РАМНАЯ КОНСТРУКЦИЯ С ПЕРЕМЕННО-ГОФРИРОВАННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Изобретение относится к строительству, к несущим конструкциям рамного типа, используемым в зданиях и сооружениях промышленного и гражданского назначения.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является известная из уровня техники рамная металлическая конструкция, в которой стенка ригеля гофрирована в поперечном направлении, а стенка стоек - в продольном (Металлические конструкции. В 3т. Т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В.В.Кузнецова - М.: АСВ, 1998. - 512 стр.С.223.). Известен также вариант данной рамы с поперечным гофрированием стенки стоек. Основным недостатком известных конструкций является повышенная материалоемкость, вызванная постоянным шагом и высотой гофров стенок.
Технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в снижении материалоемкости рамной конструкции и повышении ее сопротивляемости внешним силовым воздействиям.
Указанный технический результат является решением актуальной задачи экономии материальных ресурсов и достигается за счет того, что стенка ригеля и/или стоек переменно-гофрирована или представляет собой комбинацию гладких и гофрированных (традиционно или переменно) участков. Переменное гофрирование стенки заключается в варьировании параметров гофров - шага, и/или высоты, и/или профиля по длине стенки. Гофры стенки преимущественно поперечно направлены к продольной оси элемента. Гофры с относительно большой высотой и/или малым шагом, как правило, рационально располагать на участках преобладания интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов с последующим плавным или ступенчатым уменьшением высоты и/или увеличением шага гофров в соответствии с уменьшением указанных усилий. Таким образом, изменение параметров гофров (шага и/или высоты) соответствует изменению интенсивности поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов. При этом, участки стенки с относительно малой высотой и/или большим шагом гофров активнее сопротивляются изгибающим моментам, действующим в плоскости стенки, включаясь в работу конструкции на изгиб. Гофрирование стенки, при котором шаг, высота и профиль гофров не изменяются по длине стенки следует считать традиционным. В стержнях рамы (ригеле и стойках) в зонах интенсивных изгибающих моментов эффективно устройство гладких участков стенки.
Ригель и/или стойки по длине могут состоять из нескольких отсеков, в пределах которых изменяются не только параметры гофров стенки, но и ее толщина, что также направлено на достижение представленного технического результата.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых показано:
- на фиг.1 - поперечный вид рамной конструкции с переменно-гофрированными элементами - стенками ригеля и стоек;
- на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;
- на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1;
- на фиг.4 - поперечный вид одной из двух симметричных половин рамной конструкции с переменно-гофрированными элементами (вариант конструктивного решения);
- на фиг.5 - сечение А-А на фиг.4;
- на фиг.6 - сечение Б-Б на фиг.4;
- на фиг.7 - сечение В-В на фиг.4.
Рама с переменно-гофрированной стенкой состоит из ригеля 1 и стоек 2. Ригель 1 состоит из поясов 3 и стенки 4. Стойки 2 состоят из поясов 5 и стенки 6. Стенка 4 ригеля 1 содержит плоские (гладкие) участки 7, установленные, по крайней мере, в коньковом и карнизном узлах. Под карнизным узлом подразумевается узел сопряжения ригеля 1 со стойкой 2.
Под коньковым узлом подразумевается узел сопряжения симметричных половин ригеля 1. Карнизный узел может представлять собой отдельный элемент - вут, а коньковый узел - коньковый элемент, что позволяет проектировать сборно-разборные каркасы с возможностью взаимозаменяемости элементов ригеля 1 и стоек 2.
Стенка 6 стоек 2 содержит плоские (гладкие) участки 7, по крайней мере, в карнизном узле и в узле сопряжения с фундаментной конструкцией. Толщина стенки 4, 6 в плоских участках 7 конькового и/или карнизного узлов, как правило, больше, чем толщина стенки 4, 6 на других участках. Данное обстоятельство объясняется высокой интенсивностью изгибающих моментов в карнизном и коньковом узлах от действия наиболее вероятных комбинаций внешних нагрузок и воздействий.
Если ригель 1 и/или стойка 2 состоят из нескольких укрупняющих элементов, плоские участки 7 стенки 4, 6 с относительно большой (по сравнению с другими участками стенки 4, 6) толщиной рационально устраивать в местах стыковки таких элементов.
