Конструкции структур и узлы сопряжений

Конструктивные решения структурных плит отличаются столь большим многообразием, что нет возможности описать их все подробно. В мировой практике применения структур насчитывается около 130 различных систем, отличающихся прежде всего конструкцией узла сопряжения стержней. Именно в узле сопряжения сосредоточены главные особенности технологии изготовления и сборки конструкции, определяющие отличия одной системы от других.

Одной из первых нашла применение в строительстве система немецкой фирмы " Меро" (1942 г.), предложившей пространственно-стержневые сборно-разборные каркасы кристаллического строения для зданий военного назначения. Позднее такие конструкции нашли применение и в мирном строительстве. В отечественной практике эта система была несколько усовершенствована В.К. Файбишенко и другими конструкторами и получила название " системы МАрхИ" (Московский архитектурный институт).

Узел системы " Меро" (МАрхИ) состоит из литого сферического, полусферического, либо многогранного элемента-коннектора с высверленными в нем отверстиями для болтов по числу примыкающих стержней (рис. 7.7). Иногда коннекторы изготовляют из стержневых заготовок многогранного (например, шестигранного) сечения. Болт пропускают в отверстие плоского цилиндрического вкладыша, запрессованного в торец трубчатого стержня и приваренного к нему. Между торцами коннектора и вкладыша размещают поводковую втулку шестигранного сечения с отверстием под болт, снабженную штифтовым фиксатором. Болт с помощью втулки завинчивают в коннектор до плотного касания между втулкой и торцевыми поверхностями, что обеспечивает передачу сжимающих усилий через втулку и площадки касания, а растягивающих - через болт. Стержни этой системы обладают высокой компенсационной способностью, что облегчает сборку. Компенсационной способностью называют возможность сборки, не взирая на неточности изготовления стержней. Недостатком конструкции является относительно высокая трудоемкость изготовления элементов узла. Система сборно-разборная, трудоемкость монтажа 1...1, 5 чел.·ч/м² перекрываемой площади.

Структуры МАрхИ базируются на применении унифицированных стержней и узловых коннекторов. Стержни из круглых труб с диаметром и толщиной от 60/3 до 146/10 имеют длину 1, 5; 2 и 3 м. Общее число типов сечений унифицированных стержней обычно не превышает 10. В одной плите, как правило, используют не более 4...5 типов сечений. При

Рис. 7.7. Узловое соединение " Меро" и его модификации:
а, б - общий вид узла, узловой элемент и детали стержня системы " Меро"; в, г - детали трубчатых элементов в соединениях систем " Веймар" и " МАрхИ"; 1 - отверстие с внутренней резьбой; 2 - болт; 3 - поводковая гайка; 4 - монтажное отверстие; 5 - труба; 6 - оголовок трубы; 7 - ведущий палец; 8 - фиксатор; 9 - шайба; 10 - штифт; 11 - прорезь в гайке

длине стержней 3 м высота плиты составляет 2, 12 м. Плиты предназначены для пролетов 18...36 м, при необходимости предусматривают консоли за счет смещения опорных конструкций от краев плиты к центру. Сечение коннекторов в плане - восьмиугольник, при этом используют два типа коннекторов с наибольшими размерами в плане 120× 120 и 150× 150 мм.

В системе " Октаплатт" (ФРГ, 1957 г.) сделана попытка облегчить и упростить узлы. Узловой элемент выполняют здесь в виде полого шара из двух штампованных половин, сваренных на подкладных кольцах. Стержни из труб, обрезанные под прямым углом, приваривают к шаровым элементам на монтаже (рис. 7.8, а). Достоинства узла заключаются не только в его относительной простоте, но и в свободе примыкания стержней под любым углом. Недостатки - отсутствие компенсационной способности стержней и большой объем монтажной сварки. По данным авторов конструкции узла наибольшее усилие на стержень (при использовании труб диаметром 65...115 мм) составляет 350 кН и определяется несущей способностью сварного шва в примыкании к шару.

Рис. 7.8. Узлы различных структурных систем:
а - " Октаплатт"; б - " Триодетик"; в - " Берлин"; г - " Дю Шато"; д - узел ЦНИИСК; е - " Юнистрэт"; 1 - шаровая вставка; 2 - сварной шов; 3 - фигурная прорезь; 4 - крышка; 5 - круглый стержень; 6 - труба раскоса; 7 - труба нижнего пояса; 8 - крышка; 9 - стяжной стержень; 10 - гайка с контргайкой; 11 - наконечник с приливом; 12 - то же, без прилива; 13 - стержень нижнего пояса (труба со сплющенным концом); 14 - труба раскоса

Система " Триодетик", разработанная в Канаде (1962 г., фирма " Фентимен"), привлекла внимание специалистов своей оригинальностью. Для соединения трубчатых стержней со сплющенными концами применяют узловой цилиндр с прорезями. Сплющенные концы труб подвергают специальной обработке в соответствии с прорезями (рис. 7.8, б). Все трубы, сходящиеся в узле, фиксируют в прорезях цилиндра одним зажимным болтом. Система была запроектирована для конструкций из алюминиевых сплавов, что позволяло использовать метод экструзии для получения стержневой заготовки специального профиля и изготовления узловых цилиндров простой нарезкой кусков из этой заготовки. Позднее появились структуры такой системы из стали с иной технологией производства узловых цилиндров (механическая обработка). Главное достоинство системы - малая трудоемкость сборки - 0, 2 чел.·ч/м².

