ЗЕТОВЫЙ (Z-ОБРАЗНЫЙ) ГНУТОЗАМКНУТЫЙ ПРОФИЛЬ
ZEE (Z-SHAPED) FOLDED-CLOSED SECTION

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в качестве стержневых и балочных элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения. В частности, это могут быть поясные элементы ферм покрытий, стеновые ригели или кровельные прогоны.
К известному техническому решению можно отнести стеновые ригели и кровельные прогоны из холодногнутых профилей Z-образного сечения [СТО 0061-2008. Прогоны и ригели стальные оцинкованные из холодногнутых профилей С-образного и Z-образного сечений для систем покрытий и стен зданий. - М.: ЦНИИПСК им. Мельникова, 2008. - 90 с.]. Эти профили весьма востребованы на практике в составе легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК) различных зданий и сооружений. Однако их несущая способность ограничена сохранением местной (локальной) устойчивости и формы тонкостенного сечения.
Для увеличения несущей способности и надежности кровельных прогонов разработано техническое решение, представляющее собой узел рессорного типа опирания Z-образных прогонов на основные несущие конструкции с использованием дополнительных элементов Z-образного сечения, которые вкладываются один в другой под прогон на опоре и соединяются между собой и с прогоном болтами через овальные отверстия в стенках элементов [Данилов А.И., Туснина О.А. Узел рессорного типа опирания Z-образных прогонов на основные несущие конструкции. - Патент №2548268, 20.04.2015, бюл. №11]. Такое решение превращает Z-образное сечение прогонов в составное, включающее до трех стенок и столько же пар полок, соединенных болтовыми креплениями, что приводит к определенному росту трудозатрат и расхода конструкционного материала.
Еще одно известное решение (принятое за аналог) представляет собой гнутозамкнутый профиль прямоугольного сечения со стыком по середине одной из длинных граней, где каждая часть состыкованной грани имеет продолжение в форме I-образного ребра, а размер коротких граней в два раза меньше размера I-образных ребер и в три раза меньше размера длинных граней. Листовая заготовка такого профиля выполнена по всей длине с зубчатыми продольными кромками, зубцы которых расположены относительно друг друга в шахматном порядке и взаимно загнуты в пазах между собой после замыкания гнутого профиля по I-образным ребрам [Марутян А.С. Гнутозамкнутый профиль. - Патент №2641333, 17.01.2018, бюл. №2]. Зубчатое замыкание формирует профиль без сварки, что позволяет применять оцинкованную тонколистовую сталь. Поперечное сечение аналога оптимизировано по критерию равноустойчивости, рациональной для стержневых элементов, но требует определенной доработки для балочных элементов.
Наиболее близким к предлагаемому (принятым в качестве прототипа) является техническое решение, представляющее собой коробчатый элемент фермы системы «Мостосталь» в виде замкнутого гнутосварного профиля прямоугольного сечения из двух одинаковых листовых заготовок Z-образного очертания, где узкая полка одной заготовки приварена к широкой полке другой заготовки и наоборот - широкая полка одной заготовки приварена к узкой полке другой заготовки [Брудка Я., Лубиньски М. Легкие стальные конструкции. - М.: Стройиздат, 1974. - С. 299, рис. 8-93]. Такой коробчатый элемент имеет весьма узкую конфигурацию (отношение габаритов составляет 60/300=1/5), устойчивость которой обеспечивает решетчатая часть ферменной конструкции, а его сварные соединения ограничивают минимальную толщину свариваемых элементов и не позволяют применять оцинкованную сталь.
В приведенных технических решениях, включая прототип, несущая способность зетовых гнутых профилей обеспечена из условия их силового сопротивления поперечным нагрузкам и воздействиям, свойственным балочным конструкциям. Этим профилям можно придать замкнутую, но весьма компактную форму поперечного сечения с равными габаритами по ширине и высоте, достаточно устойчивую из плоскости и в плоскости несущей конструкции, что более предпочтительно для таких стержневых элементов, как пояса ферм. Подобная проработка зетовых гнутозамкнутых профилей, дополненная зубчатыми замыканиями по конструктивно-компоновочному решению из аналога, может способствовать расширению области их рационального применения.
Техническим результатом предлагаемого решения является достаточная местная (локальная) и общая устойчивость зетовых (Z-образных) гнутозамкнутых профилей из плоскости и в плоскости несущей конструкции, расширение области рационального применения, а также уменьшение дополнительных затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в зетовом (Z-образном) гнутозамкнутом профиле из двух одинаковых листовых заготовок Z-образного очертания, скрепленных между собой посредством зубчатых замыканий продольных кромок и взаимно опертых в зоне их контакта, одна из полок и половина стенки каждой заготовки в поперечном сечении имеют округлую форму в виде половины круглого полукольца, радиус которого равен ширине поясов, при этом округлая полка одной заготовки скреплена с прямой полкой другой заготовки и наоборот - прямая полка одной заготовки скреплена с округлой полкой другой заготовки.
