РАСКОСНАЯ РЕШЕТКА СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ РАСКОСАМИ Y-ОБРАЗНОЙ ИЛИ Ψ-ОБРАЗНОЙ ФОРМЫ
BRACING LATTICE OF ROD STRUCTURES WITH ADDITIONAL Y-SHAPED OR Ψ-SHAPED BRACES

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в стержневых конструкциях покрытий (перекрытий) зданий и сооружений различного назначения.
Известны стержневые конструкции (фермы), поддерживающие прогоны кровельного ограждения или балки настила, в раскосной решетке которых раскосы (наиболее длинные элементы) являются растянутыми, а стойки - сжатыми. Применять такие конструкции целесообразно при малой высоте ферм, а также тогда, когда по стойкам передаются значительные усилия (при большой узловой нагрузке) [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учебник вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С. 420-421, рис. 7.6, г; 2. Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - С. 264, 268, рис. 9.7, г]. Однако раскосная решетка более трудоемка, чем треугольная, и требует большего расхода конструкционного материала.
Не менее известны стержневые конструкции (фермы), поддерживающие прогоны кровельного ограждения или балки настила, к треугольной решетке которых часто добавляют дополнительные стойки, позволяющие при необходимости сокращать расстояния между узлами. Эти стойки получаются сравнительно легкими, так как работают только на местную нагрузку и не участвуют в передаче на опору поперечной силы. Они целесообразны также для уменьшения расчетной длины сжатого пояса [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учебник для вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С. 419-421, рис. 7.5, в, г; 2. Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - С. 263, 268-269, рис. 9.6, в, г]. Недостатком такого технического решения является наличие длинных сжатых стержневых элементов поясов и решетки, что сопровождается дополнительным расходом конструкционного материала для обеспечения их устойчивости.
Известны также стержневые конструкции (фермы) с параллельными поясами, треугольная решетка которых снабжена дополнительными стойками и полустойками. Каждая из этих полустоек одним концом прикреплена к раскосу, а другим концом - к нижнему поясу, что способствует снижению расхода конструкционного материала за счет уменьшения расчетной длины раскосных стержней решетки [Беккер Г.Н. Ферма с параллельными поясами. - Авторское свидетельство №781293, 23.11.1980, бюл. №43]. Недостаток этого технического решения заключается в том, что дополнительные полустойки (в отличие от дополнительных стоек) не работают на местную нагрузку и выполняют функции связевых элементов только в плоскости решетки, не влияя на расчетную длину раскосных стержней из плоскости решетки.
Еще одно известное техническое решение представляет собой арочно-вантовое комбинированное покрытие, включающее арочный верхний пояс, провисающую ломаную затяжку и объединяющие их элементы в виде Y-образных стоек. Все узловые сопряжения стержневых элементов выполнены без использования шарниров, а расстояния между ними имеют определенные соотношения друг с другом и пролетом конструкции [Еремеев П.Г., Киселев Д.Б., Павлинов В.В. Арочно-вантовое комбинированное покрытие. - Патент №2396396, 10.08.2010, бюл. №22]. Для обеспечения геометрической неизменяемости комбинированного покрытия его стержневые элементы, а также их узловые соединения должны обладать необходимой жесткостью на изгиб, что увеличивает расход конструкционного материала.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой раскосной решетке с дополнительными раскосами Y-образной или Ψ-образной формы является раскосная решетка, включающая в свой состав основные раскосы и стойки, а также дополнительные парные раскосы V-образной формы. Верхние узловые соединения V-образных раскосов делят панели верхнего пояса на три составные части, а нижние узловые соединения этих же раскосов совмещены с узловыми соединениями нижнего пояса и стержней решетки, то есть основных раскосов и стоек [Киселев В.А. Строительная механика: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1976. - С. 107, рис. 103, б]. Такую решетку используют при внеузловом приложении к верхнему поясу сосредоточенных нагрузок, а также при необходимости уменьшения расчетной длины сжатого пояса. Она более трудоемка, чем раскосная решетка, однако в результате исключения работы сжатого пояса на изгиб и сокращения его расчетной длины обеспечивает некоторое снижение расхода конструкционного материала. Недостатком принятого прототипа является протяженность сжатых V-образных раскосов, а также сложность их узловых соединений с нижним поясом и стержнями решетки (основными раскосами и стойками), что вызывает дополнительные трудозатраты и расход конструкционного материала.
Техническим результатом предлагаемого решения является укорочение дополнительных стержней раскосной решетки, упрощение их узловых соединений с нижним поясом, основными раскосами и стойками, а также сокращение трудозатрат и расхода конструкционного материала.
Указанный технический результат достигается тем, что раскосная решетка стержневых конструкций помимо верхнего (сжатого или сжато-изгибаемого) и нижнего (растянутого) поясов, основных раскосов и стоек снабжена также дополнительными раскосами, имеющими Y-образную или Ψ-образную форму. Верхние элементы дополнительных раскосов одним концом соединены с верхним поясом, а другим концом оперты на нижние элементы тех же раскосов. Верхние узловые соединения верхних элементов делят панели верхнего пояса на составные части, а нижние узловые соединения нижних элементов совмещены с узловыми соединениями нижних поясов и стержней решетки (основных раскосов и стоек).
