МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ КОЛОННА С КОМБИНИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ
METAL COLUMN WITH COMBINED WALL

Изобретение относится к строительству и может использоваться в качестве несущей сжатой или сжато-изогнутой конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Из уровня техники известна двутавровая металлическая колонна со сплошной гладкой стенкой (Металлические конструкции. В 3 т. T.1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов. / В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В. Филиппов и др.; под ред. В.В.Горева - 3-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2004-551 с., С.319, рис.6.2, а). Недостатком данной конструкции является повышенная материалоемкость, вызванная применением развитых по толщине сечений поясов и стенки для обеспечения местной и общей устойчивости колонны.
Из уровня техники известна двутавровая металлическая колонна с продольно-гофрированной стенкой (Металлические конструкции. В 3 т.Т. 2. Стальные конструкции зданий и сооружений (Справочник проектировщика). / Под общ. ред. В.В.Кузнецова, изд. АСВ. 1998, стр.224, рис.11.10). Недостаток приведенной конструкции заключается в повышенной материалоемкости ввиду того, что продольно-гофрированная стенка в меньшей степени обеспечивает устойчивость стоек, вызывая необходимость увеличивать их сечения. Продольные гофры, имеющие протяженность, равную длине стенки, требуют мероприятий по обеспечению их устойчивости, т.е. увеличение толщины стенки и/или постановка ребер жесткости, уменьшение шага и увеличение высоты гофров.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является двутавровая металлическая колонна (патент на изобретение RU 2339772 С2, опубликовано 27.11.2008) с поперечно-гофрированной стенкой, имеющей плоскую вставку в месте возникновения больших усилий (место заделки в фундаменте, место передачи крановой нагрузки, место жесткого сопряжения с ригелем). Недостаток приведенной колонны заключается в повышенной материалоемкости ввиду того, что гофрирование осуществляется на значительной длине стенки, а плоская вставка предусматривается только в местах наибольших усилий, что неоптимально с позиции распределения усилий в элементах колонны по ее длине.
Технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в снижении материалоемкости колонн, что является решением существенной для строительной отрасли задачи рационального использования материала.
Указанный технический результат достигается за счет того, что продольное или поперечное гофрирование стенки выполнено на некоторых участках (отсеках) по длине стенки, при этом в промежутках между такими участками стенка либо прерывается (в случае поперечного гофрирования), либо имеет гладкие (в т.ч. перфорированные) отсеки (в случае поперечного или продольного гофрирования). Существенно важным является ограничение длины поперечно гофрированных и гладких отсеков значением, не превышающим удвоенной ширины стенки. Данное ограничение для гладких отсеков обосновывается тем, что увеличение длины гладкого отсека повышает вероятность образования геометрических несовершенств и склонность отсека к потере устойчивости. Потеря устойчивости может быть вызвана как действием поперечных усилий при комбинации гладких отсеков с поперечно-гофрированными отсеками (ввиду относительно малой жесткости в поперечном направлении), так и совместным действием продольных сжимающих и поперечных усилий при комбинации с продольно-гофрированными отсеками. Для поперечно-гофрированных отсеков ограничение их длины обосновано соображениями экономии материала стенки и распределением усилий с помощью эффективного включения в работу гладких отсеков. Для продольно-гофрированных отсеков отмеченное ограничение не распространяется. Рассмотренный технический результат также может быть достигнут, если вместо гладких отсеков применяются отсеки с поперечными гофрами, характеризующимися относительно меньшей высотой и большим шагом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
- на фиг.1 - колонна с комбинированной стенкой, включающей гладкие перфорированные отсеки с диагональным гофром;
- на фиг.2 - боковой вид на колонну на фиг.1;
- на фиг.3 - продольный разрез А-А на фиг.2;
- на фиг.4 - колонна с комбинированной стенкой, содержащей отсеки, продольно-гофрированные по коноидальному принципу;
- на фиг.5 - боковой вид на колонну на фиг.4;
- на фиг.6 - продольный разрез А-А на фиг.5;
- на фиг.7 - колонна с комбинированной стенкой, содержащей продольно-гофрированные отсеки и поперечные диафрагмы жесткости;
- на фиг.8 - боковой вид на колонну на фиг.7;
- на фиг.9 - продольный разрез А-А на фиг.8;
- на фиг.10 - колонна с комбинированной стенкой, характеризующейся различными параметрами гофров;
- на фиг.11 - боковой вид на колонну на фиг.10;
- на фиг.12 - продольный разрез А-А на фиг.11;
- на фиг.13 - колонна с комбинированной стенкой, состоящей из гофрированных отсеков, расставленных дискретно;
- на фиг.14 - боковой вид на колонну на фиг.13;
- на фиг.15 - продольный разрез А-А на фиг.14.
