RU209948U1

RU209948U1 - U-PROFILE GRILLE DESIGN

Info

Publication number: RU209948U1
Application number: RU2021135282U
Authority: RU
Inventors: Александр Суренович Марутян
Original assignee: Александр Суренович Марутян
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-03-24

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к строительству, а именно к строительным несущим решетчатым конструкциям, и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других каркасных систем. Техническим результатом предлагаемого решения является повышение устойчивости, сокращение расхода конструкционного материала, снижение массы (веса) решетчатой конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что в конструкции, включающей пояса из гнутозамкнутых профилей, соединенных стержнями решетки, сплющенные торцы которых снабжены прорезями и соосными отверстиями для болтов, стержневые элементы решетки имеют П-образное сечение с отношением габаритов ширины и высоты 1/1,366 по средней линии этого же сечения.The proposed technical solution relates to the construction, namely to building load-bearing lattice structures, and can be used in the manufacture of trusses, girders, columns, arches, frames and other frame systems. The technical result of the proposed solution is to increase stability, reduce the consumption of structural material, reduce the mass (weight) of the lattice structure. The specified technical result is achieved by the fact that in the design, which includes belts of bent-closed profiles connected by lattice rods, the flattened ends of which are provided with slots and coaxial holes for bolts, the lattice rod elements have a U-shaped section with a ratio of width and height dimensions of 1/1.366 along the average lines of the same section.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к строительству, а именно к строительным несущим решетчатым конструкциям, и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других каркасных систем.The proposed technical solution relates to construction, namely to building load-bearing lattice structures, and can be used in the manufacture of trusses, girders, columns, arches, frames and other frame systems.

Известным техническим решением является ферма, включающая пояса из гнутых тавров, двойные стенки которых сболчены со стержневыми элементами решетки из одиночных уголков [Кузнецов И.Л., Салахутдинов М.А., Фахрутдинов А.Э. Ферма. - Патент №2647137, 14.03.2018, бюл. №8]. Каждый из уголков соединен с поясным элементом только одной полкой, что существенно ограничивает его несущую способность.A well-known technical solution is a truss, including belts made of bent tees, the double walls of which are bolted with bar elements of the lattice from single corners [Kuznetsov I.L., Salakhutdinov M.A., Fakhrutdinov A.E. Farm. - Patent No. 2647137, 03/14/2018, bul. No. 8]. Each of the corners is connected to the belt element by only one shelf, which significantly limits its load-bearing capacity.

Известно еще одно техническое решение в виде строительного элемента для изготовления решетчатых конструкций, включающего тонкостенный стержень многоугольного замкнутого сечения, ребро которого по всей длине имеет двойную толщину и ряд соосных отверстий под болты. В этом ряду предусмотрены также соединения со стержневыми элементами решетки из одиночных уголков [Кузнецов И.Л., Салахутдинов М.А., Саянов С.Ф. Строительный элемент для изготовления решетчатых конструкций. - Патент №2633851, 18.10.2017, бюл. №29]. Поскольку каждый из уголков решетки соединен с поясным элементом только одной полкой, недостаток аналога совпадает с недостатком приведенной выше фермы.Another technical solution is known in the form of a building element for the manufacture of lattice structures, including a thin-walled rod of a polygonal closed section, the edge of which along the entire length has a double thickness and a number of coaxial holes for bolts. In this series, connections are also provided with rod elements of the lattice from single corners [Kuznetsov I.L., Salakhutdinov M.A., Sayanov S.F. Building element for the manufacture of lattice structures. - Patent No. 2633851, 10/18/2017, bul. No. 29]. Since each of the corners of the lattice is connected to the belt element by only one shelf, the disadvantage of the analogue coincides with the disadvantage of the above truss.

