ПРОСТРАНСТВЕННАЯ РЕШЕТЧАТАЯ НЕСУЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ
SPATIAL LATTICED BEARING STRUCTURE

Предлагаемое изобретение относится к области строительства и может быть использовано преимущественно для перекрытий и покрытий зданий и сооружений.
Известна пространственная несущая конструкция покрытий зданий и сооружений, включающая систему перекрестных ферм, в которой верхние и нижние пояса ферм одного направления расположены над одноименными поясами ферм другого направления. Фермы одного направления могут служить при монтаже опорными конструкциями, а другого - устанавливаться на последних в точках пересечения раскосов решетки, где предусмотрены специальные опорные плитки-столики, причем в этих же точках перекрестные фермы взаимодействуют и при эксплуатационной нагрузке. Для того чтобы реализовать такой монтаж, в местах пересечения ферм предусмотрены съемные вставки в поясах: верхних - у опорных ферм и нижних - в устанавливаемых на них. После установки вышележащих ферм скрепляют опорные плитки, замыкают разрывы поясов и соединяют перекрещивающиеся пояса между собой для их взаимной развязки из плоскости ферм. Таким образом, имеются три зоны монтажных работ: вверху, посредине и внизу стержневой системы [Беспалов С.М., Долгинов Е.С., Фукс О.М. Пространственная несущая конструкция покрытия зданий и сооружений. - Заявка №2403671/29-33, 10.09.1976. - Авторское свидетельство №608897, 18.05.1978. - Бюл. №20].
Основной недостаток данной конструкции состоит в прерывании сжатых и растянутых поясов монтажными окнами. При этом монтажные стыки размещены в самых напряженных местах конструкции, из-за чего специальные вставки и накладки должны восполнить сечение мощных элементов-поясов, что приводит к перерасходу материала и увеличению количества соединительных болтов или сварки.
Наиболее близким техническим решением является пространственная решетчатая несущая конструкция, включающая систему перекрестных ферм, в которой верхние и нижние пояса ферм одного направления расположены над одноименными поясами ферм другого направления. Узлы перекрестных ферм совмещены по вертикали, а раскосы решетки вышележащей фермы в узлах смещены от оси узлов на ширину верхнего пояса нижележащей фермы, при этом нижние пояса вышележащих ферм выполнены съемными, а фермы соединены через верхние пояса [Аденский В.А., Гринберг М.Л., Прицкер А.Я., Шимановский В.Н., Трофимов В.И., Штепа Б.А. Пространственная решетчатая несущая конструкция. - Заявка №3272082/29-33, 03.04.1981. - Авторское свидетельство №964083, 07.10.1982. - Бюл. №37].
Главный недостаток известной конструкции состоит в сложности пропуска всех съемных поясов перекрестных ферм одного направления сквозь все перекрестные фермы другого направления с последующей сваркой не только узлов пересечения ферм, но и узлов прикрепления стержневых элементов решеток к съемным поясам, что увеличивает трудоемкость монтажа. При этом в стержневой системе несущей конструкции узлов прикрепления гораздо больше, чем узлов пересечения, что также негативно влияет на трудоемкость монтажа. Перекрестные фермы одного направления отличаются от таких же ферм другого направления как съемными поясами, так и раскосами решеток, которые в узлах пересечения смещены на ширину стержневых элементов поясов, что приводит к снижению степени унификации несущих конструкций и негативно влияет на трудоемкость их изготовления.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение степени унификации перекрестных ферм обоих ортогональных направлений с уменьшением трудоемкости изготовления и монтажа несущей конструкции из них.
Указанный технический результат достигается тем, что в пространственной решетчатой несущей конструкции, включающей систему перекрестных ферм с параллельными поясами и раскосными решетками, в которой верхние и нижние пояса ферм одного направления расположены над одноименными поясами ферм другого направления, узлы перекрестных ферм совмещены по вертикали, совпадающей с продольной осью стойки решеток, общей для ферм обоих направлений. Одним своим торцом стойка соединена с цельным стержневым элементом пояса фермы одного направления, а другим - со вставкой монтажного окна пояса фермы другого направления, при этом монтажные окна и их вставки в цельных стержневых элементах поясов выполнены при помощи двойных резов: прямых в случае сжатия и косых - растяжения.
