Сборная структура на основе сферического икосаэдра Российский патент 2024 года по МПК E04B1/32 

Изобретение относится к строительству и касается сборных сферических структур, пригодных, в частности, для покрытий зданий различного назначения, а также для устройства сферических отражателей в зеркальных антеннах и концентраторах энергии.

Известна сборная структура на основе сферического икосаэдра, выполненная в виде треугольной сети, из которой образованы соединенные из треугольников, сквозные пирамидальные шестиугольные панели и сквозные пирамидальные правильные пятиугольные панели, с раскосами и ребрами контура основания, узлы контура основания и узлы центров основания пирамид могут быть расположены на пересечениях дополнительных осей из меридианов и параллелей, и также границ повторяющихся сегментов, составляющих одну шестую часть граней сферического правильного икосаэдра, все панели одинаковым образом полностью или частично расположены в пределах указанных сферических треугольных сегментов, границы которых являются осями симметрии; сборная структура может быть выполнена двухпоясной, один пояс которой образован смещёнными центральными узлами основания сквозных пирамидальных шестиугольных и пятиугольных панелей, а узлы контура основания пирамид формируют другой пояс, каждый узел структуры имеет узловые элементы, которые позволяют соединения под соответствующими углами (Г. Павлов, Композиционное формообразование кристаллических куполов и оболочек / Г. Павлов // Архитектура СССР. - 1977. - № 7. - С. 31. рис. 3 б, в).

Недостатком известного решения является сложность и материалоемкость узловых соединений разнотипных панелей, обусловленная тем, что в каждом узле сходится более трех несущих элементов каркаса панелей, каждый из которых имеет свое собственное направление в пространстве и свои размеры. При подобном конструировании купола узлы шестиугольных панелей не лежат в одной плоскости и образуют плоские панели только в частном случае, при таком разбиении сферы возможно получение, в основном, плоских панелей только в виде трапеций или ромбов.

Известна сборная сферическая структура пролетом 18 м (9 м между опорами). (Антошкин В.Д. Конструктивно-технологические решения сборных сферических оболочек. Диссертация. Саранск 2017, дата поступления в ЭБ ВГБ 27.11.2018, с. 102, рис. 2.19).

Известная сборная сферическая структура сформирована из 6 секторов с углами на вершине 60° с разрезкой из шестиугольных панелей. Центры панелей расположены на меридианах, проведенных к границам секторов, и не могут быть применены в таком виде для дополнительных осей сегментов сферического икосаэдра. Для конструкции структуры применены узловые решения в виде центральных узловых элементов с расфрезерованными отверстиями, обеспечивающие изменения углов только в одном направлении.

Недостатком известного решения является невозможность образования вспарушенных сферических структур, сложность и материалоемкость узловых соединений разнотипных панелей, обусловленная тем, что в каждом узле сходится более трех несущих элементов каркаса панелей, каждый из которых имеет свое собственное направление в пространстве и свои размеры. Узловые решения данной структуры не обеспечивают изменения направления элементов во всех плоскостях.

Технический результат изобретения заключается в упрощении изготовления и монтажа сборной структуры на основе сферического икосаэдра за счет снижения числа типоразмеров панелей, узлов и элементов, а также уменьшения числа соединяемых монтажных элементов, позволяет производить укрупнительную сборку элементов, повысить точность изготовления и надежность работы конструкции, при этом эффективно внедрять предварительное напряжение укрупненных элементов.

