УЗЛОВОЕ БЕСФАСОНОЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ФЕРМЫ

Предполагаемое изобретение относится к области строительства и может быть использовано в несущих конструкциях покрытий зданий и сооружений, например в стропильных и подстропильных фермах или решетчатых прогонах.
Известны и наиболее рациональны в трубчатых фермах 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 диаметр трубы решетки не должен быть меньше 0,3 диаметра трубы пояса. В фермах из прямоугольных 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.
Известны также узловые бесфасоночные соединения трубчатых ферм, в которых пояса в местах примыкания стержней усилены. Так, разработаны фермы беспрогонных покрытий, где во всех узлах верхнего пояса предусмотрены клиновидные вставки, нижние грани которых параллельны нижнему поясу (Трофимов В.И., Каминский A.M. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений: Учеб. пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - С.100, рис.3.6, в). Установка клиновидных вставок-прокладок усиливает полку пояса и обеспечивает равенство углов примыкания к поясам всех раскосов. Однако такие вставки увеличивают трудоемкость изготовления и сборки конструкции.
Наиболее близким техническим решением является узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы (варианты), 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. Согласно другому варианту пояс имеет треугольное сечение. В обоих случаях соединение каждого из элементов решетки с поясом осуществляется по двум смежным его стенкам. При этом узловое соединение дополнительно может содержать уголковый профиль, являющийся накладкой, расположенной между поясом и элементами решетки (1. 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; 2. Зинькова В.А., Соколов А.А. Узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы (варианты) / БГТУ им. В.Г.Шухова. - Патент на изобретение №2329361. - 20.07.2008).
Недостатком известного узла-прототипа является сложность его применения в фермах беспрогонных покрытий, так как ребро пояса может смять листы профилированного 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 и увеличивает трудоемкость их изготовления и монтажа. Выполнение трубчатого элемента пояса треугольного сечения также снижает технико-экономические характеристики конструкции, так как острые углы профиля повышают концентрацию напряжений и расширяют зоны наклепа металла. Кроме того, уголковые накладки между элементами решетки и пояса в обоих вариантах известного узла-прототипа способствуют росту материалоемкости конструкции, трудоемкости их изготовления и монтажа.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение несущей способности, надежности и жесткости узлового бесфасоночного соединения трубчатых элементов фермы за счет снижения концентрации напряжений и объема сварки в узле, а также упрощение его конструктивного решения и снижение материалоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа.
Указанный технический результат достигается тем, что в узловом бесфасоночном соединении трубчатых элементов фермы, состоящем из пояса и жестко прикрепленных к нему стержней решетки прямоугольного сечения со сквозными вырезами в местах примыкания к поясу, полностью повторяющими геометрию этого примыкания, пояс выполнен пятиугольного сечения с одной горизонтальной, двумя вертикальными и двумя наклонными стенками, а диагонали поперечных сечений стержней решетки расположены в осевой плоскости фермы, при этом соединение каждого из стержней решетки с поясом осуществляется по наклонным его стенкам и ребру между ними, которое вместе с примыкающими непосредственно к нему диагональными ребрами стержней решетки также расположены в осевой плоскости фермы.
Предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы имеет достаточно универсальное техническое решение. Так, например, с таким же эффектом его можно использовать в трубчатых фермах с поясами ромбического или треугольного сечения. При этом два фактора благоприятно влияют на повышение несущей способности, надежности и жесткости узла по сравнению с прототипом. Первый из них заключается в том, что соединение стержней решетки с поясом осуществляется не только по смежным их стенкам, но и по ребрам между ними. Здесь ромбическая форма сварных швов способствует уменьшению концентрации напряжений подобно тому, как это происходит в соединениях с накладками ромбического типа (Металлические конструкции. В 3 т.Т. 1. Элементы конструкций: Учеб. для вузов / Под ред. В.В.Горева. - М.: Высшая школа, 2001. - С.169, рис.4.25, б).
