ТРЕХГРАННАЯ РЕШЕТЧАТАЯ ОПОРА С ПОЯСАМИ ИЗ D-ОБРАЗНЫХ ТРУБ Российский патент 2023 года по МПК E04H12/10 

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в качестве опорных конструкций для антенно-мачтовых систем, громоотводов, линий электропередач, радиорелейной связи, ветрогенераторных установок, осветительных вышек, дымовых труб и других инженерных сооружений.

Известным техническим решением является трехгранная решетчатая опора с поясами из замкнутых треугольных, четырехугольных или пятиугольных профилей, выполненных путем перегиба стального листа, а также обратного симметричного отгиба под углом 60° обеих кромок того же листа в виде листовых фасонок для узловых соединений стержней решеток [Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Батердинов И.Р. Трехгранная решетчатая опора // Патент №2584337. 20.05.2016. Бюл. №14].

Такому техническому решению присущ недостаток известных трубчатых ферм из прямоугольных, квадратных, пятигранных и пятиугольных профилей, снижающий ресурс несущей способности конструкций и увеличивающий их материалоемкость из-за угловатости перечисленных форм поперечных сечений, сопровождающейся наклепом материала и повышенной концентрацией напряжений. Этот недостаток в рассматриваемом случае усугубляют двойные отгибы под острыми углами в обратных направлениях. Фасонки для соединения стержней решеток необходимы только в местах их примыкания к поясам, а в трехгранных трубчатых опорах подобные соединения и вовсе являются бесфасоночными и узловые фасонки имеют ограниченное применение в монтажных стыках [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3 / Под ред. В.В. Кузнецова. М.: Издательство АСВ, 1999. С. 42-13, рис. 1.29]. Поэтому двойные фасонки по всей длине поясов могут стать причиной увеличения расхода конструкционного материала и дополнительных затрат, вызванных обработкой торцевых кромок стержней решеток с продольными прорезями для пропуска этих фасонок. Кроме того, такие фасонки формируют пазухи, ухудшающие эксплуатационные качества несущих конструкций (особенно открытых).

Еще одним известным техническим решением (принятым за аналог) является трубчатая конструкция, в которой все стержневые элементы поясов и решеток (включающих раскосы и распорки) имеют круглые сечения, заводские соединения в виде сварных бесфасоночных узлов и монтажные стыки на болтах через фланцы [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3 / Под ред. В.В. Кузнецова. М.: Издательство АСВ, 1999. С. 42-43, рис. 1.28].

Основной недостаток аналога заключается в сложной форме (фигурной) разделки торцевых кромок стержней решеток (раскосов и распорок) для их непосредственного примыкания в узловых соединениях к поясам, поверхности которых отличается полным отсутствием плоских участков, что требует соблюдать повышенную точность изготовления и сборочно-сварочных операций, увеличивает трудоемкость и сопровождается определенным ростом затрат. Этот недостаток определенным образом ограничивает область применения круглых труб, в чем они значительно уступают прямоугольным профилям, массово востребованным в строительной практике.

Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой трехгранной опоре с поясами из D-образных труб является такая же опора, поперечное сечение поясов которой имеет плоскоовальную форму с отношением габаритных размеров 1/1,542 по средней линии этого сечения [Марутян А.С. Трехгранная решетчатая опора с поясами из плоскоовальных труб // Патент №2664092. 15.08.2018. Бюл. №23]. За счет оптимизации с использованием конструктивного эксцентриситета, равного 1/4 меньшего из габаритных размеров, поясные элементы равноустойчивы из плоскости и в плоскости решетки. Кроме того, они имеют округлые очертания с двумя плоскими гранями, весьма упрощающими сварные бесфасоночные узлы решетчатой опоры. Однако недостаток прототипа заключается в узости этих граней, поскольку их ширина лимитирована приведенным отношением и не превышает 0,542 большего из габаритных размеров, что в свою очередь ограничивает конструктивно-компоновочное оформление таких узлов.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение возможностей конструктивно-компоновочного оформления бесфасоночных узлов решетчатой опоры за счет одной, но более широкой плоской грани при сохранении округлых очертаний поясных элементов, допускающих оптимизацию их поперечных сечений по критерию равной устойчивости из осевой плоскости и в осевой плоскости решетки.

Указанный технический результат достигается тем, что в трехгранной решетчатой опоре из трубчатых профилей, включающей пояса и стержни решеток, соединенные при помощи сварных бесфасоночных узлов и монтажных стыков на болтах через фланцы, поперечные сечения поясов имеют D-образную форму с отношением габаритных размеров 1,51/1 по средней линии расчетного сечения с конструктивным эксцентриситетом, равным 0,25 меньшего из габаритных размеров, или 2,71/1 по средней линии расчетного сечения с конструктивным эксцентриситетом, равным 0,5 меньшего из габаритных размеров.