Известно также техническое решение (принятое за аналог), которое является решетчатой конструкцией, включающей пояса из замкнутых профилей с листовыми фасонками на всю длину, соединенные стержнями решетки из одиночных уголков, прикрепленных к фасонкам на болтах и отличающихся углом раскрытия полокIt is also known a technical solution (taken as an analog), which is a lattice structure, including belts made of closed profiles with sheet gussets for the entire length, connected by lattice rods from single corners, attached to the gussets with bolts and differing in the opening angle of the shelves

где а - длина полки уголка, t - толщина полки уголка. При этом в обушках по концам уголков выполнены прорези на ширину поясных фасонок, полки уголков в узлах крепления сплющены до контакта с фасонками, в сплющенных полках и фасонках имеются соосные отверстия для болтов [Кузнецов И.Л., Фахрутдинов А.Э., Салахутдинов М.А. Решетчатая конструкция. - Патент №2715785, 03.03.2020, бюл. №7].where a is the length of the corner shelf, t is the thickness of the corner shelf. At the same time, slots are made in the ends of the corners at the ends of the corners to the width of the waist gussets, the shelves of the corners in the attachment points are flattened to contact with the gussets, in the flattened shelves and gussets there are coaxial holes for bolts [Kuznetsov I.L., Fakhrutdinov A.E., Salakhutdinov M .BUT. Lattice construction. - Patent No. 2715785, 03/03/2020, bul. No. 7].

В техническом решении аналога стержневые элементы решетки оптимизированы по критерию равноустойчивости, что обеспечивает устойчивость, одинаковую в плоскости наибольшей жесткости и в плоскости наименьшей жесткости. При такой оптимизации за счет острого угла раскрытия полок профили стержневых элементов решетки трансформируются из уголковых с ортогональным сопряжением этих полок в V-образные. С переходом от прямого к острому углу конструкционный материал в обеих полках профиля располагается с меньшим удалением от центра тяжести поперечного сечения, что снижает устойчивость стержневого элемента. Поэтому определенная проработка профиля с большим удалением конструкционного материала от центра тяжести сечения может повысить его устойчивость.In the technical solution of the analogue, the rod elements of the lattice are optimized according to the criterion of uniform stability, which ensures stability that is the same in the plane of the greatest rigidity and in the plane of the least rigidity. With such an optimization, due to the acute angle of the opening of the shelves, the profiles of the rod elements of the lattice are transformed from corner ones with orthogonal pairing of these shelves into V-shaped ones. With the transition from a straight to an acute angle, the structural material in both flanges of the profile is located at a smaller distance from the center of gravity of the cross section, which reduces the stability of the rod element. Therefore, a certain study of the profile with a large distance of the structural material from the center of gravity of the section can increase its stability.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемой конструкции с решеткой из П-образного профиля является решетчатая конструкция, включающая пояса из гнутозамкнутых профилей, соединенных стержнями решетки, сплющенные торцы которых снабжены прорезями и соосными отверстиями для болтов, стержневые элементы решетки имеют U-образное сечение с отношением габаритов ширины и высоты 1/1,39 по средней линии этого сечения [Марутян А.С. Конструкция с решеткой из U-образного профиля. - Патент №207351, 14.07.2021, бюл. №30].The closest technical solution (prototype) to the proposed design with a lattice of U-shaped profile is a lattice structure, including belts of bent-closed profiles connected by lattice rods, the flattened ends of which are provided with slots and coaxial holes for bolts, the rod elements of the lattice have a U-shaped section with a ratio of dimensions of width and height of 1/1.39 along the midline of this section [Marutyan A.S. U-profile grating design. - Patent No. 207351, 07/14/2021, bul. No. 30].

В техническом решении прототипа стержневые элементы решетки также оптимизированы по критерию равноустойчивости, что обеспечивает устойчивость, одинаковую в плоскости наибольшей жесткости и в плоскости наименьшей жесткости. Однако и в этом случае определенная проработка профиля при переходе от U-образной формы поперечного сечения к П-образной форме с еще большим удалением конструкционного материала от центра тяжести сечения может повысить его устойчивость.In the technical solution of the prototype, the rod elements of the lattice are also optimized according to the criterion of uniform stability, which ensures stability that is the same in the plane of greatest rigidity and in the plane of least rigidity. However, even in this case, a certain study of the profile during the transition from a U-shaped cross-section to a U-shaped one with an even greater distance of the structural material from the center of gravity of the section can increase its stability.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение устойчивости, сокращение расхода конструкционного материала, снижение массы (веса) решетчатой конструкции.The technical result of the proposed solution is to increase stability, reduce the consumption of structural material, reduce the mass (weight) of the lattice structure.

