ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СТЕРЖНЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ

Тумасов А.А.¹, Царитова Н.Г.²

¹кандидат архитектуры, Южно-Российский государственный политехнический университет им. М.И. Платова (НПИ)

²ORCID: 0000-0002-0923-5848, кандидат технических наук, Южно-Российский государственный политехнический университет им. М.И. Платова (НПИ)

ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ СТЕРЖНЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ

Аннотация

В статье рассмотрена возможность пространственных преобразований стержневых конструкций покрытий. Изучены способы трансформации и методы формообразования пространственных покрытий. Представлен шарнирный узел пространственной стержневой конструкции регулярной структуры, который возможно использовать в данных конструкциях. Авторы в статье выделяют  комбинированные покрытия, как наиболее близкие к реализации в современных условиях развития строительного производства. Рассмотрены схемы цилиндрических и полусферических покрытий с использованием несущих объемных стрежневых арок на основе триангуляции.

Ключевые слова: пространственные стержневые конструкции, трансформация, шарнирный узел, динамика в архитектуре.

Tumasov A.A. ¹, Tsaritova N.G. ²

¹PhD in Architecture, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

²ORCID: 0000-0002-0923-5848, PhD in Engineering, Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

TRANSFORMABLE SPATIAL CONSTRUCTION COATINGS

Abstract

The article considers the possibility of spatial transformation of core structures. Examined methods of transformation and methods of forming spatial surfaces. Presents hinge joint spatial rod structures regular structures, which can be used in data structures. The authors of the article distinguish the combined coverage of as the most close to realization in modern conditions of development of building production. The models of the cylindrical and hemispherical surfaces with the use of load-bearing arches surround  on the basis of triangulation.

Keywords: spatial grid framing; transformation, a hinge unit,  dynamics in architecture.

Разработка новых и совершенствование существующих методов возведения зданий и сооружений всегда является актуальной задачей в строительстве, а одно из направлений в исследовании этого процесса – поиск современных архитектурно-конструктивных систем, способных осуществлять данную задачу. Авторы настоящих исследований обращаются к изучению пространственно-временных преобразований стержневых пространственных конструкций покрытия. В этих системах очень ярко проявляется совокупность конструктивной жизнеспособности и пространственной гибкости, природно-тектонический минимализм и художественно-эстетический потенциал.

Исследования способов трансформации и методов формообразования пространственных покрытий сконцентрированы на выявлении возможностей кинематических сетей на основе триангуляции, где основными элементами системы являются стержни и шарниры, соединяющие их по концам. [1,2]. Получаемые пространственные образования, обладающие жесткостью, формируются как из одного слоя кинематической сетки, жестко закрепленной по контуру; так и из двух слоев, связанных между собой. Рассматриваются также комбинированные системы, сочетающие объемные элементы и однослойные сети. Все многообразие получаемых стержневых покрытий из гибких кинематических сетей представлено в таблице 1.

Здесь проиллюстрированы однослойные кинематические схемы разделенные по принципу обеспечения пространственной жесткости в конечном пространственном виде.

Первые сохраняют пространственную жесткость за счет жесткого крепления по контуру; вторые за счет образования жестких складок и креплению к опорам; третьи за счет создания отдельных ядер жесткости, закрепленных к опорам.

Двухслойные стрежневые системы состоят из верхней и нижней триангуляционных сеток и соединяющих их между собой раскосов. При этом образуется пространственная кристаллическая решетка (тетраидальная структурная плита), обладающая абсолютной пространственной жесткостью. Изгиб такой структурной плиты возможен лишь при изменении длины стержней верхней или нижней сетки. Такая трансформация стержневой структуры разработана авторами на основе продуктивного анализа бионических аналогов костно-мышечной системы. Условиями пространственной жесткости и трансформации являются:

1. Соединение стержней шарнирные.
2. Пространственная структура на основании триангуляции должна обладать геометрической неизмен6яемлстью.
3. Верхняя и нижняя сетка должна иметь стрежни переменной длины.

Таблица 1

Методы формообразования стержневых пространственных конструкций
Наименование типа структур	Наименование методов	Эскиз форм
Однослойные	Изгиб и фиксация контура
	Изгиб и образование складок
	Изгиб и замыкание на контуре
Двуслойные	Изгиб изменением длины стержней
Комбинированные	Опирание гибких сетей на стержневые «стойки»
	Опирание гибких сетей на «ядра жесткости»
	Опирание гибких сетей на объемны стержневые арки

Комбинированные системы состоят из несущих объемных элементов и висячих однослойных сетей или связей. Для объемных элементов должны выполняться те же условия, что для двухслойных структур.

