Пространственное покрытие

 

Использование: для покрытий промышленных, общественных и сельскохозяйственных зданий. Покрытие включает несущую плиту из перекрестно расположенных элементов, опирающихся по периметру покрытия на опорный кортур, диагонально расположенные тяжи, подкосы и распорное устройство, имеющее распорный болт. Верхние концы подкосов оперты в месте пересечения перекрестных элементов, а нижние концы сходятся в точке, лежащей на центральной оси покрытия, и соединены тяжами распорным устройством. Величина хода винта в распорном устройстве является функцией наименьших значений положительных и отрицательных величин изгибающих моментов, поперечных сил, осевых усилий и прогибов перекрестных балок и элементов опорного контура. 6з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к области строительства и предназначено для покрытий промышленных, общественных и сельскохозяйственных зданий.

Известна конструкция прямоугольного в плане покрытия, включающего систему перекрестных балок, напрягаемых шпренгелями из арматурных стержней со стойками [1] Недостатки этого решения большая трудоемкость изготовления и монтажа при необходимости индивидуального преднапряжения отдельно каждой балки, а также увеличенный расход металла на опорные стойки, которые располагаются по периметру блока и воспринимают нагрузки от каждой из перекрестных балок.

Известно техническое решение прогонов с верхним поясом, опирающимся на наклонные распорки, разделяющие его пролет на несколько пролетов меньшей величины и растяжки, которые являются опорой для распорок в центральном узле прогона [2] Недостатки данного решения плоскостное решение, поэтому для перекрытия полезной площади здания требуется многократное ее исполнение с применением дополнительно ригелей или балок, а также создание дополнительных опор или ферм, что приведет к увеличению расхода материала, а также трудоемкости изготовления и монтажа.

Известно пространственное покрытие, включающее систему перекрестно расположенных фeрм, верхние пояса которых выполнены в виде балок-распорок, стойки, расположенные в местах пересечения поясов и контурные элементы. Перекрестные фермы опираются на жесткие пояса последних. Покрытие снабжено наклонными подкосами, объединяющими нижние концы стоек с местами пересечения поясов перекрестных ферм [3] Недостатки этой конструкции трудоемкость изготовления и монтажa, т.к. она имеет большое количество элементов (стоек, тяжей, узлов и т.п.), что дополнительно усложняет систему и ведет к затруднениям настройки относительно расчетных данных, т.е. изготовитель всегда вынужден давать запас материала в основных несущих элементах, и большая материалоемкость относительно неразрезных балок, так как общий характер эпюры моментов относительно максимального пролета сохраняется.

Наиболее близким техническим решением является пространственное покрытие, включающее несущую плиту из перекрестно расположенных элементов, опирающихся по периметру покрытия на опорный контур, подкосы, верхние концы которых уперты в места пересечения перекрестных элементов в диагонально расположенные тяжи [4] Недостатки такого решения повышенная трудоемкость изготовления и монтажа из-за большого количества отдельных стержней поясов и решетки, а также повышенная деформативность по причине большого количества узловых соединений в сочетании с деформативностью тяжей, применяемых без преднапряжения.

Цель изобретения повышение несущей способности и жесткости конструкции, снижение металлоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа.

Сущность изобретения заключается в том, что в пространственном покрытии, включающем несущую плиту из перекрестно расположенных элементов, опирающихся по периметру покрытия на опорной контур, подкосы, верхние концы которых уперты в места пересечения перекрестных элементов и диагонально расположенные тяжи, нижние концы подкосов сходятся в точке, лежащей на центральной оси покрытия, и соединены с тяжами распорным устройством, создающим преднапряжение конструкции. Место опирания верхней части подкоса выбирается из условия наименьшего изгибающего момента в перекрестных элементах при наименьшем количестве подкосов. Величина хода винта δ в распорном устройстве является функцией наименьших значений положительных и отрицательных величин изгибающих моментов М, поперечных усилий Q, осевых усилий N и прогибов W перекрестных элементов и элементов опорного контура: δ ( ±М_min;∓ Q_min; ± N_min; ± W_min), полученных в результате оптимизации результатов системы пробных расчетов. Опорный контур может быть выполнен в плане квадратным или круглым, прямоугольным, или многоугольным. При квадратном или круглом плане подкосы и соответствующие им тяжи расположены соосно.

В пространственном покрытии на концах тяжей выполнены накладки с отверстиями и прорезями, между которыми пропущен угловой вертикальный лист опорного узла, имеющий стопоры на боковых поверхностях и лежащие на линии движения кромок накладок. Прорезь накладок охватывает стопор, а отверстия накладок и вертикального листа сцентрированы и объединены крепежным элементом в преднапряженном состоянии.