Указанный технический результат достигается тем, что в конструкции, включающей пояса из гнутозамкнутых профилей, соединенных стержнями решетки, сплющенные торцы которых снабжены прорезями и соосными отверстиями для болтов, стержневые элементы решетки имеют П-образное сечение с отношением габаритов ширины и высоты 1/1,366 по средней линии этого сечения.The specified technical result is achieved by the fact that in the design, which includes belts of bent-closed profiles connected by lattice rods, the flattened ends of which are provided with slots and coaxial holes for bolts, the lattice rod elements have a U-shaped section with a ratio of width and height dimensions of 1/1.366 along the average lines of this section.

В предлагаемой конструкции верхний и нижний пояса выполнены из гнутозамкнутых профилей, имеющих трубчатую (замкнутую) часть одиночной (одинарной) толщины и реберную часть двойной толщины. Реберная часть замыкает листовую развертку (заготовку) в профиль при помощи болтовых, заклепочных, сварных, замковых (фальцевых или зубчатых) и других соединений. Для непосредственного примыкания к реберной части гнутозамкнутого профиля верхнего или нижнего пояса с образованием соединительного узла П-образный профиль каждого из стержневых элементов решетки в торцах прорезают и сплющивают. За счет протяженности продольных прорезей и ширины сплющенных торцов вполне допустима унификация конструктивно-компоновочного оформления узловых соединений на болтах без эксцентриситетов с учетом закрепления одним болтом одного, двух или нескольких стержневых элементов решетки П-образного профиля. Исходя из этого, чтобы стержневые элементы решетки в плоскости и из плоскости конструкции имели одну и ту же гибкость, целесообразен такой профиль их поперечного сечения, у которого радиусы инерции по главным центральным осям имеют равные значения. Такому условию вполне отвечает тонкостенное сечение П-образной формы с отношением габаритов ширины и высоты 1/1,366 по его средней линии, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости.In the proposed design, the upper and lower chords are made of bent-closed profiles having a tubular (closed) part of a single (single) thickness and a ribbed part of double thickness. The rib part closes the sheet reamer (blank) into a profile using bolted, riveted, welded, locking (folded or toothed) and other connections. For direct adjoining to the rib part of the bent-closed profile of the upper or lower chord with the formation of a connecting node, the U-shaped profile of each of the rod elements of the lattice is cut and flattened at the ends. Due to the length of the longitudinal slots and the width of the flattened ends, it is quite acceptable to unify the design and layout of nodal joints on bolts without eccentricities, taking into account the fixing of one, two or more rod elements of the U-shaped lattice with one bolt. Based on this, in order for the rod elements of the lattice in the plane and out of the plane of the structure to have the same flexibility, it is advisable to have such a profile of their cross section, in which the radii of gyration along the main central axes are equal. This condition is fully met by a thin-walled U-shaped section with a ratio of dimensions of width and height of 1/1.366 along its midline, where the larger dimension is located in the plane of the structure, and the smaller one is out of the plane.

Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где наThe proposed technical solution is illustrated by graphic materials, where

фиг. 1 показан фрагмент конструкции с равновысокими поясами и решеткой из П-образного профиля;fig. 1 shows a fragment of a structure with equally high belts and a U-shaped lattice;

фиг. 2 - поперечный разрез конструкции с равновысокими поясами;fig. 2 - cross section of a structure with equally high belts;

фиг. 3 - фрагмент несущей конструкции с разновысокими поясами и решеткой из П-образного профиля;fig. 3 - a fragment of the supporting structure with belts of different heights and a U-shaped lattice;

фиг. 4 - поперечный разрез несущей конструкции с разновысокими поясами;fig. 4 - cross section of the supporting structure with uneven belts;

фиг. 5 - поперечное сечение П-образного профиля;fig. 5 - cross section of the U-shaped profile;

фиг.6 - расчетная схема поперечного сечения П-образного профиля;Fig.6 - design diagram of the cross section of the U-shaped profile;

фиг.7 - аксонометрия фрагмента стержневого элемента из П-образного профиля;Fig.7 is a perspective view of a fragment of a rod element from a U-shaped profile;

фиг. 8 - снимок среза разнокалиберных П-образных профилей.fig. 8 - a snapshot of a cut of different-sized U-shaped profiles.

