металлическая конструкция с решеткой из ромбических замкнутых гнутосварных профилей

Формула изобретения

Металлическая конструкция с решеткой из ромбических замкнутых гнутосварных профилей, включающая пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания, отличающаяся тем, что стержневые элементы решетки имеют трубчатое сечение ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости.

Описание изобретения к патенту

Предполагаемое изобретение относится к строительству, а именно к длинномерным строительным металлическим решетчатым конструкциям с трубчатыми поясами и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других несущих конструкций. Трубчатые строительные конструкции отличаются повышенными технико-экономическими характеристиками, так как конструкционный материал (металл) в поперечном сечении элементов расположен весьма эффективным образом. Однако дальнейший рост технико-экономических характеристик за счет применения наиболее рациональных особо тонкостенных труб сдерживается из-за сложности технических решений узловых соединений стержневых элементов решетки с поясами в решетчатых конструкциях.

Известна металлическая ферма, в которой трубчатый квадратный профиль пояса ориентирован ребром внутрь и к этому ребру через узловые фасонки приварены раскосы [Марчук А.Б. Узел металлической фермы. - Заявка № 2613425/29-33, 04.05.1978. - Авторское свидетельство № 688572. - 30.09.1979. - Бюл. № 36]. При таком техническом решении примыкания решетки улучшается работа узла, однако невозможно опирать элементы кровли непосредственно на ферму. Необходимо обязательно устанавливать прогоны, а для их опирания на пояс фермы - столики и подставки, что усложняет конструкцию. При этом узловые фасонки также негативно влияют на расход конструкционного материала и трудоемкость изготовления.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому 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]. Решетка, выполненная из стержневых элементов со сплющенными в плоскости конструкции концами, еще больше увеличивают жесткость узлов, что сопровождается ростом металлоемкости. Решетка, выполненная из стальных изогнутых элементов V- или W-образного очертания, отличается небольшой несущей способностью, особенно при сжатии, что ограничивает нагрузку на конструкцию.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является возрастание несущей способности конструкции с уменьшением расхода ее конструкционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в металлической конструкции с решеткой из замкнутых гнутосварных профилей, включающую пояса трубчатого 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 ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости.

В предлагаемой металлической конструкции треугольная или раскосная решетка выполнена из ромбического замкнутого гнутосварного профиля. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов ромбический профиль в заданных по проекту местах сплющивают и двойными гибами придают ему V- или W-образное (зигзагообразное) очертание, характерное решеткам из прутковых элементов. Протяженность полосовой (ленточной) заготовки ромбического профиля можно подобрать так, что его хватит на всю длину конструкции или ее отправочной марки. По сравнению с прутковой такая решетка имеет более высокую несущую способность (особенно при сжатии), что позволяет увеличить нагрузку на конструкцию или при фиксированной нагрузке снизить ее металлоемкость. Сплющивание и двойные гибы ромбического профиля обеспечивают компоновку бесфасоночных узловых соединений без конструктивных эксцентриситетов, характерных для трубчатых ферм из прямоугольных (квадратных) гнутосварных профилей, что исключает появление изгибающих моментов и позитивно влияет на расход конструкционного материала. Сплющивание предохраняет стенку поясных элементов от продавливания и позволяет уменьшить ее толщину. По линиям гибов ромбического 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 ромбического профиля имеют наибольшую жесткость, приближенную к жесткости рамного крепления, за счет которого в несущих конструкциях можно сократить связевые элементы, как это сделано в конструкциях покрытий типа «Тагил» [Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИ проектстальконструкция им. Н.П. Мельникова). - М.: Изд-во АСВ, 1998. - С.235-236]. При шарнирных закреплениях в плоскости конструкции и жестких (рамных) из плоскости расчетная длина 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 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 ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости. Причем значение радиуса инерции по большей диагонали превышает величину радиуса инерции аналогичного ромбического профиля с равными диагоналями, то есть квадратного, что определенным образом способствует дальнейшему снижению материалоемкости несущих конструкций.

Предполагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показан узел верхнего пояса металлической конструкции с треугольной решеткой, вид сбоку; на фиг.2 - то же применительно к нижнему поясу; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 приведен узел верхнего пояса металлической конструкции с раскосной решеткой, вид сбоку; на фиг.6 - то же применительно к нижнему поясу; на фиг.7 - разрез В-В на фиг.5; на фиг.8 - разрез Г-Г на фиг.5; на фиг.9 - фрагмент фермы с треугольной решеткой; на фиг.10 - фрагмент фермы с раскосной решеткой; на фиг.11 представлена расчетная схема поперечного сечения ромбических замкнутых гнутосварных профилей решетки металлической конструкции.

Предлагаемое техническое решение металлической конструкции включает верхний (сжатый) пояс 1, нижний (растянутый) пояс 2, растянутый раскос 3 треугольной или раскосной решетки и сжатый раскос 4 треугольной решетки или стойку 5 раскосной решетки. Стержневые элементы верхнего (сжатого) пояса 1 и нижнего (растянутого) 2 изготовлены из трубчатых профилей прямоугольного (квадратного) сечения. Растянутый раскос 3 и сжатый раскос 4 или стойка 5 выполнены из цельного стержневого элемента, трубчатое сечение которого имеет ромбическую форму с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости фермы (конструкции), а меньшая - из плоскости. В местах, предусмотренных проектом под бесфасоночные узловые соединения с поясами, ромбический профиль сплющивают и двойными гибами придают ему V- или W-образное (зигзагообразное) очертание. Формирование переходной и сплющенной частей стержневых элементов трубчатого сечения рекомендуется производить с обеспечением уклона переходного участка 1/6 [Трофимов В.И., Каминский A.M. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений:

Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - С.152]. По линиям двойных гибов образуются листовые шарниры, расстояние между которыми можно подобрать из условия абсолютной центровки бесфасоночных узлов фермы как с треугольной решеткой, так и раскосной. Между этими шарнирами сплющенный участок ромбического профиля предохраняет стенку поясного элемента от продавливания, одновременно обеспечивая необходимое и достаточное размещение сварных швов. Последние должны рассчитываться лишь на разность усилий в примыкающих раскосах 3 и 4 треугольной решетки или раскосе 3 и стойке 5 раскосной, а свариваться они могут в самом удобном (нижнем) положении. В собранной и сваренной конструкции (ферме) оптимальный угол наклона раскосов треугольной решетки составляет 45 50°, раскосной решетки - 30 35° [Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Изд. Центр «Академия», 2002. - С.267].

Для определения приведенного отношения диагоналей ромбического профиля можно воспользоваться расчетной схемой его поперечного сечения со срединной линией (см. фиг.11):

площадь сечения

осевые моменты инерции

радиусы инерции

где l - длина срединной линии стенки, то есть линии, проходящей через середину толщины стенки;

t - толщина стенки;

n - отношение меньшей диагонали a к большей b, n=а/b.

Если i_x=2i _y, то I_x=4I_y и можно составить следующее уравнение

(4/3)l³t(1/(n² +1))+(1/3)lt³(n²+1)/n²-4((4/3)l ³tn²/(n²+1)+(1/3)lt³(n ²+1)=0;

(4n²-1)((4/3)l³ t(1/(n²+1)+(1/3)lt³(n²+1))=0.

Откуда 4n²-1=0 и n=1/2.

Расчетные положения более подробно целесообразно рассмотреть на примере трубчатого профиля квадратной формы сечением 40×40×2 мм, использованного в конструкциях решетчатых прогонов пролетом 12 м [Тришевский И.С., Клепанда В.В. Облегченные металлические конструкции (справочное пособие). - Киев: «Будiвельник», 1978. - С.23-29]:

при n=1 (l=38 мм; t=2 мм; a=b=53,74 мм)

A=3,04см²;

I _x =I_y =I_x =I_y =7,3365 см⁴;

i_x =i_y =i_x =i_y =1,554 см;

при n=1/2 (l=38 мм; t=2 мм; a=33,91 мм; b=67,82 мм)

I_x =11,7567 см⁴; I_y =2,9392 см⁴;

i_x =1,967 см; i_y =0,9833 см.

