RU220022U1

RU220022U1 - Пятиугольный равнобедренный гнутосварной профиль

Info

Publication number: RU220022U1
Application number: RU2023116743U
Authority: RU
Inventors: Арушан Арушанович Вартумян; Татьяна Александровна Шебзухова; Валерия Николаевна Оробинская; Евгения Николаевна Перцевая; Роман Николаевич Саленко; Татьяна Николаевна Лаврова; Максим Юрьевич Напалкин; Александр Суренович Марутян
Original assignee: Александр Суренович Марутян
Filing date: 2023-06-23
Publication date: 2023-08-21

Abstract

Полезная модель относится к области строительства и может использоваться в несущих конструкциях каркасов, покрытий, перекрытий, стропильных и подстропильных фермах, структурах, перекрестных системах и т.д. Технический результат предлагаемого решения представляет собой оптимизированный параметр расчетного момента сопротивления сечения в силовой плоскости несущей конструкции в пятиугольном равнобедренном гнутосварном профиле, применительно к балочным элементам, что увеличивает конструктивно-компоновочные возможности и расширяет область его рационального применения. Указанный результат достигается тем, что в пятиугольном равнобедренном гнутосварном профиле, включающем одну горизонтальную полку, две вертикальные стенки и две наклоненные относительно вертикали на 60 градусов грани, а также сварной стык наклонных граней с отбортовками, отогнутыми внутрь профиля, эти отбортовки посредством заварки продольного шва формируют вертикальное ребро шириной, равной 6 толщинам профиля, и высотой, составляющей 0,10631 ширины профиля по средней линии его расчетного сечения.

Description

Полезная модель относится к области строительства и может использоваться в несущих конструкциях каркасов, покрытий, перекрытий, стропильных и подстропильных фермах, структурах, перекрестных системах и т.д.

Рациональное распределение конструкционного материала имеет техническое решение стержневых элементов из гнутого тонкого листа, образующего замкнутый профиль пятиугольного сечения [Артемьева И.Н. Алюминий в строительстве. Л.: Стройиздат, 1985. С. 61, рис. 19, г]. Недостаток таких стержневых элементов проявляется в их ограниченной несущей способности, вызванной потерей местной устойчивости замкнутого гнутого профиля из-за малой толщины листа. Повышенная тонкостенность, кроме того, требует обработки кромок под шовную сварку в виде дополнительных двойных отгибов, что повышает трудоемкость изготовления, как самих профилей, так и конструкций с их применением.

Другое техническое решение представляет собой несущую конструкцию замкнутого сечения, выполненную из состыкованных между собой продольными швами швеллеров и уголков с образованием (по меньшей мере, одной пятигранной) замкнутых ячеек [Копытов М.М., Ерохин К.А., Матвеев А.В., Косинцев А.С., Яшин С.Г. Тонкостенная несущая конструкция замкнутого сечения // Патент №2174576, 10.10.2001]. Сутью, формообразующей эту конструкцию, является пятигранная (пятиугольная) труба, скомпонованная из прокатных профилей открытого (незамкнутого) сечения, а именно швеллера и равнополочного уголка, в виде составного коробчатого стержневого элемента. Обладая преимуществами, свойственными замкнутым профилям, такая конструкция имеет определенные недостатки. В их числе парные продольные сварные швы (сплошные или прерывистые), с помощью которых швеллер и уголок состыкованы между собой в пятигранный профиль и которые увеличивают трудоемкость изготовления. Так как стенки пятигранного профиля имеют разные толщины, конструкционный материал распределяется по периметру поперечного сечения неравномерно. Кроме того, параметры тонкостенности швеллера и уголка оптимизированы в рамках формирования прокатных профилей открытого сечения независимо друг от друга, что ухудшает характеристику равноустойчивости пятигранного (пятиугольного) замкнутого сечения до 15% (i_x/i_y=1,15).