Предлагаемое техническое решение конструкции включает верхний (сжатый или сжато-изгибаемый) пояс 1, нижний (растянутый) пояс 2, а также соединяющую их решетку из стержневых элементов П-образного профиля 3 при помощи болтовых креплений 4. Сечение П-образного профиля подобрано с отношением габаритов ширины и высоты 1/1,366 по средней линии его расчетного сечения, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости. В конструкции с разновысокими поясами из гнутозамкнутых профилей, например в беспрогонных покрытиях, профиль верхнего пояса 1 имеет более высокую реберную часть, чем профиль нижнего пояса 2 [Марутян А.С. Гнутозамкнутые профили и расчет их оптимальных параметров. - Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019, №1. - С. 33-43]. При этом со смещением продольной оси профиля верхнего пояса от его трубной части появляется возможность закреплять один, два или несколько стержневых элементов решетки П-образного профиля 3 одним болтом 4.The proposed design solution includes an upper (compressed or compressed-bent) belt 1, a lower (stretched) belt 2, as well as a lattice connecting them from rod elements of a U-shaped profile 3 using bolt fasteners 4. The cross section of the U-shaped profile is selected with the ratio dimensions of width and height 1/1.366 along the midline of its design section, where the larger dimension is located in the plane of the structure, and the smaller one is out of the plane. In a design with uneven belts of bent-closed profiles, for example, in non-purlin coatings, the profile of the upper belt 1 has a higher rib part than the profile of the lower belt 2 [Marutyan A.S. Bent-closed profiles and calculation of their optimal parameters. - Structural mechanics of engineering structures and structures. 2019, No. 1. - S. 33-43]. In this case, with the displacement of the longitudinal axis of the profile of the upper belt from its pipe part, it becomes possible to fix one, two or more rod elements of the lattice of the U-shaped profile 3 with one bolt 4.

Для вывода приведенного отношения и количественной оценки ресурсов несущей способности стержневых элементов решетки из П-образного профиля за расчетное сечение этого профиля целесообразно принять составную фигуру. Такая фигура включает пару вертикальных прямоугольников размерами t×V, объединенных горизонтальным прямоугольником размером t×U, где V - габарит высоты профиля по средней линии сечения профиля, U - габарит ширины профиля по средней линии сечения профиля, t - толщина профиля.To derive the given ratio and quantify the resources of the bearing capacity of the rod elements of the lattice from the U-shaped profile, it is advisable to take a composite figure for the calculated section of this profile. Such a figure includes a pair of vertical rectangles with dimensions t × V, united by a horizontal rectangle with dimensions t × U, where V is the height dimension of the profile along the middle line of the profile section, U is the dimension of the profile width along the middle line of the profile section, t is the thickness of the profile.

Расчетные значения геометрических (статических) характеристик поперечного сечения П-образного профиля можно определять по формулам:The calculated values of the geometric (static) characteristics of the cross section of the U-shaped profile can be determined by the formulas:

площадьarea

ордината центра тяжестиcenter of gravity

момент инерции относительно оси абсциссmoment of inertia about the x-axis

момент инерции относительно оси ординатmoment of inertia about the y-axis

где n - отношение габаритов ширины и высоты профиля по средней линии сечения, n=U/V.where n is the ratio of the dimensions of the width and height of the profile along the midline of the section, n=U/V.

Поскольку расчетное сечение П-образных профилей отличается от такого же сечения прямоугольных профильных труб (гнутосварных профилей) отсутствием полки (горизонтальной грани), корректность приведенных формул была подтверждена при помощи приближенной методикой расчета, апробированной при оптимизации стержневых и балочных элементов из таких труб [Марутян А.С. Оптимизация ферменных конструкций с решетками из прямоугольных труб. - Строительная механика и расчет сооружений. 2020, №5. - С. 69-77]. Кроме того, приемлемую погрешность приближенного расчета подтверждает его тестирование на базе сортамента П-образных профилей по ГОСТ 8278-83 (см. таблицу).Since the calculated section of U-shaped profiles differs from the same section of rectangular profile pipes (bent-welded profiles) by the absence of a shelf (horizontal edge), the correctness of the above formulas was confirmed using an approximate calculation method tested when optimizing rod and beam elements from such pipes [Marutyan A .FROM. Optimization of truss structures with lattices of rectangular tubes. - Structural mechanics and calculation of structures. 2020, No. 5. - S. 69-77]. In addition, the acceptable error of the approximate calculation is confirmed by its testing on the basis of the assortment of U-shaped profiles according to GOST 8278-83 (see table).