Сущность изобретения заключается в том, что сборная структура на основе сферического икосаэдра, выполненная в виде треугольной сети, из которой образованы, соединенные из треугольников, сквозные пирамидальные шестиугольные панели и сквозные пирамидальные правильные пятиугольные панели, с раскосами и ребрами контура основания, узлы контура основания и узлы центров основания пирамид могут быть расположены на пересечениях дополнительных осей из меридианов и параллелей, и также границ повторяющихся сегментов, составляющих одну шестую часть граней сферического правильного икосаэдра, все панели одинаковым образом полностью или частично расположены в пределах указанных сферических треугольных сегментов, границы которых являются осями симметрии; сборная структура может быть выполнена двухпоясной, один пояс которой образован смещёнными центральными узлами основания сквозных пирамидальных шестиугольных и пятиугольных панелей, а узлы контура основания пирамид формируют другой пояс, каждый узел структуры имеет узловые элементы, которые позволяют соединения под соответствующими углами. Сборная структура сборная структура на основе сферического икосаэдра, содержит соединенные между собой пирамидальные панели только с плоским основанием, пирамидальные шестиугольные панели выполнены с узлами контура основания, описанными окружностями со своими радиусами из центров основания пирамид, лежащих на сфере, при этом только узлы центров основания пирамид размещены на пересечении дополнительных осей между собой и с границами сегментов, узлы основания образованы сетью окружностей, описывающих основания пирамид, и расположены в точках пересечения соответствующих трех смежных окружностей, к тому же пирамидальные шестиугольные панели, расположенные на дополнительных осях в виде меридиан на одной параллели, имеют равные длины раскосов и длины рёбер.

В сборной структуре на основе сферического икосаэдра для центров основания пирамид и узлов контура основания использованы биссектриса угла 60° и границы сегментов, дополнительные оси выполнены только на большей части сферического сегмента икосаэдра, на их пересечениях также расположены только центры основания пирамид, остальные узлы центров основания пирамид, определены триангуляционными построениями сети окружностей, на точках пересечения окружностей на сфере выполнены также узлы контура основания пирамид.

В сборной структуре на основе сферического узлы основания пирамид также описаны окружностями, но только одного радиуса из центров основания пирамидальных панелей, для центров основания пирамид и узлов контура основания также использованы биссектрисса угла 60° и границы сегментов, остальные узлы пирамид и их центров, определены триангуляционными построениями окружностей, то есть без дополнительных осей, причем на границе сегмента основания пирамидальной панели описаны окружностями с разными радиусами по построению. Сборная структура на основе сферического икосаэдра может быть выполнена двухпоясной, с центрами основания пирамидальных панелей на одном поясе и узлами контура основания на другом поясе, то есть с раскосами - радиусами равной длины, соединяюшими плоские шестиугольные основания пирамид с нижним поясом, каждый узел которой может быть выполнен однотипным в виде полого узлового элемента с вворачиваемыми деталями в виде эксцентриков со смещенными резьбовыми отверстиями, позволяющими соединять под различными углами элементы раскосов, ребер и поясов предлагаемой оболочки.

На фиг. 1 изображен общий вид сборной структуры на основе сферического икосаэдра, выполненной в виде треугольной сети; на фиг. 2 показаны, в виде сегментов, особенности формирования сети из осей и окружностей; на фиг. 3 изображен общий вид сборной структуры на основе сферического икосаэдра, где для центров основания пирамидальных панелей и узлов контура основания использованы биссектриса угла 60° и границы сегментов, дополнительные оси выполнены только на большей части сферического сегмента икосаэдра и на их пересечениях также расположены только центры основания пирамидальных панелей, остальные узлы контура основания пирамид, выполнены триангуляционными построениями сети из окружностей, на точках пересечения которых выполнены также узлы основания панелей; на фиг. 4 показаны особенности формирования сети из осей и окружностей в виде сегментов; в сборной структуре на основе сферического икосаэдра, общий вид которой показан на фиг. 5, узлы контура основания пирамидальной панели также описаны окружностями только одного радиуса из центров основания пирамид, для центров основания пирамид и узлов контура основания использованы биссектриса угла 60° и границы сегментов, остальные узлы пирамид вписаны в окружности с центрами, выполненными триангуляционными построениями, то есть без осей, причем на границе сегмента, представляющей собой длинный катет и у угла 36°, панели выполнены с описанными окружностями с разными радиусами по построению; на фиг.6 показаны, в виде сегментов, особенности формирования сети из осей и окружностей; сборная структура на основе сферического икосаэдра, общий вид которой показан на фиг. 7, может быть выполнена в виде двухпоясной структуры, с центрами основания пирамидальных панелей на одном поясе и узлами контура основания на другом поясе, то есть с раскосами равной длины, соединяюшими плоские шестиугольные основания пирамид с нижним поясом, каждый узел которой может быть выполнен однотипным в виде полого узлового элемента с вворачиваемыми деталями в виде эксцентриков со смещенными резьбовыми отверстиями, позволяющими соединять под различными углами элементы раскосов и поясов предлагаемой оболочки; на фиг.8 показан общий вид узла, в котором сходятся 6 элементов раскосов и 6 элементов нижнего пояса с узловым элементом; на фиг. 9, 10 и 11 показаны виды с местными разрезами конструкции узла с узловым элементом, содержащим эксцентрики с резьбовыми отверстиями, обеспечивающими соединение по различными углами элементов структуры.