В предлагаемой опорной конструкции все три пояса, а также решетки между ними выполнены из трубчатых профилей. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов все стержневые элементы решеток из круглых труб имеют плоскую разделку торцевых кромок под определенными углами: острыми для раскосов и прямыми для распорок. Такая разделка является наиболее простой и весьма технологичной, поскольку допускает обработку не отдельных стержней, а пакетную обработку однотипных элементов их прямыми или косыми резами фрезами или лентопильными станками. Для удобства наложения валиков сварных швов и повышения степени унификации бесфасоночных узловых соединений вполне оправдано применение конструктивных эксцентриситетов, ограниченных 0,25 размера поясных элементов из прямоугольных труб, что допускает не учитывать их в расчетах [Руководство по проектированию стальных конструкций из гнутосварных замкнутых профилей / М.: ЦНИИпроектстальконструкция, 1978. С. 24, п. 4.2.8]. Это допущение применительно к поясам из D-образных труб нуждается в подтверждении за счет соответствующих проработок и экспериментальных исследований. Однако оно вполне может послужить своего рода расчетно-теоретической предпосылкой в новом техническом решении, обеспечивающей в трехгранной опоре равноустойчивость трубчатых поясов из D-образных труб относительно осевых плоскостей решеток. Исходя из этого, чтобы стержневые элементы поясов в плоскостях и из плоскостей решеток имели одни и те же гибкости, целесообразно использовать приведенный конструктивный эксцентриситет для расчета оптимальных параметров D-образных труб. При таком подходе конструктивный эксцентриситет можно увеличить до 0,5 размера поясных элементов, который был апробирован в перекрестных системах из трубчатых ферм с бесфасоночными раскосными узлами [Марутян А.С., Кобалия Т.Л. Бесфасоночный раскосный узел трубчатых ферм // Патент №100784. 27.12.2010. Бюл. №36]. Эта апробация включала натурные испытания на статические и динамические воздействия от подвесного подъемно-транспортного оборудования [Марутян А.С.Приближенный расчет перекрестных систем на крановые воздействия // Строительная механика и расчет сооружений. 2013, №1. С. 15-22].

Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показана аксонометрия фрагмента трехгранной решетчатой опоры из трубчатых профилей; на фиг. 2 - расчетная схема поперечного сечения пояса из D-образной трубы с конструктивным эксцентриситетом в бесфасоночном узле; на фиг. 3 - поперечный разрез опорной конструкции с поясами из D-образных труб; на фиг. 4 - снимок среза разнокалиберных D-образных труб.

Предлагаемое техническое решение опорной конструкции включает пояса 1, а также соединяющие их решетки из раскосов 2 и распорок 3. Заводские соединения оформлены в виде бесфасоночных узлов с односторонними примыканиями раскосов 2 и распорок 3 к поясам 1, а также с использованием конструктивных (расчетных) эксцентриситетов, по абсолютной величине равных 0,25 и 0,5 меньшего из габаритных размеров D-образного сечения поясной трубы. Монтажные стыки 4 выполнены при помощи стяжных болтов через фланцы.

Для вывода приведенных отношений габаритных размеров D-образного сечения поясов и количественной оценки ресурсов их несущей способности целесообразно использовать расчетные формулы, апробированные и протестированные при оптимизации полуплоскоовальных труб для ферменных и балочных конструкций [Марутян А.С.Расчет оптимальных параметров полуплоскоовальных труб для ферменных и балочных конструкций // Строительная механика и расчет сооружений. 2019, №2. С. 68-74]:

I_x=tU³(0,0118043n⁵-0,0781084n⁴+0,6669133n³+2,643456n²+

+2,61666667n+0,6666667)/(n³(1,57n+2)²);

I_y=tU³((0,0295833n+0,5)/n);

A=tU((1,57n+2)/n),

где I_x, I_y, A - соответственно момент инерции сечения относительно оси х-х, момент инерции сечения относительно оси у-у, площадь сечения;

U - горизонтальный габаритный размер поперечного сечения D-образной трубы по средней линии;

V - вертикальный габаритный размер поперечного сечения D-образной трубы по средней линии;

n - отношение горизонтального габаритного размера к вертикальному,

n=U/V;

t - толщина стенки D-образной трубы.

При этом ординаты центра тяжести составляют:

y_min=U(-0,0349955n²+0,57n+1)/(n(1,57n+2));

y_max=U(0,0349955n²+n+1)/(n(1,57n+2)),

где y_min - ордината относительно средней линии плоской грани расчетного сечения; y_max - ордината относительно средней линии полукруглой грани того же сечения.

Когда центр бесфасоночного узлового соединения совмещен с центром тяжести поперечного сечения поясной трубы, то есть е=0 (где e - конструктивный эксцентриситет), моменты инерции сечения можно определить с учетом угла поворота осей:

где α - угол поворота осей, α=30°, cos²α=0,75, sin²α=0,25.

Очевидно, что рационально такое сечение поясной трубы, которое является равноустойчивым относительно осевой плоскости решетки, когда гибкость в плоскости решетки равна гибкости из этой плоскости, то есть I_xp=I_yp.

