RU226832U1 - Трапециевидная профильная труба с усиленной полкой - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в качестве стержневых и балочных элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения. В частном случае это могут быть стержневые элементы поясов и решёток ферм, решётчатых прогонов покрытий, стеновых ригелей, фахверковых стоек. Техническим результатом полезной модели является оптимизация момента сопротивления сечения трапециевидной профильной трубы, что увеличивает конструктивно-компоновочные возможности и расширяет область ее рационального применения. Трапециевидная профильная труба включает две горизонтальные грани (полки) в виде меньшего основания и большего основания равнобедренной трапеции в поперечном сечении, две наклонные грани (стенки) в виде боковых сторон той же трапеции и сварной стык посередине меньшей полки с отбортовками, отогнутыми внутрь трубчатого профиля. Эти отбортовки после заварки продольного шва формируют парные усиления ее меньшей полки. При отношении габаритных размеров профиля 1/1 и отношении размеров его полок 0,6/1 по средней линии сечения каждое из парных усилений имеет ширину, равную 0,2 одного из габаритных размеров по средней линии того же сечения.

Description

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в качестве стержневых и балочных элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения. В частном случае это могут быть стержневые элементы поясов и решёток ферм, решетчатых прогонов покрытий, стеновых ригелей, фахверковых стоек.

Известно техническое решение в виде труб стальных трапецеидальных (трапециевидных) по ГОСТ 8648-57 [Сальников Г.П. Краткий справочник машиностроителя // Киев: Государственное издательство технической литературы УССР, 1963. С. 107]. Отличительное свойство такого технического решения заключается в том, что трубчатый профиль имеет форму равнобедренной трапеции, большее основание которого очерчено по дуге окружности. Подобная специфика трапециевидной профильной трубы востребована в машиностроении, но в строительной сфере может вызвать дополнительные трудозатраты для изготовления стержневых конструкций с её применением.

Ещё одно известное техническое решение представляет собой ферму из гнутых замкнутых профилей, поясные элементы которой включают опорные столики, придающие части поперечного сечения этих элементов конфигурацию равнобедренной трапеции [Левитанский И.В. Ферма из гнутых замкнутых профилей // Авторское свидетельство №449137, 05.11.1974, бюл. №41]. Однако подобное решение не было реализовано на практике из-за сложного очертания трубчатого профиля, а также повышенной точности изготовления и монтажа конструкций с его использованием.

Другим известным техническим решением, принятым за аналог к предлагаемому, является трапециевидная труба сортамента гнутых профилей для решетчатых прогонов промышленных зданий из стали марки Ст. 3 толщиной 2 мм [Тришевский И.С., Клепанда В.В. Металлические облегчённые конструкции (справочное пособие) // Киев, «Будiвельник», 1978. С. 23-29, рис. 10]. Отличительный признак аналога представляет собой сварной стык, расположенный посередине меньшего основания равнобедренной трапеции с отбортовками, отогнутыми внутрь профиля, которые в условиях повышенной тонкостенности листовой заготовки являются подкладкой при заварке продольного шва. Трапециевидная труба по аналогу разработана применительно к решетчатым прогонам с учётом двух основных факторов: удобства опирания и стыковки плит из различных материалов, а также обеспечения монтажной жесткости прогона (из его плоскости). Поэтому в общем случае для ферменных, балочных и других несущих конструкций трапециевидная профильная труба нуждается в дополнительной проработке, как стержневой элемент, одинаково устойчивый из плоскости и в плоскости несущей конструкции, или как балочный элемент с оптимизированным моментом сопротивления сечения.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, к предлагаемому представляет собой трапециевидную профильную трубу с оптимизированным моментом сопротивления сечения. Такая труба включает две горизонтальные грани (полки) в виде меньшего основания и большего основания равнобедренной трапеции в поперечном сечении, две наклонные грани (стенки) в виде боковых сторон той же трапеции и сварной стык посередине меньшей полки с отбортовками, отогнутыми внутрь трубчатого профиля. Эти отбортовки после заварки продольного шва формируют вертикальное ребро, которое при отношении габаритных размеров профиля 1/1 и отношении размеров его полок 0,6/1 имеет высоту, равную 0,2768 одного из габаритных размеров [Марутян А.С. Трапециевидная профильная труба // Патент №2680564, 22.02.2019, бюл. №6]. Вертикальное ребро и его расчетные параметры обеспечивают трубчатому профилю оптимальный момента сопротивления за счет ординаты центра тяжести, равной половине высоты. Однако вертикальное расположение этого ребра стесняет внутреннюю полость замкнутого профиля и затрудняет его использование в трубобетонных элементах несущих конструкций [Гаранжа И.М., Зенкин П.В. Фермы покрытия на основе стальных гнутосварных профилей, заполненных бетоном // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2019. №1. С. 31-38]. Поэтому прикладное значение может иметь дополнительная проработка технического решения трапециевидной трубы из прототипа с заменой вертикального ребра жесткости парными усилениями ее меньшей полки.

