МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ С РЕШЕТКОЙ ИЗ РОМБИЧЕСКИХ ЗАМКНУТЫХ ГНУТОСВАРНЫХ ПРОФИЛЕЙ Российский патент 2013 года по МПК E04C3/08 

Предполагаемое изобретение относится к строительству, а именно к длинномерным строительным металлическим решетчатым конструкциям с трубчатыми поясами и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других несущих конструкций. Трубчатые строительные конструкции отличаются повышенными технико-экономическими характеристиками, так как конструкционный материал (металл) в поперечном сечении элементов расположен весьма эффективным образом. Однако дальнейший рост технико-экономических характеристик за счет применения наиболее рациональных особо тонкостенных труб сдерживается из-за сложности технических решений узловых соединений стержневых элементов решетки с поясами в решетчатых конструкциях.

Известна металлическая ферма, в которой трубчатый квадратный профиль пояса ориентирован ребром внутрь и к этому ребру через узловые фасонки приварены раскосы [Марчук А.Б. Узел металлической фермы. - Заявка №2613425/29-33, 04.05.1978. - Авторское свидетельство №688572. - 30.09.1979. - Бюл. №36]. При таком техническом решении примыкания решетки улучшается работа узла, однако невозможно опирать элементы кровли непосредственно на ферму. Необходимо обязательно устанавливать прогоны, а для их опирания на пояс фермы - столики и подставки, что усложняет конструкцию. При этом узловые фасонки также негативно влияют на расход конструкционного материала и трудоемкость изготовления.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является строительная металлическая тонкостенная решетчатая конструкция, включающая пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку. В одном варианте эта решетка выполнена из трубчатых элементов со сплющенными в плоскости конструкции концами, а в другом - из прутковых элементов V- или W-образного очертания [Орлик В.М. Строительная металлическая тонкостенная решетчатая конструкция. - Заявка №4776531/33, 03.01.1990 - Авторское свидетельство №1760041. - 07.09.1992. - Бюл. №33].

Этому техническому решению присущи недостатки известных трубчатых ферм с бесфасоночными примыканиями решетки к поясам, увеличивающими жесткость узловых соединений [Покровский А.А. Об учете жесткостей узлов в расчетах ферм с элементами малой гибкости. - Строительная механика и расчет сооружений, 2011, №4. - С.31-32]. Решетка, выполненная из стержневых элементов со сплющенными в плоскости конструкции концами, еще больше увеличивают жесткость узлов, что сопровождается ростом металлоемкости. Решетка, выполненная из стальных изогнутых элементов V- или W-образного очертания, отличается небольшой несущей способностью, особенно при сжатии, что ограничивает нагрузку на конструкцию.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является возрастание несущей способности конструкции с уменьшением расхода ее конструкционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в металлической конструкции с решеткой из замкнутых гнутосварных профилей, включающую пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания, стержневые элементы решетки имеют трубчатое сечение ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости.

В предлагаемой металлической конструкции треугольная или раскосная решетка выполнена из ромбического замкнутого гнутосварного профиля. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов ромбический профиль в заданных по проекту местах сплющивают и двойными гибами придают ему V- или W-образное (зигзагообразное) очертание, характерное решеткам из прутковых элементов. Протяженность полосовой (ленточной) заготовки ромбического профиля можно подобрать так, что его хватит на всю длину конструкции или ее отправочной марки. По сравнению с прутковой такая решетка имеет более высокую несущую способность (особенно при сжатии), что позволяет увеличить нагрузку на конструкцию или при фиксированной нагрузке снизить ее металлоемкость. Сплющивание и двойные гибы ромбического профиля обеспечивают компоновку бесфасоночных узловых соединений без конструктивных эксцентриситетов, характерных для трубчатых ферм из прямоугольных (квадратных) гнутосварных профилей, что исключает появление изгибающих моментов и позитивно влияет на расход конструкционного материала. Сплющивание предохраняет стенку поясных элементов от продавливания и позволяет уменьшить ее толщину. По линиям гибов ромбического профиля в плоскости конструкции образуются листовые шарниры, которые соответствуют шарнирно-стержневой расчетной схеме (модели) и избавляют от необходимости учитывать жесткости узлов, что также способствует снижению металлоемкости. Из плоскости конструкции те же гибы сплющенных участков ромбического профиля имеют наибольшую жесткость, приближенную к жесткости рамного крепления, за счет которого в несущих конструкциях можно сократить связевые элементы, как это сделано в конструкциях покрытий типа «Тагил» [Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИ проектстальконструкция им. Н.П. Мельникова). - М.: Изд-во АСВ, 1998. - С.235-236]. При шарнирных закреплениях в плоскости конструкции и жестких (рамных) из плоскости расчетная длина стержневых элементов решетки в плоскости конструкции в два раза больше расчетной длины из плоскости [Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы конструкций:

Учебник для вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С.332, рис.6.11]. Исходя из этого, чтобы стержневые элементы решетки в плоскости и из плоскости конструкции имели одну и ту же гибкость, целесообразен такой профиль поперечного сечения, у которого радиусы инерции по главным центральным осям отличаются между собой также в два раза. Такому условию вполне отвечает тонкостенное трубчатое сечение ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости. Причем значение радиуса инерции по большей диагонали превышает величину радиуса инерции аналогичного ромбического профиля с равными диагоналями, то есть квадратного, что определенным образом способствует дальнейшему снижению материалоемкости несущих конструкций.

Предполагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показан узел верхнего пояса металлической конструкции с треугольной решеткой, вид сбоку; на фиг.2 - то же применительно к нижнему поясу; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 приведен узел верхнего пояса металлической конструкции с раскосной решеткой, вид сбоку; на фиг.6 - то же применительно к нижнему поясу; на фиг.7 - разрез В-В на фиг.5; на фиг.8 - разрез Г-Г на фиг.5; на фиг.9 - фрагмент фермы с треугольной решеткой; на фиг.10 - фрагмент фермы с раскосной решеткой; на фиг.11 представлена расчетная схема поперечного сечения ромбических замкнутых гнутосварных профилей решетки металлической конструкции.

Предлагаемое техническое решение металлической конструкции включает верхний (сжатый) пояс 1, нижний (растянутый) пояс 2, растянутый раскос 3 треугольной или раскосной решетки и сжатый раскос 4 треугольной решетки или стойку 5 раскосной решетки. Стержневые элементы верхнего (сжатого) пояса 1 и нижнего (растянутого) 2 изготовлены из трубчатых профилей прямоугольного (квадратного) сечения. Растянутый раскос 3 и сжатый раскос 4 или стойка 5 выполнены из цельного стержневого элемента, трубчатое сечение которого имеет ромбическую форму с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости фермы (конструкции), а меньшая - из плоскости. В местах, предусмотренных проектом под бесфасоночные узловые соединения с поясами, ромбический профиль сплющивают и двойными гибами придают ему V- или W-образное (зигзагообразное) очертание. Формирование переходной и сплющенной частей стержневых элементов трубчатого сечения рекомендуется производить с обеспечением уклона переходного участка 1/6 [Трофимов В.И., Каминский A.M. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений:

Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - С.152]. По линиям двойных гибов образуются листовые шарниры, расстояние между которыми можно подобрать из условия абсолютной центровки бесфасоночных узлов фермы как с треугольной решеткой, так и раскосной. Между этими шарнирами сплющенный участок ромбического профиля предохраняет стенку поясного элемента от продавливания, одновременно обеспечивая необходимое и достаточное размещение сварных швов. Последние должны рассчитываться лишь на разность усилий в примыкающих раскосах 3 и 4 треугольной решетки или раскосе 3 и стойке 5 раскосной, а свариваться они могут в самом удобном (нижнем) положении. В собранной и сваренной конструкции (ферме) оптимальный угол наклона раскосов треугольной решетки составляет 45…50°, раскосной решетки - 30…35° [Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Изд. Центр «Академия», 2002. - С.267].

Для определения приведенного отношения диагоналей ромбического профиля можно воспользоваться расчетной схемой его поперечного сечения со срединной линией (см. фиг.11):

площадь сечения

$$A=4lt;(1)$$

осевые моменты инерции

$$I_x=\left(4/3\right)l^{3}t\left(l/\left(n^2+1\right)\right)+\left(1/3\right)l{t}^3\left(n^2+1\right)/n^2;(2)$$

$$I_y=\left(4/3\right)l^{3}t{n}^2/\left(n^2+1\right)+\left(1/3\right)l{t}^3\left(n^2+1\right);(3)$$

радиусы инерции

$$i_x={\left(I_x/A\right)}^{1/2};i_x={\left(I_y/A\right)}^{1/2},(4)$$

где l - длина срединной линии стенки, то есть линии, проходящей через середину толщины стенки;

t - толщина стенки;

n - отношение меньшей диагонали a к большей b, n=а/b.

Если i_x=2i_y, то I_x=4I_y и можно составить следующее уравнение

(4/3)l³t(1/(n²+1))+(1/3)lt³(n²+1)/n²-4((4/3)l³tn²/(n²+1)+(1/3)lt³(n²+1)=0;

(4n²-1)((4/3)l³t(1/(n²+1)+(1/3)lt³(n²+1))=0.

Откуда 4n²-1=0 и n=1/2.

Расчетные положения более подробно целесообразно рассмотреть на примере трубчатого профиля квадратной формы сечением □40×40×2 мм, использованного в конструкциях решетчатых прогонов пролетом 12 м [Тришевский И.С., Клепанда В.В. Облегченные металлические конструкции (справочное пособие). - Киев: «Будiвельник», 1978. - С.23-29]:

при n=1 (l=38 мм; t=2 мм; a=b=53,74 мм)

A=3,04см²;

I_x□=I_y□=I_x◇=I_y◇=7,3365 см⁴;

i_x□=i_y□=i_x◇=i_y◇=1,554 см;

при n=1/2 (l=38 мм; t=2 мм; a=33,91 мм; b=67,82 мм)

I_x◇=11,7567 см⁴; I_y◇=2,9392 см⁴;

i_x◇=1,967 см; i_y◇=0,9833 см.

