Н-ОБРАЗНЫЙ ГНУТОСВАРНОЙ ПРОФИЛЬ

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в качестве стержневых элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения. В частности это могут быть элементы стоек, колонн, ферм, прогонов, ригелей, балок, рам, каркасов.
Известным техническим решением является многопролетная несущая конструкция в виде балки, включающей трубчатый (пустотелый) профиль из двух криволинейных стенок и двух плоских поясов (верхнего и нижнего). Обе стенки приварены к поясам и, будучи вогнутыми вовнутрь, объединены стяжными шпильками в зоне их контакта, что придает пустотелому профилю конструкции двутавровое очертание [Веселов В.В., Федоров A.M. Многопролетная несущая балка. - Патент №176462, 19.01.2018, бюл. №2]. Представленный профиль имеет составное сечение из двух пар листовых заготовок, цельность которого обеспечивают сварные швы и стяжные шпильки, что вызывает определенный рост материальных и трудовых затрат.При этом он далек от тех форм поперечных сечений, которые способствуют равной устойчивости из плоскости и в плоскости несущей конструкции.
Другое известное техническое решение представляет собой балку, выполненную из единой листовой заготовки, пояса которой изогнуты в виде треугольника и замкнуты двумя сварными швами. Высота стенки этой балки оптимизирована по предельно допустимой гибкости и составляет 2/3 высоты балки [Москалев Н.С., Попова Р.А. Стальные конструкции легких зданий. - М.: Издательство АСВ, 2003. С.65, рис. 4.5]. Рассмотренную балку можно считать гнутосварным профилем. Но двутавровая форма его поперечного сечения, вытянутая по высоте, разводит расчетные параметры устойчивости из плоскости и в плоскости несущей конструкции еще дальше, чем в предыдущем техническом решении.
Известно также техническое решение двутаврового гнутозамкнутого профиля из двух плоских поясов и двух вогнутых вовнутрь стенок, прикрепленных к поясам посредством зубчатых замыканий продольных кромок и взаимно опертых в зонах их контакта. Стенки в поперечном сечении имеют форму круглых полуколец, диаметр которых по средней линии тонкостенного сечения равен ширине поясов по средней линии того же сечения [Марутян А.С. Двутавровый гнутозамкнутый профиль (варианты). - Патент №2680560, 22.02.2019, бюл. №6]. Однако и такой профиль имеет составное сечение из двух пар листовых заготовок, цельность которого обеспечивают замыкания зубчатых креплений, что вызывает определенный рост материальных и трудовых затрат. Ширина плоских поясов равна высоте профиля, то есть отношение габаритных размеров по ширине и высоте равно 1/1, что является причиной разноустойчивости.
Известно еще одно техническое решение (принятое за аналог) в виде Н-образного гнутозамкнутого профиля с перфорированной полкой или с полкой без вырезов, оптимизированного в обеих этих модификациях по критерию устойчивости, равной из плоскости и в плоскости несущей конструкции. Причем в модификации с полкой без вырезов отношение габаритных размеров ширины и высоты по средней линии тонкостенного сечения профиля равно 1/1,81 [Марутян А.С.Η-образный гнутозамкнутый профиль с перфорированной полкой. - Патент №2714033, 11.02.2020, бюл. №5]. Замыкания зубчатых креплений двух пар листовых заготовок профиля по аналогу сопровождаются определенным ростом материальных и трудовых затрат, а угловые сопряжения между плоскими гранями стенок и полки негативно влияют на концентрацию напряжений и наклеп металла.
Наиболее близким к предлагаемому (принятым в качестве прототипа) является техническое решение, представляющее собой двутавровый гнутосварной профиль из двух плоских полок и двух вогнутых вовнутрь стенок, выполненных из единой листовой заготовки. Обе стенки изогнуты в виде круглых полуколец, диаметр которых по средней линии тонкостенного сечения равен ширине полок, и замкнуты одним сварным швом [Марутян А.С. Двутавровый гнутосварной профиль. - Патент №2686762, 30.04.2019, бюл. №13]. Закругления стенок позитивно влияют на концентрацию напряжений и наклеп металла. Однако их высота и ширина полок равнозначны, из-за чего отношение габаритных размеров ширины и высоты профиля равно 1/1, что сопровождается разноустойчивостью и не может обеспечить устойчивость, одинаковую из плоскости и в плоскости несущей конструкции.
