Строительный решетчатый элемент Советский патент 1992 года по МПК E04B7/00 E04B1/58 

1

(21)4851831/33

(22)16.07.90

(46) 07.09.92. Бюл. № 33

(71)Самарский инженерно-строительный институт им. А.И.Микояна

(72)В.А.Грачев

(56)1. Заявка ФРГ №3001128, кл. Е 04 С 3/09, 1981.

2.Заявка РСТ № 88/04345, кл. Е04В 1/49, 1988.

3.Соколов А.Г. Облегченные несущие металлические конструкции. М, СИ, 1963, рис. 111.76а, с.219.

(54) СТРОИТЕЛЬНЫЙ РЕШЕТЧАТЫЙ ЭЛЕМЕНТ

(57) Использование: в несущих строительных конструкциях типа плоских или объем- ных форм. Сущность изобретения:

строительный решетчатый элемент из труб включает пояса, зигзагообразные соединительные решетки, имеющие в местах сопряжения многослойные сплющенные участки, размещенные симметрично относительно продольных осей. Сплющенные участки пояса выполнены треугольной или трапецеидальной формы и расположены по длине поясов с шагом, равным а/n, где а - шаг сгибов решетки; п - число решеток, примыкающих к поясу и повернутых друг относительно друга на угол, образованный плоскостями соединительных решеток, а элементы последних имеют V-образные сгибы с продольными прорезями на их гранях, сквозь которые пропущены защемленные в них сплющенные участки поясов. 3 з п ф- лы, 9 ил.

СП

Изобретение относится к области строительства, а именно к несущим строительным конструкциям типа плоских и объемных ферм из круглых труб, а также их узловым сопряжениям.

Известна ферма с поясами из швеллеров, соединительная решетка которой выполнена из одной или двух отправочных марок, имеющих зигзагообразную форму и изготовленных путем деформирования плоской стальной ленты 1. В результате деформирования элементы соединительной решетки на большей части длины имеют желобчатую форму сечения. В местах пересечения соединительных решеток на Y-образных сгибах выполнены продольные прорези, в которые вставлены узловые фа- сонки.

К недостаткам этой конструкции относится низкая жесткость и прочность элементов соединительной решетки. Это обусловлено тонкостенностью и открытой формой сечения, которая уступает трубам. По материалоемкости трубчатый профиль эффективнее на 25-30% (кн. Соколова А.Г Облегченные несущие металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1963).

Известны конструкции ферм, в которых с целью повышения прочности и жесткости трубчатых поясов применяют различные элементы усиления в виде продольных и поперечных ребер, накладок, колец, диафрагм и т.п. (кн. Соколов А.Г. Облегченные несущие металлические конструкции. М . Стройиздат, 1963, рис.Ill, 71, 4-6; с 213; рис.Ill, 74, а, с.217; Брудка Я Трубчатые

XI О О

о

N со

стальные конструкции. М.: Стройиздат, 1975, с.59-88).

Общим недостатком узловых сопряжений зтих ферм является сложность и много- дельность, привлечение большого числа дополнительных конструктивных элементов.

Известно узловое соединение пространственных решетчатых конструкций из труб 2, в котором поясные сетки образова- ны непрерывными стержнями, имеющими в местах пересечения плоские участки, а соединительная решетка образована из отдельных стержней, сплющенные концы которых отогнуты и присоединены к пло- ским участкам поясов внахлестку на болтах, В книге Д.Шебетьена. Легкие конструкции в строительстве. М., Стройиздат, 1983 приводится узел структуры австралийской фирмы Геро+Динг, в котором не только поясные элементы, но и соединительные решетки имеют зигзагообразную форму.

Недостатком этой и ранее названной конструкции является малая жесткость узловых сопряжений со сплющенными конца- ми, -участками, соединенными внахлестку.

Наиболее близким техническим решением является конструкция узлового сопряжения фермы из круглых труб, включающая поясной элемент и зигзагообразную соединительную решетку, стержни которой имеют сплющенные с косым срезом концы, жестко соединенные торцами друг с другом и поясом на сварке и образующие за счет сплющенных участков продольные ребра жесткости 3.

