ТРЕХГРАННАЯ РЕШЕТЧАТАЯ ОПОРА С ПОЯСАМИ ИЗ ПЛОСКООВАЛЬНЫХ ТРУБ
THREE-SIDED LATTICE SUPPORT WITH BELTS OF FLAT OVAL PIPES

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве опорных конструкций для антенно-мачтовых систем, громоотводов, линий электропередач, радиорелейной связи, ветрогенераторных установок, осветительных вышек, дымовых труб и других инженерных сооружений.
Известным техническим решением является трехгранная решетчатая опора с поясами из замкнутых треугольных, четырехугольных или пятиугольных профилей, выполненных путем перегиба стального листа, а также обратного симметричного отгиба под углом 60° обеих кромок того же листа в виде листовых фасонок для узловых соединений стержней решеток [Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Батердинов И.Р. Трехгранная решетчатая опора. - Патент №2564337, 20.05.2016, бюл. №14].
Такому техническому решению присущ недостаток известных трубчатых ферм из прямоугольных, квадратных, пятигранных и пятиугольных профилей, снижающий ресурс несущей способности конструкций и увеличивающий их материалоемкость из-за угловатости перечисленных форм поперечных сечений, сопровождающейся наклепом материала и повышенной концентрацией напряжений. Этот недостаток в рассматриваемом случае усугубляют двойные отгибы под острыми углами в обратных направлениях. Фасонки для соединения стержней решеток необходимы только в местах их примыкания к поясам, а в трехгранных трубчатых опорах подобные соединения и вовсе являются бесфасоночными, и узловые фасонки имеют ограниченное применение в монтажных стыках [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3 / Под ред. В.В. Кузнецова. - М.: Изд-во АСВ, 1999. - C. 42-43, рис. 1.29]. Поэтому двойные фасонки по всей длине поясов могут стать причиной увеличения расхода конструкционного материала и дополнительных затрат, вызванных обработкой торцевых кромок стержней решеток с продольными прорезями для пропуска этих фасонок. Кроме того, такие фасонки формируют пазухи, ухудшающие эксплуатационные качества несущих конструкций (особенно открытых).
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой трехгранной решетчатой опоре с поясами из плоскоовальных труб является трубчатая конструкция, в которой все стержневые элементы поясов и решеток (включающих раскосы и распорки) имеют круглые сечения, заводские соединения в виде сварных бесфасоночных узлов и монтажные стыки на болтах через фланцы [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3. / Под ред. В.В. Кузнецова. - М.: Изд-во АСВ, 1999. - С. 42-43, рис. 1.28].
Основной недостаток прототипа заключается в сложной форме (фигурной) разделки торцевых кромок стержней решеток (раскосов и распорок) для их непосредственного примыкания в узловых соединениях к поясам, поверхности которых отличаются полным отсутствием плоских участков, что требует соблюдать повышенную точность изготовления и сборочно-сварочных операций, увеличивает трудоемкость и сопровождается определенным ростом затрат. Этот недостаток определенным образом ограничивает область применения круглых труб, в чем они значительно уступают прямоугольным профилям, массово востребованным в строительной практике.
Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение трудоемкости изготовления опорных конструкций и снижение затрат на них.
Указанный технический результат достигается тем, что в трехгранной решетчатой опоре из трубчатых профилей, включающей пояса и стержни решеток, соединенные при помощи сварных бесфасоночных узлов и монтажных стыков на болтах через фланцы, поперечные сечения поясов имеют плоскоовальную форму с отношением габаритных размеров 1/1,542.
В предлагаемой несущей (опорной) конструкции все три пояса, а также решетки между ними выполнены из трубчатых профилей. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов все стержневые элементы решеток из круглых труб имеют плоскую разделку торцевых кромок под определенными углами наклона относительно поясных элементов. Такая разделка является наиболее простой и весьма технологичной, поскольку допускает обработку не отдельных стержней, а пакетную обработку однотипных элементов их плоскими резами фрезами или лентопильными станками. Для удобства наложения валиков сварных швов и повышения степени унификации бесфасоночных узловых соединений вполне оправдано применение конструктивных эксцентриситетов, ограниченных 0,25 высоты поясных элементов из прямоугольных труб, что допускает не учитывать их в расчетах [Руководство по проектированию стальных конструкций из гнутосварных замкнутых профилей / М.: ЦНИИпроектстальконструкция, 1978. - С. 24, п. 4.2.8]. Это допущение применительно к поясам из плоскоовальных труб нуждается в подтверждении за счет соответствующих проработок и экспериментальных исследований. Однако оно вполне может послужить своего рода расчетно-теоретической предпосылкой в новом техническом решении, обеспечивающей в трехгранной опоре равноустойчивость трубчатых поясов из плоскоовальных труб относительно осевых плоскостей решеток. Исходя из этого, чтобы стержневые элементы поясов в плоскостях и из плоскостей решеток имели одни и те же гибкости, целесообразно использовать приведенный конструктивный эксцентриситет для расчета оптимальных параметров плоскоовальных труб.