Из полученных результатов видно, что радиус инерции в плоскости конструкции увеличился в i_x◇/i_x□=1,967/1,554=1,2674 раза и в таком же размере уменьшилась гибкость стержневых элементов решетки. За счет подобного изменения гибкости (жесткости) появляется резерв несущей способности, особенно при сжатии, который предопределяет не только снижение расхода конструкционного материала, но и увеличение полезной нагрузки на конструкцию. Корректность расчетных положений подтвердилась также и примером квадратных профилей по ТУ 36-2287-80, входящих в «заводской» сортамент конструкций покрытий типа «Молодечно» [1. Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Серия 1.460.3-14. Чертежи КМ, 1980; 2. Стальные конструкции покрытий производственных зданий из замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения пролетом 18, 24 и 30 м с уклоном кровли 10%. Серия 1.460.3-23.98. Выпуск I. Чертежи КМ, 2000]. Расчетные параметры собраны в таблице 1, где в вычислениях при n=1 учитывалось, что поворот сечения квадратной формы на угол в 45° не изменяет значений осевых моментов инерции и радиусов инерции. Кроме того, результаты вычислений при n=1, как видно, весьма незначительно отличаясь от данных по ГОСТ 30245-2003 и ГОСТ Р 54157-2010, практически полностью совпали со значениями по ТУ 36-2287-80.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет в зависимости от проектных решений определенным подбором отношения диагоналей ромбических замкнутых гнутосварных профилей регулировать напряженно-деформационное состояние несущих конструкций, позитивно влияя на их материалоемкость и несущую способность. При этом появляется возможность в качестве исходных заготовок для ромбических профилей применить соответствующие им по калибру квадратные трубы, что может привести к дополнительному положительному эффекту.

Таблица 1 Геометрические характеристики поперечных сечений тонкостенных трубчатых профилей Сечение, мм □40×2 □80×3 □100×3 □120×3 □140×4 □160×4 □180×5 n=1 1, мм 38 77 97 117 136 156 176 a=b, мм 53,74 108,89 137,18 165,46 192,33 220,62 248,9 А, см² 3,04 9,24 11,64 14,04 21,76 24,96 35,0 I_x=I_y, см⁴ 7,3365 91,4452 182,709 320,533 671,369 1013,043 1787,917 i_x=i_y, см 1,554 3,146 3,962 4,778 5,555 6,371 7,147 ТУ 36-2287-80 («Молодечно») А, см² - 9,24 11,64 14,04 21,76 24,96 35,0 I_x=I_y, см⁴ - 91,4 182,7 320,5 671,3 1013 1787,9 i_x=i_y, см - 3,14 3,96 4,77 5,55 6,37 7,15 n=1/2 l, мм 38 77 97 117 136 156 176 a, мм 33,91 68,71 86,56 104,41 121,37 139,21 156,17 b, мм 67,82 137,42 173,12 208,82 242,74 278,42 312,34 А, см² 3,04 9,24 11,64 14,04 21,76 24,96 35,0 I_x, см⁴ 11,7567 146,2638 292,274 512,779 1073,99 1620,636 2860,156 I_y, см⁴ 2,9392 36,6093 73,1230 128,2610 268,6780 405,3670 715,4950 i_x, см 1,967 3,979 5,011 6,043 7,025 8,058 9,040 i_y, см 0,9833 1,991 2,506 3,022 3,514 4,030 4,521 i_x◇/i_y◇, см 1,2658 1,2648 1,2648 1,2648 1,2646 1,2648 1,2649 ГОСТ 30245-2003 А, см² 2,94 9,01 11,41 13,81 21,35 24,55 34,36 I_x= I_y,см⁴ 6,94 87,81 177,0 312,3 651,5 987,0 1737,0 i_x=i_y, см 1,54 3,12 3,94 4,76 5,52 6,34 7,11 ГОСТ Р 54157-2010 А, см² 2,97 9,01 11,41 13,81 21,35 24,55 34,36 I_x= I_y, см⁴ 7,07 87,84 177,05 312,35 651,62 987,17 1736,87 i_x=i_y, см 1,543 3,122 3,939 4,756 5,525 6,341 7,110

Изобретение относится к строительству, а именно к длинномерным строительным металлическим решетчатым конструкциям с трубчатыми поясами и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других несущих конструкций. Техническим результатом изобретения является возрастание несущей способности конструкции с уменьшением расхода ее конструкционного материала. Металлическая конструкция с решеткой из замкнутых гнутосварных профилей включает пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания, стержневые элементы решетки имеют трубчатое сечение ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости. 11 ил., 1 табл.

Металлическая конструкция с решеткой из ромбических замкнутых гнутосварных профилей, включающая пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания, отличающаяся тем, что стержневые элементы решетки имеют трубчатое сечение ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости.