Пространственная решетчатая конструкция покрытия со сжатыми стержнями ступенчато переменного сечения

Полезная модель относится к области строительства, в частности, к пространственным несущим конструкциям покрытий зданий и сооружений.
Пространственные сетчатые конструкции покрытия (структуры), как правило, представляют собой систему плоских ферм, расположенных вертикально или наклонно. Наибольшее распространение получили структуры, образованные плоскими фермами трех направлений. Для построения геометрической схемы структуры выделяют регулярно повторяющиеся элементы - кристаллы, которые могут иметь разнообразные формы. Элементы структуры, как правило, работают на центральное растяжение или сжатие.
К преимуществам структурных конструкций относится повышенная жесткость на изгиб в сравнении с плоскими конструкциями, меньшая строительная высота, минимальное количество опорных элементов.
Известно техническое решение пространственной горизонтальной стальной решетчатой конструкции покрытия, которая включает плоские стальные фермы с поясами из одиночных уголков, установленных под наклоном и объединенных между собой в решетчатую конструкцию (патент RU 2422597 С1).
Недостатками данного решения является необходимость выполнять в узлах сопряжения элементов продольные прорези в уголках, что повышает трудоемкость изготовления конструкций, а также предъявляет более жесткие требования к предельным отклонениям геометрических размеров при изготовлении и монтаже. Использование уголков в сжатых элементах структуры повышает ее материалоемкость, поскольку данный тип сечения не эффективен при работе на сжатие.
Существует пространственное покрытие из перекрестной системы, опертое по углам, преимущественно квадратного плана, содержащее внутренние фермы и равновысокие им контурные фермы со стержневыми элементами приопорных панелей нижних поясов, снабженными реверсивными устройствами из стяжных шпилек и тарельчатых пружин для регулирования предварительным напряжением опорных узлов с перераспределением контурных опорных и пролетных моментов (патент RU 2539524 С1).
Недостатком описанного решения является необходимость создания предварительного напряжения в элементах, что требует использования дополнительных элементов и значительно увеличивает трудоемкость изготовления и монтажа такой конструкции. Предварительно напряженные конструкции также требуют дополнительных затрат на стадии эксплуатации.
Наиболее близким по составу и конструктивному решению является пространственная решетчатая конструкция с поясами из трубчатых профилей, состоящая из плоских ферм со стержнями произвольного профиля и доборных элементов (патент RU 100783 U1);
Описанное конструктивное решение принято в качестве прототипа.
Недостатком данного решения является повышенная материалоемкость в связи с невозможностью полного использования прочностных показателей материала сжатых элементов.
Задачей полезной модели является снижение материалоемкости пространственных стержневых металлических структурных покрытий зданий и сооружений.
Указанная задача решается тем, что в стержневой пространственной решетчатой конструкции, преимущественно квадратного плана, состоящей из ортогональных сеток поясов с ячейкой 3 на 3 метра и высотой по осям поясов 2,12 м, раскосов, опорных капителей и элементов узловых соединений, все сжатые элементы, согласно полезной модели, выполнены из круглых труб ступенчато переменного сечения. Соединение различных участков элементов переменного сечения выполнены сварным швом. Растянутые элементы выполнены из круглых труб постоянного сечения. Сопряжение элементов между собой шарнирное.
При этом сжатые элементы конструкции состоят из трех участков. Сечения концевых участков меньше чем сечение центрального участка элемента. Изменение сечения достигается варьированием толщины стенки трубы с сохранением диаметра. Относительные длины участков выбираются из условия оптимального использования несущей способности элемента по критериям прочность и устойчивость.
На фиг. 1 приведен общий вид пространственной решетчатой конструкции со сжатыми стержнями ступенчато переменного сечения, на фиг. 2 и фиг. 3 горизонтальная и торцевая проекция структуры, на фиг. 4 расчетная схема центрально сжатого стержня ступенчато переменного сечения, на фиг. 5 варианты сварного соединения различных участков элемента.
Стержневая пространственная конструкция включает элементы ортогональной сетки нижнего пояса 1; элементы ортогональной сетки верхнего пояса 2; раскосы 3, соединяющие элементы верхнего и нижнего поясов и опорные капители 4.
Структурная плита при действии вертикальной нагрузки работает на изгиб. В отдельных стержневых элементах возникают продольные сжимающие или растягивающие усилия.
Несущая способность растянутого элемента может быть вычислена из условия прочности (СП 16.13330.2011 - Стальные конструкции, формула 5):
где N - максимальное продольное усилие, которое может быть воспринято элементом;  - расчетное сопротивление стали элемента при растяжении, сжатии или изгибе;  - площадь поперечного сечения элемента нетто;  - коэффициент условий работы.
Определив, по результатам статического расчета, усилие в растянутом элементе можно выбрать круглую трубу соответствующей площади и добиться полного использования прочностных показателей стали.
Для сжатых элементов, помимо проверки прочности, необходима проверка устойчивости. Несущая способность сжатого элемента по условию устойчивости (СП 16.13330.2011 - Стальные конструкции, формула 7):
где А - площадь сечения элемента брутто; ϕ - коэффициент устойчивости при центральном сжатии.
Для сжатых стержней значение коэффициента ϕ, как правило, принимает значения в диапазоне от 0,9 до 0,6. Таким образом, при использовании в сжатых элементах структуры стержней постоянного сечения невозможно добиться полного использования их несущей способности по критерию прочность.
Разработан алгоритм, позволяющий получить оптимальные параметры (соотношения жесткостей, относительные длины) стержня переменного круглого тонкостенного сечения. Выполнено расчетное обоснование, которое показало, что использование в сжатых элементах пространственной системы труб ступенчато переменного сечения практически не снижает несущей способности элемента по критерию устойчивость (коэффициент использования по данному критерию повышается на 1,5%), а также позволяет значительно повысить коэффициент использования несущей способности по критерию прочность. Это позволяет максимально использовать прочностные характеристики стали.
При использовании предлагаемого конструктивного решения возможно использовать любые известные технические решения узловых соединений стержней, а также традиционные для таких конструкций методы монтажа не требующие дополнительных трудовых и материальных затрат.
На примере пространственной системы с габаритами 30×30 метров выполнены сравнительные расчеты, показавшие, что расход стали при использовании в сжатых элементах стержней ступенчато переменного сечения снижается на 7%.