Предлагаемое техническое решение поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 показана аксонометрия фрагмента трехгранной решетчатой опоры с поясами из плоскоовальных труб; на фиг. 2 - расчетная схема поперечного сечения пояса с конструктивным эксцентриситетом бесфасоночного узла; на фиг. 3 приведен поперечный разрез опорной конструкции с поясами из плоскоовальных труб, оптимизированных по критерию равноустойчивости; на фиг. 4 - поперечный разрез опорной конструкции с поясами из плоскоовальных труб, оптимизированных по максимуму прочности на изгиб.
Предлагаемое техническое решение опорной конструкции включает пояса 1, а также соединяющие их решетки из раскосов 2 и распорок 3. Заводские соединения оформлены в виде бесфасоночных узлов с односторонними примыканиями раскосов 2 и распорок 3 к поясам 1, а также с использованием конструктивных (расчетных) эксцентриситетов, по абсолютной величине равных 1/4 меньшего габаритного размера плоскоовального сечения поясной трубы. Монтажные стыки 4 выполнены при помощи стяжных болтов через фланцы.
Для вывода приведенного отношения габаритных размеров плоскоовального сечения поясов и количественной оценки ресурсов их несущей способности целесообразно использовать расчетные формулы, протестированные при оптимизации параметров плоскоовальных труб для решеток ферменных конструкций [Марутян А.С., Абовян А.Г. Расчет оптимальных параметров плоскоовальных труб для ферменных конструкций. - Строительная механика и расчет сооружений, 2017, №4. - С. 17-22]:
x
3
2
3
I=Ut(0,0740286+0,785(1/n-0,363)+(1/n-1)/6);
y
3
I,=Ut(0,5/n-0,1075);
A=Ut(2/n+1,14),
x
y
где I, I, A - соответственно момент инерции сечения относительно оси x-x, момент инерции сечения относительно оси y-y, площадь сечения;
U - меньший габаритный размер поперечного сечения плоскоовальной трубы по средней линии;
V - больший габаритного размера поперечного сечения плоскоовальной трубы по средней линии;
n - отношение меньшего габаритного размера к большему, n=U/;
t - толщина стенки плоскоовальной трубы.
Когда центр бесфасоночного узлового соединения совмещен с центром тяжести поперечного сечения поясной трубы, моменты инерции сечения можно определить с учетом угла поворота осей:
2
2
где α - угол поворота осей, α=30°, cosα=0,75, sinα=0,25.
xp
yp
Очевидно, что рационально такое сечение поясной трубы, которое является равноустойчивым относительно плоскости решетки, когда гибкость в плоскости решетки равна гибкости из этой плоскости, то есть I=I. Тогда, подставив значения моментов инерции, можно получить кубическое уравнение
3
2
0,0591503n-0,284955n+0,1425n+0,0833333=0 с корнями
1
2
3
n=-0,3389272, n=1,0001144, n=4,1562863,
из которых практический интерес представляет второй корень
n=1,0001144≈1
при погрешности 100(1,0001144-1)/(1,0001144…1)=0,01143…0,01144%.
Такой результат показывает, что в случае нулевого эксцентриситета рационально техническое решение с поясами из круглых труб, принятое за прототип:
n=1;
U=V=D;
x
3
2
3
3
3
I=Ut(0,0740286+0,785(1/1-0,363)+(1/1-1)/6)=0,3925572Ut≈0,3925Dt
при погрешности 100(0,3925572-0,3925)/(0,3925572…0,3925)=0,01457%;
y
3
3
3
I=Ut(0,5/1-0,1075)=0,3925Ut=0,3925Dt;
при погрешности
при погрешности 100(0,3925142-0,3925)/(0,3925142…0,3925)=0,00361%,
где D - диаметр эквивалентной (равновеликой по площади сечения) круглой трубы по средней линии ее сечения;
x
y
xp
yp
3
3
I=I=I=I=0,3925Dt=πDt/8 - осевые моменты инерции сечения той же трубы;
A=πDt=3,14Dt - площадь сечения той же трубы.
В предлагаемом техническом решении, когда центр бесфасоночного узлового соединения смещен относительно центра тяжести поперечного сечения поясной трубы на расстояние, равное 1/4 меньшего из габаритных размеров плоскоовального сечения (0,25U), моменты инерции сечения можно определить с учетом угла поворота осей и приведенного расстояния между осями ординат:
xp
yp
xp
yp
Для обеспечения равноустойчивости, как и в случае с прототипом, приняв I=I или I-I=0, можно получить кубическое уравнение
3
2
0,0120998n+0,409955n-0,1425n-0,0833333=0 с корнями
1
2
3
n=-34,2194198, n=-0,3103104, n=0,6485917,
из которых практический интерес представляет третий корень
n=0,6485917=1/1,541802≈1/1,542 при погрешности 100(1,542-1,541802)/(1,542…1,541802)=0,01284%.