Второй фактор заключается в увеличении вертикальных и горизонтальных габаритов поперечных сечений решетки. Такое увеличение размеров для стержней квадратного сечения составляет  раза и делает возможным их применение в бесфасоночных узлах, когда ширина раскоса не превышает 0,6 ширины пояса прямоугольного сечения. Так, в стальных фермах типа «Молодечно» пролетами 24 и 30 м ширина поясов равна 140 мм (0,6×140=84 мм), а минимальная ширина стержней решетки в бесфасоночных узлах - 100 мм (Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24, 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Серия 1.460.3-14. Чертеж КМ. Листы 36, 37.1, 37.2). Если группу слабонагруженных стержней решетки сечением 100×100 мм заменить на сечение 80×80 мм, развернутое диагональю в осевой плоскости фермы ( мм), то можно уменьшать расход конструкционного материала. Кроме того, здесь нет вырезов для примыкания, и обработка торцов стержней решетки ограничивается плоским резом, что также позитивно влияет на технико-экономические характеристики конструкции.
В качестве еще одного примера использования предлагаемого узлового соединения трубчатых элементов фермы можно привести варианты замены прямоугольных стержней решетки на эквивалентные им стержни пятиугольного сечения с более крупными габаритами (Пятиугольный замкнутый гнутосварной профиль / А.С.Марутян, Т.Л.Кобалия, С.А.Глухов, Г.М.Янукян, Ю.И,Павленко. - Заявка №20091477247 / 03 (067318), 18.12.2009). В частности, уже упомянутое прямоугольное (квадратное) сечение 80×80 мм можно заменить пятиугольным сечением 90×96,4 мм. Такое увеличение размеров сечения стержней решетки предохраняет в бесфасоночном узле стенку прямоугольного пояса от продавливания при сжатии и выдергивания при растяжении, а также обеспечивает сварные швы необходимой по расчету протяженностью, что в целом повышает надежность узлового соединения.
Предполагаемое изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показано предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы с верхним поясом прямоугольного сечения, вид сбоку; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы с нижним поясом прямоугольного сечения, вид сбоку; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.4; на фиг.6 - предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы с нижним поясом ромбического сечения, вид сбоку; на фиг.7 - разрез Д-Д на фиг.6; на фиг.8 - предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы с нижним поясом треугольного сечения, вид сбоку; на фиг.9 - разрез Е-Е на фиг.8; на фиг.10 - предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы с верхним поясом прямоугольного сечения, вид сбоку; на фиг.11 - разрез Ж-Ж на фиг.10; на фиг.12 - разрез И-И на фиг.10; на фиг.13 - предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы с нижним поясом квадратного (прямоугольного) сечения, вид сбоку; на фиг.14 - разрез К-К на фиг.13; на фиг.15 - разрез Л-Л на фиг.13; на фиг.16 - предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы с верхним поясом прямоугольного сечения и стержнями решетки пятиугольного сечения, вид сбоку; на фиг.17 - разрез М-М на фиг.16; на фиг.18 - разрез. Н-Н на фиг.16.
Предлагаемое узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы включает верхний пояс 1 или нижний пояс 2 пятиугольного сечения с одной горизонтальной, двумя вертикальными и двумя наклонными стенками, к которому жестко прикреплены, например сваркой, стержни решетки 3, выполненные в виде раскосов или раскоса и стойки (подвески). В модифицированных версиях узлового соединения верхний пояс 1 или нижний пояс 2 могут кроме пятиугольных иметь сечения ромбические (квадратные с диагоналями в осевой плоскости фермы), треугольные, прямоугольные, квадратные. Прямоугольные стержни решетки в местах крепления к поясу имеют сквозные вырезы, полностью повторяющие геометрию этих примыканий, и расположены относительно своих продольных осей так, что диагонали их поперечных сечений находятся в осевой плоскости фермы. Соединение каждого из стержней решетки с поясом выполняется по наклонным его стенкам и ребру между ними, которое вместе с примыкающими непосредственно к нему диагональными ребрами стержней решетки также расположены в осевой плоскости фермы.
