VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Классификация купольных домов

• Описание купола

• Выбор материала

• Проектирование технологического процесса

• Сборка каркаса купола

• Конструкторская разработка

• Расчет потребного количества сырья и материалов

• Расчет количества отходов

Купольный дом (или купольное домостроение) считается относительно новым направлением в жилой архитектуре, несмотря на многовековую историю купольных жилых конструкций. Многие народности строили купольные дома: юрты, чумы, вигвамы, яранги.

Купольные конструкции перекрывают преимущественно круглые, многоугольные, эллиптические в плане помещения и позволяют перекрывать значительные пространства без дополнительных промежуточных опор. Образующими формами служат различные кривые, выпуклые вверх. От вертикальной нагрузки в купольных конструкциях возникают усилия сжатия, а также горизонтальный распор на опорах.

Чаще всего купольные конструкции применяют в тех случаях, когда необходимо получить максимальный объём помещения при минимальном весе конструкции. Как правило, это выставочные центры, спортивные стадионы, промышленные здания или научные объекты.

Купольный дом имеет следующие преимущества:

• Высокая устойчивость к ветровым нагрузкам, благодаря аэродинамической форме.

• Высокая сейсмическая стойкость. Сферический купол Фуллера, построенный из треугольных элементов, имеет очень равномерное распределение нагрузок по всей плоскости каркаса и не теряет устойчивости при разрушении до 30 % каркаса.

• Благодаря небольшому весу конструкции не требуется дорогой фундамент.

• Свободная планировка внутренних помещений, не ограниченная колоннами и распорками.

• Эстетика и футуристический внешний вид.

• Энергоэффективность. Купольный дом имеет меньшую площадь теплоотдачи и улучшенную естественную конвекционную вентиляцию, поэтому его проще и дешевле отопить или остудить.

• Акустика. В купольном доме меньше слышны внешние шумы.

Строительство купольного дома дешевле, чем постройка прямоугольного здания с таким же полезным объёмом.

Классифицировать купола покрытия можно по самым различным признакам. По материалу – из древесины, фанеры, пластмасс и их сочетаний. По конструктивному решению – тонкостенные купола-оболочки, ребристые купола, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями, сетчатые. По форме поверхности, получаемой вращением образующей вокруг вертикальной оси, купола могут быть сферического очертания, эллиптического, конического, в форме гиперболоида вращения и т. д.

Тонкостенные купола-оболочки

Деревянные тонкостенные купола-оболочки проектируют диаметром 12-35 м; они, как правило, имеют сферическое очертание. Купол состоит (рисунок 1) из меридианных ребер (арочек), верхнего и нижнего опорных колец, кольцевого и косого настилов.

Рисунок 1 – Тонкостенный купол-оболочка

а – поперечный разрез и план; б – примыкание к верхнему опорному кольцу; в – детали покрытия; г – примыкание к нижнему опорному кольцу; 1 – дощатое ребро; 2 – нижний слой кольцевого настила; 3 – верхний слой кольцевого настила; 4 – косой настил; 5 – кровли; 6 – верхнее опорное кольцо; 7 – нижнее железобетонное опорное кольцо; 8 – фонарь; 9 – металлическая деталь креплений ребер

Купола-оболочки могут быть выполнены из крупнопанельных клеефанерных элементов, что значительно снижает трудоемкость возведения покрытия. Деревянные тонкостенные купола-оболочки собирают с помощью лесов. Особое внимание обращается на приторцовку стыков сжатого кольцевого настила.

Ребристые купола

Ребристые купола – одна из первых конструктивных схем купольных покрытий, состоящая из отдельных, поставленных радиально плоскостных несущих криволинейных или прямолинейных ребер, опирающихся в верхнее и нижнее опорные кольца или фундаменты (рисунок 2). Ограждающая часть покрытия, уложенная по верхним граням ребер, образует поверхность купола. Покрытие состоит из дощатых щитов или настилов по кольцевым прогонам, клеефанерных или стеклопластиковых панелей.