Оптимизированное таким образом плоскоовальное сечение поясной трубы имеет следующие параметры:
n=1/1,542;
x
3
2
3
3
I=Ut(0,0740286+0,785(l,542-0,363)+(1,542-1)/6)=1,1917413Ut;
y
3
3
I=Ut(0,5×1,542-0,1075)=0,6635Ut;
А=Ut(2×1,542+1,14)=4,224Ut;
xp
x
y
2
2
3
3
I=Icosα+Isinα=Ut(l,1917413×0,75+0,6635×0,25)=1,0596854Ut;
при погрешности 100(1,0596854-1,0595603)/(1,0596854…1,0595603)=0,0118%.
Для сравнения предлагаемого технического решения и его прототипа полученные значения расчетных параметров целесообразно выразить через площадь сечения и толщину листовой заготовки (штрипса), приняв их за постоянные величины (A=const и t=const):
- круглое сечение поясной трубы
D=A/(3,14t)=0,3184713А/t;
x
y
xp
yp
3
3
2
I=I=I=I=0,3925(0,3184713A/t)=0,0126779А/t;
- плоскоовальное сечение поясной трубы
U=A/(4,224t)=0,2367424A/t
xp
yp
3
3
2
I=I=1,0596(0,2367424A/t)t=0,0142376A/t
Как видно, моменты инерции сечения поясных труб относительно плоскостей решеток в предлагаемом техническом решении больше, чем в его прототипе на 100(0,0142376-0,0126779)/(0,0142376…0,0126779)=10,95…12,3%.
x
x,max
Практический интерес может вызвать еще одно сравнение предлагаемого технического решения и его прототипа в случае, когда плоскоовальное сечение поясных труб имеет отношение габаритных размеров, отличное от приведенного. Таким отношением может быть, например, 1/3,064, полученное в результате оптимизации плоскоовального сечения трубчатого профиля из условия наибольшей прочности его на изгиб (W=W) [Марутян А.С. Способ перепрофилирования круглой трубы. - Патент №2623558, 27.06.2017, бюл. №18]:
n=1/3,064;
A=Ut(2×3,064+1,14)=7,268Ut;
U=A/(7,268t)=0,1375894A/t;
x
3
2
3
3
I=Ut(0,0740286+0,785(3,064-0,363)+(3,064-1)/6)=7,2663913Ut;
y
3
3
I=Ut(0,5×3,064-0,1075)=1,4245Ut;
xp
x
y
2
2
3
3
I=Icosα+Isinα=Ut(7,2663913×0,75+1,4245×0,25)=5,8059184Ut
Как видно, когда центр бесфасоночного узлового соединения смещен относительно центра тяжести поперечного сечения поясной трубы на расстояние, равное 1/4 меньшего из габаритных размеров плоскоовального сечения (0,25U), в рассматриваемом случае отношения моментов инерции сечения оказались отличными от единицы:
xp/
yp
II=5,8059184/3,3392228=1,7396019.
Довести это отношение до единицы можно подбором соответствующего значения эксцентриситета:
xp
yp
I/I=1
xp
yp
I-I=0
2
5,8059184-2,8849728-7,268e=0;
2
e=(5,8059184-2,8849728)/7,268=0,4018912;
e=0,6339488;
yp
3
3
I=Ut(2,8849728+7,268×0,4018912)=5,805918Ut.
Тогда при эксцентриситете, равном 0,6339488 от меньшего габаритного размера плоскоовального сечения (0,6339488U или е/U=1/1,5774)
xp
yp
3
3
3
2
I=I=5,805918Ut=5,805918(0,137589A/t)t=0,0151214A/t, что превышает моменты инерции сечения круглой трубы поясов прототипа на 100(0,01512-0,0126779)/(0,015122…0,0126779)=16,2…19,3%.
Полученный результат обеспечен за счет эксцентриситета, пренебречь которым нельзя, так как из-за него центр бесфасоночного узла смещается за пределы плоскоовального сечения поясной трубы с отношением габаритных размеров 1/3,064.
Таким образом, подводя некоторые итоги, можно прийти к выводу, что оптимизированное по критерию равноустойчивости относительно плоскостей решеток плоскоовальное сечение поясных труб с отношением габаритных размеров 1/1,542 при эксцентриситете бесфасоночных узлов 1/4 меньшего габаритного размера достаточно перспективно для применения в опорных конструкциях. Если к этому добавить, что разделка торцевых кромок всех стержневых элементов решеток из круглых труб ограничивается плоскими резами, то положительный эффект от предлагаемого технического решения может оказаться более наглядным и весомым.