Разработка узловых соединений перекрестных конструкций зданий и сооружений

Аннотация

В статье приведены итоги разработки новых узловых соединений перекрестных конструкций из профильных труб прямоугольного (квадратного) сечения. Показана универсальность их технического решения, а также способность воспринимать и передавать значительные усилия, включая изгибающие и крутящие моменты, вызванные интенсивными динамическими нагрузками.

Ключевые слова: узловые соединения, перекрестные конструкции, пространственные каркасы зданий и сооружений, трубчатые профили прямоугольного сечения, трубобетонные элементы.

Накопленный опыт проектирования и строительства объектов с использованием перекрестных конструкций подтверждает рациональность, эффективность и универсальность их технических решений, обеспечивающих устойчивость к внезапному прогрессирующему (лавинообразному) обрушению [1, 2, 9, 11, 12]. Так, в Ереване возведен СКК (спортивно-концертный комплекс), который отличается выразительным архитектурным образом и не менее оригинальным способом монтажа оболочечных конструкций покрытия из перекрестных железобетонных элементов (рис. 1). За основу этого способа принято правило «трех точек», широко известное из практики скалолазания [3].

Несущие конструкции из двойных систем перекрестных ферм и стержней трех направлений имеет аэровокзальный комплекс (АВК) «Внуково-1», здание которого отличается сложной криволинейной конфигурацией в плане и по высоте (рис. 2). Его основные размеры: длина — около 600 м, ширина — от 70 до 380 м. Конструкция покрытия представляет собой двухпоясную сетчатую оболочку, состоящую из треугольных ячеек с длиной сторон 7…8,5 м. Каждая сторона — это плоская сварная ферма заводского изготовления высотой 2,5 м из круглых труб. Сетчатая оболочка опирается на железобетонные колонны через капители в виде пучка из трех трубчатых стоек. Степень ответственности сооружения учитывается коэффициентом г_n=1,2, на который умножаются все усилия и перемещения, полученные в статическом расчете. При этом нижние пояса перекрестных ферм имеют повышенную боковую (монтажную) жесткость за счет применения системы стержней (распорок), пересекающихся в трех направлениях. Выполнено численное моделирование несущих конструкций, их температурных блоков и основных узлов. Натурные испытания узловых элементов подтвердили их работоспособность, а также технологичность изготовления и сборки на монтаже [4].

перекрестный конструкция труба прямоугольный.

Рис. 1. Спортивно-концертный комплекс в Ереване: а — снимок общего вида; б — разрез основного зала; в — монтажная схема оболочечной конструкции покрытия из железобетонных перекрестных элементов; г — узловые соединения перекрестных элементов.

Рис. 2. Аэровокзальный комплекс (АВК) «Внуково-1»: а — снимок общего вида несущих конструкций в интерьере; б — снимок общего вида опорных и соединительных узлов.

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в узловых соединениях стержневых элементов пространственного каркаса зданий и сооружений. Наиболее близким техническим решением (прототипом) является узловое соединение перекрестных стержневых конструкций, в котором жестко прикрепленные к поясным стержням соединительные уголки состыкованы между собой полками посредством болтов и размещены в углах, образованных боковыми гранями (вертикальными стенками) стержневых элементов поясов из прямоугольных (квадратных) трубчатых профилей. При этом соединительные уголки прикреплены своими перьями к вертикальным стенкам (боковым граням) так, что состыкованные болтами полки ориентированы к центру узлового соединения (рис. 3) [5].

Техническим результатом предлагаемого решения является расширение области применения узлового соединения стержневых элементов из прямоугольных (квадратных) трубчатых профилей, а также увеличение несущей способности, что позволяет применять его в пространственных каркасах, включая случаи действия динамических нагрузок значительной интенсивности [10]. Технический результат достигается за счет того, что в узловом соединении стержней пространственного каркаса, включающем жестко прикрепленные к вертикальным стенкам стержней соединительные уголки с торцевыми заглушками и состыкованными на болтах полками, такие же соединительные уголки с состыкованными на болтах полками жестко закреплены на горизонтальных стенках (полках) стержней. При этом вертикальные и горизонтальные стенки соединяемых стержневых элементов в створе их прикрепления к перьям соединительных уголков усилены изнутри диафрагмами, расположенными параллельно торцевым заглушкам (рис. 4) [6].

Рис. 3. Схемы узлового соединения перекрестных стержневых конструкций: а — узел четырех стержней; б — узел сквозного и двух разрезных стержней; в — продольный разрез (А-А); 1 — трубчатые поясные стержни; 2 — соединительные уголки; 3 — отверстия; 4 — болты; 5 — торцевые заглушки; 6 — сквозной стержень; 7 — стержни решетки.

Предлагаемое узловое соединение имеет достаточно универсальное техническое решение. Его можно использовать, например, в случаях отсутствия динамических нагрузок значительной интенсивности, включающих крановые и сейсмические воздействия, когда несущая способность вполне обеспечена без диафрагм, что позитивно влияет как на трудоемкость несущих конструкций, так и на расход конструкционного материла. Здесь стержни одного из направлений целесообразно изготавливать цельными (неразрезными) и тем самым сокращать продолжительность монтажа пространственного каркаса.

