МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ РАМА КАРКАСА ЗДАНИЯ ИЛИ СООРУЖЕНИЯ
METAL FRAME OF BUILDING OR STRUCTURE

Область техники
Изобретение относится к строительству и предназначено, преимущественно, для применения в качестве несущих рам промышленных, гражданских, сельскохозяйственных зданий и сооружений, состоящих из колонн и опирающихся на них ригелей.
Уровень техники
Известна балка (ригель) составная сварная двутаврового сечения, состоящая из двух параллельно ориентированных поясов из тонколистового проката с перпендикулярно приваренной к ним тонкостенной поперечно гофрированной стенкой (RU 76936 U1, 10.10.2008).
Недостатками заявленного технического решения аналога является то, что пояса балки выполнены в виде тонколистовых плоских элементов (пластина).
Известно, что при изгибе балки верхний пояс сжимается, нижний растягивается. Одним из основных параметров несущей способности сжатого пояса балки является местная потеря устойчивости (местное выпучивание пояса под действием сжимающих напряжений). В аналоге пояса выполнены в виде обычных пластин, которые имеют пониженную способность сопротивления местному выпучиванию, вследствие чего рассматриваемая конструкция балки имеет низкую несущую способность по критерию «местная устойчивость» сжатого пояса.
Известна металлическая сварная колонна, представленная тонкостенной поперечно гофрированной стенкой и двумя поясами из тонколистового проката с (RU 56429 U1, 10.09.2006).
Недостатками заявленного технического решения аналога является то, что пояса колонны выполнены в виде плоского тонколистового проката (пластина).
Одним из основных параметров несущей способности колонн является местная устойчивость поясов — то есть способность поясов сопротивляться сжимающим усилиям без потери местной устойчивости (местное выпучивание поясов под действием сжимающих напряжений). Пояса колонны выполнены в виде обычных пластин, которые имеют пониженную способность сопротивления местному выпучиванию, вследствие чего рассматриваемая конструкция колонны имеет низкую несущую способность по критерию «местная устойчивость» сжатого пояса.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является металлическая рама каркаса здания, где колонны и ригель выполнены из сварных конструкций, представленных поперечно гофрированной стенкой и поясами в виде тонкостенных гнутых профилей https://msm24.ru/upload/medialibrary/61e/61e5220858fb2817a01ba65f62ba250d.jpg, https://msm24.ru/upload/medialibrary/276/276be5719b190b6b2c3c3cc7ed60b3e2.jpg .
Колонны и ригель рамы прототипа изготавливаются по ТУ 24.1.74–001–21862579–2017. Балки стальные сварные с гофрированной стенкой и поясами из гнутых профилей для строительных конструкций. Технические условия https://msm24.ru/sprav/tekhnicheskie-kharakteristiki-balok-gbgp-proizvodstva-zao-magsibmet.html, https://msm24.ru/sprav/effektivnye-konstruktsii-gofrobalok-dlya-lyegkikh-metallokarkasov-zdaniy.html, https://msm24.ru/portfolio/karkas-zdaniya-razmerom-18kh40-5kh6-m-krasnoyarsk-ul-pogranichnikov.html .
Колонны и ригели металлических рам прототипа представлены сварными конструкциями, состоящими из поперечно гофрированных стенок и жестко связанными с ними сваркой поясами из гнутых тонкостенных профилей. Каждый пояс колонн и ригелей рассматриваемых рам в сечении состоит из (фиг. 2):
1
1
- центрального участка l, опирающегося на гофрированную стенку и соединенного с ней сваркой, при этом длина участка lопределяется удвоенной амплитудой гофрированной стенки и размерами катетов сварных швов;
2
3
4
2
1
3
1
2
4
3
- и симметричных правого и левого свесов (l, l, l) в виде участков l, примыкающих по обе стороны к участку l, двух участков lзаданного радиуса гиба R, размещенных по обе стороны от участков lи сопряженных с ними, двух участков l, являющихся продолжением участков l.
2
4
Недостатками рамы прототипа является низкая несущая способность поясов колонн, ригеля по критерию «местная устойчивость», вследствие наличия плоских участков свесов поясов lи l.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение несущей способности колонн и ригелей металлических рам зданий и сооружений по критерию «местная устойчивость» поясов.
