ФЕРМА ИЗ РОМБИЧЕСКИХ ТРУБ (ГНУТОСВАРНЫХ ПРОФИЛЕЙ)
TRUSS FROM ORTHORHOMBIC PIPES (ROLL-WELDED PROFILES)

Предлагаемое техническое решение относится к строительству, а именно к длинномерным строительным металлическим решетчатым конструкциям из труб, и может быть использовано при изготовлении ферм, прогонов, колонн, арок, рам и других несущих конструкций. Трубчатые строительные конструкции отличаются повышенными технико-экономическими характеристиками, так как конструкционный материал (металл) в поперечном сечении элементов расположен весьма эффективным образом. Однако дальнейший рост технико-экономических характеристик за счет применения более рациональных особо тонкостенных труб (замкнутых гнутосварных профилей) сдерживается из-за сложности технических решений узловых соединений стержневых элементов в решетчатых конструкциях.
Наибольшее распространение в трубчатых фермах получили узловые бесфасоночные соединения с непосредственным примыканием стержней решетки к поясам [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкции: Учеб. для вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2001. - С. 459, 462, рис. 7.26, а; 7.28, а; 2. Металлические конструкции: Учеб. для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Академия, 2007. - С. 292, 295, рис. 9.24, 9.27]. Здесь во избежание продавливания (выдергивания) диаметр трубы решетки не должен быть меньше 0,3 диаметра трубы пояса. В фермах из прямоугольных (квадратных) труб такое ограничение ужесточено в два раза, то есть ширину стержня решетки следует принимать не менее 0,6 поперечного размера пояса.
Недостаток описанных узлов заключается в отмеченном ограничении, учет которого приводит к повышению расхода материала на стержни и увеличению металлоемкости конструкции.
Еще одним известным техническим решением является решетчатая конструкция с узловым бесфасоночным соединением трубчатых элементов фермы (варианты), в котором диагональ поперечного сечения прямоугольного (квадратного) пояса расположена в осевой плоскости фермы, а раскосы в месте примыкания имеют сквозной вырез (V-образной формы), полностью повторяющий геометрию этого примыкания. За счет такого выреза соединение каждого из элементов решетки с поясом осуществляется по двум смежным его стенкам [1. Соколов А.А., Логачев К.И., Зинькова В.А. Численные исследования напряженно-деформированного состояния узловых бесфасоночных соединений трубчатых элементов ферм. - Промышленное и гражданское строительство, 2007, №8. - С. 40-41; 2. Зинькова В.А., Соколов А.А. Узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы. -Патент №2329361, 20.07.2008, бюл. №20]. Аналогичным образом в осевой плоскости фермы из квадратных труб расположены диагонали поперечных сечений всех стержневых элементов (и верхнего пояса, и нижнего пояса, и раскосов решетки между ними) [1. Кузнецов А.Ф., Кузнецов В.А. Ферма из квадратных труб. - Патент №116877, 10.06.2012, бюл. №16; 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. 100-101].
Недостатком известного технического решения является сложность его применения в фермах беспрогонных покрытий, так как ребро пояса может смять листы профилированного настила. В прогонных покрытиях уже само ребро пояса может быть смято прогоном, поэтому необходимо устройство опорных столиков под прогоны, что негативно влияет на материалоемкость конструкций, а также увеличивает трудоемкость их изготовления и монтажа. Этот недостаток можно устранить при помощи поясных элементов пятиугольного сечения с одной горизонтальной (полкой), двумя вертикальными и двумя наклонными стенками [Марутян А.С., Кобалия Т.Л., Павленко Ю.И., Глухов С.А. Узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы. - Патент №116526, 27.05.2012, бюл. №15].
Общий недостаток приведенных технических решений заключается в повышенной жесткости бесфасоночных узловых соединений трубчатых ферм [Покровский А.А. Об учете жесткостей узлов в расчетах ферм с элементами малой гибкости. - Строительная механика и расчет сооружений, 2011, №3. - С. 31-32]. Чтобы не учитывать дополнительные изгибающие моменты от жесткости узлов, строительные нормы и правила рекомендуют выполнять расчет трубчатых ферм по шарнирной схеме при условии, когда отношение высоты сечения к длине стержневых элементов не превышает 1/15...1/10 [СНиП И-23.81*. - М.: ОАО "ЦПП", 2008. - С. 43-44]. Очевидно, что диагональный разворот квадратных трубчатых профилей, трансформируя их в ромбическую конфигурацию, сопровождается ростом жесткости бесфасоночных узлов, и происходит это по двум причинам. Первой причиной является увеличение высоты сечения стержневых элементов. Вторая причина заключается в непосредственном сопряжении стенок и ребер между ними стержневых элементов решетки с аналогичными стенками и ребрами между ними поясных элементов. Кроме того, сквозные вырезы V-образной формы в местах примыкания раскосов к поясам, полностью повторяющие геометрию этих примыканий, требуют соблюдать повышенную точность изготовления и сборки, что увеличивает трудоемкость конструкций.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой ферме из ромбических труб (гнутосварных профилей) 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 (зигзагообразного) очертания [Орлик В.М. Строительная металлическая тонкостенная решетчатая конструкция. - Заявка №4776531, 03.01.1990. - Авторское свидетельство №1760041, 07.09.1992. - Бюл. №33].