В предлагаемой несущей конструкции перекрестная система образована из одинаковых ферм, универсальных и взаимозаменяемых в обоих ортогональных направлениях, что повышает степень их унификации, обеспечивая уменьшение трудоемкости изготовления и монтажа. Такие фермы из гнутых замкнутых сварных прямоугольных (квадратных) тонкостенных профилей при средних пролетах, равных 18…30 м, отличаются повышенной, а в типовых конструкциях - полной заводской готовностью [Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Серия 1.460.3-14. Чертежи КМ, 1980; Фермы стальные стропильные из гнутосварных профилей прямоугольного сечения. Технические условия. ГОСТ 27579-88; Стальные конструкции покрытий производственных зданий из замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения пролетом 18, 24 и 30 м с уклоном кровли 10%. Серия 1.460.3-23.98. Выпуск I. Чертежи KM, 2000]. При малых пролетах, не превышающих 12…15 м, стальные фермы из прямоугольных (квадратных) профилей наиболее рационально выполнять цельносварными в качестве основы перекрестных систем, формообразующих так называемые карманные модули, которые остаются стабильно востребованными, привлекая внимание заказчиков и инвесторов своими технико-экономическими характеристиками [Марутян А.С. Перекрестные системы из стальных ферм с бесфасоночными раскосными узлами. - Строительная механика и расчет сооружений, 2011, №1. - С.70-75; Марутян А.С. Стыковые сварные соединения стержневых элементов с продольными прорезями и их расчет. - Строительная механика и расчет сооружений, 2011, №4. - С.43-50]. На монтаже описанные фермы в предлагаемой несущей конструкции с равным успехом могут быть и опорными (нижележащими), и опираемыми (вышележащими) как в одном из ортогональных направлений, так и в другом. С таким же равным успехом монтажные окна и их вставки при помощи двойных резов могут быть выполнены или в верхних поясах нижележащих (опорных) ферм, или в нижних поясах вышележащих (опираемых) ферм. Для обеспечения необходимой и достаточной несущей способности в сжатых поясах эти двойные резы могут быть прямыми, а в растянутых - должны быть косыми, так как практика эксплуатации сварных конструкций показала, что наклон шва 60° к оси элемента гарантирует достаточную прочность соединения [Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И.Кудишина. - М.: Академия, 2007. - С.126-128]. Результаты испытаний контрольной серии опытных образцов растянутых поясов с заваренными вставками монтажных окон, проведенных проектно-строительной фирмой ООО «МК-Строй» (г. Пятигорск), позволили сделать вывод, согласно которому двойные косые резы и соответствующие им сварные швы с наклоном 45° к оси пояса обеспечивают не только необходимый и достаточный запас несущей способности стыков, но также и их равнопрочность со стержневыми элементами поясов. При этом более предпочтительны прямые резы в сжатых поясах, и здесь заметнее проявляется универсальность технического решения предлагаемой несущей конструкции, так как в зависимости от статической схемы ферм (разрезной, неразрезной, консольной) сжатие возможно в их верхних и нижних поясах.
∗
Стойка раскосных решеток в местах пересечения, общая для ферм обоих ортогональных направлений, обеспечивает равномерное распределение напряжений от изгибающих моментов и поперечных (перерезывающих) сил, сосредоточенных в узлах перекрестных систем [Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП 11-23-81 «Стальные конструкции») / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: ЦИТП, 1989. - С.81-82]. Общие стойки короче рядовых стоек раскосных решеток перекрестных ферм, что способствует уменьшению материалоемкости несущей конструкции. Использованная раскосная система решеток обеспечивает перекрестным фермам минимальную высоту и позитивно влияет на их технико-экономические характеристики в составе перекрытий и покрытий зданий и сооружений. При этом оптимальный угол наклона раскосов из гнутых замкнутых сварных прямоугольных (квадратных) тонкостенных профилей составляет примерно 30…35° [Руководство по проектированию стальных конструкций из гнутосварных замкнутых профилей. - М.: ЦНИИпроектстальконструкция, 1978. - С.26; Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы конструкций: Учебник для вузов / Под ред. В.В.Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С.425].
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показана предлагаемая пространственная решетчатая несущая конструкция, фрагмент плана; на фиг.2 - предлагаемая конструкция с монтажными окнами и их вставками в верхних (сжатых) поясах нижележащих (опорных) ферм, вид сбоку; на фиг.3 - предлагаемая конструкция с монтажными окнами и их вставками в нижних (растянутых) поясах вышележащих (опираемых) ферм, вид сбоку; на фиг.4 - узел пересечения ферм с монтажным окном и его вставкой в верхнем (сжатом) поясе в разобранном виде, аксонометрия; на фиг.5 - узел пересечения ферм с монтажным окном и его вставкой в нижнем (растянутом) поясе в разобранном виде, аксонометрия; на фиг.6 - снимок опытного образца растянутого пояса с заваренной вставкой монтажного окна до его испытания на разрыв; на фиг.7 - снимок предлагаемой несущей конструкции в составе «карманного модуля» размерами в плане 6×6 м.
