ТРЕХГРАННАЯ ФЕРМА ПОКРЫТИЯ (ПЕРЕКРЫТИЯ) ИЗ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ТРУБ

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в качестве несущих конструкций покрытий (перекрытий) зданий и сооружений различного назначения.
Известна конструкция беспрогонных покрытий из трехгранных ферм с коробчатыми сечениями двух верхних поясов прямоугольного сечения, образованных из состыкованных перьями двух равнополочных уголков. К этим поясам, а также к нижнему поясу из одиночного уголка с помощью фасонок прикреплены раскосы [Аванесов С.И., Чихачев Т.В., Балоян А.В., Абовян А.Г. Металлическая ферма. - Авторское свидетельство №1544921, 23.02.1990, бюл. №7]. Наличие фасонок негативно влияет на материалоемкость и трудоемкость изготовления, что свойственно всем решетчатым конструкциям с фасоночными узлами. В данном случае трудозатраты дополнительно возрастают, так как для пропуска фасонок в верхних поясах необходимо выполнять соответствующие прорези.
Известна также конструкция беспрогонных покрытий из трехгранных бесфасоночных ферм с коробчатыми сечениями всех поясов четырехугольного сечения, образованных из состыкованных перьями двух неравнополочных уголков, сваренных одинаковыми полками. Пояса фермы вписываются в правильный треугольник, что обеспечивает прямые резы стержням решеток, выполненным также из прямоугольных сварных труб [Кользеев А.А. Оценка влияния замкнутой формы сечения на устойчивость сжатых стальных стержней трехпоясных ферм. - Известия вузов. Строительство, 2012, №11-12. - С.108-113]. Составные сечения из прокатных уголков имеют два недостатка: по расходу конструкционного материала они заметно уступают прямоугольным трубам из гнутосварных замкнутых профилей, а их двойные и протяженные сварные швы увеличивают трудоемкость изготовления.
Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой несущей конструкции является бесфасоночная трехгранная ферма беспрогонного покрытия из прямоугольных труб, в качестве которых приняты замкнутые гнутосварные профили. Труба нижнего пояса имеет квадратное сечение, диагонали которого расположены вертикально и горизонтально [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. 70, fig. 6.1, 6.2]. Здесь во избежание продавливания (выдергивания) ширина трубы решетки не должна быть меньше 0,6 поперечного размера трубы пояса. Учет этого ограничения снижает концентрацию напряжений, но приводит к повышению расхода материала на стержни и увеличению металлоемкости конструкции. Кроме того, примыкания стержней наклонных решеток к нижней и верхним поясным трубам отличаются друг от друга, что сопровождается ростом трудозатрат при их изготовлении.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение степени унификации стержней решеток, снижение концентрации напряжений в бесфасоночных узлах, увеличение несущей способности конструкции с уменьшением расхода ее конструкционного материала.
Указанный технический результат достигается тем, что в трехгранной ферме покрытия (перекрытия) из прямоугольных труб, включающей два верхних пояса, объединенных уложенным по ним профнастилом, один нижний пояс, связанный с верхними поясами посредством двух наклонных решеток, все стержни обеих решеток выполнены с одинаковыми разделками их торцевых кромок и центрированы в бесфасоночных узлах на ребра между стенками (вертикальными гранями) и полками (горизонтальными гранями) поясных труб.
Разделка торцевых кромок стержней имеет определенную область рационального применения в бесфасоночных узловых соединениях плоских решетчатых конструкций из прямоугольных труб (замкнутых гнутосварных профилей), где поперечные сечения стержневых элементов поясов и решетки развернуты диагонально относительно плоскости конструкции, то есть диагонали сечений расположены в плоскости решетки. Теоретические (численные) и экспериментальные исследования таких узлов показали, что их использование сопровождается улучшением технико-экономических характеристик несущих конструкций: снижается концентрация напряжений, повышается надежность, коррозийная стойкость и несущая способность, уменьшается расход конструкционного материала [1. 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; 2. Кузнецов Α.Φ., Кузнецов В.А. Стальные решетчатые прогоны из труб для покрытий зданий, устойчивые против коррозии. - Приволжский научный журнал, 2012, №3. - С. 20-26; 3. Байков Д.А., Колесов А.И., Маслов Д.С. Численные исследования действительной работы узлов фермы из квадратных труб, соединенных на ребро. - Приволжский научный журнал, 2012, №4. - С. 36-40]. Описываемые узлы реализованы в фермах из квадратных труб [Кузнецов А.Ф., Кузнецов В.А. Ферма из квадратных труб. - Патент №116877, 10.06.2012, бюл. №16], а также в конструкциях из прямоугольных, ромбических и пятиугольных замкнутых гнутосварных профилей [1. Марутян А.С, Кобалия Т.Л., Павленко Ю.И., Глухов С.А. Узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов ферм. - Патент №116526, 27.05.2012, бюл. №15; 2. Марутян А.С., Экба С.И. Проектирование стальных ферм покрытий из прямоугольных, ромбических и пятиугольных замкнутых гнутосварных профилей: Учебно-справочное пособие. - Пятигорск: СКФУ, 2012. - 156 с].
