Пространственные системы регулярной структуры

Текст:

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра архитектуры

Курсовая работа по архитектуре

«Пространственные конструкции»

Тема: «Пространственные системы регулярной структуры»

(Структурные плиты)

Выполнил студент гр.Ст-240004 Ларионова А.А.

Проверил преподаватель Мальцева

Екатеринбург

2015

Содержание:

Введение

Класс систем регулярной структуры конструкций привлек к себе пристальное внимание специалистов по строительным металлическим конструкциям в конце 50-х - начале 60-х годов прошлого столетия, хотя идея построения пространственно жёстких конструкций кристаллического строения была известна давно, еще в 30-е годы. Г. Белл применил тогда такие конструкции для каркасов летательных аппаратов. Французским ученым Р. Ле Риколе установлено сходство регулярных структур с прочными образованиями органической природы, т.е. показана бионическая суть конструкторской идеи. Им же впервые исследованы ортогональные структуры, составленные из тетраэдров и октаэдров, и воплощены в конструкции покрытия из дерева. Затем появились стержневые системы С. Дю Шато, И. Фридмана (Франция), Р.Б. Фуллера, К. Ваксмана (США).

В отечественной литературе, к сожалению, не устоялась терминология, четко определяющая классы и типы систем регулярной структуры. Их часто называют "структурными конструкциями", хотя с точки зрения терминологии это название вряд ли можно признать удачным, так как слово "structure" на многих языках означает не только структуру, но и конструкцию. Однако мы не будем обращать на это внимание и сохраним ставшие привычными названия "структуры", "структурные плиты" и т.п.

Структурные плиты – это пространственные стержневые конструкции, сходные по своему строению с кристаллическими решетками кристалла. Структура состоит из многократно повторяющихся пространственных элементов в форме пирамиды.

Структурные плиты могут быть образованы путём пересечения плоских ферм в двух, трех и более направлениях с разбиением плиты на квадратные, треугольные и шестиугольные ячейки. Аналогично могут быть построены системы иных конфигураций. В таких системах можно выделить многократно повторяющийся пространственный элемент - "кристалл", например, в виде параллелепипеда, пирамиды и т.д..

Архитекторов они привлекают своеобразием и многообразием рисунков кристаллической структуры, возможностью варьирования формы поверхностей в плане и в разрезах зданий или, иными словами, архитектурной выразительностью.

Пространственные системы регулярной структуры строятся на принципе многосвязности. Это определяет целый ряд их преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями, скомпонованными из стропильных и подстропильных ферм, прогонов. Например, материал в такой системе распределяется сравнительно равномерно. При действии на систему подвижных и неравномерно приложенных нагрузок в работу включается большое число стержней, что позволяет создавать достаточно легкие конструкции несущих покрытий с многоопорным подвесным транспортом и другие эффективные системы. Наличие частой сетки узлов в уровне поясов структурной плиты упрощает применение верхнеподвесного транспорта[12]. Полагают, что среди преимуществ этого класса конструкций можно назвать и повышенную надежность, определяемую той же многосвязностью (многократной статической неопределимостью). Резерв живучести многосвязных систем заключается в возможности перераспределения усилий после выхода из строя или после перехода в пластическую стадию деформирования отдельных перегруженных элементов. Эти конструкции благодаря многосвязности и пространственной работе более жестки, чем плоские, что позволяет проектировать покрытия с несущими структурными плитами примерно вдвое меньшей высоты, чем традиционные (1/15...1/25 от пролета).

I. Классификация пространственных систем регулярной структуры

1) Типы пространственных систем регулярной структуры

1. Структурные конструкции из стержневых элементов на одну ячейку

• Структурные конструкции типа "Кисловодск"

• Структурные конструкции из унифицированного сортамента системы "МАрхИ"

2. Структурные конструкции с длинноразмерными поясами

• Типовые структурные конструкции из прокатных профилей системы "ЦНИИСК"

• Модификации типовых конструкций их прокатных профилей

3. Структурные плиты из плоских ферм

4. Структурные плиты из объемных стержневых пирамид

5. Складываемые структурные конструкции

6. Структурные плиты с включением неметаллических элементов

• Структурные конструкции с металлическими и деревянными элементами

• Структурные конструкции с применением железобетонных плит

Структурные плиты типа «Кисловодск» изготавливаются из круглых труб, они имеют высоту 2,12 м. Предназначены для перекрытия секции здании размерами в плане 30×30 м и 36×36 м при внутриконтурном опирании на четыре колонны, расположенные для секции 30×30 м, с шагом 18×18 м и для секции 36×36 м с шагом 24×24 м

Конструкции рекомендуется применять в зданиях павильонного типа, однопролетных промышленных зданиях на одну секцию без светоаэрационных фонарей (допускается применение только зенитных фонарей); бескрановых с подвесными кран-балками грузоподъемностью до 2 т в пролетах 18 м; с неагрессивной и слабоагрессивной степенью воздействия газовой среды.