Еще одно технические решение представляет собой пятиугольный замкнутый гнутосварной профиль, выполненный из единой листовой заготовки. Он имеет численные параметры поперечного сечения, оптимизированные по критерию равноустойчивости относительно центральных осей х-х и у-у с использованием условного квадратного замкнутого гнутосварного профиля таким образом, что отношение высоты вертикальных стенок пятиугольного профиля к ширине его горизонтальной полки составляет 0,54…0,61. При этом реальный и условный профили обладают одними и теми же толщиной, периметром и площадью сечения, которые представляют собой постоянные величины [Марутян А.С, Кобалия Т.Л., Янукян Г.М., Глухов С.А., Павленко Ю.И. Пятиугольный замкнутый гнутосварной профиль. Патент №104582. 20.05.2011. Бюл. №14]. Дальнейшим развитием пятиугольного гнутосварного профиля после уточнения его оптимальных параметров стал пятиугольный равнокатетный гнутосварной профиль [1. Сабитов Л.С., Батердинов И.Р., Чепурненко А.С. Оптимизация формы поперечного сечения поясов трехгранных решетчатых опор // Construction and Architecture (2019) Vol. 7. Issue 4 (25): 5-8. DOI 10.29039/2308-0191-2019-7-4-5-8; 2. Марутян А.С. Оптимизация ферменных конструкций из пятиугольных равнокатетных и равнобедренных профильных труб // Строительная механика и расчет сооружений. 2022, №5. С. 54-62; 3. Вартумян А.А., Шебзухова Т.А., Оробинская В.Н., Перцевая Е.Н., Саленко Р.Н., Напалкин М.Ю., Марутян А.С. Пятиугольный равнокатетный гнутосварной профиль // Патент №212917. 18.05.2022. Бюл. №23]. Он отличается оптимизированным параметром расчетного момента сопротивления сечения применительно к балочным элементам в силовой плоскости несущей конструкции. Такой эффект обеспечен тем, что после заварки продольного шва отогнутые внутрь отбортовки формируют вертикальное ребро шириной, равной величине 6 толщин профиля, и высотой, составляющей 0,15103 ширины профиля по средней линии его расчетного сечения.

Переход от прямого угла между наклонными гранями к углу в 120 градусов позволяет увеличить жесткостные и прочностные характеристики, поэтому наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемому пятиугольному равнобедренному гнутосварному профилю является пятиугольная профильная труба с углом в 120 градусов между наклонными гранями [Марутян А.С. Пятиугольная профильная труба // Патент №158885. 20.01.2016. Бюл. №2].

Профиль по техническому решению прототипа характеризуются равной устойчивостью относительно главных центральных осей его поперечного сечения. Однако применительно к балочным элементам его можно дополнительно проработать для оптимизации расчетных моментов сопротивления в силовой плоскости несущей конструкции. В этом случае целесообразно учесть опыт аналогичной проработки упомянутого выше пятиугольного равнокатетного гнутосварного профиля, когда при его оптимизации по расчетному моменту сопротивления отбортовки сварного стыка определенных размеров использованы в качестве внутреннего ребра жесткости. Поэтому такое техническое решение может послужить аналогом, дополняющим уже принятый прототип.

Технический результат предлагаемого решения представляет собой оптимизированный параметр расчетного момента сопротивления сечения в силовой плоскости несущей конструкции в пятиугольном равнобедренном гнутосварном профиле применительно к балочным элементам, что увеличивает конструктивно-компоновочные возможности и расширяет область его рационального применения.

Указанный результат достигается тем, что в пятиугольном равнобедренном гнутосварном профиле, включающем одну горизонтальную полку, две вертикальные стенки и две наклоненные относительно вертикали на 60 градусов грани, а также сварной стык наклонных граней с отбортовками, отогнутыми внутрь профиля, эти отбортовки посредством заварки продольного шва формируют вертикальное ребро шириной, равной 6 толщинам профиля, и высотой, составляющей 0,10631 ширины профиля по средней линии его расчетного сечения.

Предлагаемый гнутосварной профиль обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого для его изготовления можно использовать прямошовные сварные соединения листовых заготовок как обычной, так и повышенной тонкостенности. В последнем случае по технологическим требованиям наложения сварных швов необходима разделка кромок под сварку в виде их отбортовки [Металлические конструкции / Под ред. Ю.И. Кудишина. М.: Издательский центр «Академия», 2007. С. 119, рис. 4.15]. Итогом таких сборочно-сварочных операций может стать формообразование внутри замкнутого (трубчатого) профиля своего рода ребра жесткости, которому вполне допустимо и целесообразно после соответствующего расчета согласно заданным по проекту параметрам придать дополнительные конструктивно-компоновочные функции. В частности, оптимизированный параметр расчетного момента сопротивления в силовой плоскости несущей конструкции для балочных элементов из пятиугольного равнобедренного гнутосварного профиля может быть обеспечен при помощи вертикального ребра из тройных отбортовок.

Полезная модель поясняется графическими материалами, где на

фиг. 1 - расчетная схема поперечного сечения пятиугольного равнобедренного профиля, оптимизированного по критерию равной устойчивости, и пунктиром обозначена средняя линия этого сечения;

фиг. 2 - расчетная схема поперечного сечения пятиугольного равнобедренного профиля с вертикальным ребром жесткости из тройных отбортовок, обеспечивающим оптимизированный параметр расчетного момента сопротивления.

