УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО КАРКАСА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК E04B1/58 E04B1/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при сооружении пространственных каркасов различных сводчатых конструкций, преимущественно геодезических куполов.

Уровень техники

Известен узел соединения стержневых элементов геодезического купола, включающий узловую вставку в форме усеченного конуса с радиально отходящими от него парами параллельных пластин, жестко закрепленных друг относительно друга, при этом пластины каждой пары выполнены охватывающими с двух сторон конец стержневого элемента, а именно деревянного бруса прямоугольного поперечного сечения, и скреплены с ним болтовым соединением (см. патент US 4370073, МПК F16D 1/00, опубл. 25.01.83 г.). Недостатком конструкции узла соединения по патенту US 4370073 является то, что положения параллельных пластин этого узла строго предопределены требуемой ориентацией в этом каркасе стержневых элементов и, следовательно, такой узел требует высокой точности его изготовления и при этом привязан к конкретной конструкции каркаса. Незначительный перекос пластин одного узла приведет к невозможности сборки стержней в узлах, скрепляющих другие концы этих стержней, а жесткая связь пластин с узловой вставкой исключает какие-либо регулировки взаимоположения этой вставки и соединяемых с ней стержней.

Известен узел соединения стержневых элементов геодезического купола (см. патент US 4262461, МПК E04B 1/32, опубл. 21.04.81 г.), включающий центральную вставку в виде цилиндрической гильзы с отверстиями по периметру цилиндрической поверхности и закрепленные на концах стержневых элементов соединители в виде П-образных скоб, соединенных полками с противолежащими сторонами соответствующего стержневого элемента, преимущественно деревянного бруса. При этом в поперечине П-образной скобы, соединяющей ее полки, сформированы выступы-проушины, вставляемые в отверстия цилиндрической гильзы и закрепляемые относительно нее посредством устанавливаемых в проушины штифтов.

Существенным недостатком этого аналога, как и предыдущего, является невозможность самоустановки положения стержневых элементов, т.е. брусьев каркаса в процессе сборки. В результате чего несоблюдение углов между брусьями из-за неточности в геометрии конструктивных элементов узла соединения, в частности в расположении соединительных отверстий, может привести к перекосам конструкции в целом.

Известны устройства, в которых эту проблему решают за счет выполнения отверстий в центральной вставке овально-вытянутыми, либо за счет выполнения по периметру цилиндрической узловой вставки ряда отверстий или пазов, обеспечивающих вариантность установки и возможность корректировки положения стержневых элементов (см. патент SU 613042, МПК E04B 1/58, опубл. 30.06.78, патент ЕР 1640520, МПК E04B 1/32, опубл. 29.03.2006 г.). Однако такие конструкции предопределяют необходимость дополнительных операций при сборке каркаса.

Известно узловое соединение стержней пространственного каркаса (см. патент RU 2416006, МПК E04B 1/58, опубл. 10.04.2011), в котором на конце каждого стержня сформирован поперечный паз, зацепляемый по типу крюка за край центральной вставки, выполненной в виде полого цилиндра. Для устранения неточностей углов между стержнями после сборки конструкцию встряхивают, в результате чего стержни, свободно посаженные на кольцо, занимают положение, соответствующее наиболее равномерному распределению нагрузок и устойчивому положению каркаса в целом. После этого осуществляют жесткую фиксацию стержней относительно центральной узловой вставки посредством сварки. Однако такое решение может быть использовано только для небольших каркасов, выполненных из металлических стержней.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для обоих вариантов заявляемого изобретения выбрано техническое решение устройства соединения стержневых элементов пространственного каркаса, раскрытое в патенте US 4365910, МПК F16D 1/00, опубл. 28.12.1982 г., характеризующееся наибольшим количеством конструктивных признаков, совпадающих с существенными конструктивными признаками заявляемого решения.

Признаками ближайшего аналога, совпадающими с признаками предлагаемого технического решения, являются следующие: наличие узловой (центральной) вставки в форме полого укороченного цилиндра и наличие соединителей, включающих каждый П-образную скобу, которая охватывает узловую вставку снаружи с наложением полок скобы на торцевые грани цилиндра. Соединители зафиксированы относительно узловой вставки посредством стяжных болтов, размещенных внутри цилиндра и пропущенных через соосные отверстия в полках П-образной скобы. При этом в конструкции прототипа каждый соединитель включает соединенные с П-образной скобой посредством сварки параллельные между собой пластины, закрепленные на противолежащих гранях концевой части соответствующего стержневого элемента.

Одним из недостатков ближайшего аналога является необходимость использования сварки, требующей наличия специального оборудования, а также огранивающей возможность изготовления соединителей только из свариваемых материалов, что не позволяет использовать предварительно оцинкованные либо иным образом покрытые детали. Сварной шов деталей соединителя не обеспечивает необходимой надежности и долговечности работы этого узла. Кроме того, конструкция узла соединения, принятого за прототип, позволяет при сборке каркаса регулировать и изменять положения стержневых элементов в плоскости, лежащей перпендикулярно оси цилиндрической узловой вставки. Однако изменение и регулировка угла наклона стержневых элементов в других направления невозможна в связи с жестким соединением между собой П-образной скобы, связанной с узловой вставкой, и закрепляемых на брусе пластин.

Раскрытие изобретения

Заявляемые варианты изобретения направлены на создание узла соединения стержневых элементов пространственного каркаса, позволяющего при его сборке устанавливаться этим стержневым элементам в положение их равновесия и наибольшей устойчивости, без перекосов, за счет максимального количества степеней свободы в узле соединения и исключения касательных напряжений в зоне сопряжения его деталей, при этом заявляемое техническое решение обеспечивает возможность каждому стержневому элементу в процессе сборки каркаса «самоустанавливаться» относительно своего узла соединения с учетом положения других узлов соединения и других стержневых элементов. Кроме того, по сравнению с прототипом одновременно с вышеуказанным техническим результатом достигается повышение надежности конструкции узла соединения, долговечности его работы, упрощение процессов изготовления узла соединения и процессов сборки каркаса в целом.

Решение технической задачи и достижение упомянутых положительных результатов стали возможными благодаря тому, что в узле соединения стержневых элементов пространственного каркаса, содержащем центральную вставку в форме полого укороченного 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, согласно первому варианту заявляемого изобретения 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.

Отличием предлагаемого технического решения от известных аналогов, в том числе прототипа, является то, что соединение конца стержневого элемента с центральной вставкой осуществляется посредством двух П-образных деталей (П-образных скоб), свободно сцепленных между собой поперечинами так, что поперечина одной П-образной скобы находится в пространстве между полками другой П-образной скобы, и наоборот, при этом полки этих скоб направлены в противоположные стороны, размещены в перпендикулярных плоскостях и одна П-образная скоба своими полками скреплена с концом стержневого элемента, а вторая П-образная скоба зафиксирована на центральной вставке с наложением своих полок на торцы ее цилиндрической поверхности.

Такое соединение П-образных деталей является разъемным, между ними отсутствует жесткая связь, что обеспечивает возможность независимого перемещения (смещения) каждого устанавливаемого стержневого элемента в пространстве в любом направлении. Величина такого перемещения достаточна для регулирования углов между стержнями. Причем в процессе сборки каркаса заявляемая конструкция узла соединения позволяет П-образную скобу, охватывающую центральную вставку, зафиксировать не полностью, обеспечивая, таким образом, возможность «самоустановки» всех стержневых элементов собранного каркаса, и только после принятия ими устойчивого положения затянуть стяжные элементы узлов соединения до полной их фиксации.

Стержневой элемент может быть установлен с упором его торца в соединенные между собой своими плоскостями поперечины П-образных скоб, что обеспечивает передачу продольной, относительно стержня, нагрузки на центральную вставку без воздействия на промежуточные детали узла. Поскольку на центральную вставку воздействуют все радиально расположенные стержневые элементы, имеет место оптимальное уравновешивание нагрузки, действующей на узел соединения, причем нагрузки воспринимаются достаточно большой площадью примыкающих друг к другу (наложенных друг на друга) поперечин.

Первый вышеописанный вариант заявляемого технического решения характеризуется выполнением центральной вставки в форме полого укороченного цилиндра. Соединители равномерно распределяются по окружности этого цилиндра, и такое конструктивное решение предназначено для узла, связывающего стержневые элементы сферической части купола.

Второй вариант заявляемого технического решения узла соединения предназначен для соединения стержневых элементов у основания купола, т.е. при формировании нижнего ряда пространственного каркаса, когда стержневые элементы располагают кверху от узловой вставки.

Узел соединения стержневых элементов пространственного каркаса по второму варианту характеризуется наличием центральной вставки и связанных с концами стержневых элементов посредством закрепляемых на их противоположных гранях пластин соединителей, включающих каждый П-образную скобу, охватывающую центральную вставку снаружи с наложением полок на ее торцевые грани и фиксируемую размещенным внутри вставки стяжным элементом, пропущенным через выполненные в полках этой скобы отверстия, согласно заявляемому изобретению центральная вставка выполнена в форме полого полуцилиндра, закрепленного на проходящим через его ось плоском основании, закрепляемые на противоположных гранях стержневого элемента пластины в каждом соединителе связаны между собой поперечиной с образованием дополнительной П-образной скобы, при этом упомянутые П-образные скобы зацеплены друг за друга с расположением поперечины одной скобы в пространстве между полками другой.