Предприятия, изготавливающие конструкции «МАрхИ» помимо структурных плит, утвержденных Госстроем СССР как типовые, поставляют отдельные элементы конструкций по унифицированному сортаменту, разработанному Московским архитектурным институтом, что позволяет проектировщику в более широких пределах использовать структурные системы при различных конфигурациях плана и характера опирания. Составные отправочные марки унифицированного сортамента включают трубчатые стержни длиной 1,5; 2 и 3 м с различным диаметром, толщиной стенки и узловые элементы различных размеров, отличающиеся диаметром резьбовых отверстий и назначением.

Опирание плит на колонны осуществляется через выступающие капители, непосредственно в узлы нижнего пояса и в узлы верхнего пояса через встроенные в плиту капители. Эти конструкции предназначены для покрытия одноэтажных зданий с максимальной расчетной нагрузкой на покрытие 4000 Па (400 кгс/мг) с подвесным транспортом грузоподъемностью 2 - 3,2 т, в некоторых схемах до 5 т.

Конструкции системы «МАрхИ» рекомендуется применять:

• в покрытиях общественных здании - крытых рынков и универсамов, спортивных залов и манежей, выставочных павильонов, вокзальных зданий, больниц, санаториев, гостиниц и т. п.;

• в покрытиях промышленных зданий, включая покрытия машинных залов, стационарных и передвижных фахверковых торцов зданий и сооружений ГЭС, ТЭЦ и т. п.;

• в зданиях и сооружениях временного назначения;

• при реконструкции зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения.

К типовым конструкциям из прокатных профилей относятся структурные плиты системы «ЦНИИСК» размерами в плане 12×18 м и 12×24 м, опирающиеся по углам в уровне верхних поясов. Оптимальная высота плиты при принятых пролетах составляет порядка 1,5 м, а также профили элементов в виде проката и расстояние между поясами - 3 м.

Опирание структурных плит может быть предусмотрено в различных зонах плиты как по контуру, так и в пролете плиты, с тем чтобы разгрузить поясные сетки в центральной зоне. При этом следует иметь в виду, что непосредственное опирание на стойки или другие поддерживающие

2) Виды кристаллических решеток, применяемые в структурах

Как уже отмечалось, основой любой структуры является "кристалл", образованный стержнями, которые расположены на его гранях. В качестве таких "кристаллов" используют пирамиды (тетраэдры и полуоктаэдры), параллелепипеды и другие многогранники (см. рис. 7.4). Геометрические построения структур отличаются чрезвычайным многообразием, что и определило интерес не только конструкторов, но и архитекторов к этому типу конструкций.

Наиболее распространены двухсетчатые структурные плиты, которые по характеру сопротивляемости внешним воздействиям можно подразделить на две группы:

· системы с геометрически изменяемыми сетками поясов (ортогональные, гексагональные сетки), способными воспринимать только усилия от изгибающих моментов в плите М_х, М_у;

· системы с геометрически неизменяемыми сетками поясов (например, треугольные сетки), способными воспринимать усилия и от изгибающих, и от крутящих моментов в плите М_х, М_у и Н_xy.

Кристаллическая структура формируется не только вариацией поясных сеток, но и размещением раскосов, соединяющих узлы сеток. По степени регулярности строения поясных сеток в двухсетчатых структурных плитах можно выделить три класса систем:

· системы регулярные с одинаковым по всей площади строением верхних и нижних сеток поясов, геометрически изменяемых или неизменяемых;

· системы с регулярным строением поясных сеток, одна из которых геометрически изменяема, а вторая неизменяема;

· системы, в которых строение поясных сеток различно в угловых и центральных зонах перекрываемой площади (такого рода нерегулярности могут быть созданы в связи с малой величиной крутящих моментов в центральной зоне, удалением из центральной зоны стержней, предназначенных для их восприятия).

