пространственная стержневая конструкция

Формула изобретения

1. Пространственная стержневая конструкция, включающая наклоненные по углом 90^o друг к другу плоские фермы со стержнями из труб и доборные элементы поясов, отличающаяся тем, что плоские фермы выполнены с одним поясом, треугольной решеткой и стойками и соединены со смежной фермой с образованием общего пояса, а доборные элементы поясов имеют длину на одну поясную ячейку с прикреплением их к поясам ферм или длину, равную длине всей конструкции с установкой их на пояса ферм сверху.

2. Пространственная стержневая конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что стержни ферм выполнены из труб круглого и/ или квадратного сечения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и касается пространственных конструкций, образуемых совокупностью плоских, наклонно расположенных ферм со стержнями из труб (круглого и (или) квадратного сечения) и доборных элементов, предназначенных для применения в качестве конструкций покрытий и перекрытий зданий и сооружений.

Известны конструкции пространственных структурных плит, собираемых путем объединения плоских ферм и доборных стержневых элементов в пространственные блоки. К подобным конструкциям относятся системы "Тюбакорд", разработанная во Франции, и "Хегал", разработанная в Венгрии.

Конструкция системы "Хегал" собирается из наклонных плоских ферм, поясам которых в процессе прессования профилей из алюминиевого сплава придана специальная форма, обеспечивающая удобное сопряжение с раскосами из квадратных труб. При сборке сопрягаемые между собой стенки поясов смежных ферм соединяются высокопрочными болтами. Поперечные стержни примыкают к продольным поясам сверху (в верхней сетке) и снизу /Клячин А.З. Металлические решетчатые пространственные конструкции регулярной структуры (разработка, исследование, опыт применения). - Екатеринбург: Диамант, 1994. - С. 22, рис. 1.9. г./.

Недостатками такой конструкции являются:

1. Использование в качестве материала для ее изготовления алюминиевых сплавов, которые значительно дороже стали.

2. Необходимость в приобретении сложного дорогостоящего оборудования для прессования профилей специальной формы, которые используются в качестве поясов плоских ферм.

3. Необходимость в установке большого количества высокопрочных болтов при сборке конструкции (болты для объединения поясов смежных ферм, болты для крепления поперечных стержней к поясам ферм).

4. Возможность установки поперечных стержней на пояса ферм только сверху (снизу), что приводит к образованию эксцентриситета и необходимости учета дополнительного момента в поясах от расцентровки стержней продольного и поперечного направлений.

Конструкция системы "Тюбакорд", принятая за прототип, представляет собой пространственную стержневую конструкцию, включающую наклоненные под углом 90^o друг к другу плоские фермы со стержнями из труб и доборные элементы поясов /Трофимов В.Н., Бегун Г.Б. Структурные конструкции (исследование, расчет и проектирование). - М.: Стройиздат, 1972. - С. 39-41/.

К недостаткам такой конструкции следует отнести большое количество монтажных элементов (плоские фермы, доборные элементы поясов, доборные элементы решетки) и связанное с этим повышенное количество монтажных работ по объединению элементов в пространственную конструкцию, а следовательно, и увеличенная трудоемкость сборки, и растянутые во времени сроки монтажной сборки конструкции.

Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости монтажной сборки и сокращение сроков монтажа пространственной конструкции.

Технический результат достигается уменьшением числа монтажных элементов путем устранения доборных элементов решетки. Устранение доборных элементов решетки достигается изменением схемы решетки конструкции (фиг.1) путем изменения основного составляющего элемента - плоской фермы. Объединение плоских ферм в пространственную конструкцию осуществляется непосредственно друг к другу без посредства доборных раскосов. Для осуществления подобного объединения в плоской ферме устраняется нижний пояс и заменяется треугольная решетка на треугольную с дополнительными стойками (фиг.2). При сборке пространственной конструкции фермы устанваливаются по углом 90^o друг к другу. Смежные фермы объединяются с образованием общего пояса. Объединение плоских ферм в пространственную конструкцию осуществляется непосредственно друг к другу без посредства доборных раскосов, то есть при объединении ферм нижний пояс фермы II является нижним поясом и для фермы I, а верхний пояс для фермы III является и верхним поясом для фермы II и т.д. (фиг.3.а). При подобном сопряжении ферм последняя ферма в сборке конструкции остается без пояса, ее завершают замыкающим элементом. Замыкающий элемент пояса представляет собой обычный пояс плоской фермы.

