НЕСУЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ С РЕШЕТКОЙ ИЗ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ТРУБЫ

Предлагаемое техническое решение относится к строительству, а именно к длинномерным строительным несущим решетчатым конструкциям из труб и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других каркасных систем. Трубчатые строительные конструкции отличаются повышенными технико-экономическими характеристиками, так как конструкционный материал (сталь, алюминиевый сплав, металлопластик, композит, полимер, синтетика и т.д.) в поперечном сечении элементов расположен весьма эффективным образом. Однако дальнейший рост технико-экономических характеристик за счет применения более рациональных особо тонкостенных труб сдерживается из-за сложности технических решений узловых соединений стержневых элементов в решетчатых конструкциях.
Известным техническим решением является строительная металлическая тонкостенная решетчатая конструкция, включающая пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку. В одном варианте эта решетка выполнена из трубчатых элементов со сплющенными в плоскости конструкции концами, а в другом - из прутковых элементов V- или W-образного очертания [Орлик В.М. Строительная металлическая тонкостенная решетчатая конструкция. - Заявка №4776531/33, 03.01.1990. - Авторское свидетельство №1760041. - 07.09.1992. - Бюл. №33]. Этому техническому решению присущи недостатки известных трубчатых ферм с бесфасоночными примыканиями решетки к поясам, увеличивающими жесткость узловых соединений [Покровский А.А. Об учете жесткостей узлов в расчетах ферм с элементами малой гибкости. - Строительная механика и расчет сооружений, 2011, №4. - С. 31-32]. В решетке из стержневых элементов со сплющенными в плоскости конструкции концами жесткость узлов еще больше, что сопровождается ростом металлоемкости, а решетка из стальных изогнутых элементов V- или W-образного очертания, отличается небольшой несущей способностью, особенно при сжатии, что ограничивает нагрузку на конструкцию.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемой несущей конструкции с решеткой из прямоугольной трубы является несущая конструкция с решеткой из овальной трубы. Конструкция включает пояса трубчатого прямоугольного (квадратного) сечения и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания. Стержневые элементы решетки имеют трубчатое сечение овальной формы с отношением габаритов 1/2,5, где больший габарит расположена в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости [Марутян А.С. Несущая конструкция с решеткой из овальной трубы. - Патент №2554643, 27.06.2015, бюл. №18]. Недостаток этого технического решения заключается в том, что для изготовления решетки из овальной трубы, ее предварительно необходимо скомпоновать или посредством гибки и сварки листовой заготовки (штрипса), или при помощи перепрофилирования круглой трубы соответствующего калибра. Такая технологическая операция требует дополнительных затрат, увеличивает трудоемкость и себестоимость изготовления несущей конструкции.
Техническим результатом предлагаемого решения является сокращение дополнительных затрат, уменьшение трудоемкости и себестоимости изготовления несущей конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в несущей конструкции, включающей пояса и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов зигзагообразного очертания, стержневые элементы решетки имеют прямоугольное сечение с отношением габаритов 1/2,5, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости.
В предлагаемой конструкции верхний и нижний пояса, а также решетка между ними выполнены из трубчатых профилей. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов прямоугольную трубу решетки в заданных по проекту местах сплющивают и двойными гибами придают им зигзагообразные очертания. Протяженность прямоугольного профиля можно подобрать из расчета на всю длину конструкции или ее отправочной марки. Сплющивания и двойные гибы элементов решетки обеспечивают компоновку бесфасоночных узловых соединений без конструктивных эксцентриситетов, характерных для стропильных и подстропильных ферм из прямоугольных (квадратных) гнутосварных замкнутых профилей, что исключает появление изгибающих моментов и позитивно влияет на расход конструкционного материала. Однако вместе с тем для повышения степени унификации узлов верхних и нижних поясов вполне оправдано применение конструктивных эксцентриситетов, ограниченных 0,25 высоты поясных элементов, 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].
