УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ НЕСУЩИХ СТЕРЖНЕЙ ДЛЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ КУПОЛОВ И ДРУГИХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в пространственных каркасах зданий в качестве узла соединения элементов несущих конструкций покрытий зданий и сооружений.
В настоящее время широкое применение для создания пространственных конструкций находят сетчатые пространственные конструкции по системе Фуллера (геодезические купола), которые отличаются малым собственным весом и повышенной жесткостью, при этом экономия конструкционных материалов при их использовании для перекрытия больших полетов составляет до 30-40% по сравнению с другими конструктивными схемами куполов. В то же время, получение пространственной конструкции купола вызывает определенные сложности, так как требует применения узловых соединений со стержневыми элементами повышенной жесткости. Треугольные ячейки, из которых образуется сетка купола, не лежат в одной плоскости и имеют разные комбинации расположения в пространстве, что приводит к разнице действующих нагрузок и крутящих моментов в точках пространственного купола с разным диаметром, что к тому же приводит к сложным инженерным расчетам и снижению технологичности производства.
Известно узловое соединение деревянных и клеедеревянных стержневых элементов пологих сетчатых куполов (патент РФ №2374402, 27.11.2009 г.), включающее центральную деревянную цилиндрическую вставку, к которой подходят торцы стержневых элементов решетки купола, при этом стыкуемые в узле стержневые элементы расположены в фанерной круглой в плане коробке, состоящей из двух половин, у крышек которых уложены стеклопластиковые арматурные сетки, и выполнены с увеличенной высотой в узле и отверстиями для стеклопластиковой трубки, при этом межстержневое узловое пространство заполняется составом на основе эпоксидной смолы с наполнителем. Также для получения узлового соединения используются дополнительные детали: нагели, вставки, штуцеры, планки и т.д., в том числе металлические детали.
Недостатком указанной конструкции является сложность получаемого узлового соединения, которая повышает трудоемкость изготовления, снижает его технологичность и надежность, что приводит к увеличению срока проводимых строительных работ и повышению их общей стоимости. Заполнение межстержневого узлового пространства составом на основе эпоксидной смолы с наполнителем не позволяет получить конструкцию необходимой жесткости, в том числе, по причине зависимости характеристик и параметров указанного состава от климатических и температурных условий применения узлового соединения, а также невозможности учета в данном случае воздействия разных нагрузок при расположении в точках пространственной конструкции купола с разным диаметром.
Известен узел соединения стержневых элементов пространственного каркаса (патент РФ №2570728, 10.12.2015 г.), включающий центральную вставку в форме полого цилиндра и связанные с концами стержневых элементов посредством закрепляемых на их противоположных гранях пластин соединители, включающие каждый П-образную скобу, охватывающую центральную вставку снаружи с наложением полок на торцевые грани цилиндра и фиксируемую размещенным внутри цилиндра стяжным элементом, пропущенным через выполненные в полках этой скобы отверстия, при этом закрепляемые на противоположных гранях стержневого элемента пластины в каждом соединителе связаны между собой поперечиной с образованием дополнительной П-образной скобы, охватывающей конец стержневого элемента, при этом упомянутые П-образные скобы зацеплены друг за друга с размещением поперечины одной скобы в пространстве между полками другой.
Изготовление сложных по конструкции П-образных скоб со скошенными углами и отверстиями требует дополнительных трудозатрат по их изготовлению, а также приводит к необходимости использования других дополнительных элементов, что в целом делает конструкцию узла соединения сложной и недостаточно надежной. При этом не учитывается разная нагрузка на несущие стержни, образующие пространственную конструкцию купола, что в итоге не обеспечивает должную жесткость рассмотренного узла соединения.
Известно узловое соединение стержней пространственного каркаса зданий и сооружений (патент РФ №154891, 10.09.2015 г.), содержащее узловой элемент, выполненный содержащим преимущественно два совмещенных по центральной оси преимущественно цилиндрических элемента, снабженных расположенными по периметру цилиндрической поверхности установочными фасками с резьбовыми отверстиями, в каждое из которых помещен болт, соединенный посредством соединительного элемента со стержнем, при этом соединительный элемент снабжен полостями для установки болтов, при этом соединительный элемент выполнен цельным, образованным преимущественно двумя пластинами и расположенной между ними перемычкой, при этом одна пластина соединена со стержнем, а противоположная пластина снабжена расположенными с ее внешней стороны двумя установочными выступами, каждый из которых снабжен отверстием для установки болта, совмещенными с резьбовыми отверстиями на узловом элементе.