Недостатком этой конструкции является нерациональная форма реза концов стержней соединительной решетки, вследствие чего часть конструкционного материала идет в отходы, необходимость в специальных приспособлениях, фиксирующих проектное положение стержней соединительной решетки при сборке и сварке, что усложняет изготовление, низкая устойчивость про- дольного ребра, образованного сплющенными участками стержней решетки, а также самого поясного элемента, сложность опи- рания выщележащих конструкций покрытия.

Целью изобретения является упрощение изготовления при расширении области использования.

Эта цель достигается тем, что сплющенные участки пояса выполнены треугольной или трапецеидальной формы и расположены по длине поясов с шагом, равным а/п, где а - шаг сгибов; п - число решеток, примыкающих к поясу; и регулярно повернутых

друг относительно друга на угол, образованный плоскостями соединительных решеток, а элементы последних имеют Y-образные сгибы с продольными прорезями на их гранях, сквозь которые пропущены защемленные в них сплющенные участки поясов.

Другой целью изобретения является повышение местной устойчивости пояса и упрощение опирания на него поддерживаемых конструкций.

Для этого сплющенные участки поясов выполнены из парных, расположенных зеркально, симметрично относительно его про- дольной оси трапецеидальных или треугольных частей, с линейно деформированными участками, при этом каждый элемент соединительной решетки выполнен с отогнутыми в противоположные стороны относительно его продольной оси концами, имеющими продольные прорези, причем отогнутые концы смежных элементов решетки установлены между собой и вдоль оси пояса соосно и жестко соединены вершинами, а переходные линейно деформированные участки поясов размещены и защемлены в прорезях.

Кроме того, поставленные цели достигаются тем, что соединительные решетки выполнены парными и расположены в вертикальной и горизонтальной плоскостях и в местах Y-образных сгибов имеют сплющенные опорные участки, причем последние и сплющенные участки поясов выполнены прямоугольными, а опорные участки парных горизонтальных решеток объединены друг с другом сплющенными участками поясов и размещены в прорезях сгибов парных вертикальных решеток, соединенных опорными участками. Пояса и со- единительные решетки выполнены из конструкционного термопласта.

Отличительной особенностью заявляемого объекта по отношению к известным аналогам 1,2 является следующее.

Во-первых, поясной элемент имеет многоступенчатые частично сплющенные участки треугольной или трапецеидальной формы, симметрично ориентированные в плоскостях соединительных решеток и расположенные по длине с шагом, равным а/п, где а - шаг сгибов решеток; п - число решеток, примыкающих к поясу; регулярно повернутых относительно друг друга на угол, образованный плоскостями соединительных решеток. Частичное сплющивание поясных элементов в форме треугольных или трапецеидальных участков повышает жесткость сплющенного участка по сравнению с плоским и упрощает фиксацию проектного положения элементов соединительной решетки. При п 2 сплющенные участки поясов регулярно повернуты относительно друг друга на угол а от 30 до 180°. Угол определяется выбранной конструкцией строительного решетчатого элемента в виде объемной фермы или структуры. При замкнутом поперечном сечении объемной фермы (например, трехгранной) заявленное узловое сопряжение обеспечивает неразъ- емность конструкции, т.к. сплющенные участки поясов, размещенные в прорезях соединительных решеток, будучи повернутыми друг относительно друга на угол а, препятствуют взаимному смещению поясных элементов и решеток. Неразъемность объемной конструкции фермы является также следствием того, что замыкающий при сборке конструкции элемент пояса устанавливается способом осевой протяжки сплющенных участков поясов через продольные прорези в V-образных сгибах соединительных решеток. Неразъемность конструкции упрощает изготовление.

