ФЕРМА ИЗ КВАДРАТНЫХ ТРУБ С ВЕРХНИМ ПОЯСОМ, УСИЛЕННЫМ ШВЕЛЛЕРОМ

Предлагаемое техническое решение относится к производству строительных длинномерных несущих металлоконструкций из труб и может найти свое применение в фермах, прогонах, колоннах, арках, рамах и других решетчатых конструкциях. Повышенные технико-экономические характеристики трубчатых строительных конструкций обусловлены весьма рациональным распределением конструкционного материала (металла) по периметру поперечного сечения элементов. Однако дальнейшее совершенствование качественных параметров за счет применения более экономичных особо тонкостенных труб (замкнутых гнутосварных профилей) сдерживается из-за сложности технических решений узловых соединений стержневых элементов в решетчатых конструкциях.
Наибольшее распространение в трубчатых фермах получили узловые бесфасоночные соединения с непосредственным примыканием стержней решетки к поясам [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкции: Учеб. для вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2001. - С. 459, 462, рис. 7.26, а; 7.28, а; 2. Металлические конструкции: Учеб. для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Академия, 2007. - С. 292, 295, рис. 9.24, 9.27]. Здесь во избежание продавливания (выдергивания) диаметр трубы решетки не должен быть меньше 0,3 диаметра трубы пояса. В фермах из прямоугольных (квадратных) труб такое ограничение ужесточено в два раза, то есть ширину стержня решетки следует принимать не менее 0,6 поперечного размера пояса.
Недостаток описанных узлов заключается в отмеченном ограничении, учет которого приводит к повышению расхода материала на стержни и увеличению металлоемкости конструкции. При этом неукоснительное соблюдение всех требований лишь отчасти снижает концентрацию напряжений в узлах, так как из четырех граней (стенок) поясных элементов только одна непосредственно сопряжена с торцами стержневых элементов решетки.
Еще одним известным техническим решением является решетчатая конструкция с узловым бесфасоночным соединением трубчатых элементов фермы, в котором диагональ поперечного сечения прямоугольного (квадратного) пояса расположена в осевой плоскости фермы, а раскосы в месте примыкания имеют сквозной вырез V-образной формы, полностью повторяющий геометрию этого примыкания. За счет такого выреза соединение каждого из элементов решетки с поясом осуществляется по двум смежным его стенкам [Зинькова В.А., Соколов А.А. Узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы. - Патент №2329361, 20.07.2008, бюл. №20]. Здесь из четырех граней (стенок) поясных элементов две из них и ребро между ним непосредственно сопряжены с V-образно обработанными торцами стержневых элементов решетки. Численные исследования таких узлов и их сопоставление с традиционными (типовыми) решениями показали, что при соблюдении одинаковых условий поперечные деформации уменьшились и распределились равномерно по длине пояса без особых экстремумов [Соколов А.А., Логачев К.И., Зинькова В.А. Численные исследования напряженно-деформированного состояния узловых бесфасоночных соединений трубчатых элементов ферм. - Промышленное и гражданское строительство, 2007, №8. - С. 40-41]. Равномерное (плавное) распределение деформаций указывает на снижение концентрации напряжений, примерно пропорциональное увеличению протяженности примыкания стержневых элементов решетки.
Более новое известное техническое решение отличается тем, что в осевой плоскости фермы из квадратных труб расположены диагонали поперечных сечений всех стержневых элементов (и верхнего пояса, и нижнего пояса, и элементов решетки между ними) [Кузнецов А.Ф., Кузнецов В.А. Ферма из квадратных труб. - Патент №116877, 10.06.2012, бюл. №16]. Узловые бесфасоночные соединения такой фермы были успешно апробированы в 1991-2001 годах [J.A. Packer, J. Wardenier, X. - L. Zhao, G. J. van der Vegte and Y. Kurobane. Construction with hollow steel sections. Design Guide for rectangular hollow section (RHS) joints under predominantly static loading. CIDECT, 2009. - P. 100-101]. Как и в предыдущем случае, современные численные исследования этих узлов и их сопоставление с традиционными (типовыми) решениями показали, что при соблюдении одинаковых условий имеют место снижение концентрации напряжений и рост несущей способности, примерно пропорциональные увеличению длин сварных швов (протяженности примыкания стержневых элементов решетки) [Байков Д.А., Колесов А.И., Маслов Д.С. Численные исследования действительной работы узлов фермы из квадратных труб, соединенных в узлах на ребро. - Приволжский научный журнал, 2012, №4. - С. 36-40].
Недостатком, общим для обоих известных технических решений, является сложность их применения в фермах беспрогонных покрытий, так как ребро пояса может смять профилированные листы настила. В прогонных покрытиях уже само ребро пояса может быть смято прогоном, поэтому необходимо устройство опорных столиков под прогоны, что негативно влияет на материалоемкость конструкций, а также увеличивает трудоемкость их изготовления и монтажа.