Разделка торцевых кромок стержней использована также в бесфасоночных узлах, где развернуты диагонально относительно плоскости конструкции только поперечные сечения стержневых элементов поясов. Если в предыдущем случае разделка необходима для всех торцевых кромок, то в данном случае разделку V-образной формы должны иметь только торцевые кромки, непараллельные плоскости конструкции [1. Зинькова В.Α., Соколов А.А. Узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы (варианты). - Патент №2329361, 20.07.2008, бюл. №20; 2. Зинькова В.Α., Солодов Н.В. Исследование напряженно-деформированного состояния бесфасоночных узлов трубчатых ферм. - Современные проблемы науки и образования, 2013, №6. - С.205 (Издательский Дом «Академия Естествознания», Пенза)]. Такие узловые соединения апробированы в фермах и решетчатых прогонах из квадратных труб с верхним поясом, усиленным швеллером [1. Марутян А.С. Ферма из квадратных труб с верхним поясом, усиленным швеллером. - Патент №143426, 20.07.2014, бюл. №20; 2. Марутян А.С. Расчет и экспериментальное проектирование стальных решетчатых прогонов из гнутосварных профилей: Учебное (справочное) пособие. - Пятигорск: СКФУ, 2014. - 116 с].
Все приведенные разработки выполнены применительно к плоским конструкциям. Однако их отражение в пространственных модификациях, включая трехгранные фермы, может дать не меньший положительный эффект.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показана трехгранная ферма, в которой раскосы выполнены с разделкой торцевых кромок, непараллельных плоскостям решеток, вид сбоку; на фиг. 2 - трехгранная ферма, в которой раскосы выполнены с разделкой всех торцевых кромок, вид сбоку; на фиг. 3 изображен поперечный разрез трехгранной фермы, в которой раскосы выполнены с разделкой торцевых кромок, непараллельных плоскостям решеток; на фиг. 4 - поперечный разрез трехгранной фермы, в которой раскосы выполнены с разделкой всех торцевых кромок.
Предлагаемое техническое решение трехгранной фермы включает нижний (растянутый) пояс 1, два верхних (сжатых) пояса 2, соединяющие их раскосы решеток 3, а также профнастил 4, объединяющий верхние пояса и составляющий третью грань фермы. Поперечные сечения нижнего пояса 1 и верхних поясов 2 расположены относительно вертикали и горизонтали одинаково, что обеспечивает одинаковое центрирование и примыкание к их ребрам раскосов 3, повышая тем самым степень унификации и снижая трудозатраты изготовления. При этом нижняя полка нижнего пояса может быть использована не менее рационально, чем верхние полки верхних поясов, по которым уложен профнастил 4, например, для устройства подвесного потолка.
Для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известным в качестве базового объекта принята 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]. При этом плоская конструкция заменена двумя вариантами трехгранной фермы: по предлагаемому решению и его прототипу. Результаты такой замены приведены в таблице 1, из которой видно, что материалоемкость у предлагаемой трехгранной фермы меньше, чем у ее прототипа.
Для еще одного сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известным в качестве базового объекта принята ферма (решетчатый прогон покрытия) из гнутосварных профилей прямоугольного (квадратного) сечения [Марутян А.С. Расчет и экспериментальное проектирование стальных решетчатых прогонов из гнутосварных профилей: Учебное (справочное) пособие. - Пятигорск: СКФУ, 2014. - С. 8-10], которая в данном случае рассчитана с учетом минимальной высоты из условия предельно допустимого прогиба. Как видно из таблицы 2, материалоемкость у предлагаемой трехгранной фермы меньше, чем у ее прототипа, и это уменьшение стало более заметным.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет улучшить технико-экономические и другие характеристики трехгранных ферм из прямоугольных труб. С ростом нагрузок положительный эффект может увеличиться, что делает перспективным применение трехгранных ферм не только в покрытиях, но и в перекрытиях, например, таких, где профнастил обеспечивает несъемную опалубку и внешнее армирование плит из монолитного железобетона.