пространственное структурное покрытие здания

Формула изобретения

Пространственное структурное покрытие здания, включающее полые многоугольные тонкостенные пирамидальные элементы, ориентированные вершинами вверх, объединенные в единый пространственный блок системой перекрестных стержней по их вершинам с одной стороны и соединением своих нижних кромок с другой, отличающееся тем, что пирамидальные элементы, образующие пространственное покрытие, опирающееся в точках, принадлежащих его внешнему контуру, выполнены различной высоты так, что их нижние кромки расположены в горизонтальной плоскости, а вершины принадлежат пространственной поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в качестве покрытия гражданских, общественных и промышленных зданий, а также в виде навесов.

В строительстве известны пространственные конструкции, покрытий зданий в виде перекрестных ферм, складчатые, арочные, купольные, висячие с тросовыми несущими элементами, мембранные и т.п., отличающиеся различным удельным расходом материала и разной степенью трудоемкости изготовления и монтажа [1].

Наиболее близким к изобретению является пространственное структурное покрытие, включающее многоугольные тонкостенные пирамидальные элементы, ориентированные вершинами вверх, объединенные в единый пространственный блок системой перекрестных стержней по их вершинам с одной стороны и соединением своих нижних кромок с другой [2].

Известное покрытие поддерживается одной четырехподкосной опорой в центре покрытия, образуя консольные свесы по всем направлениям. Как известно, в консольных конструкциях верхние пояса растянуты, а нижние испытывают сжимающие усилия. Таким образом, кромки пирамид испытывают сжимающие напряжения, что нецелесообразно для тонколистовых элементов, а трубчатые стержни, образующие верхнюю поясную сетку, растянуты. Вертикальные же стержневые оттяжки в углах, предназначенные для стабилизации покрытия в целом, будучи также растянутыми, лишь усиливают консольный эффект.

Задача изобретения - снижение материалоемкости, за счет более полного использования прочностных свойств применяемого материала, а также в повышении архитектурной выразительности.

В предлагаемой конструкции структурного покрытия достигается новый технический результат, выражающийся в том, что тонколистовые элементы испытывают преимущественно растягивающие напряжения, а не сжимающие, способствующие снижению местной устойчивости, особенно в местах сопряжения кромок пирамид между собой, так как именно на этих участках, а не вблизи боковых ребер, нормальные напряжения (сжимающие или растягивающие в зависимости от ориентации пирамид) принимают наибольшие значения. В наибольшей степени эффективность восприятия растягивающих напряжений достигается в однородных материалах, обладающих значительным сопротивлением растяжению, таких, как сталь, в том числе повышенной прочности. Кроме этого, с целью выравнивания напряженного состояния между внутренними и внешними элементами покрытия целесообразно использовать пирамиды разной высоты, так, что их нижние кромки располагаются в горизонтальной плоскости, а вершины принадлежат пространственной выпуклой вверх поверхности, например параболической формы, что влечет за собой постоянство сечений стержневых и толщин листовых элементов по всему покрытию и, как следствие, снижение стоимости изготовления.

Пирамидально-листовые элементы имеют треугольную в плане форму, а стержневые элементы верхнего пояса образуют сотовую систему. Треугольные пирамидальные элементы чередуются с плоскими, также треугольными, горизонтальными листовыми элементами, которые могут быть выполнены из светопрозрачного материала, а стержневые элементы верхнего пояса образуют треугольную систему. Пирамидальные элементы выполнены шестиугольной в плане формы, а стержни верхнего пояса образуют треугольную систему. Пирамидальные элементы выполнены различной высоты так, что их нижние кромки расположены в горизонтальной плоскости, а перекрестная система стержней по вершинам пирамид образует пространственную, выпуклую вверх поверхность параболического очертания, формируя в целом пролетное строение линзообразной формы.

На фиг. 1 представлен фрагмент пространственного структурного покрытия в аксонометрии; на фиг. 2 - покрытие в плане; на фиг. 3 - то же, вид сбоку; на фиг. 4 - фрагмент покрытия с треугольными в плане пирамидальными элементами и сотовой структурой стержневых элементов; на фиг. 5 - то же, с треугольной структурой стержневых элементов, с чередованием пирамидальных и плоских горизонтальных элементов; на фиг. 6 - то же с шестиугольными пирамидальными элементами и треугольной структурой стержневых элементов; фиг. 7 - то же, вид сбоку с пирамидальными элементами равной высоты, образующими в целом линзообразную форму покрытия.

Пространственное структурное покрытие здания, фрагмент которого представлен на фиг. 1 состоит из унифицированных повторяющихся по габаритам пирамидально-листовых элементов, образованных из тонких стальных пластин 1 треугольной формы, соединенных между собой боковыми сторонами 2. Образованные таким образом пирамиды F объединены в единый пространственный блок соединением между собой по нижним кромкам 3, а также с помощью ортогонально-перекрестной системы стержней 4 по вершинам. На фиг. 2 изображено покрытие в плане, которое может иметь прямоугольную форму с любым соотношением сторон. Боковые ребра пирамид 2 показаны штриховыми линиями, их нижние кромки 3 - тонкими сплошными, а стержневые элементы 4 верхнего пояса - толстыми сплошными линиями. На фиг. 3 - изображен боковой вид покрытия. Опирание покрытия может осуществляться как по углам на четыре колонны, так и в промежуточных точках, а также по всему внешнему контуру, в том числе на несущие стены. Предлагаемая конструкция покрытия может быть классифицирована как пластинчато-стержневое структурное покрытие.

На основе базовой конструкции возможны другие варианты, идентичные по характеру работы, но отвечающие специфическим планировочным требованиям с различной степенью архитектурной выразительности.

На фиг. 4 изображено покрытие с треугольными в плане пирамидальными элементами, особенностью которого является возможность перекрытия площадей на непрямоугольном плане. Стержневые элементы верхнего пояса имеют сотовую структуру.

На фиг. 5 представлен фрагмент покрытия с треугольными в плане пирамидальными элементами, чередующимися с плоскими, также треугольными, горизонтальными листовыми элементами 5, которые могут быть выполнены из светопрозрачного материала. Стержневые элементы верхнего пояса имеют треугольную структуру.

На фиг. 6 представлен фрагмент покрытия с шестиугольными пирамидальными элементами. Стержни верхнего пояса образуют треугольную систему.

На рис. 7 показан боковой вид покрытия с пирамидальными элементами разной высоты, а перекрестная система стержней 4 образует пространственную выпуклую поверхность параболического очертания, что способствует выравниванию напряженного состояния между внутренними и приопорными листовыми 1 и стержневыми 4 элементами.

При загружении конструкции постоянной и снеговой нагрузками по аналогии с прототипом стержневые элементы 4 испытывают сжатие, в нижних кромках 3 тонких листовых элементов 1 возникают растягивающие напряжения, а в зонах, примыкающих к боковым ребрам 2 пирамид, возникает как растяжение, так и сжатие. В целом же в плоскости каждой боковой грани 1 имеет место сложное напряженное состояние переменной интенсивности, что способствует повышению ее местной устойчивости. Листовые ограждающие элементы работают как несущие, причем их местная устойчивость в приреберных зонах также обеспечивается ребрами жесткости, образованными угловым сопряжением между собой по боковым сторонам 2.

Таким образом листовые элементы 1 совмещают несущие и ограждающие функции, что в конечном итоге может повлечь за собой экономию материала до 10-15%.