Техническим результатом предлагаемого решения является оптимизация момента сопротивления сечения трапециевидной профильной трубы, что увеличивает конструктивно-компоновочные возможности и расширяет область ее рационального применения.

Указанный технический результат достигается тем, что трапециевидная профильная труба, включающая две горизонтальные грани (полки) в виде меньшего основания и большего основания равнобедренной трапеции в поперечном сечении, две наклонные грани (стенки) в виде боковых сторон той же трапеции и сварной стык посередине меньшей полки с отбортовками, отогнутыми внутрь трубчатого профиля. Эти отбортовки после заварки продольного шва формируют парные усиления её меньшей полки. При отношении габаритных размеров профиля 1/1 и отношении размеров его полок 0,6/1 по средней линии сечения каждое из парных усилений имеет ширину, равную 0,2 одного из габаритных размеров по средней линии того же сечения.

Предлагаемая трапециевидная профильная труба обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого для её 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: Учебник для вузов / 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 элементов усиления, которым вполне допустимо и целесообразно после соответствующего расчета согласно заданным по проекту параметрам придать дополнительные конструктивно-компоновочные функции. В частности, пара усилений меньшей полки трапециевидной трубы может обеспечить оптимизацию момента сопротивления её сечения для применения в качестве балочного элемента.

Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на

фиг. 1 приведена расчётная схема поперечного сечения трапециевидной профильной трубы;

фиг. 2 - расчётная схема поперечного сечения трапециевидной трубы с оптимизированным моментом сопротивления;

фиг. 3 - снимок среза разнокалиберных трапециевидных профильных труб.

Для вывода приведенных отношений параметров трапециевидного трубчатого профиля 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 четырёх прямоугольных участков: меньшего основания, большего основания и двух боковых сторон равнобедренной трапеции. Отношение между размерами меньшего и большего оснований можно подобрать, опираясь на практику проектирования стальных конструкций из гнутосварных замкнутых профилей. В частности, здесь целесообразно учесть рекомендацию для слабонагруженных элементов решётки поперечный размер принимать не менее 0,6 поперечного размера пояса [Руководство по проектированию стальных конструкций из гнутосварных замкнутых профилей // М.: ЦНИИпроектстальконструкция, 1978. С. 26, п. 4.2.12]. Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней линии тонкостенного сечения без учёта его угловых закруглений и без учета численных величин, содержащих значения толщины, возведённой во вторую и третью степень (t², t³) [Марутян А.С. Оптимизация конструкций из трубчатых (гнутосварных) профилей квадратных (прямоугольных) и ромбических сечений // Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №1. С. 30-38].

Трапециевидная труба при отношении габаритных размеров профиля 1/1 и отношении размеров его полок 0,6/1 имеет следующие расчётные параметры поперечного сечения:

габаритный размер по высоте

V=U;

габаритный размер по ширине

U_max=U,

где U_max - ширина большего основания, U_min - ширина меньшего основания, U_min=0,6U;

размер (длина) боковых сторон

((V)²+((U_max-U_min)/2)²))^1/2=(U²+(0,2U)²)^1/2=1,0198039U≈1,0198U;

угловые параметры

sinα=1/1,0198=0,9805844,

cosα=0,2/1,0198=0,1961168,

sin²α=0,9615457,

cos²α=0,0384617,

где α - угол наклона боковых сторон относительно большего основания,

sin²α+cos²α=0,9615457+0,0384617=1,0000074-1;

площадь сечения

A=tU(1+0,6+2×1,0198)=3,6396tU,

где t - толщина листовой заготовки трубчатого профиля (штрипса);

ординаты центра тяжести сечения

y_min=U(0,6×1+2×1,0198×0,5)/3,6396=0,4450489U≈0,445U,

y_max=t/(1×1+2×1,0198×0,5)/3,6396=0,554951U≈0,555U,

где y_min - относительно нижней грани, y_max - относительно верхней грани,

y_min+y_max=U(0,445+0,555)=U=V;

моменты инерции

радиусы инерции

i_x-=U(0,4773921/3,6396)12=0,3621684U;

i_y=t/(0,5160518/3,6396)1/2=0,3765474U;

i_x/i_y=0,3621684/0,3765474=0,9618135;

- моменты сопротивления

W_x,min=tU²0,4773921/0,555=0,8601659tU²,

W_x,max=tU²0,4m921/0,445=1,0727812tU²,

W_y=tU²0,5160518tU3/70,5=1,0321036tU².