Рисунок 2 – Ребристые купола

а – схема купола; б, в – варианты узлов примыкания ребер к верхнему кольцу; г – узел примыкания ребер к фундаментам; д – поперечный разрез конического купола; 1 – ребро; 2 – прогоны или панели; 3 – скатные связи; 4 – кровля; 5 – верхнее металлическое опорное кольцо; 6 – металлическая планка; 7 – зубчатая шпонка; 8 – ребро жесткости; 9 – пластичный шарнир; 10 – клин из клееной древесины; 11 – полимербетон; 12 – столик опорного кольца

Ребристо-кольцевые купола

В ребристо-кольцевых схемах купольных покрытий в общую работу каркаса купола включены непрерывные кольцевые прогоны, которые пересекают меридианные ребра и работают не только на местный изгиб, но и воспринимают растягивающие кольцевые усилия, являясь ярусными затяжками. Сечения такого купола в плоскости кольцевых прогонов не имеют свободных горизонтальных перемещений. Высота поперечного сечения ребер благодаря участию в общей работе купола кольцевых прогонов уменьшается до 1/100-1/150 диаметра купола. Ребра с кольцевыми прогонами соединяются, как правило, шарнирно. Кольцевые прогоны и ребра чаще всего изготовляют из клееной древесины, но могут быть и клеефанерными. При диаметре купола 90-100 м вы­сота поперечного сечения ребер составляет 30-50 см.

Рисунок 3 – Ребристо-кольцевой купол с решетчатыми связями диаметром 91,5 м

Сетчатые купола

Сетчатые купола – это многогранники, вписанные чаще всего в сферическую поверхность вращения. Сетка обычно образуется из треугольников, трапеций, ромбов, пятиугольников, шестиугольников и других фигур. Стержни решетки в узлах сетчатых куполов соединяются шарнирно. Сетчатый купол является распорной системой, который воспринимается нижним опорным кольцом. В последнее время при проектировании деревянных куполов большого диаметра (до 257 м) сетчатые схемы получили широкое распространение. Они отличаются легкостью, четкостью и декоративностью рисунка конструктивных элементов.

Наиболее часто применяют купола с треугольной ячейкой и ее разновидностью.

Рисунок 4 – Купол с треугольной ячейкой

Описание купола

Каркас купола имеет девять видов деталей разных размеров. Сборка начинается с основания, которая состоит из одного вида деталей (Основание) они имеют одинаковую форму и одного размера. Основание состоит из 16-ти деталей. От основания купола к его центру собираются ребра каркаса. Всего собранных ребер в каркасе 16 штук, каждая из которых состоит из трех видов деталей (ребро 1, ребро 2, ребро 3) разных размеров. Нижняя часть ребра (ребро 1), которая крепится к основанию каркаса и соединяется с ребром 2. Их всего 16 штук. Ребро 2 – это средняя часть основного ребра, таких деталей в одном ребре четыре штуки, общее количество деталей ребро 2 – 64 шт. Ребро 3 – это замыкающая деталь, которая соединяет остальные ребра в центре купола, таких деталей 16 штук.

Ребра купола соединяются между собой в пяти местах ригелями, которых пять видов (ригель 1, ригель 2, ригель 3, ригель 4, ригель 5), все они разных размеров и несут одну функцию в несущей конструкции. Всего ригелей 80 штук, по 16 штук каждого вида.

Выбор основных и вспомогательных материалов

Основной материал каркаса дома – это сосна.

Древесина сосны, пиломатериалы хвойных пород по ГОСТ 24454-80.

Свойства сосновой доски: твёрдая и мелкослойная, одна из наиболее плотных среди всех экотипов сосны обыкновенной, высокая механическая прочностью и низкая теплопроводность. Сосна легко обрабатывается, имеет своеобразный текстурный рисунок. Доска необрезной сосны обладает пластичностью, что позволяет ей переносить резкие изменения температур и уровня влажности; не растрескивается (при соблюдении технологий сушки). Структура сосны уникальна и очень красива, древесина имеет светло-золотистый тёплый цвет. Текстура древесины со временем не выцветает, не бледнеет, а лишь приобретает лёгкий красноватый оттенок, за счёт большого содержания смолы. Считается что сухая доска сосны и её древесина обладают антибактериальными свойствами, благодаря выделению фитонцидов.