Также одним из видов кристаллических структур является "стержнелистовой" вариант, с включением обшивок в работу всей системы. Листовая часть представляет собою складчатую поверхность, образующую пирамиды или тетраэдры, и одновременно служит несущей конструкцией и ограждением. Применяют и комбинированные с железобетонными плитами варианты металлических перекрестно-стержневых систем, например, в плитах большепролетных покрытий.

· Формы

· Конструктивные особенности

Системы опор и опорные узлы структурных плит

Рис. 7.15. Варианты решения опор для структурных плит:
а - обычные колонны и колонны с решетчатыми капителями; б - колонны с жесткими капителями (разгрузочными балками); в - пространственно-стержневые опоры

Рис. 7.16. Общий вид капителей колонн:
а - решетчатая капитель; б - жесткая капитель из перекрестных балок

конструкции в небольшом числе точек вызывает значительные усилия в примыкающих к опоре стержнях (рис. 7.15, а). Чтобы избежать значительных всплесков усилий в приопорных стержнях, используют разгружающие конструкции в виде пучков стержней, пространственных стержневых опор или балочных элементов (рис. 7.15, б...е). Общий вид опорных узлов с разгружающими элементами показан на рис. 7.16.

При ограниченном числе колонн рациональное распределение усилий может быть обеспечено распределительными опорными конструкциями

31
Рис. 7.17. Варианты комбинированных опор для структурных плит покрытий:
а...г - применение вант; д - использование подстропильных ферм; е - опирание на контурные арки

в виде контурных ферм, рам, арок, либо с использованием вант и канатных подвесок (рис. 7.17). Чтобы обеспечить частое расположение подвесок при небольшом количестве колонн, иногда возможно использование висячих систем с несущими опорными тросами, которые создают упругоподатливые системы опор (рис. 7.17, в, г)

Устройство кровли по структурным плитам

По структурным плитам, как правило, устраивают облегченную кровлю, аналогичную обычно применяемой в покрытиях с металлическими фермами или в рамных конструкциях с прогонами. Несущим элементом кровли здесь также служит металлический профилированный настил по прогонам. Ввиду ограниченности размеров ячеек поясных сеток оказывается

Рис. 7.18. Варианты теплой кровли по структурным плитам покрытий:
а - общая конструкция кровли; б, в - варианты прогонов; г - беспрогонное устройство кровли (по плите ЦНИИСК); д - пример вентилируемой кровли; 1- прогоны; 2 - профилированный настил; 3 - рулонная пароизоляция; 4 - плитный утеплитель; 5 - защитный слой из рубероида; 6 - трехслойный рулонный ковер; 7 - гравийная защита; 8 - самонарезающие болты; 9 - опорный столик; 10 - профилированный алюминиевый лист; 11 - оцинкованные стальные болты; 12 - вентилируемые воздушные прослойки

достаточным использовать легкие прогоны, опирающиеся на узлы плит непосредственно, либо через специальные столики (рис. 7.18). В покрытиях с плитами из прокатных профилей и в некоторых системах с поясами из замкнутых гнутых профилей прямоугольного сечения профилированный настил опирают непосредственно на верхний пояс. Пояс в этом случае работает не только на продольные усилия, но и на местный изгиб (рис. 7.18, г).

В качестве утеплителя используют минераловатные и другие легкие плиты, по которым укладывают гидроизоляционный ковер, в необходимых случаях с гравийной защитой по мастике. Для предотвращения перегрева внутренней поверхности ограждения кровлю можно выполнить вентилируемой (рис. 7.18, д). Применяют и другие варианты размещения кровли. В покрытиях зданий общественного назначения можно применять холодную кровлю с теплым подвесным потолком. Надстроенную кровлю применяют в тех случаях, когда при использовании плохой горизонтальной плиты требуется обеспечить определенный уклон кровли. Иногда из эстетических соображений устраивают подвеску кровли к нижним поясам плиты, достигая необходимый эффект в экстерьере здания.

· Материалы

· Узловые решения

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

311

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.