Конструкция приведенного узлового соединения за счет наличия перемычек, полостей, выступов является сложной, что повышает трудоемкость изготовления и срок выполнения строительных работ в целом. При этом, согласно описанию указанного патента, часть элементов конструкции соединяется между собой посредством сварки, что снижает ее надежность. В целом, указанное узловое соединения не учитывает разницу действующих нагрузок и следовательно не обладает достаточной жесткостью для получения устойчивой пространственной конструкции купола или другого пространственного сооружения.
Заявляемое решение позволяет получить узел соединения для создания треугольных ячеек - основы строительства пространственного купола, - которые позволяют обеспечить для несущих стержней пространственной конструкции купола одинаковую равномерную нагрузку, то есть унифицировать их. Данное конструктивное решение разработано на основании качественной оценки уже существующих узловых соединений пространственных стержневых систем (более 50-ти типов) из различных материалов и профилей, применяющихся в последние 50 лет.
Техническим результатом полезной модели является повышение жесткости конструкции за счет обеспечения равнопрочности сечений узла соединения и присоединяемых несущих стержней, образующих пространственную конструкцию купола.
Технический результат достигается при использовании узла соединения стержнеобразных деталей для геодезических куполов и других пространственных сооружений, содержащего неметаллический центральный стержень, состоящий из модульно-блочных элементов с выступами, имеющими соосные отверстия для размещения крепежных элементов, и плоские элементы, в центральной части которых выполнены углубления, расположенные между выступами модульно-блочных элементов.
Модульно-блочные элементы могут быть выполнены цилиндрической формы.
Плоские элементы с углублениями в центральной части имеют отверстия на концах для соединения с несущими стержнями с целью получения пространственной конструкции купола.
Узел соединения также может иметь торцевой фланец, устанавливаемый и закрепляемый сверху и снизу неметаллического центрального стержня из модульно-блочных элементов.
Выполнение центрального стержня из модульно-блочных элементов с выступами и соосными отверстиями, расположение между указанными выступами углублений, выполненных в центральной части плоских элементов, позволяет посредством шпилек с резьбой и крепежом, проходящих через соответствующие соосные отверстия, получить единую цельную конструкцию, обеспечивающую равнопрочность сечений узла соединения и присоединяемых к нему несущих стержней, образующих пространственную конструкцию купола, что позволяет получить надежную и жесткую конструкцию как заявляемого узла соединения, так и всего купола в целом. Выполнение центрального стержня неметаллическим позволяет облегчить вес узла соединения, снизив, таким образом, вероятность возникновения дополнительной нагрузки и крутящих моментов на несущие стержни в точках пространственного купола с разным диаметром, что также способствует повышению жесткости конструкции.
В итоге, заявляемое решение позволяет получить простую надежную конструкцию узла соединения без использования сварки, которая обеспечивает необходимую жесткость. Также конструкция узла соединения позволяет получить унифицированные типовые несущие стержни для формирования треугольных ячеек, имеющих одинаковые линейные размеры по всей высоте пространственной конструкции, что снижает трудоемкость проектных инженерных работ и повышает темпы строительства в целом.
На фиг. 1 изображен узел соединения в разобранном виде, на фиг. 2 - узел соединения в собранном виде, на фиг. 3 - узел соединения при соединении со стержнями пространственного каркаса, на фиг. 4 - расположение узла соединения в пространственном каркасе.
Узел соединения 1 стержнеобразных деталей для геодезических куполов и других пространственных сооружений содержит неметаллический центральный стержень 2, состоящий из модульно-блочных элементов 3 с выступами 4, имеющими соосные отверстия 5, плоские элементы 6, в центральной части которых выполнены углубления 7, расположенные между выступами 4 модульно-блочных элементов 3. Плоские элементы 6 имеют отверстия 8 на концах для соединения с несущими стержнями 9 с целью получения пространственной конструкции купола 10. Узел соединения 1 также может иметь торцевой фланец 11, устанавливаемый и закрепляемый сверху и снизу неметаллического центрального стержня 2 из модульно-блочных элементов 3.