Технологические свойства: плотность столярной сосны до 540 кг/м³., что в полтора раза выше, чем у обычной сосны, которая растёт в средней полосе Европейского континента. Древесина необрезной сосны имеет повышенную стойкость к грибковым поражениям и гнилостным процессам. Древесина заготавливается в зимний период и не обладает распространённым пороком, которым страдают другие сорта древесины, подверженные грибковым поражениям. Со временем сосна не синеет.

Проектирование технологического процесса

Технологической операцией называется часть технологического процесса, осуществляемая на одном рабочем месте и охватывающая собой все последовательные действия рабочего и станка по обработке одной детали до перехода к следующей детали. При разработке технологического процесса, оборудование, состав и последовательность операций выбирается с таким расчетом, чтобы необходимая обработка детали была выполнена при наименьших трудозатратах, экономном использовании материалов и с обеспечением требуемой точности и качества обработки.

Разработка технологических операций заключается в составлении технологических карт.

Технологические операции изготовления деталей каркаса купольного здания на станке с ЧПУ Hundegger Speed Cut SC 2-160:

Технологическая операция обработки основания

Рисунок 5 – Основание

1. Торцевание (пильный диск ш650);

2. Пиление, поверхность 1 (пильный диск ш650);

3. Фрезерование, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

4. Фрезерование, поверхность 3 (пальцевая фреза ш40);

5. Фрезерование в пол доски, поверхность 5 (цилиндрическая фреза 250/80);

6. Фрезерование, поверхность 4 (пальцевая фреза ш40);

7. Зажим и перемещение;

8. Торцевание (пильный диск ш650);

9. Пиление, поверхность 6 (пильный диск ш650);

10. Фрезерование, поверхность 7 (пальцевая фреза ш40);

11. Фрезерование, поверхность 8 (пальцевая фреза ш40);

12. Фрезерование в пол доски, поверхность 9 (цилиндрическая фреза 250/80);

13. Фрезерование, поверхность 10 (пальцевая фреза ш40).

Время обработки данной детали составляет 5,05 минут. Их всего 16 штук, общее время обработки 80,8 минут.

Технологическая операция обработки ребра 1

Рисунок 6 – Ребро 1

1. Торцевание (пильный диск ш650);

2. Пиление, поверхность 1 (пильный диск ш650);

3. Фрезерование, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

4. Фрезерование, поверхность 3 (пальцевая фреза ш40);

5. Фрезерование в пол доски, поверхность 5 (цилиндрическая фреза 250/80);

6. Сверление, поверхность 4 (сверло ш20);

7. Зажим и перемещение;

8. Торцевание, поверхность 6 (пильный диск ш650);

9. Фрезерование шипа, поверхность 7 (цилиндрическая фреза 250/80).

Время обработки данной детали составляет 3,12 минут. Их всего 16 штук, общее время обработки 49,92 минут.

Технологическая операция обработки ребра 2

Рисунок 7 – Ребро 2

1. Торцевание (пильный диск ш650);

2. Пиление, поверхность 1 (пильный диск ш650);

3. Фрезерование, поверхность 3 (пальцевая фреза ш40);

4. Фрезерование, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

5. Фрезерование в пол доски, поверхность 5 (цилиндрическая фреза 250/80);

6. Сверление, поверхность 4 (сверло ш20);

7. Зажим и перемещение;

8. Торцевание (пильный диск ш650);

9. Пиление, поверхность 6 (пильный диск ш650);

10. Фрезерование, поверхность 7 (пальцевая фреза ш40);

11. Фрезерование, поверхность 8 (пальцевая фреза ш40);

12. Фрезерование в пол доски, поверхность 10 (цилиндрическая фреза 250/80);

13. Сверление, поверхность 9 (сверло ш20).

Время обработки данной детали составляет 5,19 минут. Их всего 64 штук, общее время обработки 332,16 минут.