С уменьшением разницы расчетных параметров устойчивости из плоскости и в плоскости несущей конструкции до нуля двутавровые очертания профиля по прототипу трансформируются в Н-образные. Применительно к Н-образному гнутосварному профилю полукруглые формы его полки (взамен плоской формы полки профиля по аналогу) снижают концентрацию напряжений и наклеп основного металла. Обозначенная проработка с переформатированием двутавровых гнутосварных профилей в такие же профили Н-образных конфигураций с полукруглыми полками, дополненная оптимизацией расчетных параметров, может способствовать расширению области их рационального применения.
Техническим результатом предлагаемого решения является устойчивость Н-образного гнутосварного профиля, одинаковая из плоскости и в плоскости несущей конструкции (равноустойчивость), а также уменьшение концентрации напряжений и наклепа основного металла.
Указанный технический результат достигается тем, что в Н-образном гнутосварном профиле из двух стенок (вертикальных граней) и одной полки из двух касающихся друг с другом полукруглых кольцевых граней, выполненных из единой листовой заготовки, ширина профиля по средней линии сечения равна диаметру полочных граней и в 1,84 раза меньше высоты стеночных граней по средней линии того же сечения.
Предлагаемый Η-образный гнутосварной профиль обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого сопряжения его полки со стенками имеют плавные формы с радиусом закруглений, максимальным из возможных, что уменьшает концентрацию напряжений и наклеп основного металла, увеличивает ресурсы его несущей способности и эксплуатации [Нежданов К.К., Гарькин И.Н. Подкрановая балка с повышенным техническим ресурсом эксплуатации. - Региональная архитектура и строительство, 2017, №3. - С. 119-122]. При этом оптимальные значения его расчетных параметров обеспечивают равноустойчивость и расширяют область рационального использования.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на
фиг. 1 представлена модификация Н-образного гнутосварного профиля, стенки которого загнуты с полным сплющиванием;
фиг. 2 - модификация Н-образного гнутосварного профиля, стенки которого загнуты без сплющивания;
фиг. 3 - модификация Н-образного гнутосварного профиля, стенки которого загнуты с частичным сплющиванием;
фиг. 4 приведена расчетная схема поперечного сечения Н-образного гнутосварного профиля, где пунктиром обозначена его средняя (срединная) линия;
x
y
Для вывода приведенного отношения размеров ширины и высоты Н-образного гнутосварного профиля, количественной оценки его несущей способности целесообразно рассчитать моменты инерции сечения I и I относительно главных центральных осей, а также площадь сечения А. Рассматриваемое сечение можно считать составным из двух удлиненных прямоугольников, четырех укороченных прямоугольников и двух круглых полуколец. Удлиненные прямоугольники представляют собой наружные грани стенок профиля. Круглые полукольца образуют полку между стенками. Укороченные прямоугольники придают круглым полукольцам U-образные очертания и формируют внутренние грани стенок.
2
3
Расчетные выкладки допустимо выполнять по средней (срединной) линии тонкостенного сечения без учета его угловых закруглений и без учета численных величин, содержащих значения толщины, возведенной во вторую и третью степень (t, t) [Марутян А.С. Оптимизация конструкций из трубчатых (гнутосварных) профилей квадратных (прямоугольных) и ромбических сечений. - Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №1. - С. 30-38].
Поперечное сечение половины полки представляет собой круглое полукольцо, для которого вполне применимы расчетные формулы, протестированные при оптимизации параметров плоскоовальных труб для ферменных конструкций [Марутян А.С., Абовян Г.А. Расчет оптимальных параметров плоскоовальных труб для ферменных конструкций. - Строительная механика и расчет сооружений, 2017, №4. - С. 17-22]:
о,пк
пк
x,пк
У,пк
3
3
y=0,1815U; A=l,57tU; I=0,037014tU; I=0,196250tU,
о,пк
х,пк
у,пк
пк
где у, I, I, А - соответственно ордината центра тяжести, моменты инерции относительно осей х-х и у-у, площадь сечения полукольца;
U - ширина Н-образного гнутосварного профиля, равная диаметру полукольца по средней линии его сечения;
t - толщина полукольца, равная толщине листовой заготовки.