Модульно-блочный элемент 3 представляет собой элемент цилиндрической формы, имеющий основание 12, с одной стороны которого выполнены выступы с соосными отверстиями, расположенные в форме двух полукругов, с другой стороны - одиночные выступы с соосными отверстиями и выступ с отверстиями в форме полукруга. Между выступами 4 с отверстиями 5, расположенными на каждой из сторон основания имеются промежутки (фиг. 1).
Плоские элементы 6 представляют собой пластины, имеющие углубления 7 прямоугольной формы, выполненные в центральной части указанных пластин сверху и снизу. Плоские элементы 6, закрепляемые на узле соединения 1 сверху и снизу имеют углубления 7 в центральной части, выполненные только с одной стороны. На концах пластин имеются отверстия 8 для установки стержней 9 пространственного купола 10 посредством болтов, винтов и т.д. (фиг. 1).
Сборка узла соединения 1 происходит следующим образом.
Неметаллический центральный стержень 2 образуется за счет расположения в одну линию модульно-блочных элементов 3 и размещения между ними углублений 7, выполненных в центральной части плоских элементов 6. При этом модульно-блочные элементы 3 соединяются друг с другом сторонами оснований 12 с идентичными выступами 4. Для получения вертикально расположенного стержня основания модульно-блочных элементов 3 должны быть расположены горизонтально. В промежутках, расположенных между одиночными выступами 4 с отверстиями 5 и выступом с отверстиями в форме полукруга, размещаются углубления 7 двух скрещенных вертикально ориентированных плоских пластин 6; в промежутках, между выступами 4 с отверстиями 5 в форме полукруга размещается углубление 7 одиночной вертикально ориентированной плоской пластины 6. Крайние плоские пластины 6, обрамляющие образованный неметаллический центральный стержень 2, имеют углубление 7 только с одной стороны, которое вставляется в промежутки соответствующих модульно-блочных элементов 3. Части плоских пластин 6 с углублениями 7 после формирования неметаллического центрального стержня 2 образуют «лепестки» (фиг. 1, 2).
Высота собранного узла соединения 1 выбирается таким образом, чтобы возможным было дополнительно с торцов узла соединения 1 установить торцевые фланцы 11 из пластин клееной древесины, обеспечивающие конструктивную защиту всего узла соединения, что необходимо для повышения общей пожарной устойчивости до значений, требуемых для клееной древесины (К0 (45)).
Через соосные отверстия 5 выступов 4 всех модульно-блочных элементов 3 узла соединения 1 пропускается шпилька с резьбой и соответствующим крепежом, которая позволяет воедино соединить все детали и получить единую цельную конструкцию (фиг. 3).
В несущих стержнях 9 сетчатого каркаса пространственного купола 10 выполняются прорези для установки и закрепления в них «лепестков», образованных плоскими пластинами 6 при формировании неметаллического центрального стержня 2 (фиг. 3).
Основным конструктивным материалом несущих стержневых элементов каркасов пространственных конструкций является клееная древесина.
Таким образом, формируется узел соединения 1, способный воспринимать не только сжимающие и растягивающие усилия, но и поперечные и изгибающие моменты, возникающие в элементах пространственной конструкции купола 10 (несущих стержнях 9) при внешней нагрузке. Конструкция узла соединения 1 позволяет получить геометрически неизменяемые треугольные ячейки, которые образуют жесткое унифицированное несущее покрытие, передающее равномерную нагрузку в любой точке пространственной конструкции купола 10, что, в свою очередь, позволяет применить заявляемый узел соединения 1 для пространственных покрытий по системе Фуллера.
Использование плоских пластин с углублениями с возможностью их присоединения к центральной части элемента соединения как снизу, так и сверху, позволяет создавать многопоясные двух- и трехслойные структурные пространственные оболочки практически любой архитектурной формы с заданным радиусом кривизны, что также является преимуществом заявленной конструкции.
Узел соединения не имеет сварных металлических элементов, что делает его более надежным при эксплуатации.
Решение также отличается четкостью расчетной схемы и передачи воспринимаемых усилий деталями конструкции, технологичностью и простотой индустриального и поточного изготовления, эксплуатационной надежностью и ремонтопригодностью, простотой конструкции и сборки при монтаже стержневых элементов несущего каркаса пространственной конструкции купола.