КУПОЛ
DOME

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве промышленных, гражданских, сельскохозяйственных и складских сооружений.
Специалисты утверждают, что купольные дома с деревянным каркасом и обшивкой являются идеальным вариантом для России, имеющей достаточно суровый климат. Эта не имеющая несущих стен конструкция обладает уникальной мощностью и устойчивостью, геометрическая симметрия форм повышает прочность конструкции.
Основные преимущества купольного дома:
- сфера является наилучшей формой дома при ветровых и снеговых нагрузках;
- сфера имеет наибольший объем при наименьшей площади поверхности;
- минимальны материалоемкость, трудоемкость и время создания сферы.
Круглый в плане дом дает следующую экономию:
- 20% - на использовании строительных материалов при строительстве;
- 40% - на строительных работах;
- 60% - на эксплуатации.
2
Конструкция очень надежна и долговечна, так как «держит сама себя», а нагрузка на материал при этом минимальная. Прочность древесины при статическом изгибе по величине занимает промежуточное положение между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и может быть в среднем для разных пород принята равной около 900 кГ/см. Если прочность при сжатии вдоль волокон принять за единицу, прочность при статическом изгибе будет выше примерно в 2 раза, а прочность при растяжении вдоль волокон - выше в 2,7 раза.
Известно купольное покрытие, содержащее меридиональные арочные элементы (ребра), закрепленные одними концами шарнирно к центральному опорному контуру, а другими - к опорным элементам, установленным по периметру покрытия. Меридиональные арочные элементы выполнены составными из шарнирно соединенных частей (несущих элементов). В местах соединения этих частей пропущены горизонтальные кольцевые несущие ванты (аналог - авт. свид. СССР №953130; МПК 5 Е04В 7/08, 1982 г.).
Недостатком данной конструкции купольного покрытия является относительно невысокая жесткость системы вантовых колец, в условиях несимметричных горизонтальных нагрузок. Это приводит к тому, что конструкция имеет малую несущую способность.
Известен также ребристый купол, содержащий нижнее и коньковое опорные кольца, соединенные с ними и имеющие оголовки деревоклеенные радиальные ребра, одни концы которых прикреплены шарнирно к нижнему опорному кольцу, и прогоны. Противолежащие ребра купола объединены в двухшарнирные арки или рамы (аналог - авт. свид. СССР №1106880; МКП 5 Е04В 1/32, Е04В 7/08, 1984 г.). В данной конструкции образована неизменяемая перекрестная система ребер, а коньковое кольцо является частью арки и воспринимает часть изгибающей нагрузки.
Недостатком известного ребристого купола является высокая материалоемкость.
Известен ребристый купол, содержащий составные меридиональные арочные ребра, выполненные из шарнирно соединенных между собой несущих элементов, шарнирно закрепленные верхними концами к центральному опорному элементу, а нижними - к опорным элементам основания, равномерно расположенным по периметру купола. Купол снабжен горизонтальными кольцевыми несущими элементами, закрепленными к меридиональным арочным ребрам в местах соединений образующих их несущих элементов. Купол снабжен дополнительными элементами жесткости. Кольцевые несущие элементы выполнены из жестких прогонов, образующих в каждом из секторов купола с несущими элементами меридиональных арочных ребер жесткие трапециевидные и верхнюю треугольную секции. Дополнительные элементы жесткости размещены в трапециевидных секциях купола в шахматном порядке и выполнены, каждый, в виде четырехугольника из стержней, жестко закрепленного вершинами в серединах несущих элементов, образующих стороны трапеции. Все несущие и дополнительные элементы жесткости выполнены деревянными. Несущие элементы меридиональных арочных ребер выполнены одинаковой длины (см. патент RU №2298618, МПК Е04В 7/08, Е04В 1/32 (2106.01), 2007 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком конструкции является высокая материалоемкость и сложность монтажа.
Задача изобретения - снизить материалоемкость и упростить монтаж купола без потери несущей способности.
Для решения поставленной задачи купол, содержащий составные меридиональные арочные ребра, выполненные из состыкованных торцами под углом друг к другу элементов, облицовку купола, жестко скрепленную с каркасом, при этом меридиональные арочные ребра скреплены верхними концами с центральным опорным элементом, а нижними - с опорным элементом основания и равномерно расположены по периметру купола, горизонтальные прогоны скреплены с меридиональными арочными ребрами, все элементы каркаса купола выполнены деревянными, согласно изобретению состыкованные элементы арочных ребер соединены внахлест по вырезанным торцам и скреплены нагелями, на свободные концы которых надеты концы горизонтальных прогонов, центральный опорный элемент выполнен в виде диска, а нижний ярус горизонтальных прогонов надет на нагели, установленные в отверстия нижних элементов меридиональных арочных ребер.
На верхних концах элементов меридиональных арочных ребер, соединенных с центральным опорным элементом выполнены пазы, в которых установлен диск центрального опорного элемента.
Вырезанные торцы элементов меридиональных арочных ребер имеют выступы и впадины, ответные впадинам и выступам, выполненным по кривой линии на смещенных торцевых гранях каждого из соединяемых элементов, а нагели расположены в центральной зоне соединения.