Авторами, кроме принципов формообразования, разрабатывались конструктивные варианты шарнирных узлов, один из которых может быть изготовлен в реальных производственных условиях и способен обеспечить соединение до 12 стержней.

На рисунке 1 показан шарнирный узел пространственной стержневой конструкции регулярной структуры [3], который состоит из стержней со сферическими наконечниками закрепленных между прижимными дисками с помощью центрального болта, под центральный болт устанавливается втулка,  все фиксируются прижимными болтами, под болты устанавливаются втулки  для придачи жесткости прижимным дискам.  При этом сферические наконечники плотно зажимаются между дисками, что исключает возможность прощелкивания стержней. Так как сферические наконечники  стержней  могут вращаться, то положение стержней может регулироваться и затем фиксироваться под требуемым углом. Углы между стержнями могут варьироваться в зависимости от вида пространственной конструкции.

а

б

Рис. 1. – Шарнирный узел пространственной стержневой конструкции регулярной структуры: а – вид сбоку, б – вид сверху

Условие изменения длины стержней возможно выполнить за счет гидравлического цилиндра  показанного на рисунке 2.

Рис. 2. – Гидравлический цилиндр

Особо следует остановиться на комбинированных покрытиях, сочетающих несущие объемные стержневые арки и стержневые связи между ними, как наиболее близкие к реализации в современных условиях развития строительного производства. Авторы статьи рассматривают схемы цилиндрических и полусферических покрытий с использованием несущих объемных стрежневых арок на основе триангуляции. Данные арки получают из собранных на поверхности основания прямолинейных объемных стержневых образований, имеющих нижний и верхний пояс. Автоматическое сокращение длины стержней нижнего пояса и наличие шарнирных соединений изгибают прямолинейную конструкцию до необходимой кривизны  (рис. 3).

а

б

в

г

Рис. 3. – Объемная стрежневая арка на основе триангуляции: а – вид сверху в собранном виде , б – аксонометрический вид в собранном виде, в – вид сверху в рабочем состоянии, г – аксонометрический вид в рабочем состоянии

Образованная таким образом полуарка может служить основным несущим элементом пространственных стержневых конструкций.

 

Список литературы / References

1. Тумасов А.А. Архитектурно-композиционные возможности плоских кинематических структур. Архитектурная бионика. Проблемы теории и практики: Сб. ст..– М., 1986 – С. 63–67.
2. Тумасов А.А. Структуры в динамическом архитектурно-конструктивном формообразовании./ Новочерк. политехн. ин-т. – Новочеркасск, 1987 – Деп. ВНИИНТПИ, 1989. – №10225. –  12 с.
3. Шарнирный узел пространственной стержневой конструкции регулярной структуры : пат. 2586351 Рос. Федерация: МПК Е04В 1/58 / Н.Г. Царитова, Н.А. Бузало; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова – № 2015100939/03; заявл. 12.01.15; опубл. 10.06.16, Бюл. №16.

 Список литературы на английском языке / References in English

1. Tumasov A.A. Arhitekturno-kompozicionnye vozmozhnosti ploskih kinematicheskih struktur. Arhitekturnaja bionika. Problemy teorii i praktiki: Sb. st. [Architectural and compositional possibilities of plane kinematic structures. Architectural bionics. Problems of the theory and practice: Coll. Article] – M., 1986 – P. 63–67. [in Russian]
2. Tumasov A.A. Struktury v dinamicheskom arkhitekturno-konstruktivnom formoobrazovanii [The structures in the dynamic architectural and constructive shaping] / Novocherk. politekhn. in-t. – Novocherkassk, 1987 – Dep. VNIINTPI, 1989. – №10225. – 12 p.
3. Sharnirnyj uzel prostranstvennoj sterzhnevoj konstrukcii reguljarnoj struktury : pat. 2586351 Ros. Federacija: MPK E04V 1/58 / N.G. Caritova, N.A. Buzalo; zajavitel' i patentoobladatel' FGBOU VPO Juzhno-Rossijskij gosudarstvennyj politehnicheskij universitet (NPI) imeni M.I. Platova – № 2015100939/03; zajavl. 12.01.15; opubl. 10.06.16, Bjul. №16 [The hinge assembly of spatial rod construction of regular structure: a stalemate. 2586351 Ros. Africa: IPC E04V 1/58 / NG Tsaritova, NA Buz; the applicant and the patentee VPO South-Russian State Technical University (NPI) of the MI Platov - № 2015100939/03; appl. 01/12/15; publ. 06.10.16, Bul. №16] [in Russian]