1
2
3
4
2
1
2
3
4
Заявленный технический результат достигается тем, что в металлической раме каркаса здания или сооружения, состоящей из колонн и опирающихся на них ригелей, колонны и ригели выполнены в виде сварных конструкций, которые состоят из гофрированной стенки, высотой Н, жестко соединенной с двумя поясами, каждый из которых в поперечном сечении представлен центральным прямолинейным участком l, перпендикулярным гофрированной стенке, длина которого образована удвоенной амплитудой профиля гофрированной стенки и катетами сварных швов, и симметричными правым и левым свесами, каждый из которых в поперечном сечении элементов рамы состоит из трех последовательно сопряженных между собой участков (l, l, l), которые сопряжены участками lс центральным прямолинейным участком l,  при этом каждый из трех последовательно сопряженных между собой участков свесов поясов (l, l, l) имеет свой радиус кривизны.
2
3
4
2
1
2
4
4
2
3
3
При этом радиусы кривизны трех последовательно сопряженных между собой участков (l, l, l) поперечных сечений свесов поясов колон и ригелей рамы могут иметь по длине переменные радиусы кривизны, уменьшающиеся в начале участков l, от мест сопряжения с прямолинейными участками lс R ≤ Н/2÷Н и в конце участков l до R ≤ (l+ l) ÷ l.
2
3
4
1
2
3
Как вариант исполнения поясов радиусы кривизны трех последовательно сопряженных между собой участков свесов поясов (l, l, l) поперечных сечений колон и ригелей рамы могут иметь по длине постоянный радиус кривизны R≤ (l+ l).
4
4
п
п
Также возможен вариант технического решения, когда радиусные участки lпоперечных сечений свесов поясовколон и ригелей рамы имеют постоянный радиус кривизны R ≥ 2t с центральным углом 360 градусов за вычетом технологического угла обратного пружинения, где t– толщина соответствующего пояса.
В результате предложенных конструктивных преобразований технического решения рамы прототипа свесы поясов предлагаемого решения колонн и ригелей рамы представляют собой фрагменты цилиндрических оболочек переменной или постоянной кривизны.
Общеизвестным является факт, что плоские пластины, работающие на сжатие в продольном направлении, имеют значительно меньшую несущую способность по критерию «продольная устойчивость» в сравнении с продольно сжатыми цилиндрическими оболочками (Биргер И.А. Стержни, пластины, оболочки. Издательство URSS, 2019 – 392 с.).
Именно замена в раме прототипе плоских участков свесов поясов колонн и ригелей на фрагменты цилиндрических оболочек переменной или постоянной кривизны дает эффект повышения несущей способности составляющих раму конструкций по критерию «местная устойчивость» сжатых поясов.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где
на фиг. 1 приведена металлическая рама, общий вид,
на фиг. 2 представлены сечения А-А, колонн и Б-Б ригелей рамы решения прототипа,
на фиг. 3, 4, 5 представлены сечения предлагаемого технического решения колонн А-А, ригелей Б-Б рамы (варианты исполнения),
на фиг. 6, 7 представлены результаты расчета колонн решения прототипа и предложенного технического решения в ПК ЛИРА-САПР сотвественно,
на фиг. 8 приведены фрагменты рассчитанных колонн рамы,
на фиг. 9, фиг. 10 (укрупненный фрагмент) представлен результат расчета ригеля решения прототипа в ПК ЛИРА-САПР,
на фиг. 11, фиг. 12 (укрупненный фрагмент) представлен результат расчета ригеля предлагаемого технического решения в ПК ЛИРА-САПР,
на фиг. 13 приведены фрагменты рассчитанных ригелей рамы.