Зетовый (Z-образный) профиль образован, согласно определению, стенкой и двумя полками, расположенными по разные стороны от стенки под прямым углом [ГОСТ 14350-80. Профили проката гнутые. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов, 1980. - С. 16].
Предлагаемый зетовый (Z-образный) гнутозамкнутый профиль обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого для его изготовления можно использовать не только зубчатые замыкания, но и сварные, болтовые или заклепочные соединения. При изготовлении гнутозамкнутых профилей без сварных, болтовых или заклепочных соединений параметры зубчатых продольных кромок их листовых заготовок Z-образного очертания целесообразно подобрать так, чтобы одним зигзагообразным резом формировать кромки сразу двух заготовок. Издержки производства при этом будут минимальными, что обеспечит уменьшение дополнительных затрат. При этом загибы зубчатых креплений гнутозамкнутых профилей увеличивают толщину смятия, что может способствовать определенному росту несущей способности соединений тонкостенных элементов, работающих в основном на сдвиг [Кузнецов И.Л., Фахрутдинов А.Ф., Рамазанов P.P. Результаты экспериментальных исследований работы соединений тонкостенных элементов на сдвиг. - Вестник МГСУ, 2016, №12. - С. 34-43]. При этом загибы зубчатых креплений обеспечивают сохранение местной (локальной) устойчивости и формы сечения тонкостенных элементов до достижения предельного состояния, что позволяет рассчитывать не редуцированные сечения, а сечения нетто [Белый Г.И. К определению редуцированных сечений стержневых элементов легких стальных тонкостенных конструкций. - Вестник гражданских инженеров, 2017, №6. - С. 33-37]. Кроме того, загибы зубчатых креплений, распределенные равномерно по всей длине зетового гнутозамкнутого профиля, обеспечивают его монолитность в большей степени, чем зоны контакта с трением соединения фальцевого типа в прямоугольном профиле балки с креплениями торцов к зацепам, что позволило считать поперечное сечение балки монолитным [Яковлева Е.Л., Атавин И.В., Казакова Ю.Д., Максудов И.Х. Прочностные характеристики тонкостенных элементов. - Строительство уникальных зданий и сооружений, 2017, №12 (63). - С. 125-139].
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показано сечение зетового (Z-образного) гнутозамкнутого профиля; на фиг. 2 приведена расчетная схема зетового (Z-образного) гнутозамкнутого профиля (пунктиром обозначена средняя линия расчетного сечения нетто); на фиг. 3 представлены фрагменты листовых заготовок (штрипсов) Z-образного очертания до сборочных операций их зубчатых замыканий в зетовый профиль.
x
y
2
3
Для количественной оценки ресурсов несущей способности зетового гнутозамкнутого профиля целесообразно рассчитать площадь, а также моменты инерции его сечения I и I относительно главных центральных осей. Здесь очевидно, что сечение такого профиля можно считать составной фигурой, включающей пару половин круглого полукольца толщиной t и диаметром U, пару прямоугольников размерами t×0,5U, а также прямоугольник размерами t×V, где U - габарит гнутозамкнутого профиля по ширине, U=V; V - габарит того же профиля по высоте. Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней 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].
За составную половину полукольца можно принять сектор тонкостенного кольца с угловым параметром α=45°=π/4=0,785 [Справочник по сопротивлению материалов / Под ред. Г.С. Писаренко. - Киев: Наукова думка, 1988. - С. 68-69]:
с
xc
yc
с
где у, I, I, А - соответственно ордината центра тяжести сечения, момент инерции сечения относительно оси х-х, момент инерции сечения относительно оси у-у, площадь сечения половины полукольца;
R - радиус половины полукольца по ее средней линии, R=0,5U;
Расчетная площадь сечения нетто зетового гнутозамкнутого профиля складывается из расчетных площадей сечений нетто двух половин полуколец и трех прямоугольных участков стенки и поясов:
Моменты инерции расчетного сечения нетто зетового гнутозамкнутого профиля относительно центральных осей:
2
2
где cos45°=sin45°=0,5.
Моменты сопротивления расчетного сечения нетто зетового гнутозамкнутого профиля относительно центральных осей:
Радиусы инерции расчетного сечения нетто зетового гнутозамкнутого профиля относительно центральных осей:
Примерно такие же соотношения имеют геометрические характеристики гнутых профилей с Z-образной формой поперечного сечения, которые, как и другие стержневые элементы легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), характеризуются также коэффициентом редукции (или редукционным коэффициентом):
red
сж
р
где A (А) - расчетная площадь редуцированного сечения (или расчетная площадь сечения при сжатии), А (или А) - расчетная площадь полного сечения (или расчетная площадь сечения при растяжении).
