ТРЕУГОЛЬНАЯ РАВНОКАТЕТНАЯ ПРОФИЛЬНАЯ ТРУБА (ГНУТОСВАРНОЙ ПРОФИЛЬ)

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в качестве стержневых элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения. В частном случае это могут быть стержневые элементы поясов и решеток ферм или решетчатых прогонов покрытий.
Известно техническое решение в виде труб стальных треугольных равносторонних по ГОСТ 8650-57 [Сальников Г.П. Краткий справочник машиностроителя. - Киев: Государственное издательство технической литературы УССР, 1963. - С. 111]. Отличительное свойство этого технического решения заключается в том, что трубчатый профиль имеет форму равностороннего треугольника с внутренним радиусом закруглений, равным двум его толщинам. Точно такую же форму поперечного сечения имеет профильная треугольная труба с внутренним радиусом закруглений, уменьшенным до 0,9…1,5 толщины при изготовлении из стали с временным сопротивлением не более 450 МПа и 1,6…2,0 толщины при изготовлении из стали с временным сопротивлением сверх 450 МПа [Сеничев С.Г., Антипанов В.Г., Корнилов В.Л., Стариков А.И. Профильная треугольная труба. - Патент №2312724, 20.12.2007, бюл. №35]. Профили в виде правильного треугольника характеризуются равной устойчивостью относительно главных центральных осей их поперечных сечений. Подобная специфика треугольной профильной трубы (гнутосварного профиля) востребована в машиностроении, но в строительной сфере может вызвать дополнительные трудозатраты для изготовления стержневых конструкций с ее применением из-за полного отсутствия прямых углов.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемому является труба стальная треугольная равнобедренная по ГОСТ 8649-57 [Сальников Г.П. Краткий справочник машиностроителя. - Киев: Государственное издательство технической литературы УССР, 1963. - С. 111]. Прототип характеризуется тремя основными отличительными признаками. Одним из них является прямой угол между равными сторонами (катетами), поэтому представляется вполне допустимым для большей определенности маркировать подобную профильную трубу равнокатетной. Другой признак представляет собой неравную устойчивость относительно главных центральных осей поперечных сечений, где расчетные параметры моментов инерции этих сечений могут разниться между собой троекратно. Еще один признак заключается в том, что внутренний радиус закругления катетов превышает внутренний радиус закруглений катетов и гипотенузы в 1,33…1,67 раза. Ортогональность равнокатетной профильной трубы (гнутосварного профиля) по техническому решению из прототипа способствует ее применению в строительных конструкциях. Однако в общем случае для ферменных, структурных, перекрестных и других решетчатых конструкций зданий и сооружений равнокатетная профильная труба нуждается в дополнительной проработке, как стержневой элемент, одинаково устойчивый из плоскости и в плоскости несущей конструкции. В этом случае целесообразно учесть опыт аналогичной проработки трапециевидной профильной трубы, когда при ее оптимизации по критерию одинаковой устойчивости отбортовки сварного стыка определенных размеров использованы в качестве внутреннего ребра жесткости [Марутян А.С. Трапециевидная профильная труба. - Патент №2680564, 22.02.2019, бюл. №6]. Поэтому такое техническое решение может послужить аналогом, дополняющим уже принятый прототип.
Техническим результатом предлагаемого решения является одинаковая устойчивость (равноустойчивость) из плоскости и в плоскости несущей конструкции треугольной равнокатетной профильной трубы применительно к стержневым элементам, что увеличивает конструктивно-компоновочные возможности и расширяет область ее рационального применения.
Указанный результат достигается тем, что в треугольной равнокатетной профильной трубе (гнутосварном профиле), включающей две наклонные грани в виде катетов и горизонтальную грань в виде гипотенузы равнобедренного прямоугольного треугольника в поперечном сечении, а также сварной стык катетов с двойными отбортовками, отогнутыми внутрь трубчатого профиля, эти отбортовки после заварки продольного шва формируют вертикальное ребро шириной, равной четырем толщинам трубы, и высотой, составляющей 0,2698 гипотенузы.
Предлагаемая профильная труба обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого для ее изготовления можно использовать прямошовные сварные соединения листовых заготовок как обычной, так и повышенной тонкостенности. В последнем случае по технологическим требованиям наложения сварных швов необходима разделка кромок под сварку в виде их отбортовки [Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - С. 119, рис. 4.15]. Итогом таких сборочно-сварочных операций может стать формообразование внутри замкнутого (трубчатого) профиля своего рода ребра жесткости, которому вполне допустимо и целесообразно после соответствующего расчета согласно заданным по проекту параметрам придать дополнительные конструктивно-компоновочные функции. В частности, внутреннее ребро из двойных отбортовок может обеспечить одинаковую устойчивость из плоскости и в плоскости несущей конструкции для стержневых элементов из треугольной равнокатетной трубы.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на
фиг. 1 приведена расчетная схема поперечного сечения треугольной равнокатетной трубы, где пунктиром обозначена средняя линия тонкостенного сечения;
фиг.2 - схема поперечного сечения треугольной равнокатетной трубы, оптимизированной по критерию равноустойчивости;
фиг. 3 - схема поперечного сечения трубы стальной треугольной равнобедренной по ГОСТ 8649-57;
фиг. 4 показан срез разнокалиберных треугольных равнокатетных труб, оптимизированных по критерию равноустойчивости.