312

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

313

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

314

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

315

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

316

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

317

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.

http://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:

Глава 7
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СТЕРЖНЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
ПЛОСКИХ ПОКРЫТИЙ

7.1. Принципы построения систем регулярной структуры. Достоинства и недостатки структур

Этот класс конструкций привлек к себе пристальное внимание специалистов по строительным металлическим конструкциям в конце 50-х - начале 60-х годов текущего столетия, хотя идея построения пространственно жестких конструкций кристаллического строения была известна давно, еще в 30-е годы. Г. Белл применил тогда такие конструкции для каркасов летательных аппаратов. Французским ученым Р. Ле Риколе установлено сходство регулярных структур с прочными образованиями органической природы, т.е. показана бионическая суть конструкторской идеи. Им же впервые исследованы ортогональные структуры, составленные из тетраэдров и октаэдров, и воплощены в конструкции покрытия из дерева. Затем появились стержневые системы С. Дю Шато, И. Фридмана (Франция), Р.Б. Фуллера, К. Ваксмана (США).

Структурные плиты могут быть образованы путем пересечения плоских ферм в двух, трех и более направлениях с разбиением плиты на квадратные, треугольные и шестиугольные ячейки (рис. 7.1). В показанных на рисунке схемах верхние и нижние пояса плоских ферм расположены в одинаковых вертикальных плоскостях. Если нижние пояса ферм, например, в схеме рис. 7.1, а, мы сместим на полшага относительно нижних поясов и разместим раскосы в наклонных плоскостях, то будет получена структура, показанная на рис. 7.2. Аналогично могут быть построены системы иных конфигураций (рис. 7.3). В таких системах всегда можно выделить многократно повторяющийся пространственный элемент "кристалл", например, в виде параллелепипеда, пирамиды и т.д. (рис. 7.4).

305

Рис. 7.1. Схемы перекрытий из вертикальных перекрестных ферм:
а, б - при расположении ферм в двух направлениях; в, г - то же, в трех направлениях

Одним из видов кристаллических структур является "стержнелистовой" вариант, с включением обшивок в работу всей системы. Листовая часть представляет собою складчатую поверхность, образующую пирамиды или тетраэдры, и одновременно служит несущей конструкцией и ограждением. Применяют и комбинированные с железобетонными плитами варианты металлических перекрестно-стержневых систем, например, в плитах большепролетных покрытий. На рис. 7.5 показаны варианты структурных конструкций из пирамид, которые могут быть образованы только из стержневых элементов или из пластинок в сочетании со стержнями.

Рис. 7.2. Структурная плита:
1 - верхние пояса; 2 - нижние пояса; 3 - наклонные раскосы

Пространственные системы регулярной структуры строят на принципе многосвязности. Это определяет целый ряд их преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями, скомпонованными из стропильных и подстропильных ферм, прогонов.

· Материал в такой системе распределяется сравнительно равномерно. При действии на систему подвижных и неравномерно приложенных нагрузок в работу включается большое число стержней, что позволяет создавать достаточно легкие конструкции несущих покрытий с многоопорным подвесным транспортом и другие эффективные системы. Наличие частой сетки узлов в уровне поясов структурной плиты упрощает применение верхнеподвесного транспорта.

306

Рис. 7.3. Схемы конструкций регулярной структуры

Полагают, что среди преимуществ этого класса конструкций можно назвать и повышенную надежность, определяемую той же многосвязностью (многократной статической неопределимостью). Резерв живучести многосвязных систем заключается в возможности перераспределения усилий после выхода из строя или после перехода в пластическую стадию деформирования отдельных перегруженных элементов.

307

Рис. 7.4. Кристаллы структур

· Архитекторов они привлекают своеобразием и многообразием рисунков кристаллической структуры (см. рис. 7.3), возможностью варьирования формы поверхностей в плане и в разрезах зданий (рис. 7.6) или, иными словами, архитектурной выразительностью.

· Эти конструкции благодаря многосвязности и пространственной работе более жестки, чем плоские, что позволяет проектировать покрытия с несущими структурными плитами примерно вдвое меньшей высоты, чем традиционные (1/15...1/25 от пролета).

· 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 (см. рис. 7.14).

Рис. 7.5. Схемы структурных плит из решетчатых пирамид:
а, б - с квадратным основанием (пентаэдров или "полуоктаэдров"); в - с треугольным основанием (тетраэдров); г - с шестиугольным основанием (гептаэдров)

308

Рис. 7.6. Структурное покрытие в виде ступенчатой усеченной пирамиды (торец условно не показан)

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

· 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.

309

310

http://lib4all.ru/base/B3254/B3254Part73-305.php