Тяжи прикреплены по углам опорного контура с эксцентриситетом.

На фиг. 1 показано пространственное покрытие, общий вид; на фиг. 2 то же, план; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 узел распорного устройства (вариант I); на фиг. 6 разрез В-В на фиг. 5; на фиг. 7 узел распорного устройства (вариант 2); на фиг. 8 разрез Г-Г на фиг. 7; на фиг. 9 опорный узел, вид сверху; на фиг. 10 то же, вид сбоку; на фиг. 11 многоугольное покрытие, план; на фиг. 12 разрез Д-Л на фиг. 11; на фиг. 13 круглое покрытие, план; на фиг. 14 разрез Е-Е на фиг. 13.

Пространственное покрытие включает несущую плиту из перекрестно расположенных элементов 1, опирающихся по периметру покрытия на опорный контур 2, диагонально расположенные тяжи 3, подкосы 4 и распорное устройство 5, имеющее распорный болт 6. Верхние концы подкосов 4 опираются в места пересечения перекрестных элементов, а нижние концы сходятся в точке, лежащей на центральной оси покрытия, и соединены с тяжами 3 распорным устройством 5. Место опирания верхней части подкоса 4 выбирается из условия наименьшего изгибающего момента в перекрестных элементах 1 при наименьшем количестве подкосов 4.

Величина хода винта δ в распорном устройстве является функцией наименьших значений положительных и отрицательных величин изгибающих моментов М, поперечных сил Q, осевых усилий N и прогибов W перекрестных балок и элементов опорного контура: δ ( ±М_min∓ Q_min; ± N_min; ± W_min), полученных в результате оптимизации результатов системы пробных расчетов. Опорный контур 2 покрытия в плане может быть квадратными, прямоугольным, многоугольным, круглым. В опорном контуре 2 квадратного или круглого плана подкосы 4 и соответствующие им тяжи 3 расположены соосно. Только такое взаимное пространственное расположение тяжей и подкосов обеспечит наибольшую эффективность работы конструкции.

Элементы опорного контура 2 могут быть выполнены металлическими или железобетонными, а балки из металла или дерева. Напряжение плиты осуществляется распорным устройством, в котором, например, вращением распорного болта 6 увеличивают расстояние между пересечением тяжей 3 и сжатыми подкосами 4, в результате чего последние подпирают систему перекрестных элементов 1, создавая для них дополнительные опоры и напрягая при этом одинаково все тяжи 3. Преднапряжение покрытия можно осуществлять с помощью домкрата 7, который установлен в узел пересечения подкосов и тяжей. В этом случае на концах тяжей в опорных узлах выполнены накладки 8 с отверстиями 9 и прорезями 10, между которыми пропущен угловой вертикальный лист 11 опорного узла, имеющий стопоры 12 на боковых поверхностях и лежащие на линии движения кромок накладок 8, при этом прорезь 10 накладок 8 охватывает стопор 12. При попадании стопора 12 в прорезь 10 отверстия накладок 8 и вертикального листа 11 центрируется, отверстия объединяются крепежным элементом 13 в преднапряженном состоянии.

В предлагаемом решении пространственного покрытия положительные качества перекрестных балок 1 и рациональной преднапрягаемой системы по типу висячей сливаются воедино.

Жесткость пространственного покрытия повышается за счет уменьшения пролета элементов 1, а также за счет обеспечения предварительного напряжения тяжей 3, закрепленных в углах покрытия и подкосов 4. Место опирания подкосов выбирается с таким расчетом, чтобы наиболее выгодно разделить пролеты элементов 1, жесткость которых повышается исключением начального прогиба верхней части покрытия за счет предварительного напряжения посредством распорного устройства 5 в центральном узле.

Благодаря дополнительным опорам пролет перекрестных элементов 1 по сравнению с общей длиной плиты становится меньше в несколько раз, поэтому изгибающие моменты в перекрестных элементах 1 резко падают по величине. Кроме того, изгибающие моменты в элементах 1 снижаются за счет их неразрезности в месте опирания подкосов 4. Усилия от тяжей 3, прикрепленных в углах блока покрытия, передаются с эксцентриситетом относительно продольной оси ферм опорного контура 2 в сторону растянутых нижних поясов. Величина эксцентриситета изменяется от нуля до 0,5h, где h расстояние между поясами контурных ферм или высота контурных балок, при котором остаток усилия в нижнем поясе составляет 0,25N, где N усилие в нижнем поясе без учета воздействия усилий в тяжах. Величина эксцентриситета зависит от того, какую часть поясного усилия выгодно снять в нижнем поясе, оставив его в растянутом состоянии, исключив этим при неполной нагрузке изменение его знака на обратный (сжатие), при котором потребуется в расчете применить коэффициент устойчивости ϕ что потребует резко увеличить сечения и соответственно ухудшит экономические показатели расхода материала.

Центральное расположение опоры из раскосов отвечает центральному расположению места пересечения тяжей, что позволяет перераспределять любые несимметричные нагрузки в центр покрытия, а оттуда по его углам, т.е. в самые удобные места для их восприятия. При преднапряжении происходит автоматическое выравнивание усилия в элементах покрытия, не требующих подстройки системы. Это упрощает монтаж, значительно снижает его трудоемкость.

В предлагаемом техническом решении пространственного покрытия положительные качества перекрестных балок 1 (их эквивалентный пролет равен 1,28 пролета простой балки) и рациональной преднапрягаемой системы по типу висячей сливаются вместе. Система предварительного напряжения создает дополнительные опоры для перекрестных балок 1 в середине блока покрытия и одновременно разгружает окаймляющие конструкции опорного контура 2, за счет чего отпадает необходимость в отдельных стойках под каждую балку 1.

Экономические показатели предлагаемой конструкции достаточно высокие. Расчет на равномерно распределенную нагрузку, равную 4 кг/м²показал, что расход металла по сравнению с покрытием из перекрестных балок размером 24х24 м меньше в 1,5.1,8 раза при металлическом опорном контуре 2. По сравнению со структурной плитой покрытия размером 18х18 м и нагрузкой 4 кг/м² расход материала получается меньшим незначительно. Однако трудоемкость изготовления и монтажа структурных покрытий значительно выше из-за большого количества стержней подкосной решетки, а также из-за сложности и большого количества узловых соединений. При железобетонном опорном контуре 2 у пространственного покрытия размером 24х24 м показатели расхода металла составляют 31.34 кг/м², а приведенный расход бетона 2.3,5 см, что соответствует расходу металла на структурный блок покрытия, по размерам 24х24 м, т.е. при наличии двух лишних опор и необходимости устройства для фундаментов. Показатели расхода материалов для мембранного покрытия с железобетонными опорами при аналогичной величине покрытия 24х24 м и нагрузке 4 кг/м²составляет металла 36,4 кг/м² и бетона 4,3 приведенной толщины.

Предложенная конструкция покрытия хорошо приспособлена к неравномерности приложения внешней нагрузки по причине того, что все реактивные усилия в конечном результате перераспределяются в центральном узле преднапрягаемой системы и на угловые опоры. Монтаж пространственного покрытия осуществляется традиционными методами с применением блочного монтажа с нулевой отметки. Предварительное напряжение осуществляется опорным болтом 6. Усилия предварительного напряжения определяются величиной хода винта, заданного в проекте.

Транспортировка и монтаж такого покрытия аналогичны простоту балочному, проще и легче структурных и мембранных покрытий, осуществляются отдельными элементами заводской готовности число которых на блок составляет по типам отправочных марок всего 4 разновидности.

Формула изобретения

1. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ПОКРЫТИЕ, включающее несущую плиту из перекрестно расположенных элементов, опертых по периметру покрытия на опорный контур, подкосы, верхние концы которых уперты в местах пересечения перекрестных элементов, и диагонально расположенные тяжи, отличающееся тем, что нижние концы подкосов сходятся в точке, лежащей на центральной оси покрытия, и соединены с тяжами распорным устройством, создающим преднапряжение конструкции, а место опирания верхней части подкоса выбирается из условия наименьшего изгибающего момента в перекрестных элементах при наименьшем количестве подкосов, при этом величина δ хода винта в распорном устройстве является функцией наименьших значений положительных и отрицательных величин изгибающих моментов M, поперечных сил Q, осевых усилий N и прогибов w перекрестных элементов и элементов опорного контура: d(± M_min; ∓ Q_min; ± N_min; ω_min), полученных в результате оптимизации результатов системы пробных расчетов.

2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что опорный контур выполнен квадратным в плане.

3. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что опорный контур выполнен круглым в плане.

4. Покрытие по пп.2 и 3, отличающееся тем, что подкосы и соответствующие им тяжи расположены соосно.

5. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что опорный контур выполнен прямоугольным в плане.

6. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что опорный контур выполнен многоугольным в плане.

7. Покрытие по пп.2 6, отличающееся тем, что на концах тяжей выполнены накладки с отверстиями и прорезями, между которыми пропущен угловой вертикальный лист опорного угла, имеющий стопоры на боковых поверхностях, лежащие на линии движения кромок накладок, при этом прорезь накладок обхватывает стопор, а отверстия накладок и вертикального листа объединены крепежным элементом в преднапряженном состоянии, кроме того, тяжи прикреплены по углам опорного контура с эксцентриситетом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14