После объединения смежных ферм устанавливают доборные элементы поясов, которые могут иметь длину как на одну поясную ячейку, так и на всю длину конструкции (фиг.3а, б). В первом случае доборные элементы поясов центрируют в узлы конструкции и прикрепляют к поясам ферм, например, на фасонках; во втором - устанавливают непосредственно на пояса сверху.

Такое изменение конструкции ферм приводит к уменьшению количества монтажных элементов за счет перераспределения доборных раскосов структурной конструкции на дополнительные стойки плоских ферм. Сборка плоских ферм обычно осуществляется на специализированных заводах металлических конструкций, имеющих специальное оборудование и приспособления и способных обеспечить качественную сборку конструкции с минимальными трудозатратами и в минимальные сроки.

Таким образом, предложенная конструкция плоских ферм вызывает сокращение количества монтажных элементов за счет уменьшения числа доборных раскосов, что приводит к уменьшению количества монтажных работ, уменьшению времени монтажной сборки пространственной конструкции и уменьшению трудоемкости изготовления конструкции в целом и монтажной сборки в частности. Трудоемкость конструкции в целом уменьшается за счет перераспределения доборных раскосов пространственной конструкции на стойки плоских ферм и связанного с этим перераспределения трудозатрат с монтажной площадки на завод-изготовитель, где трудоемкость изготовления всегда значительно ниже. Трудоемкость конструкции уменьшается еще и за счет упрощения узлового соединения структурной конструкции путем сокращения числа болтовых соединений доборных элементов решетки в силу устранения самих доборных элементов решетки. Сопряжение же ферм между собой может быть выполнено, например, на болтах с установкой по одному болту на каждый монтажный узел.

На фиг. 1 изображены три стандартных вида пространственной стержневой конструкции в сборке с указанием составляющих элементов. На фигуре приняты следующие обозначения: 1 - плоская ферма, 2 - доборный элемент верхнего и нижнего поясов пространственной конструкции, 3 - замыкающий элемент пояса плоской фермы.

На фиг.2 изображен основной составляющий элемент пространственной конструкции - плоская ферма. Ферма имеет треугольную решетку с дополнительными стойками, и у фермы отсутствует один из поясов. На фигуре приняты следующие обозначения: 1 - пояс фермы, 2 - раскос, 3 - стойка.

На фиг.3 изображена схема сборки пространственной стержневой конструкции при двух типах доборных элементов поясов - а) длиной на панель пояса; б) на всю длину конструкции. На фигуре приняты следующие обозначения: 1 - плоская ферма, 2 - доборный элемент пояса пространственной стержневой конструкции, 3 - замыкающий элемент пояса фермы.

В подтверждение возможности получения при осуществлении заявленного изобретения указанного выше технического результата, а именно - снижение трудоемкости монтажной сборки и сокращение сроков монтажа пространственной конструкции, далее приведен сравнительный анализ трудоемкости монтажа двух типов пространственных решетчатых конструкций. Первая конструкция пространственная конструкция системы "Тюбакорд", вторая - заявленная пространственная решетчатая конструкция. Допустим, указанные конструкции используются для покрытия зданий одинаковых размеров в плане, рассчитаны под одинаковую полезную нагрузку и имеют одинаковые весовые показатели. При этом заявленная конструкция имеет схему сборки монтажных элементов, приведенную на фиг.4, а конструкция системы "Тюбакорд" - приведенную на фиг.5. Из фигур видно, что число монтажных элементов для заявленной конструкции составляет 26 (из них: 4 - плоские фермы, 1 - замыкающий элемент пояса фермы, 21 - доборные элементы поясов пространственной конструкции); а для конструкции системы "Тюбакорд" это число составляет 47 (из них: 2 - плоские фермы, 1 - элемент пояса фермы, 24 - доборные элементы решетки, 20 - доборные элементы поясов пространственной конструкции).

Трудозатраты, необходимые на монтаж конструкции, можно оценить по методике Лихтарникова, которую он изложил в своей работе /Лихтарников Я.М. Металлические решетчатые пространственные конструкции регулярной структуры (методы технико-экономического анализа при проектировании). - М.: Стройиздат, 1968. - С. 166. п.2./.