Предлагаемое техническое решение достаточно универсально. В нем дополнительные раскосы Y-образной или Ψ-образной формы обладают двойным функциональным назначением. Работая на местную нагрузку, они не участвуют в передаче на опору поперечной силы. Вместе с тем, как связевые элементы, они уменьшают расчетную длину сжатого пояса. Аналогичная эффективность применительно к прототипу достижима в результате совместной работы дополнительных парных раскосов, протяженность которых обеспечивает их соединение с верхним и нижним поясами. Здесь очевидно, что в предлагаемом решении уменьшаются протяженности дополнительных стержней раскосной решетки и упрощаются их узловые соединения с нижним поясом. Универсальность этого решения обеспечивает его применение в беспрогонных покрытиях, стержневые конструкции (фермы) которых могут быть с параллельными поясами, трапецеидальными, треугольными.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показана схема раскосной решетки стержневой конструкции с параллельными поясами и дополнительными раскосами Y-образной формы; на фиг. 2 - схема раскосной решетки стержневой конструкции с параллельными поясами и дополнительными раскосами Ψ-образной формы; на фиг. 3 приведена схема раскосной решетки стержневой конструкции трапецеидального очертания с дополнительными раскосами Y-образной формы; на фиг. 4 - схема раскосной решетки стержневой конструкции трапецеидального очертания с дополнительными раскосами Ψ-образной формы; на фиг. 5 представлена схема раскосной решетки стержневой конструкции треугольного очертания с дополнительными раскосами Y-образной формы; на фиг. 6 - схема раскосной решетки стержневой конструкции треугольного очертания с дополнительными раскосами Ψ-образной формы.
В одном случае предлагаемая раскосная решетка стержневых конструкций включает верхний сжатый или сжато-изгибаемый пояс 1, нижний растянутый пояс 2, раскосы 3, стойки 4 и Y-образные раскосы 5. Одним своим концом верхние элементы Y-образных раскосов 5 соединены с панелями верхнего пояса 1, а другим концом оперты на нижние элементы тех же Y-образных раскосов 5. Верхние узловые соединения верхних элементов Y-образных раскосов 5 делят панели верхнего пояса 1 на две составные части. Нижние узловые соединения нижних элементов Y-образных раскосов 5 совмещены с узловыми соединениями нижних поясов 2 и стержней решетки (основных раскосов 3 и стоек 4).
В другом случае предлагаемая раскосная решетка стержневых конструкций включает верхний сжатый или сжато-изгибаемый пояс 1, нижний растянутый пояс 2, раскосы 3, стойки 4 и Ψ-образные раскосы 6. Одним своим концом верхние элементы Ψ-образных раскосов 6 соединены с панелями верхнего пояса 1, а другим концом оперты на нижние элементы тех же Ψ-образных раскосов 6. Верхние узловые соединения верхних элементов Ψ-образных раскосов 6 делят панели верхнего пояса 1 на три составные части. Нижние узловые соединения нижних элементов Ψ-образных раскосов 6 совмещены с узловыми соединениями нижних поясов 2 и стержней решетки (основных раскосов 3 и стоек 4).
Для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известными в качестве базового объекта принята стержневая конструкция (ферма) беспрогонного покрытия из замкнутых гнутосварных профилей (профильных труб) прямоугольного сечения по ГОСТ Р 54157-2010 «Сортамент труб стальных профильных для металлоконструкций», где решетка принималась:
1. раскосной; 2. раскосной с шпренгельными элементами; 3. раскосной с одиночными дополнительными раскосами; 4. раскосной с парами дополнительных раскосов V-образного очертания - известные решения; 5. раскосной с дополнительными Y-образными раскосами; 6. раскосной с дополнительными Ψ-образными раскосами - предлагаемое решение.
При этом общие для всех вариантов исходные данные составили:
1. пролет фермы l=20 м, высота h=2 м (h/l=1/10), угол наклона раскосов относительно вертикали α=arccos(2000/3888)=59,07°;
2. расчетная нагрузка q=1280 кгс/м;
y
2
3. расчетное сопротивление конструкционного материала R=2100 кгс/см;
4. узловые соединения стержней решетки и поясов выполнены бесфасоночными, с учетом недопущения продавливания или выдергивания (0,6≤b/В, где b - ширина сечения стержня решетки, В - ширина сечения пояса);
min
5. минимальная толщина стенок стержней решетки и поясов t=3 мм.
Как видно из таблицы, минимальным расходом конструкционного материала (стали) отличается предлагаемое решение с Y-образными раскосами, а предлагаемое решение с Ψ-образными раскосами позволяет унифицировать верхний (сжато-изгибаемый) и нижний (растянутый) пояса, применив для их изготовления один и тот же типоразмер поперечного сечения.
Отмеченная унификация верхнего и нижнего поясов стержневой конструкции (фермы) по предлагаемому решению с Y-образными раскосами имеет место при прочих равных условиях в прогонном покрытии, где верхний пояс сжат без локального (местного) изгиба.
Таким образом, новое (предлагаемое) техническое решение обеспечивает укорочение дополнительных стержней раскосной решетки, упрощение узловых соединений нижнего пояса, уменьшение расчетных длин сжатых элементов, что сопровождается сокращением трудозатрат и расхода конструкционного материала.