Отмеченный недостаток можно устранить при помощи замены квадратных труб верхних поясных элементов на пятигранные трубы составного сечения, сваренные из швеллеров и равнополочных уголков [Кузнецов А.Ф., Кузнецов В.А. Стальные решетчатые прогоны из труб для покрытий зданий, устойчивые против коррозии. - Приволжский научный журнал, 2012, №3. - С. 20-26]. Такое техническое решение является наиболее близким к предлагаемому, то есть прототипом, недостаток которого заключается в поясных элементах из пятигранных труб, негативно влияющих на унификацию и материалоемкость несущих конструкций. Этот недостаток обусловлен компоновкой пятигранных труб из прокатных швеллеров и равнополочных уголков с параметрами сечений, оптимизированными независимо друг от друга [Копытов М.М., Матвеев А.В. Легкие металлоконструкции из пятигранных труб. - Томск: STT, 2007. - 124 с].
Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение материалоемкости несущей конструкции с расширением ее компоновочных и унификационных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что в ферме с нижним поясом и решеткой из квадратных труб, верхним поясом из пятигранной трубы, сваренной из швеллера и равнополочного уголка, наклонные грани которого, как и все грани квадратных труб расположены под углом 45° относительно плоскости решетки с образованием узлов, где все грани торцов элементов решетки охватывают две смежные грани каждого пояса, в верхнем поясе вместо пятигранной трубы использована квадратная труба, сваренная для усиления со швеллером, причем швеллер размещен плашмя таким образом, что его горизонтальная полка и обе вертикальные стенки охватывают две смежные грани пояса, свободные в узлах от примыканий элементов решетки.
Предлагаемая ферма из квадратных труб с верхним поясом, усиленным швеллером, имеет достаточно универсальное решение, при реализации которого для этого пояса можно использовать как прокатные, так и гнутые, гнутосварные профили и их сочетания. В частном случае имеется возможность повторного применения квадратных профилей элементов решетки или нижнего пояса. При этом поперечные сечения элементов решетки могут быть ориентированы относительно осевой плоскости фермы (несущей конструкции) ортогонально (ортогональные раскосы) или диагонально (диагональные раскосы).
Компоновка поясного элемента из квадратной трубы и швеллера включает четыре рабочих версии:
- швеллер оперт на верхнее и боковые ребра трубы;
- швеллер оперт на боковые ребра трубы;
- швеллер оперт на грани трубы и ребро между ними;
- швеллер оперт на грани трубы.
Очевидно, что первая версия позволяет скомпоновать составное сечение, наиболее жесткое при прочих равных условиях. Однако и остальные версии компоновки обеспечивают необходимый и достаточный ресурс несущей способности стержневого элемента. В частности, третья версия компоновки применена в известном техническом решении симметричных ферм из одиночных уголков, где уголковый профиль верхнего пояса усилен швеллером, опертым на грани этого профиля и ребро между ними [Шимановский О.В., Божко В.А., Перельмутер А.В. Новые технические решения симметричных ферм из одиночных уголков. - Сборник научных трудов Украинского института стальных конструкций им. В.М. Шимановского (УкрНИИПСК). - Киев: Издательство «Сталь», 2008, выпуск 1. - С. 80-84, рис. 2]. В случае необходимости возможно аналогичное усиление швеллером квадратной трубы элемента решетки или нижнего пояса (все компоновочные версии), например для устройства подвесного потолка.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показан фрагмент фермы из квадратных труб с верхним поясом, усиленным швеллером, опертым на верхнее и боковые ребра трубы, и ортогональными раскосами, аксонометрия (сварные швы условно не показаны); на фиг. 2 - то же с диагональными раскосами; на фиг. 3 представлен фрагмент фермы из квадратных труб с верхним поясом, усиленным швеллером, опертым на боковые ребра трубы, и ортогональными раскосами, аксонометрия (сварные швы условно не показаны); на фиг. 4 приведен фрагмент фермы из квадратных труб с верхним поясом, усиленным швеллером, опертым на грани трубы и ребро между ними, и диагональными раскосами, аксонометрия (сварные швы условно не показаны); на фиг. 5 изображен фрагмент фермы из квадратных труб с верхним поясом, усиленным швеллером, опертым на грани трубы, и ортогональными раскосами, аксонометрия (сварные швы условно не показаны); на фиг. 6 - то же с диагональными раскосами и нижним поясом, усиленным швеллером.
Предлагаемая ферма (решетчатая конструкция) включает верхний (сжатый) пояс 1 из квадратной трубы 2, усиленной швеллером 3, и нижний (растянутый) пояс 4 из квадратной трубы. Элементы решетки (также из квадратных труб), объединяющей пояса, могут представлять собой ортогональные раскосы 5 или диагональные раскосы 6. В случае необходимости квадратная труба нижнего пояса 4 также может быть подкреплена швеллером 7.