Чтобы радиусы инерции по главным центральным осям не отличались между собой (i_x=i_y), соответствующие моменты инерции должны иметь нулевую разницу, то есть I_x-I_y=0.So that the radii of inertia along the main central axes do not differ from each other (i _x =i _y ), the corresponding moments of inertia must have a zero difference, that is, I _x -I _y =0.

Если подставить значения моментов инерции, то для отношения габаритных размеров профиля (n=U/V) можно получить уравнение пятой степениIf we substitute the values of the moments of inertia, then for the ratio of the overall dimensions of the profile (n \u003d U / V), we can obtain an equation of the fifth degree

с корнямиwith roots

Из этих корней практический интерес вызывает прятый, значение которого можно округлить до приведенного выше отношения:Of these roots, the hidden one is of practical interest, the value of which can be rounded up to the above ratio:

Тогда для П-образного профиля, оптимизированного по критерию равноустойчивости, можно записать:Then for a U-shaped profile optimized according to the criterion of uniform stability, we can write:

Для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известным в качестве базового объекта можно принять прокатный уголок сечением

оптимизированный по техническому решению из аналога:To compare the proposed (new) technical solution with the known one, a rolling corner with a cross section can be taken as a base object

optimized by technical solution from analog:

где V - габарит высоты оптимизированного уголка с углом раскрытия его полок γ=53,1° [Салахутдинов М.А., Кузнецов И.Л., Фахрутдинов А.Э. Решетчатая конструкция. - Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2019, №2. - С. 86-90].where V is the height dimension of the optimized corner with the opening angle of its shelves γ=53.1° [Salakhutdinov M.A., Kuznetsov I.L., Fakhrutdinov A.E. Lattice construction. - Academic Bulletin UralNIIproekt RAASN. 2019, No. 2. - S. 86-90].

Предлагаемое техническое решение представлено П-образным профилем с габаритом высоты V=8,32 см и следующими характеристиками его расчетного сечения:The proposed technical solution is represented by a U-shaped profile with a height dimension of V = 8.32 cm and the following characteristics of its design section:

где за эталонные (100-процентные) показатели приняты соответствующие характеристики расчетного сечения из базового объекта.where the reference (100 percent) indicators are taken to be the corresponding characteristics of the calculated section from the base object.

Полученные расчетные параметры П-образного профиля интересно также сравнить с расчетными параметрами прототипа, представленного U-образным профилем с габаритом высоты V=S,32 см и следующими характеристиками его сечения:It is also interesting to compare the obtained design parameters of the U-shaped profile with the design parameters of the prototype, represented by a U-shaped profile with a height dimension of V = S, 32 cm and the following characteristics of its section:

где за эталонные (100-процентные) показатели также приняты соответствующие характеристики расчетного сечения из базового объекта.where the reference (100 percent) indicators are also taken to be the corresponding characteristics of the calculated section from the base object.

Из полученных результатов сравнительного расчета следует, что переход от прототипа к предлагаемому техническому решению сопровождается увеличением площади расчетного сечения и, как следствие, расхода конструкционного материала в 96,0/92,46=1,0382868≈1,038 раза при увеличении геометрических (статических) характеристик того же сечения в 114,7/109,0=1,0522935≈1,052…126,2/109,8=1,1493624≈1,149 раза и таком же повышении устойчивости стержневых элементов решетки.From the results of the comparative calculation it follows that the transition from the prototype to the proposed technical solution is accompanied by an increase in the design cross-sectional area and, as a result, the consumption of structural material by 96.0/92.46=1.0382868≈1.038 times with an increase in geometric (static) characteristics of the same section by 114.7/109.0=1.0522935≈1.052...126.2/109.8=1.1493624≈1.149 times and the same increase in the stability of the lattice rod elements.

Claims

A structure with a lattice made of a U-shaped profile, including belts made of bent-closed profiles connected by lattice rods, the flattened ends of which are provided with slots and coaxial holes for bolts, characterized in that the rod elements of the lattice have a U-shaped section with a ratio of width and height dimensions 1 / 1.366 along the midline of this section.