Такому техническому решению присущи недостатки известных трубчатых ферм с бесфасоночными примыканиями решетки к поясам, увеличивающими жесткость узловых соединений, так как стержневые элементы со сплющенными в плоскости конструкции концами еще больше ужесточают узлы в этой плоскости, что сопровождается ростом металлоемкости. Решетка, выполненная из стальных изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания, отличается незначительной несущей способностью, что ограничивает нагрузку на конструкцию.
Техническим результатом предлагаемого решения является возрастание несущей способности конструкции с уменьшением ее материалоемкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в ферме из трубчатых элементов, включающей пояса и жестко прикрепленную к ним решетку, изготовленную со сплющенными концами из изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания, стержни фермы выполнены ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где у всех сжатых стержней большая диагональ расположена в плоскости конструкции, меньшая диагональ - из плоскости, а у всех растянутых стержней меньшая диагональ расположена в плоскости конструкции, а большая - из плоскости, причем верхний и нижний пояса в местах бесфасоночных примыканий решетки сплющены.
В предлагаемой ферме верхний и нижний пояса, а также треугольная или раскосная решетка между ними выполнены из ромбических замкнутых гнутосварных профилей. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов ромбический профиль в заданных по проекту местах сплющивают и двойными гибами придают ему V- или W-образное (зигзагообразное) очертание. Протяженность полосовой (ленточной) заготовки ромбического профиля можно подобрать из расчета на всю длину конструкции или ее отправочной марки. Сплющивание и двойные гибы ромбического профиля обеспечивают компоновку бесфасоночных узловых соединений без конструктивных эксцентриситетов, характерных для трубчатых ферм из прямоугольных (квадратных) гнутосварных профилей, что исключает появление изгибающих моментов и позитивно влияет на расход конструкционного материала. Сплющивание предохраняет стенку поясных элементов от продавливания и позволяет уменьшить ее толщину. По линиям гибов ромбического 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 ромбического профиля имеют наибольшую жесткость, приближенную к жесткости рамного крепления, за счет которого в несущих конструкциях можно сократить связевые элементы, как это сделано 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 расчетная длина стержневых элементов решетки в плоскости конструкции в два раза больше расчетной длины 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 ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости. Причем значение радиуса инерции по большей диагонали превышает величину радиуса инерции аналогичного ромбического профиля с равными диагоналями, то есть квадратного, что определенным образом способствует дальнейшему снижению материалоемкости несущих конструкций. Здесь можно выявить резервы несущей способности верхнего (сжатого) пояса фермы, если и его выполнить из подобного ромбического профиля с соответствующим сплющиванием в бесфасоночных узлах. Кроме того, ромбические профили в предлагаемой ферме отношением диагоналей 1/2 отличаются от труб стальных ромбических, ребристых по ГОСТ 8647-57 [Сальников Г.П. Краткий справочник машиностроителя. - Киев: Государственное издательство технической литературы УССР, 1963. - С. 106].
x
у
Для количественной оценки резервов несущей способности целесообразно использовать расчетные формулы осевых моментов инерции I и I ромбического (в том числе и квадратного) профиля
где l - длина срединной линии стенки, то есть линии, проходящей через середину толщины стенки;
t - толщина стенки;
n - отношение меньшей диагонали а к большей b, n=а/b.
Для тонкостенного трубчатого сечения ромбической формы с отношением диагоналей 1/2 (n=0,5)
Для тонкостенного трубчатого сечения квадратной формы
Если ввести параметры тонкостенности, характерные для замкнутых гнутосварных профилей (l/t=25...50) [ГОСТ Ρ 54157-2010. Трубы стальные профильные для металлоконструкций. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2010. - С. 14-23], то очевидно, что в ромбическом элементе момент инерции сечения увеличивается в  раза, а гибкость уменьшается в  раза, где  - радиусы инерции сечения ромбической и квадратной трубы соответственно.
Таким образом, ромбический профиль позволяет увеличить несущую способность верхнего (сжатого) пояса, а его сплющивание в узлах фермы обеспечивает центровку бесфасоночных соединений с элементами решетки на внутренней стороне и с прогонами на внешней стороне. При этом такое сплющивание приближает узлы пояса к шарнирам в плоскости фермы и к жестким (рамным) креплениям из плоскости конструкции.
Эффективность ромбического профиля, сплющенного в местах узловых соединений, применительно к нижнему (растянутому) поясу трубчатой фермы можно повысить, если большую диагональ сечения расположить из плоскости конструкции, а меньшую - в плоскости, что заметно увеличит жесткость из осевой плоскости (монтажную жесткость) и сократит связевые элементы. Такой конструктивный прием целесообразно распространить и на растянутые элементы решетки трубчатой фермы, в которой усилия сжатия и растяжения чередуются по всей длине пролета.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показан фрагмент фермы прогонного покрытия с треугольной решеткой; на фиг. 2 - фрагмент фермы прогонного покрытия с раскосной решеткой; на фиг. 3 приведен узел верхнего пояса фермы с треугольной решеткой, вид сбоку; на фиг. 4 - узел нижнего пояса фермы с треугольной решеткой, вид сбоку; на фиг. 5 - узел верхнего пояса фермы с раскосной решеткой, вид сбоку; на фиг. 6 - узел нижнего пояса фермы с раскосной решеткой, вид сбоку.
Предлагаемое техническое решение трубчатой фермы из ромбических профилей с отношением диагоналей сечения 1/2 включает верхний (сжатый) пояс 1, нижний (растянутый) пояс 2, растянутые раскосы 3 треугольной или раскосной решетки и сжатые раскосы 4 треугольной решетки или стойки 5 раскосной решетки. В узлах верхнего пояса на ферму могут опираться прогоны из гнутых профилей 6 или с уголковыми коротышами 7 прогоны из прокатных профилей 8. Стержневые элементы верхнего пояса 1, а также сжатые раскосы 4 и стойки 5 имеют сечения, большая диагональ которых расположена в плоскости фермы (конструкции), а меньшая - из плоскости. Стержневые элементы нижнего пояса 2 и раскосы 3 имеют сечения, большая диагональ которых расположена из плоскости фермы (конструкции), а меньшая - в плоскости. В местах, предусмотренных проектом под бесфасоночные узловые соединения поясов со стержнями решетки между ними, ромбический профиль поясных 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.). Ромбическому профилю стержневых элементов решетки после сплющивания в нужных местах двойными гибами придают V- или W-образное (зигзагообразное) очертание.
Формирование переходной и сплющенной частей стержневых элементов трубчатого сечения поясов и решетки между ними рекомендуется производить с обеспечением уклона переходного участка 1/6... 1/4 [1. Трофимов В.И., 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 фермы как с треугольной решеткой, так и раскосной. Между этими шарнирами сплющенный участок ромбического профиля решетки подкрепляет такой же участок ромбического профиля поясного элемента, одновременно обеспечивая необходимое и достаточное размещение сварных швов. Последние должны рассчитываться лишь на разность усилий в примыкающих раскосах 3 и 4 треугольной решетки или раскосе 3 и стойке 5 раскосной, а свариваться они могут в самом удобном (нижнем) положении. В собранной и сваренной конструкции (ферме) оптимальный угол наклона раскосов треугольной решетки составляет 45...50°, раскосной решетки - 30...35° [Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Изд. Центр "Академия", 2002. - С. 267].
Для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известным в качестве базового объекта приняты три варианта стальной фермы покрытия промышленного здания пролетом 18 м из замкнутых гнутосварных профилей.
1. 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].
2. Ферма из квадратных труб (профилей) [Кузнецов А.Ф., Кузнецов В.А. Ферма из квадратных труб. - Патент №116877, 10.06.2012, бюл. №16].
Расход материла сравниваемых вариантов приведен в таблице, из которой видно, что в новом решении он уменьшается на 3,26... 11,23%.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет в зависимости от проектных решений определенным подбором отношения диагоналей сечения ромбических труб (замкнутых гнутосварных профилей), а также расположением этих диагоналей в осевой плоскости конструкции (фермы) или из плоскости с учетом знака усилий в стержневых элементах (растяжения или сжатия) 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 в качестве исходных заготовок для ромбических профилей применить соответствующие им по калибру квадратные трубы, что может привести к дополнительному положительному эффекту. В качестве заводских соединений таких заготовок 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. В стержневых элементах решетки знаки усилий чередуются, поэтому после сплющивания квадратных заготовок их целесообразно прессовать в той же последовательности с необходимым расположением большой и меньшей диагоналей сечения в плоскости и из плоскости конструкции.
Ферма из ромбических труб
(гнутосварных профилей)