Сборная структура 1 на основе сферического икосаэдра 2 (фиг. 1), содержит треугольную сеть 3, из которой образованы сквозные пирамидальные шестиугольные панели 4 и сквозные пирамидальные правильные пятиугольные панели 5 с раскосами 6 и ребрами 7 контура основания, узлы контура основания 8 и узлы центров 9 основания пирамидальных панелей 4 и пирамидальных правильных пятиугольных панелей 5 могут быть расположены на пересечениях дополнительных осей 10 из меридианов и параллелей, и также границ 11 повторяющихся сегментов 12 для 2160-гранника (фиг.2), составляющих одну шестую часть граней сферического правильного икосаэдра 2, все пирамидальные панели 4 и 5 одинаковым образом полностью или частично расположены в пределах указанных сферических треугольных сегментов 12, границы 11 которых являются осями симметрии; сборная структура 2 может быть выполнена двухпоясной структурой 14, один пояс 15 которой образован смещёнными центральными узлами 9 оснований шестиугольных пирамид, а узлы контура основания 8 формируют другой пояс 16, каждый узел 8 и 9 структуры 2 имеет узловые элементы 17, которые позволяют соединения раскосов 6, ребер 7 и элементов поясов 15, 16 структуры 14 под соответствующими углами. Сборная структура 1 на основе сферического икосаэдра 2, содержит соединенные между собой пирамидальные панели 4 и 5 только с плоским основанием, благодаря тому, что основания пирамидальных панелй 4 и 5 выполнены с узлами основания 8, описанными окружностями 18 со своими радиусами из центров 9 основания пирамидальных панелей, лежащих на сфере, при этом только узлы центров 9 основания размещены на пересечении дополнительных осей 10 между собой и границ 11 сегментов 12, узлы 8 контура основания пирамидальных панелей образованы сетью 3 окружностей 18, описывающих панели 4 и 5, и расположены в точках пересечения соответствующих трех смежных окружностей 18, к тому же пирамидальные шестиугольные панели 4, расположенные на дополнительных осях 10 в виде меридиан 19 на одной параллели, могут иметь равные длины раскосов 6 и длины ребер 7 контура основания. Особенности формирования сети из дополнительных осей 10 в виде меридиан 19 дополнительных осей 10 и окружностей 18 показаны на сегменте 12 сферического икосаэдра 2 для 2160 - гранника (фиг. 2).