Тогда расчетные параметры Н-образного гнутосварного профиля по средней линии его сечения составляют:
площадь сечения
A=2×1,57tU+2tU/n+4×0,5tU{1/n-1)=tU(4/n+1,14);
моменты инерции
х
3
2
3
I=2(0,0370143tU+1,57tU/(0,1815U))+2(U/n)t/12+
3
2
3
3
2
+4((0,5U/(1/n-1)t/12+0,5U/(1/n-1)(0,25U)(1/n+1)))=tU(0,4583333/n-0,375/n+0,375/n-0,1141996);
y
3
2
2
3
I=2×0,196250tU+2tU/n(0,5U)+4×0,5tU(1/n-1)(0,5U)=tU(1,5/n-0,6075),
где n - отношение меньшего (горизонтального) габарита к большему (вертикальному), n=U/V.
Полученные расчетные формулы можно протестировать, поскольку при n=1 Η-образный гнутосварной профиль трансформируется в двутавровый гнутосварной профиль с равными размерами ширины и высоты (прототип), который повернут на угол в 90 градусов:
A=tU(4/1+1,14)=5,14tU;
x
3
3
2
3
I=tU(0,4583333/1-0,375/1+0,375/1-0,1141996)=0,3441337tU;
при погрешности 100(0,3441566-03441337)/(0,3441566…0,3441337)=0,007%;
y
3
3
I=tU(l,5/1-0,6075)=0,8925tU
при погрешности 100(0,8925154-0,89250)/(0,8925154…0,89250)=0,002%.
Как видно, погрешность приближенного расчета тонкостенного сечения по его средней линии вполне корректна для решения оптимизационных задач и вариантного проектирования.
Если значения осевых моментов инерции сечения приравнять друг к другу, то будет иметь место уравнение третьей степени:
х
У
I-I=0;
3
2
0,4583333/n-0,375/n-1,125/n+0,4933004=0;
3
2
0,4933004n-1,125n - 0,375n+0,4853333=0;
1
2
3
n=-0,700198; n=0,5447073≈0,5447; n=2,43605.
Практическое применение имеет третье значение переменной n, когда рассчитываемый профиль является равноустойчивым из плоскости и в плоскости несущей конструкции:
n=0,5447=1/1,8358729≈1/1,84;
A=tU(4/0,5447+1,14)=8,4834918tU;
U=(A/t)/8,4834918=0,1178759A/t; V=U/n=(0,1178759A/t)/0,5447=0,2164051A/t;
х
3
3
2
3
I=tU(0,4583333/0,54 47 - 0,375/0,5447+0,375/0,5447 - 0,1141996)=2,1463616tU;
y
3
3
I=tU(l,5/0,5447-0,6075)=2,1463094tU;
x
y
I/I=2,1463616/2,1463094=l,0000243≈1;
x
1/2
i=U(2,1463616/8,4834918)=0,5029954U;
y
1/2
i=U(2,1463094/8,4834918)=0,5029893U;
x
y
i/i=0,5029954/0,5029893=1,0000121≈1.
Расчетные параметры Н-образного гнутосварного профиля, оптимизированного по критерию равноустойчивости, более наглядны для сравнения в табличной форме с соответствующими равноустойчивыми профилями: треугольным равнокатетным (с внутренним ребром) [Марутян А.С. Треугольная равнокатетная профильная труба (гнутосварной профиль). - Патент №202405, 16.02.2021, бюл. №5], трапециевидным (с внутренним ребром), полуплоскоовальными (с внутренним ребром и без такого ребра), круглым [Марутян А.С. Расчет оптимальных параметров полуплоскоовальных труб для ферменных и балочных конструкций // Строительная механика и расчет сооружений, 2019, №2. - С. 68-74], а также треугольным (равностороннем), квадратным и пятиугольными [Марутян А.С. Оптимизация пятиугольных профильных труб новой модификации // Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №3. - С. 25-35]. За эталонные (100-процентные) показатели приняты расчетные параметры трубчатого профиля по предлагаемому техническому решению (таблица). Из сравнительного анализа следует, что Н-образные гнутосварные профили достаточно рациональны для перспективного использования в несущих конструкциях различных зданий и сооружений.