Сплющивания предохраняют стенки поясных элементов от продавливаний (выдергиваний) и позволяют уменьшить их толщины. По линиям гибов прямоугольного профиля в плоскости конструкции образуются листовые шарниры, которые соответствуют шарнирно-стержневой расчетной схеме (модели) и избавляют от необходимости учитывать жесткости узлов, что также способствует снижению металлоемкости. Из плоскости конструкции те же гибы сплющенных участков прямоугольной трубы имеют наибольшие жесткости, приближенные к жесткостям рамных креплений, за счет которых в несущей конструкции можно сократить связевые элементы, как это сделано, например, в конструкциях покрытий типа «Тагил» [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова). - М.: Изд-во АСВ, 1998. - С. 235-236]. При шарнирных закреплениях в плоскости конструкции и жестких (рамных) из плоскости расчетные длины стержневых элементов решетки в плоскости конструкции в два раза больше расчетных длин из плоскости [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учебник для вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С. 332, рис. 6.11]. Исходя из этого, чтобы стержневые элементы решетки в плоскости и из плоскости конструкции имели одну и ту же гибкость, целесообразен такой профиль поперечного сечения, у которого радиусы инерции по главным центральным осям отличаются между собой также в два раза. Такому условию вполне отвечает тонкостенное трубчатое сечение прямоугольной формы с отношением габаритов 1/2,5, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показан фрагмент несущей конструкции с решеткой из прямоугольной трубы; на фиг. 2 - поперечный разрез несущей конструкции; фиг. 3 - фрагмент несущей конструкции с решеткой из прямоугольной трубы и унифицированными узлами; на фиг. 4 - поперечный разрез несущей конструкции с унифицированными узлами; на фиг. 5 приведен снимок среза разнокалиберных прямоугольных труб; на фиг. 6 - расчетная схема поперечного сечения прямоугольной трубы; на фиг. 7 - графики изменений геометрических характеристик сечений прямоугольных труб в зависимости от увеличения отношений их габаритов.
Предлагаемое техническое решение несущей конструкции включает верхний (сжатый) пояс 1, нижний (растянутый) пояс 2, а также соединяющую их решетку 3 зигзагообразного очертания из прямоугольной трубы. Сечение прямоугольной трубы подобрано с отношением габаритов 1/2,5, где больший габарит расположен в плоскости конструкции, а меньший - из плоскости. В местах, предусмотренных проектом под бесфасоночные узловые соединения поясов с решеткой, прямоугольный профиль решетчатых элементов сплющивают с образованием площадок, необходимых и достаточных для удобного размещения, центровки и надежного закрепления всех сходящихся в каждом узле элементов (включая детали подвесных потолков, подвесных кранов, инженерных коммуникаций, технологического оборудования и т.д.). Прямоугольному профилю стержневых элементов решетки после сплющивания в нужных местах двойными гибами придают зигзагообразное очертание.
Формирование переходной и сплющенной частей стержневых элементов трубчатого сечения решетки рекомендуется производить с обеспечением уклона переходного участка 1/6…1/4 [1. Трофимов В.П., Каминский A.M. Легкие металлические конструкции зданий и сооружений: Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - С. 152; 2. J.A. Packer, J. Wardenier, X. - L. Zhao, G.J. van der Vegte and Y. Kurobane. Construction with hollow steel sections. Design Guide for rectangular hollow section (RHS) joints under predominantly static loading. CIDECT, 2009. - P. 102]. По линиям двойных гибов образуются листовые шарниры, расстояние между которыми можно подобрать из условия абсолютной центровки бесфасоночных узлов несущей конструкции (фермы), как с треугольной решеткой, так и раскосной. Между этими шарнирами сплющенный участок овального профиля решетки подкрепляет полку поясного элемента, одновременно обеспечивая необходимое и достаточное размещение сварных швов. Последние должны рассчитываться лишь на разность усилий в примыкающих стержнях, а свариваться они могут в самом удобном (нижнем) положении.
2
3
Для вывода приведенного отношения и количественной оценки ресурсов несущей способности зигзагообразной решетки из прямоугольной трубы за расчетное сечение этой трубы целесообразно принять составную фигуру, включающую пару вертикальных прямоугольников, соответствующих стенкам (вертикальным граням), и пару горизонтальных прямоугольников, соответствующих полкам (горизонтальным граням). Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней линии тонкостенного сечения без учета численных величин, содержащих значения толщины, возведенной во вторую и третью степень (t, t), а также без учета угловых закруглений [Марутян А.С. Оптимизация конструкций из трубчатых (гнутосварных) профилей квадратных (прямоугольных) и ромбических сечений. Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №1. - С. 30-38]:
A=2tU(1+1/n);
x
3
2
I=tU(0,1666666/n+0,5)/n;
y
3
I=tU(0,1666666+0,5/n),
x
y
где А - расчетная площадь сечения профиля; I - расчетный осевой момент инерции сечения относительно оси х-х; I - расчетный осевой момент инерции сечения относительно оси у-у; t - толщина грани;
n - отношение ширины полки (горизонтальной грани) U по средней линии сечения к высоте стенки (вертикальной грани) V также по средней линии сечения,
n=U/V.
x
y
x
y
Чтобы радиусы инерции по главным центральным осям отличались между собой в два раза (i=2i), соответствующие моменты инерции должны разниться в четыре раза, то есть I=4I.
Если подставить значения моментов инерции, то для отношения ширины полки к высоте стенки (n=U/V) можно получить кубическое уравнение
3
2
n+3n-0,75n-0,25=0
с корнями
1
2
3
n=-3,2094163; n=-0,1933851; n=0,4028014.
Из этих корней практический интерес представляет последний, значение которого вполне допустимо округлить до
n=0,4=1/2,5,
получив тем самым уже приведенное выше отношение с 100(0,4028014-0,4)/(0,4028014…0,4)=0,695…0,700 - процентной погрешностью.