Осуществление изобретения
- на фиг. 1 приведена металлическая рама, состоящая из колонн и опирающихся на них ригелей с обозначением сечений колонн А-А и ригелей Б-Б;
- на фиг. 2 представлены сечения А-А, колонн и Б-Б ригелей рамы решения прототипа, где пояса конструкций колонн и ригелей представлены гнутыми тонкостенными профилями, состоящими в сечении из:
1
1
- центрального участка l, опирающегося на гофрированную стенку и соединенного с ней сваркой, при этом длина участка lопределяется удвоенной амплитудой гофрированной стенки и размерами катетов сварных швов;
2
3
4
2
1
3
3
2
4
3
- и симметричных правого и левого свесов (l, l, l) в виде участков ᶩ, примыкающих по обе стороны к участку l, двух участков lзаданного радиуса гиба R, размещенных по обе стороны от участков lи сопряженных с ними двух участков l, являющихся продолжением участков l;
2
3
4
2
3
4
2
1
2
4
4
2
3
3
на фиг. 3 приведено сечения предлагаемого технического решения колонн А-А и ригелей Б-Б рамы,, где каждый из трех последовательно сопряженных между собой участков сечений свесов поясов (l, l, l) имеет свой радиус кривизны, либо каждый из трех последовательно сопряженных между собой участков сечений свесов поясов (l, l, l) имеет по длине переменный радиус кривизны, уменьшающийся в начале участков l, от мест сопряжения с прямолинейными участками l с R ≤ Н/2÷Н и в конце участков l до R ≤ (l+ l) ÷ l;
2
3
4
2
2
3
- на фиг. 4 представлены сечения предлагаемого технического решения колонн А-А, ригелей Б-Б рамы, с радиусными участками свесов обоих поясов (l, l, l),имеющих по длине постоянный радиус кривизны R≤ (l+l);
4
4
п
п
- на фиг. 5 представлены сечения предлагаемого технического решения колонн А-А и ригелей Б-Б рамы, где радиусные участки свесов обоих поясов  lимеют постоянный радиус кривизны  R ≥ 2t  с центральным углом 360 градусов за вычетом технологического угла обратного пружинения, где t– толщина соответствующего пояса колонн и ригелей рамы.
По результатам предварительных расчетов предлагаемые технические решения колонн и ригелей рам с заменой, в сравнении с прототипом, плоских участков свесов поясов фрагментами цилиндрических оболочек, обладает от 1,5 до 2 и более раз повышенной несущей способностью конструкций рамы (колонны, ригели) по критерию «местная устойчивость» поясов.
При этом технология изготовления конструкций рам (колонна, ригель) с формами сечений по предлагаемому техническому решению практически не отличается от технологии изготовления конструкций рам с сечениями прототипа.
Для доказательства эффекта повышения несущей способности конструкций рамы (колонна, ригель) с предлагаемым техническим решением поясов в сравнении с прототипом были выполнены расчеты в программном комплексе «ЛИРА-САПР» (далее ПК ЛИРА-САПР) по критерию «местная устойчивость» поясов. Элементы рассчитываемых в ПК ЛИРА-САПР конструкций моделировались пластинчатыми элементами соответствующих толщин.
В результате расчета сравнивался критерий местной потери устойчивости сжатых поясов колонн и ригелей с сечениями, принятыми в раме-прототипе и вариантом сечений конструкций колонн, ригелей предложенного технического решения.
уст
В качестве критерия местной потери устойчивости расчетных поясов ригелей и колонн в ПК ЛИРА-САПР рассчитывает значение коэффициента местной потери устойчивости k сжатых поясов конструкций.
уст
Коэффициент устойчивости kв ПК ЛИРА-САПР, как в любом конечно-элементном программном комплексе, показывает во сколько раз приложенная внешняя нагрузка отличается от критической по Эйлеру (идеальные механические системы), доставляющей потерю устойчивости рассчитываемого элемента (потеря прямолинейной формы равновесия с переходом в криволинейное равновесное состояние. ПК ЛИРА-САПР. Том I. Основные возможности. Библиотека КЭ. Примеры применения https://www.liraland.ru/public_private/lira/Verification/LIRA-SAPR_Verification_vol-1.pdf .
В сравнительных расчетах конструкций рам предлагаемого технического решения и решения прототипа приняты колонна и ригель с одинаковыми высотой колонны и пролетом ригеля, равными 4,0 м, одинаковыми габаритами сечений и толщинами элементов: гофрированная стенка в рассчитанных колонне и ригеле приняты синусоидальной формы с амплитудой волн 20 мм и шагом гофр 140 мм, высота стенки 500 мм в полном соответствие с решением-прототипом по ТУ 24.1.74–001–21862579–2017 https://msm24.ru/sprav/tekhnicheskie-kharakteristiki-balok-gbgp-proizvodstva-zao-magsibmet.html.
