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).

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 «stracture» на многих-языках означает не только структуру, но н конструк­цию. Однако мы не будем обращать на это внимание и сохраним ставшие привычными названия «структуры», «структурные плитьо) и т. п.

Структурные плиты могут быть образованы путем пересечения пло­ских ферм в двух, трех и более направлениях с разбиением шиты 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 н разместим раскосы в наклонных плоскостях, то будет получена структура, показаннаянарис. 7.2. Аналогично могут быть построены сис­темы иных конфшураний (рис. 7.3). В таких системах всегда можно вы­делить многократно повторяющийся пространственный элемент «кри­сталл», например, в виде параллелепипеда, внрамидын т.д. (рис. 7.4). 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.

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

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

Полагают, что среди преимуществ этого класса конструкций можно назвать и повышенную надежность, определяемую той же многосвязно-стыо (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. 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). • Возможность монтажа пространственно жестких конструкщш 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 н трудоем­кость изготовления.

• Именно конструкция узлов определяет, главным образом, и трудо­емкость сборки конструюши 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.