Здесь в качестве базового объекта для сравнения можно использовать геометрические (статические) параметры всего ряда Z-образных профилей 142z (U/V=(60+55)/142=0,8098591) и такого же ряда Z-образных профилей 172z (U/V=(65+60)/172=0,7267441) [СТО 0061-2008. Прогоны и ригели стальные оцинкованные из холодногнутых профилей С-образного и Z-образного сечений для систем покрытий и стен зданий. - М.: ЦНИИПСК им. Мельникова, 2008. - С. 39]:
142z13 (t=1,3 мм)
142z14 (t=l,4 мм)
142z15 (t=1,5 мм)
142z16 (t=l,6 мм)
142z18 (t=l,8 мм)
142z20 (t=2,0 мм)
172z13 (t=1,3 мм)
172z14 (t=1,4 мм)
172z15 (t=1,5 мм)
172z16 (t=l,6 мм)
172z18 (t=l,8 мм)
172z20 (t=2,0 мм)
172z22 (t=2,2 мм)
172z25 (t=2,5 мм)
Сравнение приведенных параметров показывает, что гнутозамкнутые зетовые профили не менее рациональны и эффективны, чем гнутые Z-образные профили, а также достаточно перспективны для применения в несущих конструкциях. Поэтому практическое значение имеет дальнейшее уточнение расчетных характеристик предлагаемых профилей с добавлением зубчатых креплений взамен сварных, болтовых или заклепочных соединений. Для этого в рассмотренном зетовом профиле необходимо подобрать размеры элементов зубчатого крепления (зубцов), которые должны быть не меньше 1/10 габаритного размера сечения [СП 260.1325800.2016. Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов. Правила проектирования. - М., 2016. - С. 16, формула (7.2)]. В данном случае этот размер составляет 0,1U, где U - габарит гнутозамкнутого профиля по ширине.
В расчетных выкладках параметр зубчатых креплений (размер зубцов) отразится 4-кратным образом, так как зетовый гнутозамкнутый профиль имеет составное сечение из 2 листовых заготовок (штрипсов) с продольными кромками зубчатой формы:
Найденные значения отношения  зетового гнутозамкнутого профиля не превышают пределов редукционного коэффициента стержневых элементов легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК).
Чтобы проиллюстрировать предлагаемый зетовый гнутозамкнутый профиль и численные выкладки его геометрических характеристик, целесообразно воспользоваться некоторыми итогами рационализации (оптимизации) сечения бруса при косом изгибе, которые показали, что по прочности зетовое сечение более эффективно, чем коробчатое сечение [Юрьев А.Г., Толбатов А.А., Смоляго Н.А., Яковлев О.А. Рациональные сечения бруса при косом изгибе. - Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017, №11. - С. 60-63].
Геометрические (статические) характеристики зетового сечения бруса, оптимизированного по прочности при косом изгибе, составляют [Справочник по сопротивлению материалов / Под ред. Г.С. Писаренко. - Киев: Наукова думка, 1988. - С. 50-51]:
1
1
где b - ширина поясов, b=113 мм; t - толщина стенки зетового профиля, t=33,7 мм; h - высота зетового профиля, h=200 мм; t - толщина поясов, t=33,7 мм.
Если оптимизированный брус условно перепрофилировать в предлагаемый гнутозамкнутый профиль, то его геометрические (статические) характеристики будут иметь следующие значения:
Как видно, в результате такого условного перепрофилирования, не смотря на то, что расчетный параметр по толщине превысил пределы, принятые в ЛСТК, расход конструкционного материала уменьшился, а геометрические характеристики увеличились, что можно признать достаточно корректным обоснованием перспективности предлагаемого зетового (Z-образного) гнутозамкнутого профиля.
Практический интерес представляет сравнение нового технического решения с его прототипом, в котором использован тонколистовой прокат (t=2,0 мм), применяемый также и в ЛСТК. Прототип представляет собой замкнутый гнутосварной профиль прямоугольного сечения из двух одинаковых листовых заготовок Z-образного очертания, где узкая полка одной заготовки приварена к широкой полке другой заготовки и наоборот с образованием контура поперечного сечения размерами 300×60 мм и шириной поясов 80 мм.
Расчет по средней линии тонкостенного сечения по прототипу без учета его угловых закруглений и без учета численных величин можно представить в следующем виде:
Если гнутосварной профиль по прототипу условно перепрофилировать в зетовый гнутозамкнутый профиль, то его геометрические (статические) характеристики будут иметь следующие значения:
Очевидно, что и в данном случае полученные результаты расчетных выкладок, их сравнения подтверждают рациональность и эффективность использования зетовых гнутосварных профилей в несущих конструкциях.
Таким образом, подводя некоторые итоги, можно заключить, что предлагаемые двутавровые гнутозамкнутые профили достаточно перспективны для применения в несущих конструкциях зданий и сооружений. К этому заключению уместно добавить, что предлагаемый гнутозамкнутый профиль по своему Z-образному очертанию весьма схож с аналогичным по очертанию прогоном, оптимизированным по прочности при косом изгибе [Юрьев А.Г., Толбатов А.А., Смоляго Н.А., Яковлев О.А. Рациональные сечения бруса при косом изгибе. - Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017, №11. - С. 60-63].