Сетчатая оболочка Советский патент 1992 года по МПК E04B7/10 

(Л

С

Использование: в покрытиях зданий различного назначения, в том числе промышленных зданий со взрывоопасным производством, а также в качестве дополнительного защитного ограждения отдельных сооружений, например зданий атомных электростанций. Сетчатая оболочка состоит из отдельных стержневых элементов, соеди- ненных между собой в узлах решетки с помощью оголовков, которые, в свою очередь, соединены с гибкими упруго-пластическими элементами, утолщенными по концам. Каждый узел решетки снабжен криволинейными каналами для установки в них гибких упруго-пластических элементов. Кроме того, каждый оголовок стержневого элемента выполнен разъемным с криволинейным каналом, через который пропущен гибкий упруго-пластический элемент большой длины с коническими утолщениями на концах. 5 ил.

Изобретение относится к строительству и может найти применение для покрытий стержневыми сетчатыми оболочками зданий различного назначения, в том числе промышленных зданий со взрывоопасными производствами, а также в качестве дополнительного защитного ограждения отдельных сооружений, например зданий атомных электростанций.

Известна пространственная конструкция сетчатой оболочки, смонтированная из множества прямых стержней, соединенных концевыми частями с узловыми элементами с помощью высокопрочных гибких соединительных элементов, не допускающих сжатия (заявка Японии № 63-21777, кл. 4 Е 04 В

1/342, 1988, Строительная конструкция каркасного типа).

Недостатком известного покрытия является сложность монтажа, необходимость проведения работ по соединению стержневых элементов между собой на высоте в проектном положении. Кроме того, конструкция обладает низкой взрыве- и ударостойкостью. При действии на такую конструкцию ударной волны от взрыва внутри здания быстро нарастающее давление будет стремиться растянуть оболочку Стержневые и гибкие элементы, включаясь в работу, начинают удлиняться сначала в упругой, а затем и в пластической стадиях работы материала. Однако вследствие стремительного роста внутреннего давления с

V4 XI

СП О

|J

CJ

одной стороны и незначительного увеличения объема пространства внутри сетчатой оболочки, возникающего за счет удлинения при растяжении стержневых и гибких элементов, на каком-то этапе нагружения напряжения в этих элементах могут превзойти допустимый уровень и конструкция разрушится. При этом возникает опасность выброса в атмосферу продуктов взрыва, например, радиоактивной пыли.

Наиболее близким к предлагаемой конструкции является пространственное покрытие каркасного типа, включающее стержневые и узловые элементы. Формообразование покрытия осуществляется методом трансформации плоской решетки - заготовки в пространственное покрытие каркасного типа, включающим размещение мембраны под покрытием, раскладку отдельных стержневых элементов и их сборку на плоскости. В плоской решетке с треугольными ячейками предусматривается узловое устройство для шарнирного поворота стержней в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждый стержневой элемент снабжен телескопическим оголовком, обеспечивающим возможность продольного удлинения и поворота элемента относительно продольной оси. Шарнирное соединение концов стержневых элементов позволяет в результате надувания мембраны приобрести покрытию проектное положение. Затем после фиксации длины стержня с помощью пружинного кольца ого- ловча и шарнирного устройства с помощью болтового соединения возможен демонтаж мембраны (а. с. СССР № 1080749, кл. Е 04 В 7/10, Пространственное покрытие и способ его образования. Опубл. 15.03.84. Бюл. № 10).

Недостатком известного способа является сложность монтажа, связанная с необходимостью фиксации узлов соединения стержней стяжными болтами на высоте в проектном положении, а также высокие требования к допускам на размеры всех элементов решетки, невыполнение которых приводит к возникновению больших оста- гочных монтажных напряжений, снижающих несущую способность оболочки. Недостатком этой конструкции является также ее низкая взрыве- и ударостойкость, и поэтому она не может предотвратить опасность выброса в атмосферу продуктов взрыва.

Целью изобретения является упрощение монтажа и повышение надежности сетчатой оболочки за счет уменьшения остаточных напряжений, а также увеличение ее взрыво- и ударостойкости.

