ТРЕУГОЛЬНАЯ РЕШЕТКА СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ПОЛУСТОЙКАМИ И ПОЛУРАСКОСАМИ (Y-ОБРАЗНЫМИ СТОЙКАМИ)
TRIANGLE LATTICE OF ROD STRUCTURES WITH ADDITIONAL SEMI-RACKS AND HALF-BRACES (Y-SHAPED RACKS)

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в стержневых конструкциях покрытий (перекрытий) зданий и сооружений различного назначения.
Известны стержневые конструкции (фермы), поддерживающие прогоны кровельного ограждения или балки настила, к треугольной решетке которых часто добавляют дополнительные стойки, позволяющие при необходимости сокращать расстояния между узлами. Эти стойки получаются сравнительно легкими, так как работают только на местную нагрузку и не участвуют в передаче на опору поперечной силы. Они целесообразны также для уменьшения расчетной длины сжатого пояса [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учебник для вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С. 419-421, рис. 7.5, в, г; 2. Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - С. 263, 268-269, рис. 9.6, в, г]. Недостатком такого технического решения является наличие длинных сжатых стержневых элементов поясов и решетки, что сопровождается дополнительным расходом конструкционного материала для обеспечения их устойчивости.
Известны также стержневые конструкции (фермы) с параллельными поясами, треугольная решетка которых снабжена дополнительными стойками и полустойками. Каждая из этих полустоек одним концом прикреплена к раскосу, а другим концом - к нижнему поясу, что способствует снижению расхода конструкционного материала за счет уменьшения расчетной длины раскосных стержней решетки [Беккер Г.Н. Ферма с параллельными поясами. - Авторское свидетельство №781293, 23.11.1980, бюл. №43]. Недостаток этого технического решения заключается в том, что дополнительные полустойки (в отличие от дополнительных стоек) не работают на местную нагрузку и выполняют функции связевых элементов только в плоскости решетки, не влияя на расчетную длину раскосных стержней из плоскости решетки.
Известным техническим решением является шпренгельная решетка, включающая в свой состав раскосы и дополнительные стойки, а также полураскосы и полустойки. Такую решетку используют при внеузловом приложении к верхнему поясу сосредоточенных нагрузок, а также при необходимости уменьшения расчетной длины сжатого пояса. Она более трудоемка, чем треугольная решетка, однако в результате исключения работы сжатого пояса на изгиб и сокращения его расчетной длины обеспечивает снижение расхода конструкционного материала [1. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учебник для вузов / Под ред. В.В. Горева. - М.: Высшая школа, 2004. - С. 420-421, рис. 7.6, д; 2. Металлические конструкции: Учебник для вузов / Под ред. Ю.И. Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - С. 264, 269, рис. 9.7, д]. Недостаток шпренгельной решетки представляет собой значительное количество отличающихся друг от друга стержневых элементов, что, являясь причиной существенной многодельности, вызывает дополнительные трудозатраты и расход конструкционного материала.
Еще одно известное техническое решение представляет собой арочно-вантовое комбинированное покрытие, включающее арочный верхний пояс, провисающую ломаную затяжку и объединяющие их элементы в виде Y-образных стоек. Все узловые сопряжения стержневых элементов выполнены без использования шарниров, а расстояния между ними имеют определенные соотношения друг с другом и пролетом конструкции [Еремеев П.Г., Киселев Д.Б., Павлинов В.В. Арочно-вантовое комбинированное покрытие. - Патент №2396396, 10.08.2010, бюл. №22]. Для обеспечения геометрической неизменяемости комбинированного покрытия его стержневые элементы, а также их узловые соединения должны обладать необходимой жесткостью на изгиб, что увеличивает расход конструкционного материала.
Наиболее близким известным техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой треугольной решетке с дополнительными полустойками и полураскосами (Y-образными стойками) является треугольная решетка с дополнительными стойками и полураскосами [Марутян А.С. Треугольная решетка стержневых конструкций с дополнительными стойками и полураскосами. - Патент №2573889, 27.01.2016, бюл. №3]. Дополнительные стойки и полураскосы имеют Ψ-образное очертание и в конструкциях (фермах) с треугольной решеткой делят панели верхних поясов на четыре, как правило, равные части. При этом длина полураскосов дополнительных стоек Ψ-образного очертания достигает половины длины раскосов треугольной решетки, что увеличивает материалоемкость конструкции. Кроме того, Ψ-образные стойки нуждаются в определенной переработке, когда панели верхних поясов вполне достаточно разделить не на четыре, а на три части.
Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение количества узловых соединений стержневых элементов решетки, сокращение дополнительных трудозатрат и расхода конструкционного материала.
Указанный технический результат достигается тем, что треугольная решетка стержневых конструкций помимо верхнего (сжатого) пояса, нижнего (растянутого) пояса и раскосов между ними, снабжена также дополнительными полустойками и полураскосами, имеющими Y-образное очертание. Каждый из пар этих полураскосов одним концом соединен с верхним поясом, а другим концом оперт на полустойку. Причем верхние узловые соединения полураскосов (верхних стержней Y-образных стоек) делят панели верхнего пояса на три части, а нижние узловые соединения полустоек (нижних стержней Y-образных стоек) совмещены с узловыми соединениями нижнего пояса и раскосов решетки.
Предлагаемое техническое решение достаточно универсально. В нем дополнительные полураскосы имеют двойное функциональное назначение. Работая на местную нагрузку, они догружают сравнительно легкие полустойки решетки и с ними вместе не участвуют в передаче на опору поперечной силы. Вместе с тем как связевые элементы они уменьшают расчетную длину сжатого пояса. Аналогичная эффективность применительно к прототипу (треугольной решетке с дополнительными стойками и полураскосами) достижима в результате совместной работы более протяженных по длине стоек и более протяженных по длине полураскосов. Здесь очевидно, что в предложенной решетке одновременно сокращаются как протяженности стержневых элементов, так и общее количество их соединительных узлов. Универсальность такого решения обеспечивает эффективность его применения в беспрогонных покрытиях. Рационально оно не только в стержневых конструкциях с параллельными поясами или трапециевидного очертания, но и в треугольных фермах. Последнее обстоятельство особенно заметно в треугольных фермах системы Полонсо, а также по терминологии академика В.Г. Шухова в рациональных фермах 2-го класса [Шухов В.Г. Строительная механика. Избранные труды. - М.: Наука, 1977. - С. 71-82, рис. 6, 8].
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показана схема треугольной решетки стержневой конструкции с параллельными поясами, дополнительными полустойками и полураскосами, имеющими Y-образное очертание; на фиг. 2 - схема стержневой конструкции, аналогичной фермам системы Полонсо; на фиг. 3 -схема стержневой конструкции, аналогичной рациональным фермам 2-го класса; на фиг. 4 приведены схема 36-метровой фермы с треугольной решеткой и дополнительными стойками из гнутосварных профилей с уклоном 10%, а также значения коэффициентов использования элементов сечением 140×140×8 мм под нагрузку 2,1 тс/м (140×140×5 мм под нагрузку 1,3 тс/м); на фиг. 5 - схема 36-метровой фермы с треугольной решеткой, дополнительными стойками и полураскосами Ψ-образного очертания из гнутосварных профилей с уклоном 10%, а также значения коэффициентов использования элементов сечением 140×140×8 мм под нагрузку 2,1 тс/м (140×140×5 мм под нагрузку 1,3 тс/м); на фиг. 6 - схема 36-метровой фермы с треугольной решеткой, дополнительными полустойками и полураскосами Y-образного очертания из гнутосварных профилей с уклоном 10%, а также значения коэффициентов использования элементов сечением 140×140×8 мм под нагрузку 2,1 тс/м (140×140×5 мм под нагрузку 1,3 тс/м); на фиг. 7 - схема 36-метровой фермы с треугольной решеткой, дополнительными стойками, полустойками и полураскосами Y-образного очертания из гнутосварных профилей с уклоном 10%, а также значения коэффициентов использования элементов сечением 140×140×8 мм под нагрузку 2,1 тс/м (140×140×5 мм под нагрузку 1,3 тс/м); на фиг. 8 представлена схема 36-метровой фермы с треугольной решеткой, дополнительными стойками и Ψ-образной стойкой из гнутосварных профилей с уклоном 1,5%, а также значения коэффициентов использования элементов сечением 140×140×8 мм под нагрузку 1,5 тс/м (140×140×5 мм под нагрузку 1,0 тс/м); на фиг. 9 - схема 36-метровой фермы с треугольной решеткой, дополнительными стойками и Y-образной стойкой из гнутосварных профилей с уклоном 1,5%, а также значения коэффициентов использования элементов сечением 140×140×8 мм под нагрузку 1,5 тс/м (140×140×5 мм под нагрузку 1,0 тс/м).