Существенным отличием заявляемого объекта от известных технических решений является новый эффект, создаваемый многослойными сплющенными участками поясов. Новый эффект создается благодаря новому механизму взаимодействия ранее известных отдельных признаков и обусловлен особенностями пространственного примыкания элементов соединительной решетки и проявляемыми при этом свойствами многослойных частично сплющенных участков поясов. Образовавшийся сплющиванием круглой трубы плоский участок представляет собой двухслойную пластину с непрерывной структурой (замкнутость слоев), общая толщина которой равна удвоенной толщине стенки трубы плюс зазор между стенками. Переход сплющенного участка к недеформированной части трубы имеет конусообразную форму поверхности, продольное сечение которой может быть изображено двумя прямыми линиями равного уклона симметричными относительно продольной оси пояса и плавно сопрягаемыми кривыми с цилиндрической и плоской частями сечения. Известно, что пояса ферм воспринимают, главным образом, осевые растягивающие и сжимающие усилия. Действие продольного растягивающего усилия будет вызывать в сплющенной и раструбной частях трубы усилия распора, которые стремятся расслоить сплющенный участок и восстановить первоначальную форму сечения пояса. Однако, восстановлению первоначальной круглой формы сечения трубы будут противодействовать сплющенные участки

соединительных решеток, в прорезях V-образных сгибов которых размещены соответствующие им сплющенные участки поясов. Результатом такого силового взаимодействия является эффект заклинивания (защемления) поперечных сечений поясов. Аналогичный эффект будет иметь место и в узловых сопряжениях сжатых поясов. В этом случае действия сжимающего продольного усилия вызовет в деформированных

0 конусообразных переходных участках трубчатого пояса боковые усилия, стремящиеся расслоить и сгофрировать плоский участок. Возникающее боковое давление встретит противодействие со стороны сплющенных

5 участков решеток, вследствие чего проявится эффект защемления. Поскольку сплющенные участки поясов и решетки объединены в узлах при помощи сварки, то эффект заклинивания будет способствовать

0 повышению несущей способности сварных соединений за счет сглаживания пиков касательных напряжений в начале и в конце сварного шва, а это повышает надежность их силовой работы. Кроме того, сплющен5 ные участки соединительной решетки образуют парные V-образные ребра жидкости в местах сгибов, подкрепляющие соответствующие им сплющенные участки поясов, что также повышает надежность конструкции.

0Выполнение поясного элемента со

сплющенными участками в виде двух зеркально и симметрично расположенных относительно его продольной оси треугольных или трапецеидальных частей с

5 линейно деформированными переходными участками обеспечивает простоту фиксации проектного положения элементов соединительной решетки размерами плоского участка, а с другой стороны, в силу симметрии

0 поперечного сечения обеспечивает симметрию силовой работы сплющенных участков поясов, в которых эффект защемления распространяется на переходные участки, имеющие линейную поверхность вдоль оси

5 пояса. Последнее стало возможным благодаря тому, что каждый элемент соединительной решетки выполнен с отогнутыми в противоположные стороны относительно его продольной оси сплющенными концами

0 (в форме буквы Z), в продольных прорезях которых вставлены и защемлены сплющенные и деформированные переходные участки поясов. Отогнутые концы смежных элементов решетки установлены между со5 бой и вдоль оси пояса соосно и жестко соединены вершинами, в результате чего в узловых (соединениях) сопряжениях образуются парные К-образные ребра жесткости, причем парные продольные ребра

обеспечивают равноустойчиаость узлового соединения с профилем поясного элемента. Взаимное усиление сплющенных участков поясов и элементов соединительных решеток повышает местную устойчивость узловых сопряжений. Вместе с тем, образовавшиеся за счет отгибов сплющенных концов парные продольные ребра с развитыми из плоскости фермы поверхностями и подкрепленные V-образными парными ребрами сгибов решеток упрощают монтаж поддерживаемых конструкций (связей жесткости, прогонов, плит покрытия и других конструктивных и технологических элементов), расположенных в межферменном и околоферменном пространствах.

В еще большей степени эффект защемления реализуется в узловом соединении решетчатого строительного элемента, в котором поясной элемент, а также соединительные решетки в местах V-образных сгибов выполнены со сплющенными многослойными участками прямоугольной формы. Это достигается за счет того, что не только сплющенные участки поясного элемента, но и сплющенные опорные участки парных горизонтальных соединительных решеток вставлены и защеплены в продольных прорезях V-образных сгибов парных вертикальных решеток, соединенных опорными участками.

Кроме того, в этом варианте устройства удается увеличить общее количество соединительных решеток, сходящихся в узле, и за счет защемления уменьшить число крепежных болтов. Увеличение числа элементов, сходящихся в узле, расширяет возможности формирования объемных каркасов и структур.