В сборной структуре 1 на основе сферического икосаэдра 2, общий вид которой показан на фиг. 3, для узлов центров 9 основания пирамидальных панелей и узлов 10 контура основания использованы биссектриса 20 угла 60° и границы 11 сегментов 12 для 4740-гранника (фиг. 4), дополнительные оси 10 в виде меридиан 19 выполнены на большей части сферического сегмента 12 икосаэдра 2 и на их пересечениях также расположены только центры 9 основания пирамидальных панелей 4, остальные узлы 8 центров пирамидальных панелей 4, определены триангуляционными построениями сети 3 из окружностей 18, на точках пересечения которых выполнены также узлы контура основания 8 пирамидальных панелей 4 и 5. Особенности формирования сети 3 с использованием дополнительных осей 10 в виде биссектрисы 20 угла 60°и меридиан 19, а также окружностей 18 показаны в виде сегментов 12 для 4740-гранника (фиг. 4). В сборной структуре 1 на основе сферического икосаэдра 2, общий вид которой показан на фиг. 5, узлы оснований 8 пирамидальные шестиугольные панели 4 также описаны окружностями, но только одного радиуса из центров 9 основания пирамидальных панелей, для центров 9 основания пирамидальных панелей 4 и узлов контура основания 8 использованы биссектриса 20 угла 60 град и границы 11 сегментов 12; для центров 9 основания пирамидальных панелей использованы также границы 11 сегментов 12 для 12960 – гранника (фиг. 6), остальные узлы 8 основания пирамидальных панелей и их центров 9, определены триангуляционными построениями окружностей 18, то есть без осей 10, причем на границе 11 сегмента 12, представляющей собой длинный катет 21 и у угла 36˚, основания пирамидальных панелей описаны окружностями 18 с разными радиусами-раскосами 6 по построению. Особенности формирования сети с использованием дополнительных осей 10 только в виде биссектрисы 20 угла 60° и окружностей 18 показаны на сегментах 12 на фиг.6. Сборная структура 1, сферического икосаэдра 2, общий вид которой показан на фиг. 7, выполнена двухпоясной структурой 14, с центрами 9 основания пирамидальных панелей на одном поясе 15 и узлами контура основания 8 на другом поясе 16, то есть с раскосами 7 равной длины, соединяющими плоские шестиугольные основания пирамид 4 с узлами другого пояса 16.

Сборная структура 1, сферического икосаэдра 2, общий вид которой показан на фиг. 7 выполнена двухпоясной структурой 14, каждый узел 8 и 9 которой может быть выполнен однотипным с виде полого узлового элемента 17 (фиг.8, 9, 10.11) с вворачиваемыми деталями в виде эксцентриков 21 со смещёнными резьбовыми отверстиями 22, позволяющими соединять под различными углами элементы раскосов 6, ребер 7 и поясов 15,16 предлагаемой оболочки 1. Конструкция узла 8 и 9 с узловым элементом 17, содержащим эксцентрики 21 с резьбовыми отверстиями 22, обеспечивающими соединение по различными углами элементов 6, 7 и 15, 16, болтов 23, и шплинтованных муфт 24 структуры показана детально на фиг.9, 10 и 11.

Монтаж сборной строительной сферической структуры 1 (фиг.7) из сквозных пирамидальных панелей 4 и 5 производится установкой их в проектное положение, раскреплением пятиугольных 6 и шестиугольных пирамид 4 по узлам 8, соединение панелей с помощью узловых элементов болтами и муфтами. Конструкция узла 8 и 9 с узловым элементом 15, содержащим эксцентрики 21 с резьбовыми отверстиями 22, обеспечивает соединение по различными углами элементов 6, 7 и 16, 17 и обеспечивает возможность исправления неточностей заводского изготовления в центрировании элементов двухпоясных оболочек в узлах.

Предлагаемое узловое решение с эксцентриками позволяет решить еще проще и компактнее узлы, в которых сходятся меньшее число элементов, например, по три элемента раскосов и три элемента верхнего пояса. Вкручиваемые на резьбе эксцентрики позволяют корректировать на 3-10 мм длину элементов раскосов и поясов.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет упростить изготовление и монтаж сборной сферической структуры за счет снижения числа типоразмеров панелей, узлов и элементов, а также уменьшения числа соединяемых монтажных элементов, позволяет производить укрупнительную сборку элементов, повысить точность изготовления и надежность работы конструкции за счёт плоскостности групп элементов и возможности исправления центрирования их углов наклона в процессе монтажа, при этом появляется возможность применять предварительное напряжение укрупненных элементов и панелей.