В отличие от первого варианта заявляемого изобретения второй вариант характеризуется формой центральной вставки в виде полуцилиндра, а также тем, что этот полуцилиндр закреплен на плоском основании, проходящим через ось условного цилиндра, частью которого является вышеуказанный полуцилиндр. Плоское основание выполнено с возможностью его закрепления на фундаменте либо на лагах каркаса. Соединители распределяются по центральной вставке таким образом, что обеспечивают возможность монтажа нижних концов стержневых элементов, прикрепляемых к фундаменту.

Конструкция узла соединения по второму варианту заявляемого решения также обеспечивает получение вышеуказанных технических результатов, присущих первому варианту изобретения.

Вместе с тем как в первом, так и во втором вариантах заявляемого решения, благодаря исключению сварных швов в узле соединения стержневых элементов, имеет место повышение надежности и долговечности работы конструкции. Детали узла могут быть изготовлены из оцинкованной стали. Наряду с этим, заявляемое конструктивное решение позволяет изготавливать детали узла соединения из неметаллических материалов, например полимерных, что актуально с учетом современного уровня развития техники.

При производстве узла соединения стержневых элементов из металла изготовление П-образных скоб осуществляется путем обычной гибки из пластинчатых заготовок, что обусловливает несложность технологического процесса изготовления узла и его невысокую себестоимость.

В частных случаях реализации вариантов заявляемого технического решения является предпочтительным выполнение полого цилиндра центральной вставки высотой, равной ширине поперечины дополнительной П-образной скобы, охватывающей конец стержневого элемента, причем эти величины соразмерны длине поперечины между полками П-образной скобы, охватывающей центральную вставку. При таком исполнении узла все его детали в сборке плотно примыкают друг к другу, что обеспечивает оптимальное уравновешивание нагрузки, действующей на узел соединения.

Предпочтительным является использование в качестве стяжного элемента болтового соединения (болт с гайкой), как наиболее доступного и распространенного.

Выполнение полок П-образной скобы, охватывающей центральную вставку, со срезанными (скошенными) углами позволяет выполнить узел компактным при максимально возможном количестве соединителей на одной центральной вставке без увеличения ее диаметра, что одновременно способствует повышению жесткости конструкции.

Во втором варианте заявляемого решения основание, на котором размещен полуцилиндр, может быть выполнено с отгибом, направленным в сторону, обратную относительно расположения полуцилиндра. В этом случае край основания имеет форму уголка и такой узел соединения предназначен для установки на лагу каркаса с примыканием отгиба к торцу такой лаги.

Краткое описание чертежей

Возможность промышленной осуществимости предлагаемого технического решения подтверждается приведенными ниже примерами и поясняющими чертежами:

на фиг. 1 схематично показано соединение стержневых элементов пространственного каркаса в сферической его части, с использованием заявляемого узла с центральной вставкой в форме полого цилиндра;

на фиг. 2 схематично показано соединение стержневых элементов пространственного каркаса у его основания, с использованием заявляемого узла с центральной вставкой в форме полуцилиндра;

на фиг. 3 представлен общий вид узла соединения стержневых элементов в сборе по первому варианту заявляемого решения; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3;

на фиг. 5, 6, 7 представлены три проекции П-образной скобы, охватывающей центральную вставку;

на фиг. 8, 9 схематично показана центральная вставка узла соединения стержневых элементов по второму варианту заявляемого решения;

на фиг. 10 схематично показано возможное исполнение центральной вставки по второму варианту с отгибом части основания.

Осуществление изобретения

Узел соединения стержневых элементов 1 пространственного каркаса (в описанном примере стержневые элементы деревянные) включает центральную вставку 2, выполненную в первом варианте заявляемого решения в форме полого укороченного цилиндра; во втором варианте - в форме полого полуцилиндра, закрепленного на основании 3. Помимо центральной вставки 2 узел соединения как по первому, так и по второму вариантам содержит соединители, каждый из которых включает П-образную скобу 4, охватывающую центральную вставку 2 снаружи с наложением полок 5 и 6 этой скобы на торцевые грани цилиндра (либо полуцилиндра) центральной вставки, и дополнительную П-образную скобу 7, скрепляемую с концом соответствующего стержневого элемента 1 посредством своих полок 8 и 9.

П-образная скоба 4 и П-образная скоба 7 зацеплены друг за друга с размещением поперечины 10 скобы 4 в пространстве между полками скобы 7, при этом поперечина 11 скобы 7 размещена между полками 5 и 6 скобы 4 (см. фиг. 4).

