RU221056U1 - Несущая конструкция с решеткой из u-образного профиля - Google Patents

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других длинномерных решетчатых несущих и связевых систем. Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение трудоемкости изготовления несущей конструкции, снижение затрат, увеличение несущей способности. Указанный технический результат достигается тем, что в несущей конструкции, включающей пояса и жестко прикрепленную к ним решетку из U-образного профиля, выполненную со сплющенными торцами из изогнутых элементов зигзагообразного очертания, стержневые элементы решеток имеют U-образное сечение с отношением размеров ширины и высоты 1/3,115 по средней линии этого сечения, где больший размер расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других длинномерных решетчатых несущих и связевых систем.

Известным техническим решением является строительная металлическая тонкостенная решетчатая конструкция, включающая пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку из прутковых элементов V- или W-образного очертания [Орлик В.М. Строительная металлическая тонкостенная решетчатая конструкция. - Авторское свидетельство №1760041, 07.09.1992, бюл. №33]. Этому техническому решению присущи недостатки известных стальных прутковых конструкций [Подлипский А.А. Стальные прутковые конструкции покрытий. - М.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1954. - 147 с], которые заключаются в небольшой несущей способности, особенно при сжатии, и ограничивают полезную нагрузку на конструкцию.

Еще одним известным техническим решением является несущая конструкция с решеткой из плоскоовальной профильной трубы. Конструкция включает пояса трубчатого прямоугольного (квадратного) сечения и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными торцами из изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания. Стержневые элементы решетки имеют трубчатое сечение плоскоовальной формы с отношением габаритных размеров ширины и высоты 1/2,63 по средней линии этого сечения, где больший размер расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости [Марутян А.С. Несущая конструкция с решеткой из плоскоовальных труб. - Патент №2601351, 10.11.2016, бюл. №31]. Характерным недостатком такой конструкции является сравнительно высокая себестоимость изготовления профильных труб, включая плоскоовальные профили.

Известно также техническое решение (принятое за аналог) в виде конструкции с решеткой из U-образного профиля с отношением габаритных размеров ширины и высоты 1/1,39 по средней линии его расчетного сечения. Стержневые элементы решетки выполнены со сплющенными торцами, снабженными продольными прорезями и соосными отверстиями под болты [Марутян А.С. Конструкция с решеткой из U-образного профиля. - Патент №207351, 25.10.2021, бюл. №30]. Такой профиль оптимизирован по критерию равноустойчивости, обеспечивающей стержням решетки одинаковую гибкость из плоскости и в плоскости конструкции, однако их болтовые соединения с поясами увеличивают продолжительность и затраты на изготовление.

Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой несущей конструкции с решеткой из U-образного профиля является несущая конструкция с решеткой из U-образного профиля переменного сечения. Конструкция, включает пояса и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными торцами из изогнутых элементов зигзагообразного очертания. Стержневые элементы решетки имеют переменное сечение U-образной формы с нулевой высотой в сплющенных торцах соединительных узлов и наибольшей высотой на середине между узлами [Патент США №3882653, 13.05.1975].

Основной недостаток прототипа заключается в сложной форме поперечного сечения U-образного профиля, что требует для его изготовления дополнительных затрат и времени. В узловых соединениях с поясами сплющенные торцы стержневых элементов решетки образуют в плоскости конструкции листовые шарниры с одинарными линиями гибов. Эти гибы обеспечивают элементам решетки максимальную жесткость из плоскости конструкции. Однако одинарные гибы ограничивают протяженность сварных швов и, как следствие, несущую способность, что лимитирует полезную нагрузку. Поэтому определенная доработка решетки из U-образного профиля может сократить время и дополнительные затраты, обеспечить стержневым элементам равные гибкости из плоскости и в плоскости конструкции, увеличить несущую способность узловых соединений.

Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение трудоемкости изготовления несущей конструкции, снижение затрат, увеличение несущей способности.

Указанный технический результат достигается тем, что в несущей конструкции, включающей пояса и жестко прикрепленную к ним решетку из U-образного профиля, выполненную со сплющенными торцами из изогнутых элементов зигзагообразного очертания, стержневые элементы решеток имеют U-образное сечение с отношением размеров ширины и высоты 1/3,115 по средней линии этого сечения, где больший размер расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости.

В предлагаемой конструкции верхние и нижние пояса выполнены из профильных труб, а в решетке между ними использован U-образный профиль. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов такой профиль решетки в заданных по проекту местах сплющивают и двойными гибами придают ему зигзагообразное очертание. Протяженность листовой заготовки U-образного профиля можно подобрать из расчета на всю длину конструкции или ее отправочных марок. Сплющивания и двойные гибы U-образных элементов решеток 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 и позволяют уменьшить их толщины. По линиям двойных гибов U-образного профиля в плоскости конструкции образуются листовые шарниры, которые соответствуют шарнирно-стержневым расчетным схемам (моделям) и избавляют от необходимости учитывать жесткости узлов, что также способствует снижению металлоемкости. Из плоскости конструкции те же гибы сплющенных участков таких профилей имеют наибольшие жесткости, приближенные к жесткостям рамных креплений, за счет которых в несущих конструкциях 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.: Издательство АСВ, 1998. - С. 235-236]. При шарнирном закреплении в плоскости конструкции и жестком (рамном) из плоскости расчетные длины 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 из плоскости и в плоскости конструкции имели одни и те же гибкости, целесообразны такие профили поперечных сечений, у которых радиусы инерции по главным центральным осям отличаются между собой также в два раза, а соответствующие им осевые моменты инерции разнятся четырехкратно. Такому условию вполне отвечают тонкостенные сечения U-образной формы с отношением габаритов 1/3,115, 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 U-образного профиля;

фиг. 2 - поперечный разрез несущей конструкции;

фиг. 3 - снимок фрагмента решетки зигзагообразного очертания;

фиг. 4 - снимок среза разнокалиберных U-образных профилей;

фиг. 5 - расчетная схема поперечного сечения U-образного профиля.

