ПЯТИУГОЛЬНАЯ ПРОФИЛЬНАЯ ТРУБА

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в элементах каркасов, покрытий (перекрытий), стропильных (подстропильных) ферм, структур, перекрестных систем и других несущих конструкций зданий и сооружений.
Известны треугольные профильные трубы поперечного сечения заданных размеров в виде равностороннего треугольника с закруглениями, внутренний радиус которых составляет 0,9…2,0 толщины стенки трубы, а отношение толщины к ширине трубы равно 0,04…0,09 (то есть параметры тонкостенности находятся в пределах 1/25…1/11,1) [Сеничев Г.С., Антипов В.Г., Корнилов В.Л., Стариков А.И. Профильная треугольная труба. - Патент №2312724, 20.12.2007, бюл. №35]. Компоновочные возможности профильных труб с таким сечением при их реализации в несущих конструкциях ограничены из-за того, что имеет место только одна стенка (вертикальная грань) или только одна полка (горизонтальная грань) в сочетании с остальными наклонными гранями. По тонкостенности описанные трубы уступают замкнутым гнутосварным профилям прямоугольного сечения. Так, например, квадратные профильные трубы из сортамента несущих конструкций типа «Молодечно» обладают тонкостенностью со значениями в диапазоне 1/40…1/17,5 [1. Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Серия 1.460.3-14. Чертежи КМ, 1980. - Л. 35-38; 2. Стальные конструкции покрытий производственных зданий из замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения пролетом 18, 24 и 30 м с уклоном кровли 10%. Серия 1.460.3-23.98. Выпуск I. Чертежи КМ, 2000. - Л. 18-21].
x
y
x
y
Известно также техническое решение тонкостенной несущей конструкции замкнутого сечения, выполненной из состыкованных между собой продольными швами швеллеров и уголков с образованием, по меньшей мере, одной пятигранной замкнутой ячейки [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]. Сутью, формообразующей эту конструкцию, является пятигранная (пятиугольная) труба, скомпонованная из прокатных профилей незамкнутого сечения, а именно швеллера и равнополочного уголка, в виде составного коробчатого стержневого элемента. Обладая преимуществами, свойственными замкнутым профилям (профильным трубам), такая конструкция имеет определенные недостатки. В их число входят парные продольные сварные швы (сплошные или прерывистые), стыкующие швеллер и уголок в пятигранный профиль, неизбежно повышая себестоимость и трудоемкость их изготовления. Так как грани пятиугольного профиля имеют разные толщины, конструкционный материал распределяется по периметру его поперечного сечения неравномерно. Параметры тонкостенности швеллера и уголка оптимизированы в рамках формирования прокатных профилей открытого сечения независимо друг от друга, что ухудшает численный показатель равноустойчивости пятигранного (пятиугольного) замкнутого сечения до 15% (i/i=1,15; i и i - радиусы инерции сечения относительно центральных осей x-x и y-y соответственно).
Сравнительный анализ технико-экономических характеристик легких металлоконструкций из пятигранных труб, скомпонованных с использованием прокатных уголков и швеллеров, показал, что по расходу материала они уступают только фермам из гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно» [Копытов М.М., Матвеев А.В. Легкие металлоконструкции из пятигранных труб. - Томск: STT, 2007. - С. 21-22]. В настоящее время фермы «Молодечно» относятся к числу наиболее рациональных конструкций покрытий и имеют технический регламент в виде ГОСТ 27579-88. Исходя из всего этого, за основу формообразования и оптимизации по критерию равноустойчивости пятиугольного замкнутого гнутосварного профиля была принята квадратная профильная труба.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой пятиугольной профильной трубе является уже упомянутый пятиугольный замкнутый гнутосварной профиль. Выполненный из единой листовой заготовки, он имеет численные параметры поперечного сечения, оптимизированные по критерию равноустойчивости относительно центральных осей x-x и y-y с использованием условного квадратного замкнутого гнутосварного профиля таким образом, что отношение высоты вертикальных стенок пятиугольного профиля к ширине его горизонтальной полки составляет 0,54…0,61. При этом реальный и условный профили обладают одними и теми же толщиной, периметром и площадью сечения, которые представляют собой постоянные величины [Марутян А.С, Кобалия Т.Л., Янукян Г.М., Глухов С.А., Павленко Ю.И. Пятиугольный замкнутый гнутосварной профиль. - Патент №104582, 20.05.2011, бюл. №14]. Недостаток такого технического решения представляет собой прямой угол при вершине пятигранной формы поперечного сечения, который для профильных труб гнутосварной модификации из единой листовой заготовки является частным случаем, оптимальным в определенном круге несущих конструкций. Угол, отличный от прямого, может улучшить технико-экономические характеристики пятиугольных профильных труб и несущих конструкций с их применением.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение несущей способности пятиугольных профильных труб и снижение себестоимости их изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что в пятиугольной профильной трубе с параметрами поперечного сечения, оптимизированными по критерию равноустойчивости относительно центральных осей x-x и y-y, выполненной из единой листовой заготовки, отношение высоты вертикальных стенок трубы к ширине ее горизонтальной полки составляет 0,76…0,83, а наклонные грани при этом расположены под углом 60 градусов к вертикали.