Тогда для прямоугольной трубы при отношении габаритов ее сечения 1/2,5 можно записать:
A=2tU/(1+1/0,4)=7,0 tU;
x
3
2
3
I=tU(0,1666666/0,4+0,5)/0,4=5,7291656tU;
y
3
3
I=tU(0,1666666+0,5/0,4)=1,4166666tU;
x
y
I/I=5,7291656/1,4166666=4,04411≈4 (погрешность 1,091…1,103%);
x
1/2
i=U(5,7291656/7,0)=0,9046834U;
y
1/2
i=U(1,4166666/7,0)=0,4498676U;
x
y
i/i=0,9046834/0,4498676=2,010999≈2 (погрешность 0,547…0,550%).
Полученные результаты интересно сравнить с параметрами квадратной трубы, из которой можно компоновать стержневые элементы, одинаково устойчивые (равноустойчивые) из плоскости и в плоскости несущей конструкции:
U=V=b;
n=1/1=1;
A=2tb(1+1/1)=4,0tb;
x
3
2
3
I=tb(0,1666666/1+0,5)/1=0,6666666tb;
y
3
3
I=tb(0,1666666+0,5/1)=0,6666666tb;
x
y
1/2
i=i=b(0,6666666/4,0)=0,4082482b,
где b - габарит квадратной трубы по средней линии ее тонкостенного сечения.
Как видно, стержневые элементы зигзагообразной решетки из прямоугольной трубы по предлагаемому решению при прочих равных условиях в 0,4498676/0,4082482=1,1019463 раза жестче таких же элементов из квадратной трубы. При этом сравнивая предлагаемое решение с его прототипом, можно заметить, что сокращение дополнительных затрат, уменьшение трудоемкости и себестоимости изготовления несущей конструкции вполне достижимы, если для ее зигзагообразной решетки применять готовые прямоугольные трубы с параметрами, равными или приближенными к n=0,4=1/2,5.
Для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известным в качестве базового объекта приняты четыре варианта стальной фермы покрытия промышленного здания пролетом 18 м из замкнутых гнутосварных профилей:
- стропильная ферма из гнутосварных профилей прямоугольного (квадратного) сечения [Кузин Н.Я. Проектирование и расчет стальных ферм покрытий промышленных зданий: Учебное пособие. - М.: Изд-во АСВ, 1998. - С. 157-172];
- ферма с решеткой из ромбической трубы [Марутян А.С., Экба С.И. Металлическая конструкция с решеткой из ромбических замкнутых гнутосварных профилей. - Патент №2500863, 10.12.2013; бюл. №34];
- ферма с решеткой из овальной трубы [Марутян А.С., Оробинская В.Н. Оптимизация конструкций с решетками из круглых и овальных труб. - Вестник МГСУ, 2016, №10. - С. 45-57];
- ферма с решеткой из прямоугольной трубы сечением 140×60×3 мм, где n=(60-3)/(140-3)=0,4160583=1/2,4035087;
- ферма с решеткой из прямоугольной трубы сечением 100×40×4 мм, где n=(40-4)/(100-4)=0,3750=1/2,6666666;
- ферма с решеткой из прямоугольной трубы сечением 99,4×41,9×3,5 мм, перепрофилированной из той же круглой трубы, что и овальная, где n=(41,9-3,5)/(99,4-3,5)=0,4160583=1/2,4973958.
Расход материла сравниваемых вариантов приведен в таблице, из которой видно, что по новому решению он совпадает с решеткой из овальной трубы. Переход от круглого профиля трубы к овальному обеспечил наибольший эффект, так как расчетные параметры уточнены не по наружной, а по средней линии его сечения. Такой же эффект достижим при аналогичном переходе от той же круглой трубы к прямоугольной. При этом прямоугольный профиль оказался компактнее овального.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет в зависимости от проектных решений определенным подбором отношения габаритов сечения прямоугольных труб, а также расположением этих габаритов в осевой плоскости конструкции (фермы) регулировать напряженно-деформированное состояние конструкции. Такое регулирование обеспечивает оптимизацию физико-механических свойств и технико-экономических характеристик несущих конструкций зданий и сооружений.
При этом появляется возможность для зигзагообразных решеток использовать готовые прямоугольные трубы, что может привести к дополнительному положительному эффекту. В качестве заводских соединений таких решеток вполне применимы сварные стыки с продольными прорезями [Марутян А.С., Кобалия Т.Л., Павленко Ю.И. Сварное стыковое соединение трубчатых стержней. - Патент №2429329, 20.09.2011, бюл. №26], которые проще размещать на участках, свободных от сплющивания. При этом для достижения максимального положительного эффекта целесообразно учитывать расчетные параметры трубчатых профилей по средним линиям их сечений.