Поставленная цель достигается тем, что в сетчатой оболочке, включающей отдельные стержневые элементы с оголовками, со- единенные между собой в узловых

элементах решетки, каждый узловой элемент выполнен с криволинейными каналами, а каждый оголовок соединен с узловым элементом гибким упруго-пластическим элементом, имеющим утолщение на конце

со стороны узлового элемента и размещенным в соответствующем криволинейном канале. Кроме того, каждый оголовок стержневого элемента выполнен разъемным с криволинейным каналом для размещения гибкого упруго-пластического элемента, имеющим утолщение на конце со стороны оголовка.

На фиг. 1 изображена сетчатая оболочка, общий вид; на фиг. 2 - узел решетки в

разобранном состоянии, общий вид; на фиг. 3 - узел решетки однопоясной сетчатой оболочки, разрез; на фиг. 4 - узел решетки двух- поясной сетчатой оболочки, разрез; на фиг. 5 - разъемный оголовок, разрез.

Сетчатая оболочка, изображенная на

фиг. 1, включает прямолинейные стержневые элементы 1, соединенные между собой в узлах образовавшейся решетки 2.

На фиг. 2 показан узел решетки, его

разъемный корпус, состоящий из верхней 3 и нижней 4 жестких кольцеобразных крышек. На обращенных одна к другой поверхностях кольцеобразных крышек расположены криволинейные каналы 5,

имеющие выходы к наружному и внутреннему контурам крышек. В каналы 5 укладываются соответствующим образом искривленные гибкие упруго-пластические элементы с коническими утолщениями 7 на

концах, обращенных к центральному отверстию кольцевых крышек. Другим концом гибкие элементы с помощью утолщения 8 крепятся к оголовкам 9, присоединенным резьбовым соединением к стержневым элементам 1. После установки гибких элементов в каналах крышки корпуса накладываются друг на друга и соединяются между собой, например, стяжными болтами 10, установленными по окружности между

каналами в сквозных отверстиях 11.

Поперечное сечение узла решетки в собранном виде изображено на фиг. 3. Показан случай использования длинного гибкого упруго-пластического элемента 6. В случае,

когда концевая часть гибкого упруго-пластического элемента 6 с коническим утолще- нием 7 не помещается в центральное отверстие кольцеобразных крышек корпуса 3 и 4, ее заводят под нижнюю крышку 4.

Конструкция узла решетки позволяет при некотором критическом уровне растягивающих сил протягивать вдоль криволинейного канала гибкий упруго-пластический элемент. Большая часть протягивающей гибкий элемент силы расходуется на упруго- пластическое деформирование материала гибкого элемента. Остальная часть - на преодоление сил трения. Если протягивающая сила оказывается ниже указанного критического уровня, то гибкий упруго-пластический элемент 6 оказывается жестко закрепленным в криволинейном канале. Узлы с жестким соединением стержневых элементов необходимы для устойчивой работы однослойных сетчатых оболочек, так как такие узлы решеток препятствуют явлению прощелкивания и потере устойчивости оболочек. Поэтому показанная на фиг. 3 одно- корпусная конструкция узла решетки предназначается прежде всего для создания однослойных сетчатых оболочек. Аналогичная конструкция, но с большим числом криволинейных каналов, может быть использована и для двухслойных сетчатых оболочек. Хотя для многослойных сетчатых оболочек более перспективной является двухкорпусная конструкция узла решетки, изображенная на фиг. 4. Корпуса узлов решетки соединены общими стяжными болтами 10, проходящими через оба корпуса и ограничительные втулки 12. С помощью ограничительных втулок между корпусами создается зазор, обеспечивающий свободный доступ к гибким 6 и стержневым 1 элементам в районе оголовка 9.

Для обеспечения равной прочности для всех элементов сетчатой оболочки площадь поперечного сечения гибкого упруго-пластического элемента 6 должна быть не мень- ше площади поперечного сечения стержневого элемента 1, изготовляемого обычно в виде полой трубы. Для толстостенного стержневого элемента может оказаться более рациональным его соединение не с одним, а с двумя и более гибкими упруго- пластическими элементами. Каждый из этих гибких упруго-пластических элементов должен укладываться в свой канал. Если в корпусе узла решетки не удается (по условиям прочности) разместить необходимое количество криволинейных каналов, можно использовать соединенные вместе два и более корпусов. Таким образом достигается возможность расположения неограниченного числа криволинейных каналов без снижения прочности узлов решетки, а значит, и сетчатой оболочки.