Конструкция узла, близкая к только что рассмотренной, предложена для структур системы " Берлин". К сплющенным концам трубчатых стержней приваривают клиновидные калиброванные наконечники, образующие при сборе в узел цилиндр с отверстием внутри (рис. 7.8, в). Торцы цилиндра закрывают стальными крышками с бортами по наружному контуру и стягивают в узле шпильками. Растягивающие усилия в узле передаются наконечниками через крышки, а сжимающие - через плоскости контакта наконечников. Узел прост в сборке при условии высокой точности изготовления.

В узле системы " Дю Шато" (Франция) применены узловые штампованные фасонки (рис. 7.8, г). В каждой из двух фасовок предусмотрено по 6 полукруглых выемок, образующих после соединения фасонок узловой элемент с отверстиями для трубчатых стержней. Фасонки сваривают между собой по наружным линиям площадок касания. Стержни вставляют в отверстия и обваривают, образуя таким образом верхнюю или нижнюю сеть. Раскосы и стойки приваривают к наружным поверхностям узлового элемента (одной из фасонок). Узел обладает неплохой компенсационной способностью и довольно прост. Недостаток узла - большой объем монтажной сварки.

Система " Юнистрэт" (США) также основана на использовании штампованных фасонок (рис. 7.8, е), отличающихся тем, что при штамповке создается восемь плоскостей (по числу примыкающих стержней). В плоскостях выполняют отверстия для крепления стержней из прокатных или гнутых профилей (уголков, тавров, швеллеров и т.п.). Решение направлено на снижение трудозатрат при изготовлении и монтаже.

В узле " ЦНИИСК" (рис. 7.8, д) нет никаких дополнительных элементов. Концы труб сплющивают и в раскосах обрезают под нужным углом. Стержни при сборке закрепляют в специальном фиксаторе так, что между их торцами образуется свободное пространство, которое заполняют расплавленным

металлом в процессе ванной сварки. Предполагается, что узел образует равнопрочное соединение с основными стержнями. Основное достоинство узла - минимальная металлоемкость: расход расплавленного металла - около 1, 5 % от массы структуры, тогда как в других решениях расход металла на образование узлов составляет 5...7 %, а в некоторых системах - более 10 %. Недостатки узла - ограниченная компенсационная способность и значительный объем монтажной сварки.

Для структур свойственно то же, что и для других конструктивных решений: их достоинства имеют и оборотную сторону. В целях унификации и удобства транспортирования трубы или прокатные профили длиной 12 м разрезают на короткие стержни, а затем из стержней (и узловых элементов) составляют поясные сетки. Всегда ли это необходимо? Конечно, не всегда. Возможны и иные решения, в которых кристаллические структуры создают с использованием плоских ферм, либо пространственных пирамид с основанием в виде треугольника, прямоугольника (квадрата), шестиугольника и т.п. Фермы (пирамиды) объединяют между собой в пространственную систему с помощью линейных элементов, длина которых также часто превышает размер ячейки поясной сетки (например, кратна ей).

Рис. 7.9. Структурные плиты ЦНИИСК с элементами, изготовленными по унифицированному сортаменту

Рис. 7.10. Узлы структуры ЦНИИСК:
а - узел верхнего пояса; б - узел нижнего пояса

Наиболее широкое распространение в. покрытиях зданий получила в свое время конструкция структурных блоков " ЦНИИСК" с размерами в плане 12× 18 и 12× 24 м и высотой около 1, 5 м, ориентированная на использование прокатных профилей (рис. 7.9, а, б). По конструктивной схеме - это складчатая система с поясами из двутавров и остальными элементами из одиночных равнополочных уголков. По верхним поясам, как по прогонам, на монтаже укладывают профилированный настил, служащий одновременно связевой системой. Элементы пространственной решетки крепят к поясам с помощью фасонок (рис. 7.10). Для повышения пространственной жесткости и надежности работы блоков " ЦНИИСК" в них предусмотрены наклонные торцевые фермы по короткой стороне. Для сокращения расхода металла и снижения трудозатрат при изготовлении и монтаже применялось разрежение решетки в средней части плиты. Блоки с разреженной решеткой получили название " Москва" (рис. 7.11, а, б).