Для дополнительной экономии материалов, а также пропуска коммуникаций в пределах высоты поперечных сечений (с целью сохранения оптимального объема помещений) в стенке 4, 6 ригеля 1 и/или стоек 2 предусмотрена перфорация.
Рамная конструкция с переменно-гофрированными элементами изготавливается из металла, преимущественно из стали. Возможен вариант рамы с трубобетонными стойками 2. Пояса 3, 5 могут изготавливаться из листового или фасонного проката. Объемом изобретения предусмотрен вариант рамы, в которой элементы ригеля 1 и/или стоек 2 - пояса 3, 5, участки стенки 4, 6, узлы сопряжения и др. - выполнены из материалов с различными физико-механическими свойствами. При полиметаллическом (в частности - бистальном) варианте исполнения рамы пояса 3, 5 эффективно изготавливать из металла со сравнительно большим расчетным сопротивлением растяжению, чем металл, применяемый для стенок 4, 6.
Соединения элементов рамы (ригеля 1 и стойки 2 или симметричных половин ригеля 1) в карнизном и коньковом узлах преимущественно фланцевые на высокопрочных болтах. Рекомендуется изготавливать фланцы из стали группы повышенной прочности (С325 - С390 по ГОСТ 27772-88).
Пояса 3, 5 соединяются со стенкой 4, 6 с помощью сварки. При этом сварной шов может быть двусторонним и односторонним, в карнизном узле (вуте) рекомендуется применять двусторонний шов.
Стойки 2 и ригель 1 могут иметь постоянную или переменную высоту поперечного сечения. Стойки 2 могут сопрягаться с фундаментом жестко или шарнирно; находиться в вертикальном или наклонном положении. Для восприятия распора возможно устройство затяжки в уровне узлов сопряжения стоек 2 с фундаментом или в уровне карнизных узлов.
Гофры стенки 4, 6 могут быть усилены выштампованными на их гранях ребрами (дополнительными гофрами). Гладкостенные участки 7 могут быть усилены ребрами жесткости или преимущественно выштампованными нерегулярными гофрами, препятствующими выпучиванию гладкого участка 7 стенки 4, 6 под нагрузкой.
Стенка 4 ригеля 1 и/или стенка 6 стоек 2 могут быть укреплены ребрами жесткости и/или раскосами.
Профиль гофров может быть различным как в пределах конкретного элемента (ригеля 1, стоек 2), так и между элементами, т.е. профиль гофров в пределах ригеля 1 или стойки 2 может изменяться, а профиль гофров стенки 4 ригеля 1 может отличаться от профиля гофров стенки 6 стоек 2.
Поперечное сечение ригеля 1 и/или стоек 2 может быть двутавровое, коробчатое или двутаврово-коробчатое (по сути коробчатое со свесами поясов 3 или поясов 5).
Объемом изобретения предусмотрен вариант рамы, в которой поперечное сечение ригеля 1 на участках примыкания к стойкам 2 -коробчатое, а в пролетном участке - двутавровое. При этом поперечное сечение стоек 2 может быть коробчатым.
Для производства предлагаемой рамной конструкции возможно прибегать к известным из уровня техники технологиям:
- гофрирование листовых заготовок с помощью прокатки или штамповки;
- автоматическая и ручная сварка металлических элементов;
- резка гладкого и профилированного металла и др.