2
3
4
2
1
4
4
п
При этом в расчетных колонне и ригеле предложенного решения рамы участки свесов поясов в сечении (l, l, l) имели по длине переменные радиусы кривизны, уменьшающиеся в начале участков l, от мест сопряжения с прямолинейными участками l с R2 = 250 мм и в конце участков l до R = 50 мм при толщине поясов t = 3 мм.
В расчет принят ригель перекрытия первого этажа по фиг. 1 с разрезной схемой опирания на колонну, с опорными ребрами сечением 120х8 мм.
В расчетных колоннах нижний опорный узел представлен жестким креплением колонны в фундаменте, а верхняя опора колонн представлена, с целью упрощения расчета, шарнирно-подвижной в вертикальном направлении.
При этом в расчетах выполнено загружение колонн в виде центрально приложенной сжимающей нагрузкой 50 тс, а загружение ригелей в виде равномерно распределенной нагрузкой 10 тс/м в плоскости стенки.
В ПК ЛИРА-САПР выполнено моделирование и расчет рассматриваемых конструкций на местную устойчивость.
уст
На фиг. 6 представлен результат расчета в ПК ЛИРА-САПР колоны с сечением прототипа – показана первая форма потери местной устойчивости сжатых поясов расчетной колонны, полученный коэффициент первой формы потери устойчивости поясов равен k= 3,049. При этом критическая нагрузка центрально нагруженной колонны, соответствующая первой форме местной потери устойчивости поясов, составляет 50 тс*3,049 = 152,45 тс.
уст
На фиг. 7 представлен результат расчета в ПК ЛИРА-САПР колонны с сечением предлагаемого технического решения – показана первая форма местной потери устойчивости поясов, полученный коэффициент первой формы потери устойчивости сжатых поясов равен k = 5,35. При этом критическая нагрузка центрально нагруженной колонны, соответствующая первой форме потери местной устойчивости сжатых поясов, составляет 50 тс*5,35 = 267,5 тс.
На фиг. 8 приведены фрагменты рассчитанных колонн рамы.
Таким образом, в результате расчета в ПК ЛИРА-САПР получен эффект повышения несущей способности поясов конструкций колонн с сечением предложенного технического решения рам в сравнении с решением-прототипом по критерию «местная устойчивость» поясов в 5,35/3,049 = 1,75 раз, то есть несущая способность конструкций предлагаемого решения колонн рам повышается на 75 %.
Аналогичным образом в ПК ЛИРА-САПР проведен расчет ригелей рамы.
уст
На фиг. 9, фиг. 10 (укрупненный фрагмент ригеля) представлен результат расчета в ПК ЛИРА-САПР – показана первая форма местной потери устойчивости пояса ригеля рамы прототипа, полученный коэффициент первой формы местной потери устойчивости сжатого пояса ригеля равен k= 2,22. При этом критическая нагрузка, соответствующая первой форме местной потери устойчивости сжатого пояса 10 тс/м*2,22 = 22,2 тс/м.
уст
На фиг. 11, фиг. 12 (укрупненный фрагмент ригеля) представлен результат расчета в ПК ЛИРА-САПР – показана первая форма местной потери устойчивости сжатого пояса ригеля рамы предлагаемого технического решения, полученный коэффициент первой формы местной потери устойчивости сжатого пояса ригеля равен k= 4,31. При этом критическая нагрузка, соответствующая первой форме местной потери устойчивости сжатого пояса ригеля, составляет 10 тс/м*4,31 = 43,1 тс/м.
На фиг. 13 приведены фрагменты рассчитанных ригелей рамы.
В результате расчета конструкций ригелей рам в ПК ЛИРА-САПР получен эффект повышения несущей способности ригеля рамы с сечением предложенного технического решения в сравнении с решением-прототипом по критерию «местная устойчивость» сжатого пояса в 4,31/2,22 = 1,94 раза, то есть несущая способность конструкций предлагаемого решения ригелей рам повышается на 94 %.
Таким образом, указанные выше конструктивные особенности заявляемого изобретения, позволяют повысить несущую способность конструкций металлических рам каркаса здания или сооружения, что подтверждено расчетами в специализированном программном комплексе (ПК ЛИРА-САПР).