Для сравнения предлагаемого технического решения с известным в качестве базового объекта приняты верхние (сжатые) пояса из пятигранных труб от стальных решетчатых прогонов с длиной пролета 12 м и допускаемыми расчетными нагрузками 6,2; 7,9; 11,1; 16,5; 18,2 и 31,8 кН/м [Кузнецов А.Ф., Кузнецов В.А. Стальные решетчатые прогоны из труб для покрытий зданий, устойчивые против коррозии. - Приволжский научный журнал, 2012, №3. - С. 20-26]. Расчетные параметры поперечных сечений пятигранных труб взяты из их сортамента [Копытов М.М., Матвеев А.В. Легкие металлоконструкции из пятигранных труб. - Томск: STT, 2007. - С. 113-114]. Новое решение представлено верхними поясами из квадратных труб по ГОСТ Р 54157-2010 и гнутых швеллеров по ГОСТ 8278-83, скомпонованными и рассчитанными применительно к тем же прогонам.
Из сравнения в табличной форме хорошо видно, что расход конструкционного материала на поясные элементы по новому решению уменьшился, а расчетные параметры их поперечных сечений возросли. В таком случае при фиксированной нагрузке можно снизить металлоемкость несущей конструкции или, не меняя массу конструкции, увеличить допускаемую нагрузку. Дополнительный положительный эффект нового решения проявляется в том, что сортаментный ряд у гнутых швеллеров и гнутосварных квадратных профилей длиннее, чем у прокатных швеллеров и равнополочных уголков, а это расширяет компоновочные и унификационные возможности предложенной конструкции. Так, в базовом объекте верхний (сжатый) пояс из пятигранной трубы ⌂[18∟125×8 использован дважды: при допускаемой расчетной нагрузке 16,5 и 18,2 кН/м. Рациональность замены поясного элемента применительно к большей из этих двух нагрузок отражена в таблице. Аналогичная замена также эффективна и для меньшей нагрузки, когда расход конструкционного материала можно уменьшить в 31,71/27,88=1,14 раза, где 27,88 кг/м - линейная плотность поясного элемента составного сечения ◇140×4,5[200×100×3.
Повторное использование в верхнем поясе квадратных профилей элементов решетки или нижнего пояса сопровождается повышением степени унификации предлагаемой фермы. Подобным образом подходящий квадратный профиль одного из элементов решетки при соответствующем усилении швеллером в случае необходимости (например, для устройства подвесного потолка) можно применить и для нижнего пояса несущей конструкции.
Таблица.
Расчетные параметры поперечных сечений поясных элементов из пятигранных труб (базовый объект) и квадратных труб, усиленных швеллерами (новое решение), а также их соотношения
Сечение, мм
Ординаты, мм
Площадь сечения A, см<sup>2</sup>
Линейная плотность, кг/м (%)
Моменты инерции, см<sup>4</sup> (%)
Моменты сопротивления, см<sup>3</sup> (%)
Радиусы инерции, см (%)
h<sub>п</sub>
y<sub>c</sub>
I<sub>x</sub>
I<sub>y</sub>
W<sub>x,min</sub>
W<sub>x,max</sub>
W<sub>y</sub>
i<sub>x</sub>
i<sub>y</sub>
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
⌂[10∟70×8
98
42
21,57
16,93 100%
225,6 100%
250,4 100%
39,83 100%
53,87 100%
50,07 100%
3,23 100%
3,40 100%
◇90×3[140×60×4
133,5
43,7
19,88
15,61 92,2%
311,88 138,2%
405,75 162,0%
34,73 87,2%
71,37 132,5%
57,96 115,8%
3,96 122,6%
4,52 132,9%
⌂[12∟90×6
120
46
23,91
18,77 100%
370,5 100%
434 100%
50,97 100%
80,6 100%
72,33 100%
3,94 100%
4,26 100%
◇120×3[160×80×2,5
172,5
63,8
21,53
16,90 90,0%
578,93 156,3%
628,05 144,7%
53,26 104,5%
90,74 112,6%
73,98 102,2%
5,19 131,7%
5,40 126,8%
⌂[14∟100×6,5
130
51
28,42
22,31 100%
548,2 100%
684,5 100%
68,33 100%
106,49 100%
97,78 100%
4,39 100%
4,91 100%
◇120×3,5[160×80×4
174
60
28,19
22,13 99,2%
696,94 127,1%
847,33 123,8%
61,14 89,5%
116,16 109,1%
99,69 102,0%
4,97 113,2%
5,48 111,6%
⌂[18∟125×8
160
65
40,39
31,71 100%
1128,1 100%
1556,8 100%
118,22 100%
173,64 100%
172,97 100%
5,28 100%
6,21 100%
◇140×4[200×100×5
203
68,2
40,33
31,59 99,6%
1423,81 126,2%
1826,03 117,3%
105,62 89,3%
208,77 120,2%
182,60 105,6%
5,95 112,7%
6,74 108,5%
⌂[22∟160×8
200
86
58,13
45,63 100%
2704,3 100%
3339,1 100%
234,92 100%
314,36 100%
303,55 100%
6,82 100%
7,58 100%
◇180×4[250×125×6
260
83,3
56,15
44,08 96,6%
3228,30 119,4%
4192,20 125,5%
182,70 77,8%
387,55 123,3%
330,09 108,7%
7,58 111,1%
8,64 114,0%