Изготовление поясного элемента и зигзагообразных соединительных решеток из конструкционных пластмасс, обладающих свойством памяти формы, создает дополнительный эффект защемления от восстановления первоначальной формы сплющенных участков поясов. Свойством памяти формы обладают многие термопласты, в частности наиболее распространенная и самая дешевая пластмасса - поливинилхлорид (ПВХ). Восстановление первоначальной формы имеет место при нагревании сплющенного участка во время сварки соединения. Если при изготовлении многих изделий из термопластов этот эффект является отрицательным (кн. Шрадер В. Обработка и сварка полуфабрикатов из пластмасс. М.: Машиностроение, 1980, с.70), поскольку ...при нагревании снова происходит уменьшение прочности материала, и как только прочность материала окажется меньше, чем силы, стремящиеся к возврату, детали возвращаются в исходное состояние, то в заявленном устройстве этот эффект является положительным. Вместестем применение пластмасс делает конструкции легкими, химически стойкими и радиопрозрачными, что расширяет области возможного применения заявленного объекта.

0 Еще один эффект, создаваемый заявляемым устройством, заключается в уменьшении трудоемкости изготовления плоских и пространственных решетчатых конструкций при одновременном расширении воз5 можностей формообразования. Этот эффект достигается благодаря тому, что трубчатые пояса имеют подлине сплющенные участки регулярно повернутые по отношению друг к другу. Поворот сплющенных

0 участков поясных элементов придает узловым соединениям свойство универсальности. Эта универсальность проявляется в технологичности и простоте присоединения соединительных решеток, имеющих различ5 ную ориентацию в пространстве. Количество присоединяемых решеток и их взаимный угол поворота относительно поясного элемента будет зависеть от геометрической схемы пространственной решетчатой конст0 рукции. Диапазон таких конструкций весьма широк - это плоские и сложного полигонального профиля одно и многослойные стержневые плиты, фермы, пространственные каркасы, стержневые своды,

5 конструкции башенного типа и др. Свойство универсальности дает в конечном счете экономию материальных и трудовых затрат уже на стадии изготовления конструкций, поскольку переход от изготовления конструк0 ций одного типа к изготовлению конструкций другого типа, например более сложной формы, решается технологически просто - изменением общего числа сплющенных участков поясных элементов и из5 менением угла поворота плоскостей сплющивания.

Таким образом, в рамках существующего технологического процесса без переналадки оборудования и привлечения

0 дополнительных средств (приварки фасо- нок, накладок и т.п. элементов) удается создавать широкий класс стержневых систем. Упрощение изготовления достигается также за счет концентрации материала сплющен5 ных участков поясного элемента и зигзагообразных соединительных решеток в местах сопряжений. В результате сплющивания толщина соединительных частей по крайней мере увеличена вдвое по сравнению с толщиной стенки трубчатого профиля,

а это позволяет не только получить эффект от снижения массы всей конструкции, применяя тонкостенные трубы, но и добиться уменьшения трудоемкости сварочных работ за счет использования высокопроизводительных режимов сварки, т.к. толщина позволяет накладывать более толстые угловые швы.

Таким образом, благодаря новому механизму взаимодействия ранее известных в отдельности признаков удается получить совершенно новый эффект, выражающийся в повышении надежности узловых сопряжений решетчатого строительного элемента из круглых труб за счет сглаживания пиков касательных напряжений в сварных швах и защемления многослойных сплющенных участков поясов в прорезях V-образных сгибов зигзагообразных соединительных решеток, усиления сплющенных и деформированных переходных участков поясов, а также дополнительный эффект от уменьшения трудоемкости изготовления и монтажа за счет простоты фиксации проектного положения элементов, неразьемно- сти узловых соединений пространственных форм, удобства и простоты крепления поддерживаемых конструкций при одновременном расширении возможностей формообразования и областей использования конструкций.

Строительный решетчатый элемент предназначен для применения в легких несущих конструкциях покрытий средних про- леток, а также в пространственных каркасах.