Полки 5 и 6 П-образной скобы 4 выполнены со скошенными углами 12 и с соосными отверстиями 13 для установки стяжного болта 14. Полки 8 и 9 дополнительной П-образной скобы 7 выполнены с отверстиями 15 для крепежа, связывающего скобу 7 с концом стержневого элемента 1.

Сборку узла осуществляют следующим образом.

П-образную скобу 4 зацепляют за поперечину 11 дополнительной П-образной скобы 7 так, что поперечины 10 и 11 этих скоб примыкают одна к другой своими внутренними поверхностями, а полки П-образных скоб при этом размещены в перпендикулярных плоскостях и направлены в противоположные стороны. Удерживая примыкающие друг к другу поперечины 10 и 11, размещают между полками 8 и 9 дополнительной П-образной скобы 7 конец стержневого элемента 1, упирая его торец в поперечину 10, и скрепляют стержневой элемент 1 с П-образной скобой 7 посредством крепежных элементов, например шурупов или саморезов, для установки которых в полках 8 и 9 этой скобы выполнены отверстия 15.

Размещают полученную вышеуказанным образом сборку из П-образных скоб 4 и 7 и стержневого элемента 1 так, чтобы П-образная скоба 4 охватила центральную вставку 2 с наложением своих полок 5 и 6 на торцевые грани центральной вставки 2, и соединяют центральную вставку с П-образной скобой 4 стяжным болтом 14, который пропускают через соосные отверстия 13, располагая при этом болт 14 в объеме центральной вставки 2.

Осуществляют вышеописанным образом сборку всех других стержневых элементов 1 вокруг центральной вставки 2, не сильно затягивая при этом болты 14. После сборки конструкции осуществляют выравнивание углов между стержневыми элементами 1 за счет того, что П-образные скобы 4 свободно перемещаются по окружности центральной вставки и, воздействуя на стержневые элементы 1 через П-образную скобу 7, обеспечивают их установку в положение, когда достигается равновесие конструкции каркаса в целом. После этого осуществляют окончательное затягивание и жесткую фиксацию П-образных скоб 4 относительно центральных вставок 2 посредством болтов 14 и гаек 16.

Изобретение относится к области строительства, в частности к узлу соединения стержневых элементов. Технический результат изобретения заключается в монтаже стержней без перекосов. Узел соединения связывает стержневые элементы геодезического купола и включает центральную вставку в форме полого цилиндра для первого варианта и в форме полуцилиндра - для второго, а также связанные с концами стержневых элементов соединители. Каждый соединитель выполнен в виде двух П-образных скоб, зацепленных друг за друга с размещением поперечины одной скобы в пространстве между полками другой. Одна П-образная скоба охватывает центральную вставку снаружи с наложением полок на торцевые грани цилиндра и зафиксирована относительно него стяжным элементом. Вторая П-образная скоба охватывает конец стержневого элемента и скреплена с ним. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Узел соединения стержневых элементов пространственного каркаса, 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, отличающийся тем, что 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.

2. Узел соединения по п. 1, отличающийся тем, что высота полого цилиндра центральной вставки и ширина поперечины дополнительной П-образной скобы, охватывающей конец стержневого элемента, равны между собой и соразмерны длине поперечины между полками П-образной скобы, охватывающей центральную вставку.

3. Узел соединения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что полки П-образной скобы, охватывающей центральную вставку, выполнены со срезанными углами.

4. Узел соединения по п. 1 или 2, отличающийся тем, что стяжной элемент выполнен в виде болта с гайкой.

5. Узел соединения стержневых элементов пространственного каркаса, включающий центральную вставку 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 ее торцевые грани и фиксируемую размещенным внутри вставки стяжным элементом, пропущенным через выполненные в полках этой скобы отверстия, отличающийся тем, что центральная вставка выполнена в форме полого полуцилиндра, закрепленного на проходящем через его ось плоском основании, 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 расположением поперечины одной скобы в пространстве между полками другой.

6. Узел соединения по п. 5, отличающийся тем, что высота полого полуцилиндра центральной вставки и ширина поперечины П-образной скобы, охватывающей конец стержневого элемента, равны между собой и соразмерны длине поперечины между полками П-образной скобы, охватывающей центральную вставку.

7. Узел соединения по п. 5 или 6, отличающийся тем, что полки П-образной скобы, охватывающей центральную вставку, выполнены со срезанными углами.

8. Узел соединения по п. 5 или 6, отличающийся тем, что стяжной элемент выполнен в виде болта с гайкой.

9. Узел соединения по п. 5 или 6, отличающийся тем, что основание выполнено с отгибом краевой части, направленным в сторону, обратную относительно размещения полуцилиндра.