Предлагаемое техническое решение несущей конструкции включает верхний (сжатый или сжато-изгибаемый) пояс 1, нижний (растянутый) пояс 2, а также соединяющую их решетку 3 зигзагообразного очертания из U-образного профиля. Сечение такого профиля подобрано с отношением габаритов 1/3,115, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости. В местах, предусмотренных проектом под бесфасоночные узловые соединения поясов с решеткой, U-образный профиль сплющивают и отгибают 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.). U-образному профилю стержневых элементов решеток в нужных по тому же проекту местах после сплющиваний посредством двойных гибов придают зигзагообразное очертание. На линиях этих гибов образуются листовые шарниры, расстояние между которыми можно подобрать из условия центровки бесфасоночных узлов несущей конструкции, как с треугольной решеткой, так и раскосной. Между такими шарнирами сплющенные участки U-образного профиля решетки подкрепляют полки поясных элементов, одновременно соблюдая 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 стержневых элементов решетки из U-образного профиля за его расчетное сечение целесообразно принять составную фигуру. Такая фигура включает пару вертикальных прямоугольников размерами t×(V-0,5U), объединенных круглым полукольцом толщиной t и радиусом по средней (срединной) его линии R=0,5U, где V - габарит высоты профиля по средней линии сечения профиля, U - габарит ширины профиля по средней линии сечения профиля.

Расчетные значения геометрических (статических) характеристик поперечного сечения U-образного профиля можно определять по формулам:

площадь

A=tU(2/n+0,57);

ордината центра тяжести

y₀=U/(1/n²+0,034955)/(2/n+0,57);

момент инерции относительно оси абсцисс

I_x=tU³(0,6666666/n⁵+0,950/n⁴+0,07678/n³-0,018247/n²+0,0098689/n+0,001058)/(2/n+0,57)²;

момент инерции относительно оси ординат

I_y=tU³(0,5/n-0,05375),

где n - отношение габаритов ширины и высоты профиля по средней линии сечения, n=U/V.

Поскольку расчетное сечение U-образных профилей отличается от такого же сечения полуплоскоовальных 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. Расчет оптимальных параметров полуплоскоовальных труб для ферменных и балочных конструкций. - Строительная механика и расчет сооружений. 2019, №2. - С. 68-74].

Чтобы радиусы инерции по главным центральным осям отличались между собой в два раза (i_x=2i_y), соответствующие моменты инерции должны разниться четырехкратно, то есть I_x=4I_y или I_x-4I_y=0.

Если подставить значения моментов инерции, то для отношения меньшего габарита к большему (n=U/V) можно получить уравнение пятой степени

0,0709115n⁵-0,1497311n⁴-4,6432474n³-7,92322n²+0,950n+0,6666666=0 с корнями

n₁=-5,7978; n₂=-2,03430; n₃=-0,2514445; n₄=0,3210485; n₅=9,8741.

Из этих корней практический интерес представляет предпоследний, значение которого можно округлить до приведенного отношения

n=0,3210485=1/3,1147941≈1/3,115.

Тогда для U-образного профиля, оптимизированного по критерию четырехкратной разницы осевых моментов инерции его расчетного сечения, можно записать:

n=1/3,115;

A=6,7995883tU; y₀=1,4319833U=0,2105984A/t;

U=0,1470677A/t (94,16%); V=0,4580856A/t (111,5%);

I_x=0,0145887tU³=0,0191318A³/t²; (103,8%);

I_y=1,503647tU³=0,0047829A³/t² (103,8%);

i_x=0,9405061U=0,1383177A/t (102,3%);

i_y=0,470253U=0,0691585A/t (101,9%);

I_x/I_y/=4,0000004≈4,0; i_x/i_y=2,0000002≈2,0,

где в скобках приведены процентные соотношения при сравнении с аналогичными геометрическими (статическими) характеристиками плоскоовальной профильной трубы, принятые в качестве эталонных (100-процентных) показателей

n=0,38024=1/2,63;

U₀=0,156250A/t (100%); V₀=0,4109352A/t (100%);

I_x0=0,0184251A³/t² (100%); I_y0=0,0046061A³/t² (100%);

I_x0/I_y0=4,0001519≈4,0;

i_x0=0,1357390A/t (100%); i_y0=0,0678682A/t (100%);

i_x0/i_y0=2,0000383≈2,0,

здесь использована одна и та же листовая заготовка (A=const и t=const) [Марутян А.С., Абовян А.Г. Расчет оптимальных параметров плоскоовальных труб для ферменных конструкций. - Строительная механика и расчет сооружений. - 2017, №4. - С. 17-22].

Как видно из полученных результатов сравнения, при одинаковом расходе конструкционного материала U-образный профиль оказался уже и выше плоскоовальной профильной трубы, но с более значительными статическими (геометрическими) характеристиками. Если при этом учесть, что гнутые профили требуют меньше времени и дополнительных затрат на изготовление, чем замкнутые гнутосварные профили (профильные трубы), то положительный эффект от предлагаемого технического решения более заметен.

Claims (1)

1. Несущая конструкция с решеткой из U-образного профиля, включающая пояса и жестко прикрепленную к ним решетку из U-образного профиля, выполненную со сплющенными торцами стержневых элементов зигзагообразного очертания, отличающаяся тем, что стержневые элементы решетки имеют U-образное сечение с отношением габаритных размеров ширины и высоты 1/3,115 по средней линии этого сечения.