На фиг. 5 показан корпус разборного оголовка 9 с фланцами 13, отверстиями 14

под стяжные болты и криволинейным каналом 15, в котСрый устанавливается длинный гибкий упруго-пластический элемент 6 с коническими утолщениями 7 на обоих концах.

Длина конца, проходящего через канал узла решетки, выбирается равной изменению расстояния между узлами решетки в плоском и объемном состояниях. Длина другого конца гибкого элемента 6 должна быть не

0 меньше расстояния между узлами решетки. Форма и размеры криволинейного канала 15 выбираются из условия возможности протягивания через него гибкого элемента 6 силой, равной или превышающей усилия,

5 возникающие в оболочке приеенагружении ударной взрывной волной. Следовательно, протягивание длинного конца гибкого элемента 6 вдоль криволинейного канала 15 осуществляется только в аварийном случае

0 при взрыве внутри оболочки. При меньшей нагрузке гибкий элемент 6 оказывается жестко зажат в криволинейном канале 15, а его длинный конец, чтобы не мешался при повседневной эксплуатации, пропускается

5 внутрь трубчатого стержневого элемента 1. На фиг. 5 хорошо видно, что внутри трубчатого стержневого элемента 1 два не связанных друг с другом гибких элемента 6, каждый из которых пропущен через разные

0 криволинейные каналы в оголовках 9, расположенных на противоположных концах стержневого элемента 1. Для предотвращения в аварийной ситуации при взрыве вытягивания из криволинейных каналов 5 (в

5 узлах решетки) и 15 (в оголовках) гибкого упруго-пластического элемента 6 на его концах установлены конические утолщения 7.

Способ образования сетчатой оболочки состоит в следующем. Размещают пневно0 подушку под собранной в виде плоской решетки заготовкой сетчатой оболочки. В этой решетке оголовки стержневых элементов устанавливаются в непосредственной близости от узловых элементов и связывают их

5 между собой гибкими упругопластическими элементами, свободные концы которых пропускают в центральное отверстие корпуса узловых элементов.

Периферийные стержневые элементы

0 присоединяют к опорному контуру также с помощью гибких упруго-пластических элементов, чтобы дать возможность за счет их пластического деформирования осуществить необходимый поворот стержневых эле5 ментов в точках крепления. Такой поворот возможен при трансформировании оболочки под действием ударной взрывной волны или монтажных сил. При меньших- нагрузках, например, эксплуатационных, пластическая деформация не допускается, и

гибкий элемент становится жестко заделанным,

Затем надувают пневмоподушку до тех пор, пока возникающие при этом в оболочке растягивающие силы не превзойдут определенный уровень и не начнут протягивать с образованием упруго-пластических деформаций гибкие элементы вдоль криволинейных каналов в узлах решетки. Для протягивания гибких упруго-пластических элементов вдоль криволинейных каналов оголовков необходимы более значительные силы, возникающие в оболочке при взрыве или ударе крупных обломков разрушаемой при взрыве конструкции. Растягивающие силы, возникающие при монтаже сетчатой оболочки, протягивают гибкие упруго-пластические элементы на величину смещения узлов решетки, необходимую для образования оболочки заданной формы. Величины этих смещений нетрудно определить расчетным путем, а потому необходимые длины гибких элементов можно считать известными. А во время надувания пневмоподушки в результате свободного протягивания гибких элементов во всех линейных элементах сетчатой оболочки возникают равные напряжения в любом направлении, т.е. создается уникальная равнонапряженная сетчатая оболочка без остаточных монтажных напряжений. После достижения сетчатой оболочкой проектной формы сбрасывается избыточное давление в пнев- моподушке, и производится ее демонтаж. Образованная таким образом равнонапряженная сетчатая оболочка считается пригодной для восприятия повседневой эксплуатационной нрагрузки. При этом может оказаться, что не все гибкие упруго-пластические элементы оказались втянутыми со стороны центрального отверстия корпуса узла решетки внутрь криволинейных каналов до упора, создаваемого коническими утолщениями. Часть гибких элементов могут быть втянутыми внутрь каналов лишь на части своей длины. Однако это не повлияет на дальнейший характер работы сетчатой оболочки при повседневной работе, так как раздвижка узлов в необходимых пределах уже произошла при формировании оболочки, а жесткость узлов решетки определяется жесткостью закрепления в криволинейных каналах гибких элементов.