Рамная конструкция с переменно-гофрированными элементами работает следующим образом:
- при действии, например, вертикальной нагрузки на ригель 1 в плоскости стенки 4 ригель 1 испытывает поперечный изгиб. Изгибающие моменты (соответствующие пары сил) в ригеле 1 и в стойках 2 воспринимаются практически полностью поясами 3, 5, а также гладкими участками 7 (причем, преимущественно той частью участка 7, которая примыкает к поясам 3, 5);
- продольные силы (распор - в ригеле 1, вертикальные усилия - в стойках 2) практически полностью воспринимаются поясами 3, 5, так как гофрированные стенки 4, 6 обладают малой жесткостью поперек гофров;
- поперечные силы и крутящие моменты воспринимаются в основном гофрированными стенками 4, 6 и ребрами жесткости (если они предусмотрены);
- сложное напряженно-деформированное состояние возникает в карнизном узле и в узле сопряжения стоек 2 с фундаментом. В этих местах интенсивность и направление усилий наиболее чувствительны к внешним воздействиям, что обосновывает принятие плоских (гладких) или подкрепленных ограниченным числом ребер жесткости (из-за остаточных сварочных напряжений) участков 7 стенки 4, 6;
- гладкие тонкостенные участки 7 могут работать в закритической (т.е. после потери местной устойчивости) стадии. Это с одной стороны является положительным обстоятельством, т.к. материал продолжает работу в упруго - пластической стадии, но с другой стороны переход в закритическую стадию сопровождается громким хлопком, что по психологическим требованиям допустимо не для всех зданий. Для устранения такого ограничения необходимо, чтобы тонкостенные участки 7 стенки 4, 6 переходили в закритическую стадию работы еще при действии постоянных нагрузок, как это предусмотрено в известных из уровня техники балках и рамах с гибкой стенкой (Проектирование металлических конструкций: Спец. курс. Учеб. пособие для вузов / В.В.Бирюлев, И.И.Кошин, И.И.Крылов, А.В.Сильвестров. - Л.: Стройиздат, 1990 - 432 с.: ил. С.20.
Металлические конструкции. В 3т. Т.2. Конструкции зданий: 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 - 528 с., стр.208-209);
- горизонтальная реакция от стоек 2 воспринимается конструкциями фундамента или затяжкой;
- участки стенки 4, 6 с гофрами относительно малой жесткости (т.е. с большим шагом и/или меньшей высотой) эффективнее включаются в работу соответствующего элемента на изгиб, чем участки стенки 4, 6 с гофрами относительно большей жесткости.
- в работе предлагаемой конструкции соблюдается следующий принцип силового сопротивления: распределение внутренних усилий между элементами зависит от соотношения их погонных жесткостей;
- при действии горизонтальной (ветровой) нагрузки на стойку 2, а также комбинации горизонтальной и вертикальной (симметричной или несимметричной) нагрузок соответственно на стойки 2 и ригель 1 описанные особенности работы предлагаемой конструкции сохраняются.
Рациональными участками расположения гофров с наибольшей жесткостью (т.е. с меньшим шагом и/или большей высотой) являются: в ригеле 1 - приопорные участки стенки 4, начинающиеся сразу после карнизного узла, в стойках 2 - участки стенки 6, примыкающие к карнизному узлу и узлу сопряжения с фундаментом.
Гладкие тонкостенные участки 7 эффективно располагать в ригеле 1 - в пролетной зоне, в стойках 2 - в средней по высоте зоне.
Описанное расположение гофрированных участков и гладких тонкостенных участков 7 стенки 4, 6 ригеля 1 и стоек 2 оптимально для подавляющего числа сочетаний вертикальных (симметричных и несимметричных) и горизонтальных нагрузок на рамную конструкцию.
При определенных условиях и соответствующем обосновании возможно иное расположение гофрированных участков и гладких участков 7, при этом сохраняется описанный выше принцип их силового сопротивления.
По статической схеме предлагаемая рама преимущественно двухшарнирная или бесшарнирная. Шарниры располагаются в узлах примыкания стоек 2 к фундаменту. Трехшарнирный вариант рамы возможен в исключительных случаях при соответствующем обосновании.
За счет варьирования жесткости стенки 4, 6 посредствам переменного гофрирования появляется возможность сохранять или незначительно изменять очертание (высоту поперечного сечения) ригеля 1 и/или стоек 2 при эффективном распределении материала. Данное обстоятельство позволяет существенно снизить затраты на изготовление рамы, рационально распределить жесткость элементов с точки зрения материалоемкости, а также предоставляет возможность организации автоматизированного производства таких конструкций.
Возможно многопролетное решение рамной конструкции с переменно-гофрированными элементами.
Направление гофров стенки 4, 6 - преимущественно поперечное, т.е. перпендикулярное к продольной оси элемента (ригеля 1 или стойки 2).
Ввиду того, что рамная конструкция с переменно-гофрированными элементами обладает целым рядом специфических особенностей; распределение и перераспределение усилий, закритическая работа, депланация сечений, переменная жесткость, влияние режима нагружения, местная и общая устойчивость элементов и др., то расчет прочности и устойчивости рекомендуется проводить численными методами теории упругости в компьютерной реализации, например, методом конечных элементов (МКЭ), решая задачу в пространственной постановке и моделируя элементы рамы оболочечными конечными элементами.