RU193985U1 - Несущая конструкция с решеткой из прямоугольной трубы - Google Patents

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к строительству, а именно к длинномерным несущим решетчатым конструкциям, и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других несущих конструкций.Техническим результатом предлагаемого решения является сокращение дополнительных затрат, уменьшение трудоемкости и себестоимости изготовления несущей конструкции.Указанный технический результат достигается тем, что в несущей конструкции с решеткой из трубчатого профиля с отношением габаритов 1/2,5, включающей пояса и жестко прикрепленную к ней решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов зигзагообразного очертания, больший габарит которых расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости. Трубчатый профиль решетки имеет прямоугольную форму с приведенным отношением габаритов не по наружной, но по средней линии его сечения. 7 ил.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к строительству, а именно к длинномерным строительным несущим решетчатым конструкциям из труб и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других каркасных систем. Трубчатые строительные конструкции отличаются повышенными технико-экономическими характеристиками, так как конструкционный материал (сталь, алюминиевый сплав, металлопластик, композит, полимер, синтетика и т.д.) в поперечном сечении элементов расположен весьма эффективным образом. Однако дальнейший рост технико-экономических характеристик за счет применения более рациональных особо тонкостенных труб сдерживается из-за сложности технических решений узловых соединений стержневых элементов в решетчатых конструкциях.

Известным техническим решением 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]. В решетке из стержневых элементов со сплющенными в плоскости конструкции концами жесткость узлов еще больше, что сопровождается ростом металлоемкости, а решетка из стальных изогнутых элементов V- или W-образного очертания, отличается небольшой несущей способностью, особенно при сжатии, что ограничивает нагрузку на конструкцию.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемой несущей конструкции с решеткой из прямоугольной трубы является несущая конструкция с решеткой из овальной трубы. Конструкция включает пояса трубчатого прямоугольного (квадратного) 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 овальной формы с отношением габаритов 1/2,5, где больший габарит расположена в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости [Марутян А.С. Несущая конструкция с решеткой из овальной трубы. - Патент №2554643, 27.06.2015, бюл. №18]. Недостаток этого технического решения заключается в том, что для изготовления решетки из овальной трубы, ее предварительно необходимо скомпоновать или посредством гибки и сварки листовой заготовки (штрипса), или при помощи перепрофилирования круглой трубы соответствующего калибра. Такая технологическая операция требует дополнительных затрат, увеличивает трудоемкость и себестоимость изготовления несущей конструкции.

Техническим результатом предлагаемого решения является сокращение дополнительных затрат, уменьшение трудоемкости и себестоимости изготовления несущей конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в несущей конструкции, включающей пояса и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов зигзагообразного очертания, стержневые элементы решетки имеют прямоугольное сечение с отношением габаритов 1/2,5, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости.

В предлагаемой конструкции верхний и нижний пояса, а также решетка между ними выполнены из трубчатых профилей. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов прямоугольную трубу решетки в заданных по проекту местах сплющивают и двойными гибами придают им зигзагообразные очертания. Протяженность прямоугольного профиля можно подобрать из расчета на всю длину конструкции или ее отправочной марки. Сплющивания и двойные гибы элементов решетки обеспечивают компоновку бесфасоночных узловых соединений без конструктивных эксцентриситетов, характерных для стропильных и подстропильных ферм из прямоугольных (квадратных) гнутосварных замкнутых профилей, что исключает появление изгибающих моментов и позитивно влияет на расход конструкционного материала. Однако вместе с тем для повышения степени унификации узлов верхних и нижних поясов вполне оправдано применение конструктивных эксцентриситетов, ограниченных 0,25 высоты поясных элементов, 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].

Сплющивания предохраняют стенки поясных элементов от продавливаний (выдергиваний) и позволяют уменьшить их толщины. По линиям гибов прямоугольного 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 прямоугольной трубы имеют наибольшие жесткости, приближенные к жесткостям рамных креплений, за счет которых в несущей конструкции можно сократить связевые элементы, как это сделано, например, в конструкциях покрытий типа «Тагил» [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова). - М.: Изд-во АСВ, 1998. - С. 235-236]. При шарнирных закреплениях в плоскости конструкции и жестких (рамных) из плоскости расчетные длины стержневых элементов решетки в плоскости конструкции в два раза больше расчетных длин 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 прямоугольной формы с отношением габаритов 1/2,5, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости.

Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показан фрагмент несущей конструкции с решеткой из прямоугольной трубы; на фиг. 2 - поперечный разрез несущей конструкции; фиг. 3 - фрагмент несущей конструкции с решеткой из прямоугольной трубы и унифицированными узлами; на фиг. 4 - поперечный разрез несущей конструкции с унифицированными узлами; на фиг. 5 приведен снимок среза разнокалиберных прямоугольных труб; на фиг. 6 - расчетная схема поперечного сечения прямоугольной трубы; на фиг. 7 - графики изменений геометрических характеристик сечений прямоугольных труб в зависимости от увеличения отношений их габаритов.

Предлагаемое техническое решение несущей конструкции включает верхний (сжатый) пояс 1, нижний (растянутый) пояс 2, а также соединяющую их решетку 3 зигзагообразного очертания из прямоугольной трубы. Сечение прямоугольной трубы подобрано с отношением габаритов 1/2,5, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости. В местах, предусмотренных проектом под бесфасоночные узловые соединения поясов с решеткой, прямоугольный профиль решетчатых элементов сплющивают с образованием площадок, необходимых и достаточных для удобного размещения, центровки и надежного закрепления всех сходящихся в каждом узле элементов (включая детали подвесных потолков, подвесных кранов, инженерных коммуникаций, технологического оборудования и т.д.). Прямоугольному профилю стержневых элементов решетки после сплющивания в нужных местах двойными гибами придают зигзагообразное очертание.

Формирование переходной и сплющенной частей стержневых элементов трубчатого сечения решетки рекомендуется производить с обеспечением уклона переходного участка 1/6…1/4 [1. Трофимов В.П., Каминский A.M. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений: Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - С. 152; 2. J.A. Packer, J. Wardenier, X. - L. Zhao, G.J. van der Vegte and Y. Kurobane. Construction with hollow steel sections. Design Guide for rectangular hollow section (RHS) joints under predominantly static loading. CIDECT, 2009. - P. 102]. По линиям двойных гибов образуются листовые шарниры, расстояние между которыми можно подобрать из условия абсолютной центровки бесфасоночных узлов несущей конструкции (фермы), как с треугольной решеткой, так и раскосной. Между этими шарнирами сплющенный участок овального профиля решетки подкрепляет полку поясного элемента, одновременно обеспечивая необходимое и достаточное размещение сварных швов. Последние должны рассчитываться лишь на разность усилий в примыкающих стержнях, а свариваться они могут в самом удобном (нижнем) положении.

Для вывода приведенного отношения и количественной оценки ресурсов несущей способности зигзагообразной решетки из прямоугольной трубы за расчетное сечение этой трубы целесообразно принять составную фигуру, включающую пару вертикальных прямоугольников, соответствующих стенкам (вертикальным граням), и пару горизонтальных прямоугольников, соответствующих полкам (горизонтальным граням). Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней линии тонкостенного сечения без учета численных величин, содержащих значения толщины, возведенной во вторую и третью степень (t², t³), а также без учета угловых закруглений [Марутян А.С. Оптимизация конструкций из трубчатых (гнутосварных) профилей квадратных (прямоугольных) и ромбических сечений. Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №1. - С. 30-38]:

A=2tU(1+1/n);

I_x=tU³(0,1666666/n+0,5)/n²;

I_y=tU³(0,1666666+0,5/n),

где А - расчетная площадь сечения профиля; I_x - расчетный осевой момент инерции сечения относительно оси х-х; I_y - расчетный осевой момент инерции сечения относительно оси у-у; t - толщина грани;

n - отношение ширины полки (горизонтальной грани) U по средней линии сечения к высоте стенки (вертикальной грани) V также по средней линии сечения,

n=U/V.

Чтобы радиусы инерции по главным центральным осям отличались между собой в два раза (i_x=2i_y), соответствующие моменты инерции должны разниться в четыре раза, то есть I_x=4I_y.

Если подставить значения моментов инерции, то для отношения ширины полки к высоте стенки (n=U/V) можно получить кубическое уравнение

n³+3n²-0,75n-0,25=0

с корнями

n₁=-3,2094163; n₂=-0,1933851; n₃=0,4028014.

Из этих корней практический интерес представляет последний, значение которого вполне допустимо округлить до

n=0,4=1/2,5,

получив тем самым уже приведенное выше отношение с 100(0,4028014-0,4)/(0,4028014…0,4)=0,695…0,700 - процентной погрешностью.

Тогда для прямоугольной трубы при отношении габаритов ее сечения 1/2,5 можно записать:

A=2tU/(1+1/0,4)=7,0 tU;

I_x=tU³(0,1666666/0,4+0,5)/0,4²=5,7291656tU³;

I_y=tU³(0,1666666+0,5/0,4)=1,4166666tU³;

I_x/I_y=5,7291656/1,4166666=4,04411≈4 (погрешность 1,091…1,103%);

i_x=U(5,7291656/7,0)^1/2=0,9046834U;

i_y=U(1,4166666/7,0)^1/2=0,4498676U;

i_x/i_y=0,9046834/0,4498676=2,010999≈2 (погрешность 0,547…0,550%).