Рис. 7.11. Структурные блоки типа " Москва" с разреженной сеткой стержней

Рис. 7.12. Панельно-структурный торец машинного зала ТЭЦ:
a - фасад; б - горизонтальный разрез; 1 - продольная (вертикальная) ферма; 2 - поперечная (наклонно расположенная) ферма; 3 - линейные элементы; 4 - облегченная панель ограждения

В энергетическом строительстве получили применение панельно-структурные временные торцевые стены главных корпусов ТЭЦ и ГРЭС (рис. 7.12). Включение легких стеновых панелей в работу структурной плиты и использование пространственной работы системы позволяет значительно облегчить стеновой каркас и обеспечить возможность сборки всей конструкции внизу для последующего подъема в проектное положение.¹

Рис. 7.13. Пирамида системы " Спэйс Дэк":
1 - рама из уголков; 2 - трубчатые раскосы; 3 - узловой элемент с отверстиями и внутренней резьбой; 4 - отверстия для монтажных болтов; 5 - стержни нижних поясов с правой и левой резьбой на концах

Рис. 7.14. Схемы компактной упаковки пирамид при складировании (а) и перевозке (б)

Примером системы, где основной конструктивной единицей является пирамида, можно назвать систему " Спэйс Дэк", разработанную еще в 50-е годы в Великобритании. Квадрат в основании пирамиды выполняют из одиночных уголков, ориентированных полками внутрь, а раскосы, образующие наклонные грани пирамиды, могут быть выполнены из труб, либо также из уголков (рис. 7.13). Основания пирамид, поставленных рядом, соединяют болтами, образуя ортогональную сетку одного из поясов, другую сетку образуют линейными элементами. Существует много других вариантов подобных конструкций, разработанных в отечественной практике, в том числе с пирамидами из тонколистовой стали. Достоинством таких конструкций является удобство компактной упаковки при транспортировании и складировании пирамид (рис. 7.14).

· Примеры

Регулярность структур определяет повторяемость размеров и, как следствие этого, максимальную унификацию стержней и узлов, что делает возможной организацию поточного высокомеханизированного производства, позволяющего существенно снизить удельные трудозатраты на изготовление.

Удобство транспортирования структур, состоящих из отдельных стержней и узловых элементов, поддающихся упаковке в ящики или компактные пакеты. При компоновке конструкций из укрупненных элементов типа пирамид возможно использование " принципа матрешки" для их транспортирования, т.е. вкладывать их одна в другую с образованием также довольно компактного пакета из пирамид.

Возможность монтажа пространственно жёстких конструкций крупными блоками, конвейерным способом, без всякого усиления для устойчивости.

Недостатки структурных систем вытекают из их основных особенностей, связанных с наличием большого числа стержней и узлов. Если в живой природе не возникает проблем в конструировании узлов на клеточном уровне, то для механических систем с большим числом узлов не просто найти рациональные решения.

Сложность узлов часто определяет недостатки рассматриваемого типа конструкций. В узлах структур сходятся шесть, а иногда и более стержней. От конструкции узла, от того, сколь высокую точность при изготовлении она предполагает, зависит и сложность, а значит и трудоемкость изготовления.

Именно конструкция узлов определяет, главным образом, и трудоемкость сборки конструкций на монтажной площадке. Трудоемкость сборки конструкций, приведенная к единице площади покрытия, например, для различных конструктивных систем, может отличаться более чем в 10 раз!

В некоторых структурных плитах при замыкании узлов, особенно в узлах с использованием монтажной сварки, развиваются значительные начальные напряжения, снижающие несущую способность стержней и системы в целом.

Наличие большого числа стержней во многих случаях ведет к неполному использованию несущей способности элементов, сечения многих стержней подбирают по предельной гибкости. Это приводит к тому, что структурные плиты оказываются во многих случаях тяжелее, чем системы, составленные из плоских конструкций. Пространственно-стержневые системы регулярной структуры предполагают использование относительно тонкостенных профилей, например, круглых или прямоугольных труб.

Некоторые из указанных недостатков существенно смягчаются большой повторяемостью стержней и узлов, что дает конструктору найти удачную конструкцию, обеспечивающую достаточно высокую технологичность как при изготовлении, так и при сборке структур.

https://studopedia.ru/15_48779_printsipi-postroeniya-sistem-regulyarnoy-strukturi-dostoinstva-i-nedostatki-struktur.html

^ Достоинства структур:

§ Большая пространственная жёсткость: можно перекрывать большие пролёты при различных опорных контурах или сетках колонн; получать выразительные архитектурные решения при высоте структуры.

§ Повторяемость стержней — из стандартных и однотипных стержней можно монтировать покрытия разных пролётов и конфигураций в плане (прямоугольные, квадратные, треугольные и криволинейные).

§ Позволяет крепить подвесной транспорт и изменять при необходимости направление его движения.

§ Системы покрытий из структур могут быть как одно-, так и многопролётными с опиранием как на стены, так и на колонны.

§ Устройством консольных свесов за линией опор уменьшают расчётный пролётный изгибающий момент и существенно облегчают конструкцию покрытия.

Рис. 6 - Схемы решёток структурных покрытий (а — с поясными сетками из равносторонних треугольных ячеек; б — с поясными сетками из квадратных ячеек; в — то же, усиленных диагоналями в условных зонах: 1 — верхние пояса,
2 — нижние пояса, 3 — наклонные раскосы, 4 — верхние диагонали, 5 —нижние диагонали, 6 — опорный контур).

Недостатки структур — повышенная трудоёмкость изготовления и монтажа. Пространственные узлы сопряжений стержней —самые сложные элементы в структурах: