Пространственный каркас сооружения

 

Изобретение относится к области строительства, а именно к пространственным каркасам сооружений, и может быть использовано при возведении сооружений, подвергающихся действию повышенных знакопеременных динамических нагрузок. Технический результат изобретения заключается в повышении пространственной жесткости конструкции. Пространственный каркас сооружения включает многогранные ячейки, установленные одна на другую с образованием требуемой формы конструкции. Каждая многогранная ячейка составлена из несущих элементов, выполненных в виде правильных трехгранных пирамид, обращенных наружу основаниями, имеющими форму равностороннего треугольника, и горизонтальных и вертикальных связей, соединяющих упомянутые пирамиды с образованием ромбокубооктаэдра. Правильные трехгранные пирамиды могут быть выполнены полыми и усеченными. Ромбокубооктаэдры в каркасе для образования вертикальной конструкции соединены между собой соответствующими боковыми, верхними и нижними гранями. Для образования арочной конструкции ромбокубооктаэдры соединены между собой соответствующими наклонными гранями. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области строительства, а именно к пространственным каркасам сооружений, и может быть использовано преимущественно при возведении сооружений, подвергающихся действию значительных статических и особенно динамических нагрузок, например, в мостостроении, кораблестроении и т.п.

Известен пространственный каркас сооружения, включающий многогранные ячейки, соединенные с образованием требуемой формы конструкции (см. Гетц К. -Г. Атлас деревянных конструкций. - М.: Стройиздат, 1985 г., стр. 149, п. 138).

В известном пространственном каркасе многогранные ячейки образованы перекрещивающимися плоскими балками, соединенными в местах пересечения посредством пазов и металлических накладок. По форме упомянутые многогранные ячейки представляют собой призмы, которые как и параллелепипеды не являются жесткими и "сминаются" под действием нагрузки, особенно направленной перпендикулярно граням призмы. Таким образом, выполнение многогранных ячеек в виде треугольных призм не обеспечивает пространственной жесткости (т.е. способности сохранять форму и размеры под действием внешних нагрузок) составленного из указанных ячеек каркаса. Такой каркас может использоваться только как легкое ограждение или перекрытие.

Известен также пространственный каркас сооружения, включающий многогранные ячейки, установленные одна на другую с образованием требуемой формы конструкции, наиболее близкий к заявляемому по технической сущности (прототип). См. авт. св. 601368, Е 04 В 1/18, опуб. 05.04.78 г.

Известный пространственный каркас состоит из ячеек, выполненных в форме октаэдров, образующих плоскую решетчатую конструкцию. Для увеличения механической прочности конструкцию собирают из двух параллельно установленных решеток, соединенных горизонтальными связями. В известной конструкции многогранные ячейки, соединенные связями, образуют в сборе восьмигранные призмы. Призма, как указано ранее, не является жесткой конструкцией как и параллелепипед, и куб. Она также "сминается" под действием особенно горизонтальных нагрузок, изменяя геометрическую форму. Для некоторого увеличения жесткости в плоских шестигранных ячейках установлены ребра жесткости. При этом ячейки становятся жестче только в одной плоскости, а в целом пространственная жесткость каркаса невелика. Такой каркас может служить в качестве легкого ограждения, не может работать в условиях повышенных динамических знакопеременных нагрузок и не может быть использован, например, при сооружении мостов и т.п.

Задачей изобретения является создание такого пространственного каркаса, который мог бы использоваться в условиях значительных динамических знакопеременных нагрузок за счет повышенной пространственной жесткости составляющих его элементов.

Указанная задача решается тем, что в известном пространственном каркасе, включающем многогранные ячейки, установленные одна на другую с образованием требуемой формы конструкции, согласно изобретению каждая многогранная ячейка составлена из несущих элементов, выполненных в виде правильных трехгранных пирамид, обращенных наружу основаниями, имеющими форму равностороннего треугольника, и горизонтальных и вертикальных связей, соединяющих упомянутые пирамиды с образованием ромбокубооктаэдра.

Также целесообразно правильные трехгранные пирамиды выполнить полыми и усеченными.

Для образования вертикальной пространственной конструкции ромбокубооктаэдры удобно соединить между собой в горизонтальных рядах своими боковыми гранями, лежащими в вертикальной плоскости, а в вертикальных рядах соответственно верхними и нижними гранями, лежащими в горизонтальной плоскости.

Для образования арочной конструкции ромбокубооктаэдры в наклонных рядах соединены соответствующими наклонными гранями.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его конкретного выполнения и чертежами, где на фиг. 1 изображена многогранная ячейка в виде ромбокубооктаэдра (аксонометрия); на фиг. 2 - несущий элемент многогранной ячейки (вариант выполнения его в форме полой усеченной пирамиды); на фиг. 3 - пластина несущего элемента; на фиг. 4 - вертикальная пространственная конструкция; на фиг. 5 - арочная пространственная конструкция.

