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 "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 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.
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.
309
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.
310