Пространственная решетчатая несущая конструкция включает перекрестные равновысокие фермы 1 и 2, расположенные в двух взаимно перпендикулярных (ортогональных) направлениях. Фермы 1 приподняты относительно ферм 2 на габарит верхнего пояса последних так, что верхние пояса 3 ферм 1 проходят над верхними поясами 4 ферм 2, а нижние пояса 5 ферм 1 - над нижними поясами 6 ферм 2. Решетки ферм - раскосные, состоящие из раскосов 7, рядовых стоек 8 и общих стоек 9, укороченных по высоте на габарит верхнего пояса 4. Фермы 1 и 2 имеют одинаковое исполнение, включающее съемные общие стойки решеток 9, могут быть изготовлены на заводе и перевезены цельными или длинномерными марками. Все стержни выполнены из гнутых замкнутых сварных прямоугольных (квадратных) тонкостенных профилей. Все заводские и монтажные соединения изготавливают сваркой при непосредственном примыкании стержневых элементов решетки к поясам в виде бесфасоночных узлов (в том числе бесфасоночных раскосных).
На монтаже в местах пересечения ферм 1 и 2 при помощи двойных резов выполняют монтажные окна и их вставки соответствующих поясов ферм одного из ортогональных направлений. Двойные резы при сжатии могут быть прямыми, при растяжении они должны быть косыми. В первом случае (более предпочтительном) монтажные окна и их вставки 10 имеют прямоугольную форму, а во втором случае (в силу необходимости) аналогичные монтажные окна и их вставки 11 отличаются клиновидным очертанием. Во время сборки предлагаемой несущей конструкции фермы одного направления являются опорными для ферм другого направления. После пропуска пересекающихся поясов через монтажные окна перекрестные фермы 1 и 2 центрируют таким образом, чтобы совместить узлы пересечения по вертикали, совпадающей с продольной осью общей стойки 9. Замыкают монтажные окна их вставками, прямоугольными 10 или клиновидными 11, заваривая стыки при помощи соответственно прямых или косых швов. Устанавливают съемные стойки 9 (общие для решеток ферм 1 и 2), центрируют и обваривают по периметру примыкания их торцов к цельным стержневым элементам поясов ферм одного направления и к вставкам монтажных окон поясов другого направления.
Для сравнения предлагаемого технического решения с известным в качестве базового объекта принята двухэтажная модификация модуля (блока) покрытия (перекрытия) из перекрестных ферм, относящаяся к ряду уже упомянутых выше «карманных модулей» и спроектированная в составе офисного здания размерами в плане 8×8 м [Марутян А.С., Кобалия Т.Л. Модуль (блок) покрытия (перекрытия) из перекрестных ферм. - Заявка №2010139770/03(056811), 27.09.2010]. Пространственные конструкции перекрытия и покрытия включают перекрестные системы из унифицированных стальных ферм с бесфасоночными раскосными узлами [Марутян А.С., Кобалия Т.Л. Бесфасоночный раскосный узел трубчатых ферм. - Заявка №2009123715/03(032848), 22.06.2009. - Патент №100784, 27.12.2010. - Бюл. №36]. Каждая из унифицированных 8-метровых ферм имеет по 14 верхних и 12 нижних бесфасоночных узлов.
При использовании известного технического решения внутренние перекрестные фермы одного из ортогональных направлений имеют съемные нижние пояса, однако примыкания к ним стержневых элементов решетки остаются бесфасоночными, так как бесфасоночные раскосные узлы позволяют отказаться от применения специальных соединительных деталей в виде заглушек, характерных для известного технического решения. Двухэтажный модуль включает три фермы со съемными нижними поясами, временно соединенными сварными прихватками: две в перекрытии и одну в покрытии. Нетрудно подсчитать, что на монтаже нужно сварить 10 узлов пересечения и 36 узлов примыкания стержневых элементов решеток к нижним поясам, то есть всего имеется 46 зон монтажной сварки.
При использовании предлагаемого технического решения двухэтажный модуль также включает три фермы со съемными стойками решеток и намеченными монтажными окнами и их вставками в сжатых (верхних) поясах. В этом случае на монтаже надо сварить 10 узлов пересечения, 6 стыков вставок трех монтажных окон и 6 узлов примыкания трех съемных стоек решеток к поясам, то есть всего имеется 22 зоны монтажной сварки, что в 46/22=2,1 раза меньше, чем в известном техническом решении. Кроме того, если в известном техническом решении зоны монтажной сварки рассредоточены по всей протяженности перекрестных ферм со съемными нижними поясами, то в предлагаемой несущей конструкции зоны монтажной сварки сконцентрированы в узлах пересечения ферм, где расположены и съемные стойки решеток, и монтажные окна с их вставками в поясах, что также способствует уменьшению трудоемкости изготовления и монтажа.
Таким образом, использование предлагаемой пространственной решетчатой несущей конструкции в «карманных модулях» зданий и сооружений положительно отражается на их технико-экономических характеристиках.