Пространственный каркас сооружения содержит соединенные между собой многогранные ячейки 1, выполненные в виде ромбокубооктаэдров. Каждый ромбокубооктаэдр состоит из восьми несущих элементов 2 и горизонтальных 3 и вертикальных 4 связей, соединяющих между собой упомянутые несущие элементы 2 соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Каждый несущий элемент 2 в характеризуемом варианте выполнения состоит из трех деревянных пластин 5, соединенных между собой с образованием полой правильной усеченной пирамиды. Несущие элементы 2 в других вариантах выполнения могут быть выполнены цельными, отштампованными например (не показано), могут быть выполнены из пластмассы, металла и т.д., могут быть выполнены в виде не усеченных правильных пирамид и т.п. (не показано). В каждой деревянной пластине 5 выполнены по две прорези 6, направленные с противоположных кромок навстречу друг другу с углом α схождения, равным 90^o (фиг. 3). Упомянутые прорези 6 служат для соединения пластин 5. Каждая пластина 5 вставляется при сборке в прорези 6 двух других пластин 5.

Угол β наклона каждой прорези к продольной внешней кромке пластины 5 составляет 45^o, так что в сборе получается пирамида с углом γ при вершине каждой грани, равным 90^o, и углом δ наклона ребер к периметру (или плоскости, в других вариантах) основания пирамиды, равным 45^o. Пластины 5 в данном варианте выполнены в форме равнобокой трапеции, края которой, выступающие за прорези 6, служат для крепления вертикальных 4 и горизонтальных 3 связей. Крепление связей 3, 4 к несущим элементам 2 может осуществляться любым известным способом. В данном примере - посредством болтов (не показано).

Вертикальные 4 и горизонтальные 3 связи могут иметь различную форму поперечного сечения (окружность, куб и т.п.), в данном примере упомянутые связи 3, 4 выполнены из деревянных пластин, форма их поперечного сечения - прямоугольник. Для сборки ромбокубооктаэдров несущие элементы 2 располагают большим основанием наружу. Для сборки вертикальной (горизонтальной) пространственной конструкции многогранные ячейки 1 устанавливают в ряд вплотную друг к другу и скрепляют, например, болтами (не показано). Вид крепления выбирают в зависимости от назначения конструкции. Второй и последующие ряды (фиг. 4) образуют, устанавливая упомянутые многогранные ячейки 1 одна на другую и скрепляя также болтами.

Для образования арочной конструкции многогранные ячейки 1 в каркасе соединяют своими наклонными гранями (фиг. 5).

Правильная трехгранная пирамида является наиболее пространственно жесткой из известных конструкций, однако в строительстве используются для повышения жесткости только плоские треугольники или треугольные призмы. Использование в качестве несущих элементов 2 правильных треугольных пирамид, соединенных между собой горизонтальными 3 и вертикальными 4 связями с образованием ромбокубооктаэдров, позволяет создать из последних пространственные каркасы различных форм, в которых воспринимаемые нагрузки, даже значительные и знакопеременные, распределяются не только по ребрам, образующим внешний каркас (как в известных решениях), но в основном перераспределяются на недеформируемые несущие элементы 2, чем обеспечивается наиболее высокая пространственная жесткость каждой многогранной ячейки 1 и всего каркаса. Экспериментально установлено, что ячейку, выполненную в форме ромбокубооктаэдра с несущими элементами в виде правильных пирамид, деформировать (т.е. изменить ее форму) практически невозможно, можно только сломать отдельные связи при условии их малой механической прочности. Макет ячейки, выполненный из тонких (толщиной 2 мм) деревянных планок, выдерживает без деформации нагрузку 15 кг.

Предлагаемые пространственные каркасы вследствие своей высокой пространственной жесткости могут быть использованы для сооружения конструкций, работающих в условиях повышенных знакопеременных нагрузок, например, в мостостроении, кораблестроении, при возведении сооружений в зонах повышенной сейсмической опасности.

Формула изобретения

1. Пространственный каркас сооружения, включающий многогранные ячейки, установленные одна на другую с образованием требуемой формы конструкции, отличающийся тем, что каждая многогранная ячейка составлена из несущих элементов, выполненных в виде правильных трехгранных пирамид с обращенными наружу основаниями, имеющими форму равностороннего треугольника, и горизонтальных и вертикальных связей, соединяющих упомянутые пирамиды с образованием ромбокубооктаэдра.

2. Пространственный каркас по п. 1, отличающийся тем, что правильные трехгранные пирамиды выполнены полыми и усеченными.

3. Пространственный каркас по п.1 или 2, отличающийся тем, что ромбокубооктаэдры в каркасе для образования вертикальной конструкции соединены между собой в горизонтальных рядах - своими боковыми гранями, а в вертикальных рядах - соответственно верхними и нижними гранями.

4. Пространственный каркас по п.1 или 2, отличающийся тем, что ромбокубооктаэдры в каркасе для образования арочной конструкции соединены соответствующими наклонными гранями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5