На фиг. 1-3 изображены варианты конструкций объемных ферм с использованием строительного решетчатого элемента; на фиг.4 - узловое соединение трубчатых стержней во фронтальной проекции; на фиг.5 и 6 - разрезы А-А и Б-Б на фиг.4; на фиг.7 - вариант узлового соединения, в котором элементы соединительной решетки выполнены с разносторонними отгибами сплющенных концов; на фиг,8 - разрез В-В на фиг.7; на фиг.9 - вариант узлового соединения трубчатых стержней с четырьмя соединительными зигзагообразными решетками в аксонометрии.

Строительный решетчатый элемент (фиг. 1-3) включает пояса 1 и зигзагообразные соединительные решетки 2, шаг V-образных сгибов которых равен а. Размер поясных панелей в приведенных вариантах равен а/n, где п - число решеток, примыкающих к поясу. Характерной особенностью объемных ферм (фиг.1-3) является замкнутая форма сечения, образованная гранями соединительных решеток 2 и поясами 1.

Внутренний угол а, образованный гранями соединительных решеток, для наиболее распространенных стержневых систем обычно изменяется в диапазоне от 30 до

180°. Тупые углы характерны для полигональных сводчатых систем, которые представляют собой неполную развертку граней конструкций (фиг.1), например, на цилиндрическую поверхность. В узлах поясные

элементы 1 имеют многослойные частично сплющенные участки 3 треугольной или трапецеидальной формы (фиг.4, 5), симметрично ориентированные в плоскостях соединительных решеток 2, расположенных

по длине поясов 1 с шагом а/n и регулярно повернутые друг относительно друга на угол а. Элементы зигзагообразных соединительных решеток 2 в местах сопряжений выпол- нены непрерывными многослойными

сплющенными в форме V-образных сгибов 4 и снабжены на плоских участках продольными прорезями, выходящими на ребро сгиба, в которые вставлены и в которых защемлены соответствующие им участки 3

поясов 1.

Соединение поясов 1 и V-образных сгибов 4 соединительной решетки 2 осуществлено при помощи сварки угловыми швами. Поворот сплющенных участков 3 поясов 1

на угол а превращает при сварке строительный решетчатый элемент (фиг. 1-3) в неразъемную конструкцию, поскольку сплющенные участки 3 замыкающего поясного элемента 1 устанавливаются в проектное положение осевой протяжкой сплющенных участков 3 через продольные (прорези) в V-образных сгибах 4 соединительных решеток 2.

На фиг.6,7 изображен вариант узлового

соединения трубчатых стержней строительного решетчатого элемента, в котором сплющенные участки 3 поясов 1 выполнены из парных, расположенных зеркально, симметрично относительно его продольной оси

трапецеидальных или треугольных частей и линейно деформированных переходных к круглой трубе участков 5. Каждый элемент соединительной решетки 2 имеет форму косого зета за счет отогнутых в противоположные стороны относительно его продольной оси концов 6. Отогнутые концы 6 снабжены продольными прорезями, расширяющимися к концу и выходящими на торец. Причем отогнутые концы 6 смежных элементов соединительной решетки 2 установлены соосно вдоль оси пояса 1 и жестко соединены вершинами отгибов посредством сварки, а сплющенные 3 и деформированные переходные участки 5 поясов 1 вставлены и защеплены в прорезях соединительной решетки 2. Отогнутые концы 6 могут быть снабжены отверстиями под крепежные болты для удобства монтажа связей жесткости, элементов покрытия и других поддерживаемых конструкций.

На фиг.8 узловое соединение строительного решетчатого элемента образовано поясом 1, сплющенные участки 3 которого выполнены прямоугольными, и четырьмя зигзагообразными соединительными решетками 2, расположенными попарно в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В местах V-образных сгибов 4 и соединительные решетки 2 имеют опорные участки 7 прямоугольной формы, причем только V-об- разные сгибы 4 парных вертикальных соединительных решеток снабжены продольными прорезями. Опорные участки 7 парных горизонтальных соединительных решеток 2 объединены друг с другом через сплющенные участки 3 пояса 1 и установлены и защемлены в продольных прорезях V-образных сгибов 4 парных вертикальных решеток 2. Объединение опорных участков 7 парных горизонтальных решеток 2 может быть осуществлено на винтах или болтах. Объединение опорных участков 7 парных вертикальных решеток 2 может быть осуществлено при помощи монтажных болтов непосредственно либо через прокладку, в качестве которой может быть использован, например, сплющенный конец дополнительного горизонтального стержня. Строительный решетчатый элемент с узловыми соединениями (фиг.8) наиболее целесообразно использовать в конструкциях пространственных каркасов.