Из полученных результатов видно, что радиус инерции в плоскости конструкции увеличился в i_x /i_x =1,967/1,554=1,2674 раза и в таком же размере уменьшилась гибкость стержневых элементов решетки. За счет подобного изменения гибкости (жесткости) появляется резерв несущей способности, особенно при сжатии, который предопределяет не только снижение расхода конструкционного материала, но и увеличение полезной нагрузки на конструкцию. Корректность расчетных положений подтвердилась также и примером квадратных профилей по ТУ 36-2287-80, входящих в «заводской» сортамент конструкций покрытий типа «Молодечно» [1. Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Серия 1.460.3-14. Чертежи КМ, 1980; 2. Стальные конструкции покрытий производственных зданий из замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения пролетом 18, 24 и 30 м с уклоном кровли 10%. Серия 1.460.3-23.98. Выпуск I. Чертежи КМ, 2000]. Расчетные параметры собраны в таблице 1, где в вычислениях при n=1 учитывалось, что поворот сечения квадратной формы на угол в 45° не изменяет значений осевых моментов инерции и радиусов инерции. Кроме того, результаты вычислений при n=1, как видно, весьма незначительно отличаясь от данных по ГОСТ 30245-2003 и ГОСТ Р 54157-2010, практически полностью совпали со значениями по ТУ 36-2287-80.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет в зависимости от проектных решений определенным подбором отношения диагоналей ромбических замкнутых гнутосварных профилей регулировать напряженно-деформационное состояние несущих конструкций, позитивно влияя на их материалоемкость и несущую способность. При этом появляется возможность в качестве исходных заготовок для ромбических профилей применить соответствующие им по калибру квадратные трубы, что может привести к дополнительному положительному эффекту.

Таблица 1
Геометрические характеристики поперечных сечений тонкостенных трубчатых профилей
Сечение, мм		40×2	80×3	100×3	120×3	140×4	160×4	180×5
n=1	1, мм	38	77	97	117	136	156	176
	a=b, мм	53,74	108,89	137,18	165,46	192,33	220,62	248,9
	А, см2	3,04	9,24	11,64	14,04	21,76	24,96	35,0
	Ix=Iy, см4	7,3365	91,4452	182,709	320,533	671,369	1013,043	1787,917
	ix=i y, см	1,554	3,146	3,962	4,778	5,555	6,371	7,147
ТУ 36-2287-80 («Молодечно»)	А, см2	-	9,24	11,64	14,04	21,76	24,96	35,0
	Ix=Iy, см4	-	91,4	182,7	320,5	671,3	1013	1787,9
	ix=iy, см	-	3,14	3,96	4,77	5,55	6,37	7,15
n=1/2	l, мм	38	77	97	117	136	156	176
	a, мм	33,91	68,71	86,56	104,41	121,37	139,21	156,17
	b, мм	67,82	137,42	173,12	208,82	242,74	278,42	312,34
	А, см2	3,04	9,24	11,64	14,04	21,76	24,96	35,0
	Ix, см4	11,7567	146,2638	292,274	512,779	1073,99	1620,636	2860,156
	I y, см4	2,9392	36,6093	73,1230	128,2610	268,6780	405,3670	715,4950
	ix, см	1,967	3,979	5,011	6,043	7,025	8,058	9,040
	iy, см	0,9833	1,991	2,506	3,022	3,514	4,030	4,521
	ix /iy , см	1,2658	1,2648	1,2648	1,2648	1,2646	1,2648	1,2649
ГОСТ 30245-2003	А, см2	2,94	9,01	11,41	13,81	21,35	24,55	34,36
	I x= Iy,см4	6,94	87,81	177,0	312,3	651,5	987,0	1737,0
	ix=iy, см	1,54	3,12	3,94	4,76	5,52	6,34	7,11
ГОСТ Р 54157-2010	А, см2	2,97	9,01	11,41	13,81	21,35	24,55	34,36
	Ix= Iy, см4	7,07	87,84	177,05	312,35	651,62	987,17	1736,87
	ix=iy, см	1,543	3,122	3,939	4,756	5,525	6,341	7,110