Здесь вполне закономерно отсутствие второй оси материальной симметрии привело к тому, что центр тяжести поперечного сечения разделил один из габаритных размеров (высоту) на разновеликие части (y_min и y_max), а момент сопротивления такого сечения имеет два значения (W_x,min и W_x,max), которые отличаются друг от друга на

100(1,0727912-0,8601659)/(1,0727912…0,8601659)=19,8…24,7%.

Если принять, что полученная разница относительно невелика, то расположение центра тяжести поперечного сечения на середине его высоты можно обеспечить без изменения принятого отношения габаритных размеров за счет включения в расчетное сечение трапециевидной трубы парных усилений ее меньшей полки размером t×l:

A=3,6396tU+2tl.

Линейный размер каждого из парных усилений l необходимо рассчитать так, чтобы ордината центра тяжести оказалась равной половине габаритного размера по высоте (y_o=0,5V=0,5U):

y_o=(3,6396tU×0,445U+2×tl×U)/(3,6396tU+2tl);

0,5U=(3,6396tU×0,445U+2×tl×U)/(3,6396tU/+2tl);

l=0,200178U≈0,2U

при погрешности 100(0,200178-0,2)/(0,200178…0,2)=0,089%.

Тогда трапециевидная труба с таким размером парных усилений будет иметь следующие характеристики сечения:

l=0,2U;

A=Ut(3,6396+2×0,2)=4,0396tU;

у_о=0,5U;

I_x=tU³(0,4773921+3,6396(0,555-0,5)²+2×0,2×1²)=0,5884018tU³;

I_y=tU³(0,5160518+2(0,2³/12+0,2(0,2/2)²)=0,5213912tU³;

i_x=U(0,5884018/4,0396)^1/2=0,3816521U;

i_y=U(0,5213912/4,0396)^1/2=0,3592631U;

W_x=tU²0,5884018/0,5=1,1768036tU²;

W_y=tU²0,5213912/0,5=1,0427824tU².

Сравнение трапециевидной трубы с парными усилениями ее меньшей полки и трапециевидной трубы при одинаковых параметрах (U/V=1/1, U_min/U=0,6/1, U=const и t=const) показывает, что, если площадь сечения у предлагаемой трубы возросла в 4,0396/3,6396=1,11 раза, то момент инерции в плоскости несущей конструкции увеличился в 0,5884018/0,4773921=1,2325 раза, момент сопротивления - в 1,1768036/1,0727912=1,0970 раза, радиус инерции - в 0,3816521/0,3621684=1,0623 раза. При этом у трапециевидной трубы с парными усилениями (I/U=0,2/1) центр тяжести поперечного сечения находится на середине габаритного размера по высоте, что увеличивает ее конструктивно-компоновочные возможности и применение в балочных элементах несущих конструкций.

Практический интерес представляет также сравнение трапециевидной трубы с парными усилениями ее меньшей полки и трапециевидной трубы с внутренним ребром из прототипа при тех же одинаковых параметрах (U/V=1/1, U_min/U=0,6/1, U=const и t=const). Из этого сравнения следует, что, если площадь сечения у предлагаемой трубы стала больше в 4,1932/4,0396=1,0380 раза, то момент инерции в плоскости несущей конструкции увеличился в 0,5884018/0,564322=1,0427 раза, момент сопротивления - в 1,1768036/1,128644=1,0427 раза, радиус инерции - в 0,3816521/0,3668517=1,0403 раза.

Обобщая полученных результатов сравнения расчетных параметров можно прийти к выводу, что трапециевидная профильная труба с усиленной полкой достаточно рациональна для перспективного применения в строительной практике.

Claims (1)

1. Трапециевидная профильная труба, включающая две горизонтальные грани - полки в виде меньшего основания и большего основания равнобедренной трапеции в поперечном сечении, две наклонные грани - стенки в виде боковых сторон той же трапеции при отношении габаритных размеров профиля 1/1 и отношении размеров его полок 0,6/1 по средней линии сечения, а также сварной стык посередине меньшей полки с отбортовками, отогнутыми внутрь трубчатого профиля, отличающаяся тем, что эти отбортовки после заварки продольного шва формируют парные усиления ее меньшей полки, ширина каждого из которых равна 0,2 одного из габаритных размеров по средней линии того же сечения.