Особенностью силовой работы заявляемого устройства является эффект защемления, проявляющийся в виде распора в многослойных частично сплющенных участках 3 поясного элемента 1, которому препятствуют кромки продольных прорезей V-образных сгибов 4 соединительных решеток 2.

В устройстве (фиг.6) этот эффект распространяется также на переходные линейно деформированные участки 5, а в устройстве (фиг.8) - на опорные участки 7 соединительных решеток 2, расположенных в горизонтальной плоскости. Кроме того, строительный решетчатый элемент из круглых труб отличается повышенной жесткостью узлов, посколькуо сплющенные участки поясов 1 и решеток 2 взаимно подкрепляют друг друга с образованием парных V-образных (фиг.4) К-образных (фиг.6) и Х-образных (фиг.8) ребер жесткости.

Необходимость конструирования данного строительного решетчатого элемента была продиктована стремлением упростить изготовление как плоских, так и пространственных стержневых систем из круглых труб, повысить надежность их узловых сопряжений и расширить возможность формообразования конструкций и области использования.

Простота конструктивного решения предполагает следующий технико-экономический эффект:

снижение трудоемкости изготовления плоских и пространственных ферм в 1,5 раза за счет уменьшения числа отправочных марок, универсальности узловых соединений как для плоских, так и для пространственных систем, не требующей коренного изменения технологии со сменой вида продукции, упрощения взаимной фиксации проектного положения поясных стержней и соединительных решеток, благодаря форме частично сплющенных участков поясов, не- разъемности соединения при сборке объемных ферм замкнутого поперечного сечения, что повышает оборачиваемость сборочного кондуктора, удобства ведения сварочных работ в нижнем положении, угловыми швами, на производительных режимах, удобства сборки на монтажной площадке как самих ферм, так и элементов поддерживаемых конструкций (связей жесткости, прогонов, плит покрытия и т.п.), опирающихся в узловых точках, уменьшения объема сварочных работ;

повышение надежности сварныхсоеди- нений за счет использования эффекта защемления частично сплющенных участков поясов;

повышение местной устойчивости и жесткости узловых сопряжений за счет взаимного подкрепления сплющенных участков с образованием V-образных, К-образных и X- образных парных ребер жесткости;

уменьшение потерь конструкционногс материала при отработке сплющенных участков в 2-3 раза (на один узел) по сравнение с узлами трубчатых ферм, в которых используется фигурная обрезка концов;

минимальное число конструктивны) элементов, подлежащих совместной сборке, высокая степень их заводской готовности, удобство и компактность npi- транспортировке позволяют без значитель

ных затрат и с достаточно высоким качест вом осуществлять изготовление ферм Е условиях монтажной площадки;

широкий диапазон формообразовани; различных конструктивных схем, достигавмый за счет универсальности и технологичности узловых сопряжений;

возможность изготовления конструкций с использованием конструкционных термопластов позволяет получить легкую, химически стойкую радиопрозрачную конструкцию и тем самым расширить область ее применения.

Формула изобретения

щенные участки поясов выполнены из парных, расположенных зеркально, симметрично относительно его продольной оси трапецеидальных или треугольных частей, с

линейно деформированными переходными участками, при этом каждый элемент соединительной решетки выполнен с отогнутыми в противоположные стороны относительно его продольной оси концами, имеющими

продольные прорези, причем отогнутые концы смежных элементов решетки установлены между собой и вдоль оси пояса соосно и жестко соединены вершинами, а переходные линейно деформированные

участки поясов размещены и защемлены в прорезях.

горизонтальных решеток объединены друге другом сплющенными участками поясов и размещены в прорезях сгибов парных вертикальных решеток, соединенных опорными участками.

Фиг. 3

pus.2

Фиг. 4

фиг. 5

L

Фиг.е

-1 1

Фиг.З