СВАРНОЕ СТЫКОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБЧАТЫХ СТЕРЖНЕЙ
WELDED BUTT JOINT OF TUBULAR RODS

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано для стыкового соединения стержневых элементов из трубчатых профилей с равными размерами поперечного сечения.
Известно соединение труб одинакового диаметра встык на остающемся подкладном кольце (Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И.Кудишина. - М.: изд. центр «Академия», 2007. - С.294, рис.9.25, а). Такое соединение получается равнопрочным с основным металлом при расчетном сопротивлении наплавленного металла не ниже расчетного сопротивления материала труб для сталей, неразупрочняемых при сварке. При более низком расчетном сопротивлении наплавленного металла стыковое соединение на подкладном кольце можно выполнять косым швом (там же, рис.9.25, б).
Если невозможно обеспечить необходимую точность подгонки труб для сопряжения встык и равнопрочность сварного шва, стыковое соединение труб равных диаметров можно выполнять с помощью парных кольцевых накладок, гнутых из листа или вырезанных из трубы того же или несколько большего диаметра (там же, рис.9.25, в). Фигурные вырезы накладок позволяют увеличить длину шва для получения соединения, равнопрочного с основным металлом. При этом толщину накладок и сварного шва рекомендуется принимать на 20% больше толщины стыкуемых труб.
Недостатком таких стыковых соединений является сложность их выполнения из-за необходимости повышенной точности прямых, косых и фигурных резов. Кроме того, соединительные детали в виде подкладных колец и кольцевых накладок негативно влияют на расход конструкционного материала, а также на трудоемкость изготовления и монтажа стыков.
Для сопряжения встык стержневых элементов из трубчатых профилей можно использовать типовое соединение, включающее врезную фасонку и торцевые заглушки (Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы конструкций: Учебник для вузов / Под ред. В.В.Горева. - М.: Высшая школа, 2001. - С.352, рис.6.20, а). Врезная фасонка центрирована и проходит через середины торцов стыкуемых стержней, деля каждую из торцевых заглушек на две равные части. При этом, если глубина врезки фасонки в 1,6 раза и более превышает размер поперечного сечения трубчатого профиля, то прикрепление врезной фасонки к профилю и сам профиль являются равнопрочными (Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81* «Стальные конструкции») / ЦНИИСК им.Кучеренко. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - С.67).
Чтобы сопряжение встык было жестким в обеих плоскостях (вертикальной и горизонтальной) врезную фасонку можно усилить врезными ребрами, как это сделано в известном стыковом соединении трубчатых стержней (Кузнецов И.Л., Аксанов А.В. Стыковое соединение трубчатых стержней. - Патент на изобретение №2272109, 20.03.2006, бюл. №8). Здесь торцы трубчатых стержней могут быть закрыты заглушками, которые врезные фасонку и ребра делят на четыре равные части. Для размещения ребер необходимы дополнительные прорези в стенках трубчатых стержней, которые ничем не отличаются от аналогичных прорезей под фасонку. Поэтому длину каждой из прорезей можно сократить в два раза, за счет чего для равнопрочного прикрепления соединительных деталей необходимо и достаточно, чтобы глубина их врезки в 0,8 раза и более превышала размер поперечного сечения трубчатого профиля.
Недостатком стыковых соединений на врезных деталях является обязательная необходимость наличия последних, что увеличивает материалоемкость конструкций и повышает трудоемкость их изготовления и монтажа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является стыковое соединение растянутого пояса металлической фермы, где в разноименных полках стыкуемых профилей двутаврового сечения выполнены продольные прорези, в каждую из которых пропущена стенка смежного профиля (Марутян А.С. Стыковое соединение растянутого пояса металлической фермы. - Авторское свидетельство №1723281, 30.03.1992, бюл. №12). Если в таком стыке вместо болтовых соединений использовать сварные, то в нем не будет никаких соединительных деталей.
Недостатком прототипа является то, что для стыкового соединения трубчатых стержней выполнение всего только двух одиночных продольных прорезей в разноименных полках стыкуемых замкнутых профилей явно недостаточно.
Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое стыковое соединение, является уменьшение трудоемкости изготовления и монтажа, а также снижение расхода конструкционного материала.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в уменьшении трудоемкости изготовления и монтажа сварного стыкового соединения, а также в снижении расхода конструкционного материала.
Указанный технический результат достигается тем, что в сварном стыковом соединении трубчатых стержней, включающем примыкающие друг к другу концы стыкуемых замкнутых профилей с равными размерами поперечного сечения и с парными соосными продольными прорезями, для круглых сечений боковые кромки каждой из продольных прорезей отогнуты по радиальным направлениям в противоположные друг от друга стороны с зазорами, равными толщине сечения, а для прямоугольных сечений при помощи угловых продольных прорезей вертикальные стенки и горизонтальные полки отогнуты соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях с зазорами, также равными толщине сечения.
Предлагаемое сварное стыковое соединение трубчатых стержней имеет достаточно универсальное техническое решение. Его можно использовать, например, при реконструкции или модернизации для повторного применения стержневых элементов из унифицированного сортамента структурных конструкций системы «МАрхИ», «Кисловодск» (Современные пространственные конструкции (железобетон, металл, дерево, пластмассы): Справочник / Под ред. Ю.А.Дыховичного, Э.З.Жуковского. - М.: Высшая школа, 1991. - С.305, рис.2.8.4, б).