Металлическая колонна двутаврового поперечного сечения состоит из двух параллельных стоек 1 и 2, соединенных стенкой 3, представляющей комбинацию гофрированных отсеков 4 и гладких отсеков 5, которые могут иметь перфорацию 6.
Гладкие отсеки 5 могут иметь диагональный гофр 7. Направление диагонального гофра 7, который предпочтительно выполнять глухим, совпадает с направлением действия сжимающих усилий в гладком отсеке 5. Диагональный гофр 7 увеличивает устойчивость диагональной сжатой полосы, возникающей в гладком отсеке 5 при нагружении колонны.
Перфорацию 4 следует предусматривать таким образом, чтобы сохранились диагональные полосы отсека 5.
Гофрированные отсеки 4 предусматриваются с продольным (вертикальным) или поперечным (горизонтальным) расположением гофров. Продольные гофры могут представлять собой коноидальную поверхность. В этом случае возможно сопрягать продольно-гофрированные отсеки 4 и гладкие отсеки 5 с помощью сварного соединения без устройства поперечных диафрагм 8.
Гофры могут быть глухими (выштампованными), т.е. не выходить на края отсека, односторонними и двусторонними. Наиболее эффективно глухим и односторонним выполнять диагональный гофр 7, поскольку это увеличивает жесткость гладкого отсека 5 в заданном направлении при обеспечении простоты изготовления (сохраняется возможность выштамповывания гофра 7 в готовом изделии).
Объемом изобретения предусмотрен вариант колонны, в которой стенка 3 состоит из гофрированных отсеков 4 с гофрами различного профиля. При этом высота и/или шаг гофров по длине стенки 3 может меняться.
Толщина стенки 3 может изменяться, при этом эффективно предусматривать большую толщину для гладких отсеков 5 с целью увеличения их устойчивости.
Гофрирование отдельных отсеков 4 стенки 3 или всей стенки 3 (в случае изготовления стенки 3 из одной листовой заготовки) осуществляется преимущественно штамповкой между двумя матрицами, возможно изготовление с помощью прокатки и гибки на специализированных станах.
Соединение отсеков 4 и 5 и стенки 3 между собой, а также со стойками 1 и 2 осуществляется с помощью односторонних непрерывных сварных швов.
Колонна изготавливается из металлов, преимущественно сталей групп обычной и повышенной прочности. Возможен вариант полиматериального (в частности бистального) исполнения колонны, при этом основными критериями выбора материалов служат их физико-механические характеристики, условия эксплуатации, а также условия свариваемости элементов.
Стойки 1 и 2 металлической колонны с комбинированной стенкой 3 могут изготавливаться из листовой стали либо из профилей (преимущественно прокатных). В случае выполнения стоек 1 и 2 из металлических замкнутых профилей они могут быть заполнены бетоном и образовывать трубобетонные элементы.