Нагель выполнен продолговатым в поперечном сечении и имеет толщину поперечного сечения h, по крайней мере, равную толщине поперечного сечения Н соединяемых элементов.
Технический результат, достигаемый при использовании всех существенных признаков заявляемого решение, заключается в повышении прочности и надежности как соединений элементов каркаса, так и конструкции купола в целом и обеспечении достаточной несущей способности конструкции купола даже при неравномерном распределении действующей на поверхность купола нагрузки. Кроме того, упрощается монтаж элементов конструкции и самого каркаса купола, а также снижается материалоемкость купола.
Из теории «Сопротивления материалов» известно, что при вертикальном расположении узлов соединения (например, для стропил) основную нагрузку воспринимает ее внешняя, периферийная часть. В предлагаемом решении усиленный нагель, расположенный в зоне соединения элементов меридиональных арочных ребер, является элементом, воспринимающим в куполе основные нагрузки на изгиб и растяжение, повышая прочность и надежность соединения. Соединение элементов меридиональных арочных ребер внахлест по вырезанным торцам с выполненными на торцах выступами и впадинами, ответными впадинам и выступам, выполненным по кривой линии на смещенных торцевых гранях, позволяет препятствовать повороту соединяемых элементов относительно друг друга, что обеспечивает повышение прочности и надежности соединения, а также упрощает сборку элементов арочных ребер купола.
Соединение горизонтальных прогонов с элементами арочных ребер через нагели, на свободные концы которых надеты концы горизонтальных прогонов, значительно упрощает сборку всего каркаса и при этом обеспечивает повышенную жесткость конструкции. Такое соединение обеспечивает формирование кольцевых несущих поясов в куполе, повышающих жесткость конструкции, воспринимающих нормальные усилия, возникающие в них при общей работе купола. При этом наличие нескольких таких поясов по высоте купола обеспечивает жесткость купола. Точное изготовление элементов арочных ребер гарантирует легкость сборки каркаса и плотное схождение элементов меридиональных арочных ребер и плоскостей граней в вершинах.
Окончательную монолитность всей конструкции обеспечивает обшивка.
Выполнение на верхних концах элементов меридиональных арочных ребер, соединенных с центральным опорным элементом пазов, в которых установлен диск центрального опорного элемента, обеспечивает уменьшение трудоемкости сборки, при этом наличие облицовки купола, жестко скрепленной с каркасом, обеспечивает надлежащую жесткость купола.
Фиг. 1 - общий вид каркаса купола;
Фиг. 2 - купол с частично обшитым каркасом;
Фиг. 3 - элементы меридиональных арочных ребер (нижний, средний, верхний);
Фиг. 4 - узел соединения меридиональных арочных ребер с центральным опорным элементом;
Фиг. 5 - узел соединения элементов меридиональных арочных ребер между собой;
Фиг. 6 - сечение А-А фиг. 5;
Фиг. 7 - узел соединения горизонтальных прогонов с меридиональными арочными ребрами.
На чертежах позициями обозначены:
- меридиональные арочные ребра 1,
- элементы арочных ребер 2, 2-1, 2-2, 2-n,
- облицовка 3 купола,
- центральный опорный элемент 4, выполненный в виде диска,
- опорный элемент 5 основания,
- горизонтальные прогоны 6,
- нагель 7.
Элементы 2 арочных ребер 1, горизонтальные прогоны 6, соединительные элементы - нагели 7 и центральный опорный элемент 5, образующие каркас купола, выполнены деревянными. Купол содержит равномерно расположенные по периметру купола составные меридиональные арочные ребра 1, выполненные из состыкованных торцами 8 под углом друг к другу элементов 2 (см. фиг. 1, 2). Длина элементов 2 каждого яруса 9 купола одинакова. Состыкованные элементы 2 арочных ребер соединены внахлест по вырезанным торцам 8 и скреплены нагелями 7 (см. фиг. 5). Вырезанные торцы 8 элементов 2 меридиональных арочных ребер имеют выступы 10 и впадины 11, выполненные по кривой линии и ответные впадинам 12 и выступам 13, выполненным на смещенных торцевых гранях 14 каждого из соединяемых элементов 2. Ответные выступы 13 и впадины 12 также выполнены по кривой линии (см. фиг. 3).
Нагели 7 расположены в центральной зоне соединения элементов 2.
На верхних концах 15 элементов 2 меридиональных арочных ребер 1 верхнего яруса купола выполнены пазы 16, в которых установлен центральный опорный элемент 4, выполненный в виде диска (см. фиг. 4).
Нижние концы 17 элементов 2 меридиональных арочных ребер 1 нижнего яруса купола соединены с опорными элементами 5 основания. Опорные элементы 5 могут быть выполнены в виде свай, ленточного или монолитного фундамента и иных видов фундаментов. В нижних концах 17 каждого элемента 2 меридиональных арочных ребер 1 выполнены отверстия 18, в которые установлены нагели 7.
Горизонтальные прогоны 6 скреплены с меридиональными арочными ребрами 1 посредством того, что на концах 19 каждого горизонтального прогона 6 выполнены пазы 20, которые надеты на свободные концы 21 нагелей 7.