Изобретение относится к строительству, а именно к сборным сферическим структурам. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности конструкции. Сборная структура на основе сферического икосаэдра выполнена в виде треугольной сети, из которой могут быть образованы соединенные из треугольников сквозные пирамидальные панели в виде шестиугольников и правильных пятиугольников. Узлы основания и узлы центров панелей расположены на пересечениях дополнительных осей из меридианов и параллелей, и также границ повторяющихся сегментов, составляющих одну шестую часть граней сферического правильного икосаэдра. Все панели полностью или частично расположены в пределах указанных сферических треугольных сегментов. Сборная структура выполнена двухпоясной и содержит соединенные между собой пирамидальные или пространственного очертания панели только с плоским основанием. Шестиугольные и пятиугольные панели выполнены с узлами основания, описанными окружностями со своими радиусами из центров панелей, лежащих на сфере, при этом узлы центров размещены на пересечении дополнительных осей между собой и с границами сегментов. Узлы по контуру панелей образованы сетью окружностей, описывающих панели, и расположены в точках пересечения соответствующих трех смежных окружностей, к тому же шестиугольные панели, расположенные на дополнительных осях в виде меридиан на одной параллели, имеют равные радиусы-раскосы и длины ребер. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Сборная структура на основе сферического икосаэдра, выполненная в виде треугольной сети, из которой образованы соединенные из треугольников сквозные пирамидальные шестиугольные панели и сквозные пирамидальные правильные пятиугольные панели с раскосами и ребрами контура основания, узлы контура основания и узлы центров основания пирамид расположены на пересечениях дополнительных осей из меридианов и параллелей, а также границ повторяющихся сегментов, составляющих одну шестую часть граней сферического правильного икосаэдра, все панели одинаковым образом полностью или частично расположены в пределах указанных сферических треугольных сегментов, границы которых являются осями симметрии; сборная структура выполнена двухпоясной, один пояс которой образован смещенными центральными узлами основания сквозных пирамидальных шестиугольных и пятиугольных панелей, а узлы контура основания пирамид формируют другой пояс, каждый узел структуры имеет узловые элементы, которые позволяют соединения под соответствующими углами, отличающаяся тем, что сборная структура на основе сферического икосаэдра содержит соединенные между собой пирамидальные панели только с плоским основанием, пирамидальные шестиугольные панели выполнены с узлами контура основания, описанными окружностями со своими радиусами из центров основания пирамид, лежащих на сфере, при этом только узлы центров основания пирамид размещены на пересечении дополнительных осей между собой и с границами сегментов, узлы основания образованы сетью окружностей, описывающих основания пирамид, и расположены в точках пересечения соответствующих трех смежных окружностей, к тому же пирамидальные шестиугольные панели, расположенные на дополнительных осях в виде меридиан на одной параллели, имеют равные длины раскосов и длины ребер.

2. Сборная структура на основе сферического икосаэдра по п. 1, отличающаяся тем, что для центров основания пирамид и узлов контура основания использованы биссектриса угла 60° и границы сегментов, дополнительные оси выполнены только на большей части сферического сегмента икосаэдра, на их пересечениях также расположены только центры основания пирамид, остальные узлы центров основания пирамид определены триангуляционными построениями сети окружностей, на точках пересечения окружностей на сфере выполнены также узлы контура основания пирамид.

3. Сборная структура на основе сферического икосаэдра по п. 1, отличающаяся тем, что узлы основания пирамид также описаны окружностями, но только одного радиуса из центров основания пирамидальных панелей, для центров основания пирамид и узлов контура основания также использованы биссектриса угла 60° и границы сегментов, остальные узлы пирамид и их центров определены триангуляционными построениями окружностей, то есть без дополнительных осей, причем на границе сегмента основания пирамидальной панели описаны окружностями с разными радиусами по построению.

4. Сборная структура на основе сферического икосаэдра по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что выполнена двухпоясной структурой с центрами пирамидальных панелей на одном поясе и узлами контура основания на другом поясе, то есть раскосами-радиусами равной длины, соединяющими плоские шестиугольные основания пирамидальных панелей с нижним поясом; каждый узел структуры выполнен однотипным в виде полого узлового элемента с вворачиваемыми деталями в виде эксцентриков со смещенными резьбовыми отверстиями, позволяющими соединять под различными углами элементы раскосов, ребер и поясов предлагаемой оболочки.