Предлагаемая треугольная решетка стержневых конструкций включает верхний (сжатый) пояс 1, нижний (растянутый) пояс 2, раскосы 3, дополнительные полустойки 4 и полураскосы 5. Верхними своими торцами дополнительные полураскосы 5 примыкают к панелям верхнего пояса 1, а нижними торцами они опираются на дополнительные полустойки 4, совместно с которыми составляют стержневые элементы решетки в виде стоек Y-образного очертания. Верхние узловые соединения полураскосов 5 (верхних стержней Y-образных стоек) делят панели верхнего пояса 1 на три части. Нижние узловые соединения полустоек 4 (нижних стержней Y-образных стоек) совмещаются с узловыми соединениями нижних поясов 2 и раскосов 3 решетки.
Стержневая конструкция, аналогичная рациональным фермам 2-го класса, наряду с верхним (сжатым) поясом 1, нижним (растянутым) поясом 2, раскосами 3 содержит в числе основных своих стержневых элементов также и стойки 6, а дополнительные полустойки 4 и полураскосы 5, как и в предыдущих случаях, имеют Y-образное форму.
Для определения общего количества узловых соединений стержневых элементов решетки в предложенном техническом решении и его прототипе целесообразно использовать табличную форму расчета (таблица 1), откуда видно, что уменьшение числа узлов составляет:
31/26=1,19 раза - в стержневой конструкции с параллельными поясами;
13/11=1,18 раза - в стержневой конструкции, аналогичной фермам системы Полонсо;
25/21=1,19 раза - в стержневой конструкции, аналогичной рациональным фермам 2-го класса.
Кроме того, для сравнения предлагаемого (нового) технического решения с известными в качестве базового объекта принята стержневая конструкция (ферма) беспрогонного покрытия из замкнутых гнутосварных профилей (профильных труб) прямоугольного сечения по ГОСТ Р 54157-2010, где решетка принималась:
1) треугольной; 2) треугольной с дополнительными стойками; 3) шпренгельной; 4) треугольной с дополнительными стойками и полураскосами (Ψ-образными стойками) - известные решения; 5) треугольной с дополнительными полустойками и полураскосами (Y-образными стойками) - предложенное решение (таблица 2).
При этом общие для всех вариантов исходные данные составили:
1) пролет фермы l=20 м, высота h=2 м (h/l=1/10), угол наклона раскосов α=45°;
2) расчетная нагрузка q=1280 кгс/м;
y
2
3) расчетное сопротивление конструкционного материала R=2100 кгс/см;
4) узловые соединения стержней решетки и поясов выполнены бесфасоночными, с учетом недопущения продавливания или выдергивания (0,6≤b/В, где b - ширина сечения стержня решетки, В - ширина сечения пояса);
min
5) минимальная толщина стенок стержней решетки и поясов t=3 мм.
Как видно из таблицы 2, в предлагаемом (новом) техническом решении расход конструкционного материала (стали) снижен на 4,7…16,3%, а протяженность дополнительных стержневых элементов по длине сокращена в 1,5 раза при замене Ψ-образных стоек на Y-образные.