Полученные результаты интересно сравнить с параметрами квадратной трубы, из которой можно компоновать стержневые элементы, одинаково устойчивые (равноустойчивые) из плоскости и в плоскости несущей конструкции:

U=V=b;

n=1/1=1;

A=2tb(1+1/1)=4,0tb;

I_x=tb³(0,1666666/1+0,5)/1²=0,6666666tb³;

I_y=tb³(0,1666666+0,5/1)=0,6666666tb³;

i_x=i_y=b(0,6666666/4,0)^1/2=0,4082482b,

где b - габарит квадратной трубы по средней линии ее тонкостенного сечения.

Как видно, стержневые элементы зигзагообразной решетки из прямоугольной трубы по предлагаемому решению при прочих равных условиях в 0,4498676/0,4082482=1,1019463 раза жестче таких же элементов из квадратной трубы. При этом сравнивая предлагаемое решение с его прототипом, можно заметить, что сокращение дополнительных затрат, уменьшение трудоемкости и себестоимости изготовления несущей конструкции вполне достижимы, если для ее зигзагообразной решетки применять готовые прямоугольные трубы с параметрами, равными или приближенными к n=0,4=1/2,5.

Для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известным в качестве базового объекта приняты четыре варианта стальной фермы покрытия промышленного здания пролетом 18 м из замкнутых гнутосварных профилей:

- стропильная ферма из гнутосварных профилей прямоугольного (квадратного) сечения [Кузин Н.Я. Проектирование и расчет стальных ферм покрытий промышленных зданий: Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 1998. - С. 157-172];

- ферма с решеткой из ромбической трубы [Марутян А.С., Экба С.И. Металлическая конструкция с решеткой из ромбических замкнутых гнутосварных профилей. - Патент №2500863, 10.12.2013; бюл. №34];

- ферма с решеткой из овальной трубы [Марутян А.С., Оробинская В.Н. Оптимизация конструкций с решетками из круглых и овальных труб. - Вестник МГСУ, 2016, №10. - С. 45-57];

- ферма с решеткой из прямоугольной трубы сечением

140×60×3 мм, где n=(60-3)/(140-3)=0,4160583=1/2,4035087;

- ферма с решеткой из прямоугольной трубы сечением

100×40×4 мм, где n=(40-4)/(100-4)=0,3750=1/2,6666666;

- ферма с решеткой из прямоугольной трубы сечением

99,4×41,9×3,5 мм, перепрофилированной из той же круглой трубы, что и овальная, где n=(41,9-3,5)/(99,4-3,5)=0,4160583=1/2,4973958.

Расход материла сравниваемых вариантов приведен в таблице, из которой видно, что по новому решению он совпадает с решеткой из овальной трубы. Переход от круглого профиля трубы к овальному обеспечил наибольший эффект, так как расчетные параметры уточнены не по наружной, а по средней линии его сечения. Такой же эффект достижим при аналогичном переходе от той же круглой трубы к прямоугольной. При этом прямоугольный профиль оказался компактнее овального.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет в зависимости от проектных решений определенным подбором отношения габаритов сечения прямоугольных труб, а также расположением этих габаритов в осевой плоскости конструкции (фермы) регулировать напряженно-деформированное состояние конструкции. Такое регулирование обеспечивает оптимизацию физико-механических свойств и технико-экономических характеристик несущих конструкций зданий и сооружений.

При этом появляется возможность для зигзагообразных решеток использовать готовые прямоугольные трубы, что может привести к дополнительному положительному эффекту. В качестве заводских соединений таких решеток вполне применимы сварные стыки с продольными прорезями [Марутян А.С., Кобалия Т.Л., Павленко Ю.И. Сварное стыковое соединение трубчатых стержней. - Патент №2429329, 20.09.2011, бюл. №26], которые проще размещать на участках, свободных от сплющивания. При этом для достижения максимального положительного эффекта целесообразно учитывать расчетные параметры трубчатых профилей по средним линиям их сечений.

Claims (1)

1. Несущая конструкция с решеткой из трубчатого профиля с отношением габаритов 1/2,5, включающая пояса и жестко прикрепленную к ней решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов зигзагообразного очертания, больший габарит которых расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости, отличающаяся тем, что трубчатый профиль решетки имеет прямоугольную форму с приведенным отношением габаритов не по наружной, но по средней линии его сечения.

Images