Узловое соединение стержней 1 пространственного каркаса из трубчатых профилей квадратного (прямоугольного) сечения содержит жестко прикрепленные к их вертикальным и горизонтальным стенкам с помощью сварных швов соединительные уголки 2, полки которых состыкованы на болтах 3, размещенных в соосных отверстиях 4. (На изображении видимой части узлового соединения болты 3 условно не показаны.) Стенки соединяемых стержней 1 и соединительные уголки 2 со стороны их перьев, более приближенных к центру узлового соединения, усилены торцевыми заглушками 5. Со стороны перьев, более удаленных от центра узлового соединения, соединительные уголки 2, равно как и стенки стержней 1, усилены диафрагмами 6, расположенными в полости каждого из трубчатых элементов параллельно заглушкам 5.

Усилительный элемент предлагаемого узлового соединения выполнен в форме парных, параллельно расположенных, листовых деталей (заглушек 5 и диафрагм 6). Таким конструктивным оформлением он отличается от аналогичного усилительного элемента в виде одиночных диафрагм из известного решения бесфасоночного узла трубчатой фермы (рис. 5) [7]. При этом очевидно, что установке и обварке торцевых заглушек 5 обязательно должны предшествовать такие же технологические операции с диафрагмами 6.

Рис. 4. Аксонометрия предлагаемого узлового соединения стержней пространственного каркаса из трубчатых профилей квадратного (прямоугольного) сечения в разобранном виде.

Рис. 5. Схема узла крепления раскосов к поясу трубчатой бесфасоночной фермы: 1 — элементы раскосной решетки; 2 — пояс; 3 — диафрагмы; 4 — пяточная зона примыкания элементов раскосной решетки к поясу; «а» — участки стенки пояса.

Если интенсивность нагрузок на пространственный каркас такова, что несущая способность узловых соединений его стержней вполне может быть обеспечена без диафрагм 6, то стержневые элементы 7 одного из направлений целесообразно изготавливать цельными (неразрезными) в соединительных узлах (рис. 6).

Рис. 6. Аксонометрия предлагаемого узлового соединения с цельным (неразрезным) стержневым элементом одного из направлений в разобранном виде.

Соединительные уголки и их усилительные элементы предлагаемого узлового соединения стержней пространственного каркаса (рис. 7.) в собранном виде являются основой формообразования узлов с вутами, представляющими собой узловые усилительные элементы геометрически неизменяемой (треугольной) формы, способными воспринимать и передавать значительные усилия, включая изгибающие и крутящие моменты. Несущую способность такого каркаса можно весьма увеличить, если перекрестные трубчатые элементы заменить трубобетонными [8].

Рис. 7. Фрагмент пространственного каркаса из перекрестных трубчатых (трубобетонных) элементов с вутами в общем виде.

• 1. Дробот Д. Ю. Живучесть большепролетных металлических покрытий. — Автореферат дис. канд. техн. наук. — М., 2010. — 22 с.
• 2. Domus 29(02)2011 (Архитектура). Спортивный интерес. Ледовый дворец. — URL://vgip.ru/files/publication/ledovii_dvorec.pdf (дата обращения 06.12.2013).
• 3. Цатурян И. Г., Азизян Г. С., Тарханян А. А., Погосян Г. Г., Абелян В. П., Баласанян В. А. Сборная пространственная оболочка покрытия. — Авторское свидетельство № 1 218 020, 15.03.1986, бюл. № 10.
• 4. Ружанский И. Л., Мосягин Д. Л. Конструктивные особенности несущих металлоконструкций покрытия для аэровокзального комплекса «Внуково-1» в Москве. — Промышленное и гражданское строительство, 2009, № 5. — С. 6−8.
• 5. Аванесов С. И., Марутян А. С., Саркисян О. В. Узловое соединение перекрестных стержневых конструкций. — Авторское свидетельство № 1 428 824, 07.10.1988, бюл. № 37.
• 6. Марутян А. С. Узловое соединение стержней пространственной конструкции. — Патент № 2 529 353, 27.09.2014, бюл. № 27.
• 7. Левитанский И. В. Узел крепления раскосов к поясу трубчатой бесфасоночной фермы. — Авторское свидетельство № 540 019, 25.12.1976, бюл. № 47.
• 8. Мельничук А. С. Прочность коротких трубобетонных колонн квадратного поперечного сечения. — Автореферат дис. канд. техн. наук. — Казань, 2014. — 19 с.
• 9. Журавлев А. А., Муро Г. Э. Новое конструктивное решение покрытия системы Цолингера // Инженерный вестник Дона, 2011, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/706.
• 10. Голубова Т. А., Кадомцев М. И., Шатилов Ю. Ю. Локализация повреждений металлических ферменных конструкций при помощи вибрационных методов // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2169.
• 11. Design of structures by a splitting method / WATSON A., KENNEDY D., WILLIAMS F.W. // COMPUTERS & STRUCTURES. V.40. № 4. 1999. pp.377−386.
• 12. Influence of dynamic properties and position of rivulet on rain-wind-induced vibration of stay cables / Chen W.-L., Tang S.-R., Li H., Hu H. // JOURNAL OF BRIDGE ENGINEERING. V.18 № 10. 2013. pp.1021−1031.