Технологическая операция обработки ребра 3

Рисунок 8 – Ребро 3

1. Торцевание (пильный диск ш650);

2. Пиление, поверхность 1 (пильный диск ш650);

3. Фрезерование, поверхность 3 (пальцевая фреза ш40);

4. Фрезерование, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

5. Фрезерование в пол доски, поверхность 5 (цилиндрическая фреза 250/80);

6. Сверление, поверхность 4 (сверло ш20);

7. Зажим и перемещение;

8. Торцевание, поверхность 6 (пильный диск ш650).

Время обработки данной детали составляет 2,46 минут. Их всего 16 штук, общее время обработки 39,36 минут.

Технологическая операция обработки ригеля 1

Рисунок 9 – Ригель 1

1. Пиление под углом 11,25˚, поверхность 1 (пильный диск ш650);

2. Фрезерование паза, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

3. Пиление под углом 11,25˚, поверхность 3 (пильный диск ш650).

Так как деталь маленькой длины, станок не может обработать поверхность 4 и поэтому придется ее обработать вручную.

Время обработки данной детали составляет 2,38 минут. Их всего 16 штук, общее время обработки 38,08 минут.

Технологическая операция обработки ригеля 2

Рисунок 10 – Ригель 2

1. Пиление под углом 9,89˚, поверхность 1 (пильный диск ш650);

2. Фрезерование паза, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

3. Пиление под углом 9,89˚, поверхность 3 (пильный диск ш650);

4. Фрезерование паза, поверхность 4 (пальцевая фреза ш40).

Время обработки данной детали составляет 4,18 минут. Их всего 16 штук, общее время обработки 66,88 минут.

Технологическая операция обработки ригеля 3

Рисунок 11 – Ригель 3

1. Пиление под углом 7,73˚, поверхность 1 (пильный диск ш650);

2. Фрезерование паза, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

3. Пиление под углом 7,73˚, поверхность 3 (пильный диск ш650);

4. Фрезерование паза, поверхность 4 (пальцевая фреза ш40).

Время обработки данной детали составляет 4,21 минут. Их всего 16 штук, общее время обработки 67,36 минут.

Технологическая операция обработки ригеля 4

Рисунок 12 – Ригель 4

1. Пиление под углом 5,51˚, поверхность 1 (пильный диск ш650);

2. Фрезерование паза, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

3. Пиление под углом 5,51˚, поверхность 3 (пильный диск ш650);

4. Фрезерование паза, поверхность 4 (пальцевая фреза ш40).

Время обработки данной детали составляет 4,22 минут. Их всего 16 штук, общее время обработки 67,52 минут.

Технологическая операция обработки ригеля 5

Рисунок 13 – Ригель 5

1. Пиление под углом 2,91˚, поверхность 1 (пильный диск ш650);

2. Фрезерование паза, поверхность 2 (пальцевая фреза ш40);

3. Пиление под углом 2,91˚, поверхность 3 (пильный диск ш650);

4. Фрезерование паза, поверхность 4 (пальцевая фреза ш40).

Время обработки данной детали составляет 4,26 минут. Их всего 16 штук, общее время обработки 68,16 минут.

Общее время необходимое для обработки деталей на станке с ЧПУ Hundegger Speed Cut SC 2-160, составляет 810,24 минуты. То есть 13,5 часа.

Сборка каркаса купола

Сборка начинается со сборки нижнего многогранника.

Рисунок 14 – Деталь основание

Детали основания собираются в замок с фиксацией клеем и шурупами. Их 16 штук.

Рисунок 14 – Основание в сборе

Во время сборки необходима проверка каждого соединения на возможность установки шипа детали ребра. При необходимости может понадобится доработка паза.

Следующий этап – сборка ребра.

Рисунок 15 – Первая деталь ребра

Рисунок 16 – Вторая, третья, четвертая и пятая деталь ребра

Рисунок 17 – Шестая замыкающая деталь ребра

Рисунок 18 – Ребро в сборе

Сборка ребра производится на ровной плоскости с фиксацией замка клеем, шурупами и шкантами. Шканты должны выступать симметрично с каждой стороны ребра. Собирается 16 ребер.