Горизонтальные прогоны 6 расположены по обе стороны каждого из меридиональных арочных ребер 1 так, что составляют в плане концентрично расположенные кольца.
Нагель 7 расположен в центральной зоне узла соединения элементов 2 и установлен в отверстиях 22, 23, выполненных в соответствующей зоне вырезанных торцевых частей элементов 2. Отверстия 22, 23 расположены таким образом, чтобы при соединении элементов 2 в узел выступы 10 и впадины 11 торцев 8, каждого элемента 2, совпали с соответствующей впадиной 12 и выступом 13 смещенных торцевых граней 14 другого элемента.
Нагель 7 и соответствующие отверстия 22, 23 выполнены продолговатыми в поперечном сечении и имеют толщину поперечного сечения h, по крайней мере, равную толщине поперечного сечения Н соединяемых элементов 2 (см. фиг. 5, 6).
В качестве материала нагеля возможно, как вариант, использование древесины бука влажностью ниже влажности сращиваемых отрезков. Достигая эксплуатационной влажности (впитывая влагу из соседних элементов), нагель разбухает, исключая зазоры в соединении, увеличивая тем самым прочность стыка.
Сборка купола осуществляется с нижнего яруса.
Предварительно подготавливают опорные элементы 5 основания, например, в виде свай, ленточного или монолитного фундамента и иных видов фундаментов.
Устанавливают элемент 2-1 нижнего яруса меридиональных арочных ребер 1 и скрепляют их с опорными элементами 5. В отверстия 18, выполненные в нижних концах 17 каждого элемента 2-1 меридиональных арочных ребер 1 нижнего яруса купола, устанавливают нагели 7. На свободные концы 21 нагелей 7 надевают пазами 20 нижний ярус горизонтальных прогонов 6, скрепляя их с нижним ярусом меридиональных арочных ребер 1.
После завершения сборки нижнего яруса, по крайней мере, три секции каркаса нижнего яруса зашивают облицовкой 3 купола.
Далее поочередно производят соединение элементов 2 в узел (см. фиг. 5) с образованием меридиональных арочных ребер последующего яруса каркаса купола.
1. В отверстие 23 вырезанного торца 8 установленного нижнего элемента 2-1 нижнего яруса вбивают нагель 7.
2. Через отверстие 22, выполненное в вырезанном торце 8 элемента 2-2, насаживают данный элемент второго яруса на нагель 7, обращая его вырезанным торцом 8 к элементу 2-1 первого яруса.
3. С помощью деревянного молотка добиваются плотной посадки элементов друг относительно друга, получая соединение элементов 2 внахлест.
4. При сборке совмещают выступы 10 и впадины 11, выполненные по кривой линии вырезанного торца 8 элементов 2-1, 2-2 меридиональных арочных ребер с ответными впадинами 12 и выступами 13, выполненными на смещенных торцевых гранях 14 каждого из соединяемых элементов 2.
После сборки в узел элементов соседних меридиональных арочных ребер 1, между ними на свободные концы 21 нагелей 7 надевают пазами 20 следующий ярус горизонтальных прогонов 6, скрепляя их с данным возводимым ярусом меридиональных арочных ребер 1 (см. фиг. 7).
После завершения сборки яруса три секции каркаса данного яруса зашивают облицовкой 3 купола.
Последовательно собирают все ярусы купола. При сборке для устойчивости каркаса необходимо обшить как минимум три секции каждого яруса, а затем собирать следующий.
Последовательность сборки верхнего яруса:
1. Производят соединение противолежащих элементов 2-n в узел, как описано выше.
2. В пазы 16, выполненные на верхних концах 15 элементов 2-n меридиональных арочных ребер 1 верхнего яруса купола, устанавливают центральный опорный элемент 4, выполненный в виде диска.
3. Собирают в узел следующие два противолежащих элемента 2-n, расположенные под углом 45° по отношению к собранным, и повторяют операцию 2, описанную выше.
4. Последовательно собирают в узлы все элементы 2-n и соединяют их с опорным элементом 4.
5. На свободные концы 21 нагелей 7 надевают пазами 20 последний ярус горизонтальных прогонов 6, скрепляя их с верхним ярусом меридиональных арочных ребер 1.
При необходимости, например постройке многоэтажного купольного дома, возможно усиление мест состыковок брусьев известными способами: накладками, уголками, шурупами и прочее.
После сборки каркаса зашивают обшивкой 3 секции каркаса в соответствии с планировкой, оставляя свободные секции под окна и двери.
При испытаниях купола, выполненного согласно заявляемому изобретению, был получен следующий технический результат:
- повышается жесткость и надежность собранного купола (купольного дома или крыши) при упрощении и ускорении сборки.
Не образуется точек повреждения деревянных элементов металлическим крепежом, вызывающих гнилостные процессы в деревянных элементах под воздействием погодных условий.
Изготовление элементов заявляемого купола может быть осуществлено с применением известного деревообрабатывающего оборудования.
Заявленное изобретение может быть использовано в строительстве домов, покрытии крыш, бань, купольных сооружений и т.п.