Тогда, подставив значения моментов инерции, можно получить уравнение четвертой степени

с корнями

n₁=-1,751030; n₂=-1,027550; n₃=-0,299120; n₄=0,988850.

Из полученных значений практический интерес представляет четвертое:

n=0,988850=1/1,0112757≈1/1,011;

где за эталонные (100-процентные) показатели приняты характеристики круглой трубы из технического решения аналога

D=U=V=A/(3,14t)=0,3184713A/t (100%);

I_x=I_y=I_xp=I_yp=0,3925tD³=0,0126779A³/t²(100%).

Как видно, при отсутствии конструктивного эксцентриситета применение в трехгранной решетчатой опорной конструкции поясных элементов из D-образных труб позволяет сделать их более компактными и подобрать им такое отношение габаритных размеров, которое обеспечивает устойчивость, равную из осевой плоскости решетки и в таковой плоскости. При этом ширина плоской грани поясной трубы мало отличается от габаритного размера ее полукруглой грани (U/V=1/1,011). Однако в таком расчетном случае жесткостные характеристики, коими являются осевые моменты инерции сечения, уменьшились почти на 0,1 (9,3%). Увеличить жесткостные характеристики вполне допустимо за счет конструктивного эксцентриситета (e≠0).

В частности, при конструктивном эксцентриситете, равном 0,25 меньшего из габаритных размеров, расчетные выкладки можно представить в следующем виде:

Еще раз, подставив значения моментов инерции, можно получить новое уравнение четвертой степени

с корнями

n₁=-1,7360183; n₂=-1,0213662; n₃=-0,4894102; n₄=1,5074845.

Прикладное значение имеет четвертый корень:

Из сравнения обоих расчетных случаев следует, что ширина плоской грани D-образной трубы поясного элемента стала шире в 0,3452188/0,2783537=1,24 раза. Увеличились здесь и жесткостные характеристики, поэтому с практическим интересом сопряжено дальнейшее приращение конструктивного эксцентриситета.

Расчетные выкладки, сопровождающие увеличение конструктивного эксцентриситета до значения, равного 0,5 меньшего из габаритных размеров, можно переписать еще раз:

Полученные результаты третьего расчетного случая достаточно наглядно подтверждают эффективность применения конструктивного эксцентриситета, поскольку ситуация изменилась в диаметрально противоположном направлении, где уже жесткостные характеристики поясных элементов из круглых труб оказались на 0,1 меньше, чем у поясных элементов из D-образных труб.

Таким образом, подводя некоторые итоги, можно прийти к выводу, что оптимизированное по критерию равноустойчивости относительно осевых плоскостей решеток D-образное сечение поясных труб с отношением габаритных размеров 1,51/1 по средней линии расчетного сечения с конструктивным эксцентриситетом, равным 0,25 меньшего из габаритных размеров, или 2,71/1 по средней линии расчетного сечения с конструктивным эксцентриситетом, равным 0,5 меньшего из габаритных размеров достаточно перспективно для применения в опорных конструкциях. Если к этому добавить, что разделка торцевых кромок всех стержневых элементов решеток из круглых труб ограничивается плоскими резами, то положительный эффект от предлагаемого технического решения может оказаться более наглядным и весомым.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве опорных конструкций для антенно-мачтовых систем, громоотводов, линий электропередач, радиорелейной связи, ветрогенераторных установок, осветительных вышек, дымовых труб и других инженерных сооружений. Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение возможностей конструктивно-компоновочного оформления бесфасоночных узлов решетчатой опоры за счет одной, но более широкой плоской грани при сохранении округлых очертаний поясных элементов, допускающих оптимизацию их поперечных сечений по критерию равной устойчивости из осевой плоскости и в осевой плоскости решетки. Указанный технический результат достигается тем, что в трехгранной решетчатой опоре из трубчатых профилей, включающей пояса и стержни решеток, соединенные при помощи сварных бесфасоночных узлов и монтажных стыков на болтах через фланцы, поперечные сечения поясов имеют D-образную форму с отношением габаритных размеров 1,51/1 по средней линии расчетного сечения с конструктивным эксцентриситетом, равным 0,25 меньшего из габаритных размеров, или 2,71/1 по средней линии расчетного сечения с конструктивным эксцентриситетом, равным 0,5 меньшего из габаритных размеров. 4 ил.

Трехгранная решетчатая опора из трубчатых профилей, включающая пояса и стержни решеток, соединенные при помощи сварных бесфасоночных узлов и монтажных стыков на болтах через фланцы, отличающаяся тем, что поперечные сечения поясов имеют D-образную форму с отношением габаритных размеров 1,51/1 по средней линии расчетного сечения с конструктивным эксцентриситетом, равным 0,25 меньшего из габаритных размеров, или 2,71/1 по средней линии расчетного сечения с конструктивным эксцентриситетом, равным 0,5 меньшего из габаритных размеров.