В данной работе трудоемкость монтажа конструкции предлагается оценивать по формуле

T_k=k_в.т.(T_укр+T_уст+T_мет), (1)

где К_в.т. - коэффициент, учитывающий вспомогательные и транспортные операции, равный 1, 3;

Т_укр - трудоемкость укрупнения конструкции;

Т_уст - трудоемкость установки (подъем, временное закрепление и выверка);

Т_мет - трудоемкость выполнения монтажных соединений.

Трудоемкость укрупнения конструкции зависит от числа отправочных заводских единиц (марок) в монтажном элементе и их веса и может быть определена по формуле

T_укр=(a_укр+b_укр+G_о.м.)m, (2)

где G_o.м. и m - средний вес и количество укрупняемых отправочных марок;

a_укр, b_укр - коэффициенты, зависящие от типа конструкции, которые составляют 1,55 и 1,35 соответственно и определяются по таблице VI.3. в работе Лихтарникова.

Поскольку G_о.м.m=G_k,

то

T_укр=a_укрm+b_укр+G_k, (3)

где G_k - вес конструкции.

Трудоемкость установки конструкции (Т_уст) зависит от типа конструкции и для рассматриваемых нами конструкций является величиной одинаковой.

Трудоемкость выполнения монтажных соединений зависит от вида и количества монтажных соединений и может быть определена по графикам, представленным на рисунке VI.2 работы Лихтарникова. Для сравниваемых конструкций, у которых монтажные соединения выполнены, допустим, на высокопрочных болтах диаметром 24 мм, трудоемкость постановки метизов (Т_мет) составляет 2,2 чел.-часа на 10 болтов.

Тогда, обозначая индексом ¹ все расчетные величины, которые касаются конструкции системы "Тюбакорд", а индексом ² те, которые касаются заявленной конструкции, определим разницу в трудозатратах на монтаж этих конструкций, то есть определим T=T_k ¹-T_k ².

T¹ _укр=a_укрm¹+b_укрG¹ _k

T² _укр= a_укрm²+b_укрG² _k, так как вес обеих конструкций равный, то G¹ _k= G² _k=G_k, a m¹=47 m²=26.

Тогда

Т¹ _укр=1,5547+1,35G_k=72,85+1,35G_k чел.-час;

Т² _укр=1,5526+1,35G_k=40,3+1,35G_k чел.-час.

Трудоемкость установки конструкций одинаковая, то есть

T¹ _уст=T² _уст=T_уст.

Количество болтовых соединений для конструкции системы "Тюбакорд" определим по формуле

n_б ¹ = n_б ^д.р. = 48 + 40 = 88 шт.,

где n_б ^д.р. = n^д.р. 2 = 24 2 = 48 шт. (где n^д.р. - количество доборных элементов решетки, 2 - число болтов, приходящихся на один доборный элемент решетки);

n_б ^д.р. = n^д.п. 2 = 20 2 = 40 шт. (где n^д.п. - количество доборных элементов пояса, 2 - число болтов, приходящихся на один доборный элемент пояса).

Количество болтовых соединений для заявленной конструкции определим по формуле

n_б ² = n_б ^ф + n_б ^д.п. = 28 + 42 = 70 шт.,

где n_б ^ф = n^ф 7 = 4 7 = 28 шт. (где n^ф - количество плоских ферм, 2 - число болтов, приходящихся на одну плоскую ферму);

n_б ^д.р. = n^д.р. 2 = 21 2 = 42 шт.,

где n^д.п. - количество доборных элементов пояса, 2 - число болтов, приходящихся на один доборный элемент пояса.

Трудоемкость выполнения монтажных соединений





Тогда трудоемкость монтажа конструкций будет равна

Т¹ = 1,3 (72,85 + 1,35 G_k + Т_уст + 19,36) = 119,873 + 1,755 G_k + 1,3 Т_уст;

Т² = 1,3 (40,3 + 1,35 G_k + Т_уст + 15,4) = 72,41 + 1,755 G_k + 1,3 Т_уст.

Разница в трудозатратах на монтаж конструкций будет составлять

Т = (119,873 + 1,755 G_k + 1,3 Т_уст) - (72,41 + 1,755 G_k + 1,3 Т_уст) = 47,463 чел.-час.

Расчеты показывают, что трудоемкость монтажа заявленной конструкции ниже трудоемкости монтажа конструкции прототипа и, как следствие, снижение трудоемкости ведет к сокращению сроков монтажа. Таким образом, предлагаемое конструктивное решение позволяет получить, указанный ранее технический результат.