ТРУБЧАТЫЕ (ГНУТОСВАРНЫЕ) ПРОФИЛИ СОСТАВНЫХ СЕЧЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)
TUBULAR (ROLL-WELDED) PROFILES OF COMPOSITE SECTIONS (VERSIONS)

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в качестве стержневых элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения.
Известны стержневые элементы из парных уголков, сваренных по перьям полок между собой с образованием квадратного сечения [Металлические конструкции: Учебник для вузов./ Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Академия, 2007. - С. 234, рис. 8.3, г]. Недостатком таких стержневых элементов является их ограниченная несущая способность, обусловленная потерей общей устойчивости квадратного профиля из-за малого радиуса инерции.
Более широкую область применения имеют стержневые элементы из двух швеллеров, состыкованных сварными швами в продольном направлении по перьям полок [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учебник для вузов./ Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С. 345, рис. 6.16, в; 2. Металлические конструкции: Учебник для вузов./ Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Академия, 2007. - С. 234, рис. 8.3, б]. При этом увеличивается радиус инерции и наблюдается соответствующий рост несущей способности стержневого элемента. Однако его сечение не является равноустойчивым из-за разницы радиусов инерции относительно центральных осей, что является причиной нерационального использования конструкционного материала.
Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение, в основании отличительной сути которого лежит трубчатый профиль пятигранного составного сечения из швеллера и уголка, состыкованных сварными швами в продольном направлении по перьям полок [1. Копытов М.М., Ерохин К.А., Матвеев А.В., Косинцев А.С., Яшин С.Г. Тонкостенная несущая конструкция замкнутого сечения. - Патент №2174576, 10.10.2001, бюл. №28; 2. Копытов М.М., Матвеев А.В. Легкие металлоконструкции из пятигранных труб. - Томск: STT, 2007. - С. 8-9, рис. 1.1, в; рис. 1.2].
Для практического применения разработан сортамент таких профилей в диапазоне формообразующих швеллеров от №5 до №36, где возможны три версии компоновки составных сечений [Копытов М.М., Матвеев А.В. Легкие металлоконструкции из пятигранных труб. - Томск: STT, 2007. - С. 10, рис. 1.3]:
- крайние точки перьев уголка лежат в плоскостях наружных граней полок швеллера;
- крайние точки перьев уголка находятся с внутренней стороны от плоскостей наружных граней полок швеллера;
- крайние точки перьев уголка находятся с наружной стороны от плоскостей наружных граней полок швеллера.
Обладая преимуществами, характерными для замкнутых профилей, приведенное решение имеет определенные недостатки. В их числе сложности точечных сопряжений перьев уголков и швеллеров, негативно влияющие на трудоемкость изготовления трубчатых профилей. Существенная разница в толщинах и, как следствие, неравномерное распределение конструкционного материала по периметру поперечного сечения. Отмеченный диапазон у формообразующих швеллеров явно не такой широкий, как у гнутых профилей, что заметно сужает компоновочные и унификационные возможности для несущих конструкций. Кроме того, номерные швеллеры относятся к фасонным профилям стального проката, стоимость которых выше стоимости сортовой стали, включающей уголки и гнутые профили.
Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение сопряжений составных элементов трубчатого (гнутосварного) профиля, более равномерное распределение конструкционного материала по периметрам их поперечных сечений, а также расширение компоновочных и унификационных возможностей для несущих конструкций, снижение стоимости.
Указанный технический результат достигается тем, что в трубчатом (гнутосварном) профиле составного сечения с использованием парных формообразующих элементов, одним из которых является уголок, состыкованных сварными швами в продольном направлении по перьям полок, в качестве другого формообразующего элемента в паре с уголком применен гнутый С-образный профиль или гнутый корытный профиль, у которого каждые две стенки одинаковых размеров примыкают к полкам уголка.
Предлагаемый трубчатый (гнутосварной) профиль составного сечения обладает достаточно универсальным решением, при реализации которого можно использовать как прокатные, так и гнутые элементы или их сочетания. Здесь в пару к формообразующим гнутым С-образным или корытным элементам есть широкий выбор равных и близких к ним по толщине не только прокатных, но и гнутых уголков. Не менее практичной может оказаться замена уголковых элементов на гнутые швеллеры, сортаментный ряд которых по протяженности не уступает уголкам. При этом на более широкие полки (горизонтальные грани) составного сечения шириной 100 мм и более можно опирать настил или кровельное ограждение, а более узкие полки - применять для бесфасоночных узловых соединений с элементами решетки несущих конструкций. В частном случае составные сечения с боковыми выступами необходимых размеров можно скомпоновать из С-образных и корытных гнутых элементов, непосредственно примыкающих друг к другу без уголковых или швеллерных элементов. При опирании на эти выступы ограждающих конструкций подобная компоновка может обеспечить дополнительный положительный эффект, так как позволяет заменить специальные гнутосварные профили с поперечными сечениями сложных конфигураций по известным техническим решениям [1. Левитанский И.В. Ферма из гнутых замкнутых профилей. - Авторское свидетельство №449137, 05.11.1974, бюл. №41; 2. Левитин Е.В. Гнутый замкнутый профиль. - Патент №98155, 25.05.2010, бюл. №28].