Работа металлической колонны с комбинированной стенкой 3 заключается в следующем:
при внецентренном (в общем случае) сжатии колонны в ее плоскости под воздействием внешней нагрузки в стенке 3 возникают усилия от поперечной силы (условной или фактической). В зависимости от относительного эксцентриситета приложения внешней нагрузки стойки 1 и 2 колонны с комбинированной стенкой 3 либо обе сжаты (при незначительном эксцентриситете), либо одна из стоек 1 или 2 сжата, а другая - растянута (при значительном эксцентриситете). Особенности характера работы конструкции определяется вариантами компоновки стенки 3: случай 1. Стенка 3 представляет собой комбинацию гладких отсеков 5 и поперечно (горизонтально)-гофрированных отсеков 4.
Поперечная сила вызывает в гофрированных отсеках 4 преобладание сжимающих усилий, направленных вдоль гофров. Гладкие отсеки 5 воспринимают растягивающие диагональные усилия подобно тому, как работает гибкая решетка сквозных колонн. В эксплуатационной стадии возможно выпучивание сжатых участков гладкого отсека 5 (появление «хлопунов») с формированием растянутой диагонали (складки), т.е. работа отсека 5 в закритической стадии. При этом гофрированные отсеки 4 получают дополнительные сжимающие усилия вдоль гофров.
Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает либо достижение предела текучести материала в гладком отсеке 5 и/или стойках 1 и 2, либо потерю устойчивости гофрированного отсека 4, а затем потерю устойчивости наиболее нагруженной сжимающими усилиями стойки 1 или 2 и потерю несущей способности колонны.
Применение колонны с комбинированной согласно описанному выше случаю стенкой 3 с одной стороны обеспечивает устойчивость стоек 1 и 2 за счет гофрированных отсеков 4, а с другой - перераспределение усилий между стойками 1 и 2, за счет гладкостенных отсеков 5. Данное обстоятельство позволяет снизить материалоемкость конструкции по сравнению с ближайшим аналогом, что достигается за счет комбинирования всей длине стенки 3 гофрированных отсеков 4 и гладких отсеков 5, которые могут иметь перфорацию 6 и/или усиление диагональным гофром 7.
Случай 2. Стенка 3 представляет собой комбинацию поперечно-гофрированных отсеков 4 с различными геометрическими характеристиками гофров.
Роль гладких отсеков 5 выполняют гофрированные отсеки 4 с относительно малой высотой гофров и относительно большим их шагом (т.е. большей жесткостью поперек гофров). При этом закритическая работа отсеков исключается. Диагональные усилия воспринимаются преимущественно отсеками с большей жесткостью в поперечном направлении.
Случай 3. Стенка 3 представляет собой комбинацию гладких отсеков 5 и продольно (вертикально)-гофрированных отсеков 4.
При данном варианте стенки 3 поперечная сила вызывает сжимающие усилия в диафрагмах 8, а при их отсутствии - в гладких отсеках 5. Растягивающие, диагонально направленные усилия воспринимаются гладкими отсеками 5, находящимися в сложном напряженно-деформированном состоянии, и, частично, вертикально гофрированными отсеками 4. Вертикально-гофрированные отсеки 4 передают сжимающие усилия на гладкие отсеки, а в нижней части колонны - на фундамент и, частично, перераспределяют усилия между стойками 1 и 2.
Случай 4. Стойки 1 и 2 соединены поперечно-гофрированными отсеками 4, расставленными вдоль колонны дискретно.
Гофрированные отсеки 4 воспринимают усилия от поперечной силы (фактической или условной) и обжатия стоек 1 и 2 (в случае центрального сжатия конструкции), а также увеличивают устойчивость стоек 1 и 2 за счет сокращения их расчетной длины в плоскости колонны. Отсеки 4 работают по принципу планок сквозных колонн, но усилия сдвига поперек гофров незначительны ввиду малой жесткости отсека 4 в данном направлении.
В связи с тем, что гладкие отсеки 5 воспринимают в основном сдвигающие напряжения с формированием растянутой диагонали и сжатых областей, предпочтительно предусматривать отсеки 5 квадратными, с тем чтобы диагональные полосы были наклонены под углом 45 градусов к стойкам.