Для вывода оптимальных параметров пятиугольного равнобедренного гнутосварного профиля применительно к балочным элементам и количественной оценки его несущей способности целесообразно рассчитать моменты инерции сечения I_x и I_y относительно главных центральных осей, а также площадь сечения А. Такое сечение можно считать составным из пяти прямоугольных участков, средние линии которых являются сторонами равнобедренного пятиугольника. Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней линии тонкостенного сечения без учета его угловых закруглений и без учета численных величин, содержащих значения толщины, возведенной во вторую и третью степень (t², t³) [Марутян А.С. Оптимизация ферменных конструкций из пятиугольных равнокатетных и равнобедренных профильных труб // Строительная механика и расчет сооружений. 2022, №5. С. 54-62]:

n=U/V=0,9178844=1/1,0894618;

A=3,7562908tU;

U=0,266220A/t; V=0,2900365A/t; y_min=0,461255U=0,1227953А/t;

I_x=0,5799515tU³=0,0109424A³/t²;

I_y=0,5799516tU³=0,0109424A³/t²;

I_x/I_y=0,9999998≈1;

W_x,min=0,9231856tU²=0,0654289A²/t; W_x,max=1,2573337tU²=0,0822059A²/t,

где U (V) - линейный размер ширины (высоты) расчетного сечения по его средней линии; A и t - площадь сечения и толщина листовой заготовки, A=const и t=const.

Оптимизированный параметр расчетного момента сопротивления сечения обеспечен, когда центр тяжести этого сечения расположен на середине его высоты, что можно обеспечить за счет включения в расчетное сечение профиля внутреннего ребра размером 6t×h:

A=3,7562908tU+6th.

Линейный размер ребра h необходимо рассчитать так, чтобы ордината центра тяжести оказалась равной половине размера по высоте:

y_o=0,5V=0,5447309U;

y_o=(3,7562908tU×0,6282068U+6th×0,5h)/(3,7562908tU+6th);

0,5447309U=(3,5612688tU×0,6541329U+6th×0,5h)/(3,5612688tU+6th);

h²-1,0894618Uh+0,1045199U²=0;

h₁=0,1063113U; h₂=0,9831505U.

В дальнейшую проработку целесообразно принять

h=0,1063113U≈0,1063U.

Тогда пятиугольный равнобедренный гнутосварной профиль с таким размером внутреннего ребра будет иметь следующие характеристики сечения:

A=tU/(3,7562908+6×0,1063113)=4,3941568tU;

U=0,2275748A/t; h=0,2479340A/t; h=0,10631U=0,0241525A/t;

у_о=0,5V=0,5447309U=0,1239670A/t;

I_x=tU³(0,5799515+3,7562908(0,6282068-0,5447309)²+6×0,10631³/12+6×0,10631(0,5447309-0,5×0,10631)²)=0,7608649tU³=0,0089676A³/t²;

W_x=1,396772tU²=0,0723392A²/t.

Сравнение пятиугольного профиля с внутренним ребром с пятиугольным профилем без такого ребра показывает, что, если площадь сечения у предлагаемого профиля возросла в 4,3941568/3,7562908=1,17 раза, то момент инерции в плоскости конструкции возрос в 0,7608649/0,5799515=1,31 раза, а момент сопротивления - в 1,396772/1,2573337=1,11 раза. При этом у пятиугольного профиля с внутренним ребром (h/U=0,10631/1) центр тяжести поперечного сечения находится на середине размера по высоте, что увеличивает ее конструктивно-компоновочные возможности для применения в балочных элементах несущих конструкций.

Таким образом, приведенные расчетные выкладки подтверждают их корректность и рациональность предлагаемого пятиугольного равнобедренного профиля с вертикальным ребром. При этом универсальность его технического решения обеспечивает расположение центра тяжести сечения на середине размера по высоте и оптимизирует параметр момента сопротивления сечения в силовой плоскости несущих конструкций различных зданий и сооружений.

Claims

Пятиугольный равнобедренный гнутосварной профиль, включающий одну горизонтальную полку, две вертикальные стенки и две наклонные относительно вертикали на 60 градусов грани, а также сварной стык наклонных граней с отбортовками, отогнутыми внутрь профиля, эти отбортовки посредством заварки продольного шва формируют вертикальное ребро шириной, равной 6 толщинам профиля, и высотой, составляющей 0,10631 ширины профиля по средней линии его расчетного сечения.