Во всех случаях компоновки составных сечений для трубчатых профилей стенки равных размеров С-образных и корытных элементов за счет своего положения выполняют две функции:
- создают контактирующие площадки, которые заметно упрощают сопряжения формообразующих элементов друг с другом;
- выступают в виде ребер жесткости, существенно увеличивающих локальную (местную) устойчивость боковых граней составных сечений.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показан фрагмент трубчатого (гнутосварного) профиля составного сечения, скомпонованного из С-образного и уголкового элементов; на фиг. 2 - фрагмент трубчатого (гнутосварного) профиля составного сечения, скомпонованного из корытного и уголкового элементов; на фиг. 3 изображен фрагмент трубчатого (гнутосварного) профиля составного сечения, скомпонованного из С-образного и швеллерного элементов; на фиг. 4 - фрагмент трубчатого (гнутосварного) профиля составного сечения, скомпонованного из корытного и швеллерного элементов; на фиг. 5 представлен фрагмент трубчатого (гнутосварного) профиля составного сечения, скомпонованного из С-образного и корытного элементов.
В одной из альтернативных версий предлагаемое техническое решение трубчатого (гнутосварного) профиля составного сечения включает формообразующий С-образный элемент 1, образованный по определению из ГОСТ 14350-80 тремя стенками, две из которых одинакового размера направлены в одну сторону, и двумя полками, направленными внутрь профиля. К двум стенкам одинакового размера элемента 1 примыкают полки уголкового элемента 2. После тщательной выверки составного сечения, симметричного относительно вертикали, его фиксируют и в продольном направлении накладывают парные сплошные или прерывистые сварные швы.
В другой из альтернативных версий предлагаемое техническое решение трубчатого (гнутосварного) профиля составного сечения включает формообразующий корытный элемент 3, образованный по определению из ГОСТ 14350-80 тремя стенками, две из которых одинакового размера направлены в одну сторону, и двумя полками, направленными наружу профиля. К двум стенкам одинакового размера элемента 3 по полной аналогии с первой версией примыкают полки уголкового элемента 2. Здесь так же, как и в первой версии, после тщательной выверки составного сечения, симметричного относительно вертикали, его фиксируют и в продольном направлении накладывают парные сплошные или прерывистые сварные швы.
В частных случаях трубчатый (гнутосварной) профиль составного сечения обеих приведенных версий вместо уголкового элемента 2 включает швеллерный элемент 4. Возможен также случай, когда трубчатый (гнутосварной) профиль состоит из С-образного элемента 1 и корытного элемента 3, непосредственно состыкованных друг с другом по стенкам одинаковых размеров.
Для сравнения предлагаемого технического решения с известным в качестве базового объекта приняты верхние (сжатые) пояса из пятигранных труб от стальных решетчатых прогонов с длиной пролета 12 м и допускаемыми расчетными нагрузками 6,2; 7,9; 11,1; 18,2 (16,5) и 31,8 кН/м [Кузнецов А.Ф., Кузнецов В.А. Стальные решетчатые прогоны из труб для покрытий зданий, устойчивые против коррозии. - Приволжский научный журнал, 2012, №3. - С. 20-26]. Расчетные параметры поперечных сечений пятигранных труб взяты из их сортамента [Копытов М.М., Матвеев А.В. Легкие металлоконструкции из пятигранных труб. - Томск: STT, 2007. - С. 113-114]. Новое решение представлено верхними поясами из трубчатого профиля составного сечения, включающего С-образные элементы по ГОСТ 8282-83, корытные элементы по ГОСТ 8283-83, уголковые элементы по ГОСТ 8509-93 и ГОСТ 19771-93.
Сравнение представлено в табличной форме, где сечения корытных элементов условно маркированы литерой «К» по образцу обозначений, принятых для гнутых С-образных профилей. Как видно, приведенный расход конструкционного материала по новому решению уменьшился. Его распределение по периметру составного сечения стало более равномерным из-за того, что разница в толщинах формообразующих элементов сократилась. Отказ от фасонных профилей в пользу сортовой стали снижает стоимостные показатели. На каждый вариант базового объекта приходится от четырех до семи рабочих версий нового решения, что расширяет компоновочные и унификационные возможности для несущих конструкций, обеспечивая выбор наиболее оптимальных из них.