Различие в положениях гибких элементов относительно криволинейных каналов проявится лишь в аварийной ситуации, например при взрыве внутри оболочки или ударе изнутри обломком разрушающейся конструкции, когда возникающие в оболочке растягивающие усилия превысят монтажные усилия. В этом случае гибкие элементы с заклиненными ранее в криволинейных каналах коническими утолщениями останутся неподвижными. Остальные гибкие элементы будут протягиваться вдоль криволинейных каналов до упора конических утолщений в стенки каналов, и только после этого остановятся там. Во время рассматриваемого процесса нагружения в сетчатых

0 оболочках, имеющих жесткое соединение гибких упругопластических элементов с оголовками, произойдет перераспределение растягивающих усилий с их концентрацией в районах расположения неподвижных гиб5 ких элементов. Под действием быстро нара- стающей нагрузки эти элементы разрушаются. Такие оболочки обладают низкой взрыво- и ударостойкостью и не могут предотвратить опасность выброса в ат0 мосферу продуктов взрыва.

Для сетчатых оболочек, имеющих силовое соединение гибких упруго-пластических элементов с оголовками, такого перераспределения усилий не произойдет из-за на5 чавшегося к этому времени процесса протягивания гибких упруго-пластических элементов вдоль криволинейных каналов разъемных оголовков. Благодаря независимому протягиванию гибких упруго-пласти0 ческих элементов в своих криволинейных каналах оголовков сетчатая оболочка вновь становится равнонапряженной, а ее форма будет постоянно видоизменяться в зависимости от вида нагружения и реального ис5 полнения силового соединения гибких элементов с оголовками, стремясь при минимальной поверхности охватить максимальный объем. По мере нарастания внешней нагрузки и протягивания гибких

0 элементов вдоль криволинейных каналов оголовков объем перекрываемого оболочкой пространства будет увеличиваться в 20 и более раз. Вследствие этого интенсивность нарастания внешней нагрузки, напри5 мер давление ударной волны, будет снижена.

Остальная часть энергии взрыва расходуется в основном на образование обширных полей пластических деформаций в

0 непрерывно изгибаемых и выпрямляемых гибких элементах во время их протягивания в криволинейных каналах оголовков.

Предлагаемая сетчатая оболочка со сверхвысокой энергией разрушения обла5 дает высокой взрыво- и ударостойкостью и позволяет избежать выброса в атмосферу вредных продуктов взрыва, например радиоактивной пыли, а значит, способствовать безопасности и охране окружающей среды.

Технология образования двухслойных (или многослойных) сетчатых оболочек, состоящих из двух (и более) решетчатых поверхностей, расположенных на некотором расстоянии одна от другой и соединенных между собой раскосами и стойками, аналогична технологии образования однослойных сетчатых оболочек. Оболочка изготовляется из структурной двух- или многослойной плиты изгибанием по задан- ной поверхности. В многослойных сетчатых оболочках используются двухкорпусные узлы решетки. В связи с тем, что к многопоясным сетчатым оболочкам не предъявляются требования жесткого соединения стержней, в узлах верхних решетчатых поверхностей криволинейные каналы делаются более свободными. Однако это не относится к криволинейным каналам в оголовках.

Предлагаемая многослойная сетчатая оболочка обладает высокой взрыво- и ударостойкостью и способна воспринимать не только воздействие взрыва внутри защищаемого пространства, но и удар большой интенсивности твердого тела снаружи, например удар падающего самолета. ОбоФиг. I

лочка способна защитить окружающую среду от выброса в атмосферу вредных продуктов взрыва, например радиоактивной пыли.

Формула изобретения

иг, 2

$иг. 3

з д

-- -- -Ј-- f

.xv32zs:L

Ь,

. гдз -

А..Ъ

8 N9 1

10

$кГф Ч

о о

о о

$КГ„. 5

13 и