сечения. В месте примыкания треугольного бруска к вертикальному ребру «юбки» верхнего коннектора стальной, базальтовый или композитный трос заводится в Г-образный вырез вертикального ребра «юбки» верхнего коннектора, далее по цепи комбинированной деревянно-тросовой системы следует следующий брусок треугольного сечения, верхний конец которого устанавливается в противоположный упор верхнего коннектора, а нижний на базовый горизонтальный фанерный лист - в области нижнего коннектора. Таким образом, попеременно и линейно в плане, на вертикальные бруски раскладывается одна цепь комбинированной деревянно-тросовой системы. Далее аналогично раскладываются параллельные первой комбинированные деревянно-тросовые цепи. Затем перпендикулярно им раскладываются оставшиеся комбинированные деревянно-тросовые цепи, образуя правильные четырехугольные пирамиды с вершиной в области верхнего коннектора, при этом тросы перпендикулярных комбинированных деревянно-тросовых цепей, проходящие через Г-образные вырезы в боковых ребрах «юбки» верхнего коннектора, пересекаются под прямым углом в центре свободного торца вертикального опорного бруска, а тросы перпендикулярных комбинированных деревянно-тросовых цепей- в области нижнего коннектора, также пересекаются под прямым углом над прорезью для установки скобы нижнего коннектора. На следующем этапе сборки места пересечения тросов комбинированных деревянно-тросовых цепей фиксируются при помощи коннекторов. Верхний коннектор при помощи молотка забивается и обжимает верхнюю часть вертикального опорного бруска без пережима тросов комбинированных деревянно-тросовых цепей, в области нижнего коннектора пересечение тросов фиксируется скобой, свободные концы которой заводятся под основание базового горизонтального листа, продеваются в отверстия шайбы нижнего коннектора. На свободные концы скобы нижнего коннектора накручиваются гайки. Следующим этапом сборки деревянно-тросовой каркасной плиты является «выборка слабины» троса. На этом этапе гайки нижнего коннектора закручиваются на скобу нижнего коннектора до достижения крайнего положения резьбы. При этом реализуется постепенная поузловая «выборка слабины» троса в каждой из области пересечения перпендикулярных тросов в зоне нижнего коннектора. На следующем этапе сборки производится натяжение тросов комбинированных деревянно-тросовых цепей. Для этого один из концов цепи, защемленный с помощью гильзы остается в защемлении, а второй крепится к тросу ручной лебедки и натягивается в интервале нагрузок 400-2000 кг. Натянутый трос фиксируется с помощью перестановки гильзы в место защемления в крайнем нижнем коннекторе. Аналогичная операция проводится со всеми тросами комбинированных деревянно-тросовых цепей. В ходе натяжения нагрузка с троса передается на горизонтальные участки Г-образных вырезов ребер «юбки» верхнего коннектора, они, в свою очередь, давят и нагружают деревянные бруски треугольного сечения, сжимая их. После натяжения всех элементов конструкции на каркас сверху размещают верхнюю пластину, соответствующую габаритным размерам нижней пластины. Эту пластину, выполненную в виде фанерного листа, монтируют к каркасу при помощи саморезов, вкручиваемых сверху через фанерный лист в основания верхних коннекторов-свободные торцы вертикальных опорных брусков.
Таким образом, преимущество заявляемого сборного каркаса заключается в существенном снижении удельного веса конструкции в 10-15 раз относительно прототипа за счет применения более легких деревянных стержней каркаса по сравнению со стальными в прототипе, реализации возможности самостоятельной сборки конструкции для конечного потребителя без использования специальных технических средств, увеличением теплоизоляционных свойств конструкции за счет снижения коэффициента теплопроводности материала ее элементов.
В дальнейшем патентуемая полезная модель поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной выше совокупностью существенных признаков упомянутых выше технических результатов.
Пример конкретного выполнения.
Изготовлен сборный каркас в соответствии с заявляемой полезной моделью. Габаритные размеры нижней и верхней пластин составляют 1525×1525 мм. Для изготовления каркаса использованы опорные бруски в количестве 49 шт. с размерами 40×40×240 мм, расположены с шагом 180 мм. Для создания деревянно-тросовой системы использованы 22 цепи, каждая из которых состоит из стального троса длиной от 740 мм до 4940 мм и от 2 до 14 брусков, образующих боковые ребра каркаса. Тросы после сборки конструкции натянуты посредством ручной лебедки с усилием 700 кг.