Арочная конструкция

Полезная модель относится к строительству, а именно к модульным многофункциональным трансформируемым арочным конструкциям, используемым в качестве основного несущего элемента для быстровозводимых сооружений различного назначения (промышленные, гражданские, сельскохозяйственные, складские и т.д.).
Из уровня техники, например, известна арочная модульная многофункциональная конструкция [Патент RU 123031 U1], состоящая из модулей, соединенных системой металлических тросов, предназначенная для использования как несущая арка, так и в качестве арочного покрытия сооружений. Недостатком известной конструкции является сложность и трудоемкость ее изготовления и сборки на строительной площадке, так как конструкция доставляется на площадку в виде отдельных модулей.
Наиболее близким аналогом заявляемого решения - прототипом, является арочная стержневая сводчатая строительная конструкция [Патент SU 1 544 904 А1], которая для снижения материалоемкости и трудоемкости монтажа выполнена в виде шарнирно соединенных между собой элементов. Трос, проходящий внутри полых труб, формирует заданную конфигурацию за счет создания напряженного состояния в арке. Недостатком известной конструкции является сложность изготовления и сборки механизмов трансформации, что в свою очередь ведет к увеличению стоимости строительства.
Шарниры, соединяющие сегменты арочной конструкции, в прототипе, в отличии от заявленной конструкции, расположены в шахматном порядке. Такая конфигурация шарниров позволяет складывать арочную конструкцию «гармошкой», что удобно при транспортировке, но не позволяет конструкции принять очертание арки под действием собственного веса при поднятии за центральный сегмент грузоподъемным механизмом. Заявленная конструкция, в отличии от прототипа, принимает очертания арки не посредством натяжения, расположенного внутри полого верхнего пояса троса, а посредством стыковки соседних сегментов под действием собственного веса конструкции. В заявленной конструкции, шарниры, расположенные в верхних частях фланцевых соединений, позволяют вращаться двум соседним сегментам арки только до соприкосновения приваренных под углом фланцев.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение мобильности арочной конструкции, т.е. возможности транспортировки в сложенном состоянии к месту установки и последующего монтажа без осуществления сборки на месте, а при необходимости осуществление демонтажа и последующего повторного использования без снижения несущей способности и эксплуатационных качеств.
Технический результат заявленной полезной модели достигается за счет того, что арочная конструкция состоит из верхнего и нижнего пояса, при этом верхний пояс арочной конструкции состоит из четного числа сегментов, выполненных из щарнирно соединенных унифицированных монтажных модулей, каждый из которых представляет собой металлический профиль прямоугольного сечения, к которому под одинаковыми углами к оси сечения приварены металлические пластины в виде фланцев с шарнирами, при этом фланцы по своему периметру имеют отверстия, предназначенные для установки крепежных элементов (например, болты, гайки и т.д.) при монтаже арочной конструкции, также в нижней части один из фланцев имеет проточку, а второй - имеет крепежный элемент типа "вертлюг", через ушко которого пропускается трос нижнего пояса. Шарниры позволяют арочной конструкции складываться.
Нижний пояс арочной конструкции представляет собой систему натянутых тросов. Функция нижнего пояса заключается в восприятии силы распора, возникающей в результате действия на конструкцию нагрузок и воздействий, а также в удержании сегментов верхнего пояса в проектном положении.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-4, где:
фиг. 1 - конструкция унифицированного монтажного модуля;
фиг. 2 - конструкция фланцев, соединенных шарнирно;
фиг. 3 - монтаж арочной конструкции;
фиг. 4 - верхний пояс арки, пролетом 36 м и строительным подъемом 9,8 м, состоящий из 18 равных сегментов, расположенный в заводском автомобильном прицепе.
На фиг. 1-4 обозначены следующие элементы:
1 - металлический профиль прямоугольного сечения;
2 - фланцы с шарнирами;
3 - проточка, позволяющая пластинам смыкаться вплотную с установленным креплением типа "вертлюг";
4 - отверстие, предназначенное для закрепления крепления типа "вертлюг";
5 - линия закрепления профиля к пластине;
6 - система тросов нижнего пояса арочной конструкции;
7 - верхний пояс арки.
Данная арочная конструкция является многофункциональной и трансформируемой, состоящей из отдельных унифицированных монтажных модулей, соединенных друг с другом посредством системы тросов и шарниров, удерживающих модули в проектном положении, и предназначена для использования как несущая арка.
Унифицированный монтажный модуль (фиг. 1) изготавливается из металлического профиля прямоугольного сечения 1 стандартного стального сортамента, к которому приварены металлические пластины в виде фланцев с шарнирами 2 под одинаковым углом к оси сечения, благодаря которому, конструкция в монтажном положении приобретает очертания арки (фиг. 3).
Угол для металлических пластин подбирается исходя из оптимального отношения стрелы подъема арки к ее пролету. Система тросов нижнего пояса арочной конструкции 6 играет роль затяжки, которая удерживает арочную конструкцию в проектном положении и принимает на себя нагрузку от конструкции арки, а также нагрузки, возникающие в процессе ее эксплуатации.
Унифицированные монтажные элементы, соединяются шарнирами между собой в заводских условиях. Арочная конструкция доставляется на строительную площадку в сложенном виде в стандартном автомобильном прицепе или морском контейнере в собранном виде (пример - фиг. 4).
Монтаж данной конструкции производится по следующему алгоритму.
Грузоподъемный механизм поднимает верхний пояс арки за центральные сегменты на высоту, превосходящую высоту арки. Благодаря этому, сегменты верхнего пояса под действием собственного веса принимают проектное очертание. Далее, монтажники скрепляют сегменты между собой крепежными элементами и натягивают трос нижнего пояса талью или талрепом, после этого крепят опорные сегменты к фундаменту, в качестве фундамента могут выступать сваи.
Данная конструкция универсальна, так как величину пролета и высоту подъема арки можно регулировать, изменяя количество секций, их длину, угол крепления фланцев.
Расчет угла наклона пластин фланцев
Для определения угла ϕ, необходимо задаться строительной высотой h и пролетом С арочной конструкции, исходя из геометрических, транспортных и конструкционных особенностей. Схема расчета представлена на фиг. 5. По формуле (1) определяем радиус окружности
Затем, по формуле (2) определяем длину дуги сегмента l, необходимый угол α определяем по теореме косинусов (3)
Задавшись четным количеством сегментов n, по формуле (4) определяем длину одного криволинейного сегмента l'
Для нахождения длины прямолинейного сегмента l" необходимо по формуле (5) определить угол одного сектора, а затем по формуле (6) вычислить длину хорды этого сектора. Хорда численно равна длине сегмента
Искомый угол ϕ находится по формуле (7)