Не менее эффективно предлагаемое стыковое соединение применительно к трубчатым стержням прямоугольного сечения в целом и квадратного в особенности. Здесь целесообразно отметить, что экспериментальные исследования, проведенные в проектно-строительной компании «МК-Строй» (г.Пятигорск), подтвердили необходимую и достаточную несущую способность стыкового соединения, а также его равнопрочность со стыкуемыми трубчатыми стержнями из замкнутых гнутосварных профилей (ГСП) прямоугольного сечения.
Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показано предлагаемое сварное стыковое соединение трубчатых стержней круглого сечения в разобранном виде, аксонометрия; на фиг.2 - стержневой элемент из унифицированного сортамента структурных конструкций системы «МАрхИ», «Кисловодск», модернизированный при помощи сварного стыкового соединения для повторного применения; на фиг.3 - предлагаемое сварное стыковое соединение трубчатых стержней прямоугольного сечения в разобранном виде, аксонометрия; фиг.4 - снимок одного из опытных образцов сварного стыкового соединения трубчатых стержней из ГСП сечением  80×3 мм до его испытания на разрыв.
Предлагаемое сварное стыковое соединение трубчатых стержней 1 содержит парные продольные соосные прорези 2, длина каждой из которых составляет не менее 0,8 размера поперечного сечения трубчатого профиля, а ширина примерно равна двум толщинам того же сечения. В трубчатых стержнях 1 круглого сечения боковые кромки каждой из продольных прорезей 2 отогнуты по радиальным направлениям в противоположные друг от друга стороны с зазорами, равными толщине сечения. Парные продольные соосные прорези 2 в трубчатых стержнях 1 прямоугольного сечения являются угловыми и позволяют вертикальные стенки и горизонтальные полки отогнуть соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях с зазорами, также равными толщине сечения. При сборке или на монтаже трубчатые стержни 1 посредством прорезей 2 стыкуют между собой внахлестку, центрируют и обваривают угловыми швами 3, катет которых не должен превышать 1,2 толщины сечения.
Для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известным в качестве базового объекта приняты три варианта сварного стыкового соединения трубчатых стержней.
1. Типовое соединение на фланцах ферм покрытий из гнутосварных замкнутых профилей системы «Молодечно» (Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24, 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Серия 1.460.3-14. Чертежи КМ. Лист 44). При этом в рассматриваемом варианте болтовые соединения заменены сварными, а вместо двух фланцев из толстолистовой стали использован один фланец из стали толщиной 8 мм (Центральный НИИ строительных конструкций (ЦНИИСК) им. В.А.Кучеренко / Рекламный проспект. - М.: ЦНИИСК, 2009. - С.37).
2. Типовое соединение стержневых элементов из прямоугольных труб на врезной фасонке с торцевыми заглушками (Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы конструкций: Учебник для вузов / Под ред. В.В.Горева. - М.: Высшая школа, 2001. - С.352, рис.6.20, а). Здесь расстояние между торцевыми заглушками трубчатых стержней принято около 100 мм по аналогии со сквозными колоннами, для которых необходимо обеспечивать свободный зазор в 100…150 мм между ветвями (Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И.Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - С.235).
3. Стыковое соединение трубчатых стержней на врезной фасонке и врезных ребрах с заменой болтовых креплений через фланцы на сварные швы (Кузнецов И.Л., Аксанов А.В. Стыковое соединение трубчатых стержней. - Патент на изобретение №2272109, 20.03.2006, бюл. №8).
В предлагаемом стыке соединительных деталей нет, и его материалоемкость определяется длиной нахлестки стыкуемых трубчатых стержней.
Расход материала сравниваемых вариантов приведен в таблице, из которой видно, что в новом решении он уменьшается в 1,26…2,96 раза.
Отсутствие в предлагаемом стыке соединительных деталей не только снижает расход конструкционного материала, но и уменьшает трудоемкость его изготовления и монтажа. При этом неточности изготовления и монтажа можно компенсировать за счет прорезей соответствующих размеров, что также положительно влияет на трудоемкость.
Таблица
Эскиз
Наименование
Размеры, мм
К-во, шт
Масса, кг
Примечания
1 шт
всех
стыка
<img file="00000001.tif" he="34" wi="89" img-content="undefined" img-format="tif" />
Фланец
- 8×300×300
1
5,65
5,65
9,79 (126%)
Известное решение (вариант 1)
Ребро
- 8×110×140
8
0,50*
4,0
Сварные швы (1,5%)
0,14
<img file="00000002.tif" he="29" wi="103" img-content="undefined" img-format="tif" />
Фасонка
- 28×160×550
1
19,3
19,3
22,96 (296%)
Известное решение (вариант 2)
Заглушка
- 10×66×160
4
0,83
3,32
Сварные швы (1,5%)
0,34
<img file="00000003.tif" he="30" wi="94" img-content="undefined" img-format="tif" />
Фасонка
- 14×160×330
1
5,80
5,80
14,68 (192%)
Известное решение (вариант 3)
Ребро
- 14×73×330
2
2,65
5,30
Заглушка
- 10×73×73
8
0,42
3,36
Сварные швы (1,5%)
0,22
<img file="00000004.tif" he="23" wi="99" img-content="undefined" img-format="tif" />
Профиль
8×140
1
7,63**
7,63
7,75 (100%)
Новое решение
Сварные швы (1,5%)
0,12
* Учтена треугольная форма
** Длина нахлестки 2×115=230 мм