В известном узле-прототипе вследствие значительных внутренних усилий в элементах фермы, вызванных большими нагрузками, может быть использован дополнительный элемент в виде уголкового профиля, являющийся накладкой, расположенной между поясом и элементами решетки. При таких нагрузках предлагаемое узловое соединение может оставаться бесфасоночным, то есть без применения дополнительного элемента усиления, так как значительные внутренние усилия передаются и воспринимаются не только наклонными стенками стержней решетки и пояса, но и ребрами между ними, которые при этом расположены в осевой плоскости фермы. Здесь отсутствие дополнительного элемента усиления указывает на вполне достаточную несущую способность предлагаемого узлового бесфасоночного соединения, что весьма благоприятно влияет на материалоемкость конструкций, трудоемкость их изготовления и монтажа.
Расположение диагоналей поперечных сечений прямоугольных (квадратных) стержней решетки в осевой плоскости трубчатой фермы при реализации предлагаемого узлового соединения расширяет область его применения по сравнению с узлом-прототипом и делает его решение более универсальным, пригодным для поясов ромбической (фиг.6, 7), треугольной (фиг.8, 9) и прямоугольной (фиг.10-15) форм. В последнем случае эффективность использования ромбических стержней решетки заметно возрастает из-за отсутствия в их торцах V-образных прорезей, что делает конструкцию менее трудоемкой. Такая реализация предлагаемого технического решения предопределяет его перспективность в узловых бесфасоночных соединениях пятиугольных стержней решетки с прямоугольными поясами трубчатых ферм (фиг.16-18).
Для сравнения предлагаемого технического решения с базовым объектом в качестве последнего принята стропильная ферма из замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно» ФС-30-1.3 пролетом 30 м, массой 1984 кг и расчетной нагрузкой 1,3 тс/м (Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24, 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Серия 1.460.3-14. Чертеж КМ. Листы 37.1, 37.2, 88). Новое техническое решение представлено стропильной фермой с узловыми бесфасоночными соединениями ромбических стержней решетки (раскосов) с прямоугольным верхним и квадратным нижним поясами. Ромбические раскосы скомпонованы из квадратных стержней сечением 80×80 мм, диагонали которых расположены в осевой плоскости стропильной фермы. Результаты расчетов приведены в сравнительной таблице, откуда видно, что расход конструкционного материала (стали) снижен на (1842-1785)/(1842…1785)×100=3,1…3,2%.
Таблица.
Расход стали на стержневые элементы
Варианты
Элементы
Сечение мм
Длина, м
Количество, шт.
Масса, кг
Примечание
Варианты
Элементы
Сечение, мм
Длина, м
Количество, шт.
Масса, кг
Примечание
1 м
1 шт.
всех
1 м
1 шт.
всех
Базовый объект
В1
180×140×5
30,0
1
24,3
729
729
Верхний пояс
Новое решение
В1
180×140×5
30,0
1
24,3
729
729
Верхний пояс
В2
В2
ВЗ
В3
В4
В4
В5
В5
H1
140×5
27,0
1
21,19
572
572
Нижний пояс
H1
140×5
27,0
1
21,19
572
572
Нижний пояс
Н2
Н2
Н3
Н3
Н4
Н4
Н5
Н5
Р1
120×4
2,5
4
14,57
36,4
146
Стержни решетки
P1
l20×4
2,5
4
14,57
36,4
146
Стержни решетки
Р2
Р2
Р3
100×3
2,5
16
9,13
22,9
366
Р3
100×3
2,5
4
9,13
22,8
91
Р4
Р4
Р5
Р5
◇80×3
2,5
12
7,26
18,2
218
Р6
Р6
Р7
Р7
Р8
Р8
Р9
Р9
Р10
Р10
С
80×3
2,0
2
7,26
14,5
29
С
80×3
2,0
2
7,26
14,5
29
Итого
1842
Итого
1785