Пятиугольная профильная труба имеет один продольный сварной шов, равномерное распределение конструкционного материала, максимально допустимую тонкостенность и показатель равноустойчивости в пределах 0,975…1,025 (1±0,025). Соразмерно увеличению жесткости по сравнению с прототипом повышены ресурсы несущей способности. Кроме того, в вершине пятиугольной трубы после всех загибов ее развертки имеет место V-образная разделка кромок под сварку с углом 60 градусов (вместо 90 градусов у прототипа), что позитивно влияет на снижение себестоимости изготовления.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 приведено поперечное сечение пятиугольной профильной трубы, оптимизированное по критерию равноустойчивости; на фиг. 2 - общий вид пятиугольных профилей; на фиг. 3 - расчетная схема сечения пятиугольной трубы с горизонтальной полкой, наиболее широкой в рассматриваемом интервале; на фиг. 4 - расчетная схема сечения пятиугольной трубы с горизонтальной полкой, наиболее узкой в рассматриваемом интервале; на фиг. 5 показаны графики изменения осевых моментов инерции сечения пятиугольной трубы в зависимости от ее ширины при углах в вершине 60, 90 и 120 градусов.
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
1/2
Из расчетной схемы на фиг.3 видно, что пятиугольная и квадратная трубы имеют одинаковые развертки и высоты поперечных сечений. В этом случае отношение высоты вертикальных стенок пятиугольной трубы к ширине ее горизонтальной полки равно h/B=0,5, а показатель равноустойчивости составляет I/I=0,5995. Если ширина горизонтальной полки пятиугольной трубы будет уменьшаться, то при постоянной развертке поперечного сечения высота вертикальных стенок и высота сечения будут соответственно увеличиваться. В итоге такого геометрического перестроения, представленного расчетной схемой на фиг.4, пятиугольная и квадратная трубы имеют одинаковые развертки и ширины поперечных сечений. При этом отношение высоты вертикальных стенок пятиугольной трубы к ширине ее горизонтальной полки равно h/B=0,923, а показатель равноустойчивости составляет I/I=1,187. Таким образом, в пределах обозначенного интервала, если h/B=0,5…0,923, то I/I=0,5995…1,187. Следовательно, приняв в качестве критерия оптимизации показатель равноустойчивости, методом последовательных приближений можно вычислить такие оптимальные параметры поперечного сечения пятиугольной трубы, при которых I/I=1±0,05 или I/I=0,95…1,05, a i/i≈(I/I)=1±0,025 или i/i=0,975…1,025. Основные результаты этих расчетов показаны графиками на фиг. 5, из которых видно, что в найденном интервале (h/B=0,76…0,83) осевые моменты инерции сечения пятиугольной профильной трубы по абсолютной величине превышают аналогичные параметры прототипа (пятиугольного замкнутого гнутосварного профиля с h/B=0,54…0,61) и способствуют определенному росту несущей способности.
x
y
Приведенные графики еще раз подтвердили, что квадратные профили по жесткости уступают пятиугольным трубам с прямым углом и углом 120 градусов при вершине. Однако, в свою очередь, квадратные профили по жесткости превосходят пятиугольные трубы с углом 60 градусов, которые имеют весьма узкий интервал (h/B=0…0,03822) и при I/I=1 трансформируются в треугольное сечение.
Для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известным (прототипом) в качестве базового объекта приняты профильные трубы квадратного сечения по ТУ 36-2287-80 из сортамента несущих конструкций типа «Молодечно» [1. Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно». Серия 1.460.3-14. Чертежи КМ, 1980. - Л. 35-38; 2. Стальные конструкции покрытий производственных зданий из замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения пролетом 18, 24 и 30 м с уклоном кровли 10%. Серия 1.460.3-23.98. Выпуск I. Чертежи КМ, 2000. - Л. 18-21]. Вычисления сделаны по приближенной методике без учета:
- закруглений квадратных и пятиугольных профилей;
2
3
- численных величин, содержащих значения толщин, возведенных во вторую и третью степень (t, t).
Результаты первой (тестовой) части приближенных вычислений на примерах профилей из сортаментов, оформленных в виде ТУ и ГОСТ, а также рабочих проектов, уточненных при помощи компьютерных технологий [1. Марутян А.С., Глухов С.А., Павленко Ю.И. Пятиугольные замкнутые гнутосварные профили - Строительная механика и расчет сооружений, 2010, №5. - С. 53-57; 2. Марутян А.С., Экба С.И. Проектирование стальных ферм покрытий из прямоугольных, ромбических и пятиугольных замкнутых гнутосварных профилей. - Пятигорск: СКФУ, 2012. - 156 с; 3. Марутян А.С. Проектирование легких металлоконструкций из перекрестных систем, включая модули типа «Пятигорск»: Справочное пособие. - Пятигорск: СКФУ, 2013. - 436 с], показали вполне приемлемую корректность расчетов, не уменьшающую запас несущей способности и не превышающую 5-процентную погрешность. Основные итоги второй части расчетов собраны в таблице, откуда видно, что предлагаемые пятиугольные профильные трубы рациональны, а их применение в несущих конструкциях перспективно.