Перспектива рационального использования предлагаемого технического решения открывается при проектировании стандартизированных ферменных конструкций из прямоугольных гнутосварных профилей пролетом 36 м [Барановский М.Ю., Тарасов В.А. Стандартизированные ферменные конструкции с уклоном 10% пролетами 24, 30, 36 метров. - Строительство уникальных зданий и сооружений, 2014, №7(22). - С. 92-106]. Здесь спроектированная серия конструкций по сравнению с аналогичными фермами типа «Молодечно» оказалась менее металлоемкой за счет уменьшения сечения верхнего пояса при введении в треугольную решетку дополнительных стоек. В частности, для верхних и нижних поясов 36-метровых ферм приняты квадратные трубы сечениями 140×140×8 мм под нагрузку 2,1 тс/м и 140×140×5 мм под нагрузку 1,3 тс/м. Полученные результаты показали, что сечение 140×140×8 мм (140×140×5 мм) в верхнем поясе имеет коэффициент использования элементов 0,98…1,0 (0,95…0,96), а в нижнем поясе - 0,92 (0,88). Применение в треугольной решетке дополнительных стоек позволило унифицировать сечения верхнего и нижнего поясов. Однако нижний пояс оказался менее нагруженным в сравнении с верхним поясом, который на приопорных участках пролета остался практически с нулевым запасом несущей способности.
Определенной разгрузкой верхнего пояса и соответствующим увеличением запаса несущей способности сопровождается замена в треугольной решетке обычных дополнительных стоек на дополнительные стойки и полураскосы Ψ-образного очертания (прототип) или дополнительные полустойки и полураскосы Y-образной формы (предлагаемое решение). В одной и той же треугольной решетке при этом возможно также сочетание обычных стоек с Ψ-образными стойками или Y-образными стойками. Введение Ψ-образных стоек уменьшило коэффициент использования элементов верхнего пояса для сечения 140×140×8 мм (140×140×5 мм) до 0,93…0,94 (0,90…0,91), а Y-образных стоек для тех же сечений - до 0,94…0,96 (0,92…0,93). По расходу конструкционного материала более предпочтительны Y-образные стойки, так как у них по сравнению с Ψ-образными стойками количество узловых соединений меньше и суммарная длина в 1,5 раза короче. Дополнительный положительный эффект можно получить, если Y-образные стойки установить только в приопорных зонах 36-метровых ферм с уклоном 10%, а обычные стойки оставить в середине пролета.
Не менее эффективны обычные стойки, Ψ-образные стойки, Y-образные стойки, а также их сочетания в треугольных решетках малоуклонных ферменных конструкций с параллельными поясами из гнутосварных профилей типа «Молодечно» [Стальные конструкции покрытий производственных зданий пролетами 18, 24 и 30 м с применением замкнутых гнутосварных профилей прямоугольного сечения типа «Молодечно»: типовой проект: серия 1.460.3-14 / разраб. ГПИ Ленпроектстальконструкция. - Госстрой СССР, 1980. - 135 с: чертежи КМ]. Так, например, проработаны 36-метровые фермы с уклоном 1,5%, где для верхних и нижних поясов приняты квадратные трубы сечениями 140×140×8 мм под нагрузку 1,5 тс/м и 140×140×5 мм под нагрузку 1,0 тс/м. Для этих конструкций обычные стойки в сочетании с одной Ψ-образной стойкой или одной Y-образной стойкой необходимы не по всей длине пролета, а только в средней его части. При использовании Ψ-образной стойки (прототип) сечение 140×140×8 мм (140×140×5 мм) в верхнем поясе имеет коэффициент использования элементов 0,41…0,94 (0,42…0,96), а в нижнем поясе - 0,29…0,93 (0,30…0,96). В случае применения Y-образной стойки (предлагаемое решение) сечение 140×140×8 мм (140×140×5 мм) в верхнем поясе имеет коэффициент использования элементов 0,41…0,97 (0,42…0,99), а в нижнем поясе - 0,29…0,93 (0,30…0,96).
Подводя итоги, можно прийти к выводу, что Y-образные стойки (предлагаемое решение), как и Ψ-образные стойки (прототип), совмещают в треугольных решетках стержневых конструкций функции силовых и связевых элементов. В предлагаемом решении суммарная длина этих элементов существенно короче, а количество их узловых соединений меньше, что, снижая трудоемкость и сокращая расход материала, обеспечивает положительный эффект и делает такое решение более предпочтительным для стрежневых конструкций зданий и сооружений.