x
y
2
3
Для вывода приведенных соотношений параметров треугольного равнокатетного трубчатого профиля и количественной оценки его несущей способности целесообразно рассчитать моменты инерции сечения I и I относительно главных центральных осей, а также площадь сечения А. Такое сечение можно считать составным из трех прямоугольных участков, средние линии которых являются катетами и гипотенузой равнобедренного прямоугольного треугольника. Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней линии тонкостенного сечения без учета его угловых закруглений и без учета численных величин, содержащих значения толщины, возведенной во вторую и третью степень (t, t) [Марутян А.С. Оптимизация конструкций из трубчатых (гнутосварных) профилей квадратных (прямоугольных) и ромбических сечений. - Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №1. - С. 30-38].
Треугольная равнокатетная труба имеет следующие расчетные параметры поперечного сечения:
- габаритный размер по высоте
где U - габаритный размер по ширине, равный гипотенузе;
- размер (длина) боковых сторон (катетов)
- площадь сечения
где t - толщина листовой заготовки трубчатого профиля (штрипса);
- ординаты центра тяжести сечения
min
max
где y - относительно нижней грани, y - относительно вершины прямого угла,
- моменты инерции
- радиусы инерции
Полученные расчетные формулы можно протестировать. Тестовый расчет целесообразно выполнить на базе всех пяти треугольных равнобедренных (равнокатетных) труб из сортамента по ГОСТ 8649-57 [https://mash-xxl.info/pic1/155034228175118197125123155011134245214108105132.png], а его основные итоги нагляднее представить в табличной форме. Как видно из таблицы 1, вычисленные параметры относительно оси ординат имеют достаточно приемлемые погрешности, а погрешности вычисленных параметров относительно оси абсцисс существенно больше. Такую разницу можно объяснить тем, что у закругления катетов стандартного профиля внутренний радиус длиннее, чем у закруглений катетов и гипотенузы. В профиле по предлагаемому техническому решению закругление катетов заменено сварным стыком этих катетов с двойными отбортовками. После заварки продольного шва и снятия грата, с достаточно высокой вероятностью допустимо предположение, что сопряжение катетов и внутреннего ребра будет сплавлено в единое целое с меньшим радиусом, чем в стандарте. Тогда в качестве еще одной расчетно-теоретической предпосылки этот радиус можно принять равным радиусу закруглений катетов и гипотенузы, чтобы применить для решения оптимизационной задачи протестированные формулы, корректность которых остается приемлемой.
Обеспечить одинаковую устойчивость из плоскости и в плоскости несущей конструкции можно за счет включения в расчетное сечение треугольной равнокатетной трубы внутреннего ребра размером 4t×h, компонуемого в результате сварного стыка катетов с двойными отбортовками:
x
y
Далее необходимо рассчитать моменты инерции сечения I и I относительно главных центральных осей и по методу поэтапных приближений приравнять их друг к другу:
Сравнение расчетных параметров треугольных равнокатетных труб с внутренним ребром и без такого ребра показывает, что, если площадь сечения у предлагаемой трубы стала больше в 3,4934/2,4142=1,45 раза, то момент инерции поперечного сечения в плоскости несущей конструкции увеличился в 0,2011706/0,0670613=3,0 раза, а радиус инерции - в 0,2399706/0,1666667=1,44 раза. При всем этом у треугольной равнокатетной трубы с внутренним ребром (h/U=0,2698/1) поперечное сечение равноустойчиво относительно главных центральных осей, что увеличивает ее конструктивно-компоновочные возможности и применение в стержневых элементах несущих конструкций.
Расчетные параметры треугольной равнокатетной профильной трубы (гнутосварного профиля) с внутренним ребром для одинаковой устойчивости применительно к стержневым (ферменным) конструкциям более наглядны для сравнения в табличной форме с соответствующими равноустойчивыми трубчатыми профилями: трапециевидным (с внутренним ребром), полуплоскоовальными (с внутренним ребром и без такого ребра), круглым [Марутян А.С. Расчет оптимальных параметров полуплоскоовальных труб для ферменных и балочных конструкций // Строительная механика и расчет сооружений, 2019, №2. - С. 68-74], а также треугольным (равностороннем), квадратным и пятиугольными [Марутян А.С. Оптимизация пятиугольных профильных труб новой модификации // Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №3. - С. 25-35]. За эталонные (100-процентные) показатели приняты расчетные параметры трубчатого профиля по предлагаемому техническому решению (таблица 2). Из сравнительного анализа следует, что треугольные равнокатетные профильные трубы (гнутосварные профили) с внутренним ребром для равноустойчивости достаточно рациональны для перспективного использования в несущих конструкциях различных зданий и сооружений.