Собранные ребра устанавливаются на основание на шип.

Рисунок 19 – Установка ребер

Сборку каркаса желательно производить с применением дополнительной временной опорой по центру купола высотой примерно 4302 мм. при этом замыкающая верхняя деталь ребра должна находиться в горизонтальной плоскости.

Таким образом устанавливаются все 16 ребер каркаса с фиксацией шипового соединения клеем и наклонным шурупом.

Установка горизонтальных ригелей.

Ригеля устанавливаются по периметру каркаса, начиная с верхнего ряда с фиксацией наклонными шурупами.

Рисунок 20 – Собранный каркас

При установке ригелей обратите внимание на торцевые наклоны. Большее ребро ригеля должно быть снаружи и внизу.

По завершению сборки трех ярусов ригелей временная опора может быть удалена.

Конструкторские разработки

Целью конструкторских разработок является проектирование и реализация приспособления для фиксирования ребер купола, опорной балки.

Опорная балка состоит из следующим деталей:

1. Нижняя часть балки;

2. Верхняя часть балки;

3. Контргайка;

4. Штырь;

5. Опора.

Все составляющие детали балки показаны на рисунке 21.

Рисунок 21 – Детали опорной балки

Нижняя часть балки состоит из:

Рисунок 22 – Нижняя платформа

Она имеет 16 отверстий, для того чтобы зафиксировать балку в опоре.

Рисунок 23 – Резьба и паз

Верхняя часть балки состоит из:

Рисунок 24 – Верхняя платформа

Она так же имеет 16 отверстий, для того чтобы фиксировать на ней верхние части ребер.

Рисунок 25 – Отверстия

Верхняя часть имеет 21 отверстие, для того чтобы регулировать высоту балки.

Опорная балка собирается очень просто. Сначала нижнюю часть балки прикручиваем шурупами к опоре. На нижнюю часть накручивается гайка, затем вставляется верхняя часть балки. Выбрав нужную высоту, фиксируем ее штырем. Для того чтобы прочно установить балку, нужно зафиксировать контргайкой.

Рисунок 26 – Установка балки в опору

Рисунок 27 – Сборка балки

Рисунок 28 – Фиксирование контргайкой

Расчет потребного количества сырья и материалов

Таблица 1 – Расход основных и вспомогательных материалов

Наименование	Материал	Кол-во	Размеры				Общий объем заготовок, (м3)
			Длина, (мм)	Ширина, (мм)	Толщина, (мм)
Основание	Сосна	16	1890,43	140,0	40,0	0,169
Ребро 1	Сосна	16	1353,83	140,0	40,0	0,121
Ребро 2	Сосна	64	1492,73	140,0	40,0	0,535
Ребро 3	Сосна	16	601,21	140,0	40,0	0,054
Ригель 1	Сосна	16	187	140,0	40,0	0,017
Ригель 2	Сосна	16	655	140,0	40,0	0,059
Ригель 3	Сосна	16	1052,93	140,0	40,0	0,094
Ригель 4	Сосна	16	1362,56	140,0	40,0	0,122
Ригель 5	Сосна	16	1564,12	140,0	40,0	0,140
Итог		192				1,311

Расчет количества отходов

В процессе изготовления деталей образуются древесные отходы в виде обрезков, опилок и стружки.

Количество образующихся отходов существенно влияет на себестоимость готовой продукции. Поэтому планирование неизбежных отходов и их учет является одной из важных задач рационального использования древесины и древесных материалов.

Для изготовления каркаса купола необходимо 62 доски размером 4000х150х50 мм. При строгании в размер с 150х50 в 140х40, объем отходов в виде опилок и стружки составляет 0,472 м³. Объем отходов на станке с ЧПУ Hundegger Speed Cut SC 2-160 определяется при помощи программы CadWork и будет составлять 0,077 м³. Общий отход будет 0,549 м³.

Код для цитирования: Скопировать