Тонкостенная несущая конструкция замкнутого пятигранного сечения (ее варианты)

Тонкостенная несущая конструкция замкнутого пятигранного сечения
Полезная модель относится к строительству и может быть использована в несущих конструкциях каркасов, покрытий производственных и общественных зданий, опорных конструкций эстакад, бащен, градирен и ряде других сооружений и их частей, работающих на сжатие и сжатие с изгибом.
Известны устройства тонкостенных элементов из спаренных уголков, образующих квадратное сечение 1 (рис. 8.3, стр. 180), из двух щвеллеров, состыкованных сварными швами в продольном направлении по перьям полок 1 (рис, 8.3 , стр. 180), а также из гнутого тонкого листа, образующего замкнутые профили: овального, пятиугольного и др. сечений 2 (рис. 19, стр. 55). Недостатком таких стержневых элементов является их малая несущая способность, связанная с потерей общей устойчивости квадратного профиля из уголков из-за малого радиуса инерции, не равноустойчивостью прямоугольного сечения из швеллеров и с потерей местной устойчивости замкнутого гнутого профиля из-за малой толщины листа.
Наиболее близкой к заявляемой тонкостенной конструкции является тонкостенная конструкция, образованная из швеллера и уголка, соединенных между собой в продольном направлении по перьям полок 3 (фиг. 1, стр. 1) образуя пятигранное сечение. При этом материал рационально распределен по сечению, центр тяжести сечения практически равноудален от материала стенок, поэтому конструкция оптимально работает в условиях центрального сжатия. По своим геометрическим характеристикам пятигранное сечение близко к идеальному
-  iO-0311B83i
МПК Е04С 3/32
(её варианты)
симметричному сечению в виде круглой трубы. Материал полностью использует свои механические свойства во всех возможных направлениях потери устойчивости и расход его становится минимальным. Однако из-за несимметрии сечения относительно горизонтальной оси х-х сечение нерационально работает при действии изгибающего момента относительно оси jc и при действии изгибающего момента в совокупности с продольной силой. Соотношение нормальных напряжений, возникающих в крайних фибрах полки швеллера к нормальным напряжениям, возникающих в крайних фибрах обушка уголка составляет от 0,95 до 0,5 при различных комбинациях номера швеллера и уголка. Поэтому полка швеллера находится в недогруженном состоянии, что приводит к нерациональному использованию материала и его перерасходу.
Задача полезной модели - повысить несущую способность тонкостенной несущей конструкции замкнутого пятигранного сечения, образованного из швеллера и уголка при низкой металлоемкости.
Задача решается следующим образом.
Тонкостенная несущая конструкция замкнутого пятигранного сечения, состоящая из швеллера и уголка, скреплённых в продольном направлении, выполняется бистальной или предварительно напряженной, при этом в зависимости от соотношений внешних усилий один из формообразующих профилей может выполняться из стали обычной прочности, а другой из стали повышенной прочности.
Таким образом заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что:
-конструкция выполнена бистальной;
-конструкция предварительно напряжена.
Благодаря отличиям повышается несущая способность сечения и расход материала сводится к минимуму при заданной внешней нагрузке. При выполнении конструкции бистальной, то есть при использовании различных марок стали формообразующих швеллера и уголка при действии изгибающего момента относительно оси к-у, (фиг. 1) формообразующий уголок принимается из малоуглеродистой легированной стали повышенной прочности (29 кН/см  jy  40 кН/см), а
швеллер - из стали обычной прочности (сту  29 кН/см ), где cjy - предел текучести. Разницы между расчетными сопротивлениями стали швеллера и уголка, и напряжениями, возникающими в крайних фибрах полки швеллера и крайних фибрах обушка уголка соответственно, становится близкими по значению. При действии изгибающего момента относительно оси л:-л: и продольной силы, марка стали для швеллера и уголка назначается в соответствии соотнощением и направлением действующих усилий, то есть по огибающей эпюре нормальных напряжений с учетом всех возможных комбинаций усилий. При выполнении конструкции предварительно напряженной удается добиться более рационального распределения материала по длине конструкции пятигранного сечения и, тем самым, понизить высоту сечения. Во время изготовления устройства создаются предварительные напряжения, обратные по знаку напряжениям от ожидаемой нагрузки. При нагружении конструкции внешней нагрузкой предварительные напряжения используются в первую очередь, и только после их исчерпания материал начинает воспринимать основные напряжения вплоть до достижения расчетного сопротивления. Таким образом увеличивается протяженность упругой работы основного материала стержня пятигранного сечения. Экспериментально установлено, что при сохранении и соблюдении всех рабочих параметров заявляемая
бистальная или предварительно напряженная тонкостенная несущая конструкция замкнутого сечения требует в сравнении с прототипом меньше металла на 10...20% и обладает большей несушей способностью.
На фиг. 1 изображена бистальная тонкостенная несуш;ая конструкция замкнутого пятигранного сечения. На фиг. 2 изображена предварительно напряженная изгибом тонкостенная несущая конструкция замкнутого пятигранного сечения. На фиг. 3 изображена тонкостенная несущая конструкция замкнутого пятигранного сечения предварительно напряженная высокопрочной затяжкой. На фиг. 4. изображено поперечное сечение конструкции, изображенной на фиг. 3.
Бистальная тонкостенная конструкция (фиг. 1) образована из швеллера 1 и уголка 2. Швеллер 1 и уголок 2 связанны между собой посредством сварки в продольном направлении. Марка стали швеллера 1 и уголка 2 различна и назначается в соответствии соотношением и направлением действующих усилий по результатам расчетов. Нредварительное напряжение конструкции, изображенной на фиг. 2 достигается изгибом швеллера 1 и уголка 2 в пределах упругой работы в направлении противоположном их прогибу под нагрузкой, с последующим соединением изогнутых швеллера 1 и уголка 2 между собой продольными сварными швами. Нредварительное напряжение конструкции, изображенной на фиг. 3 достигается установкой высокопрочной затяжки 3 вблизи растянутых фибр обушка уголка 2. Затяжка 3 крепится на анкерной колодке 4.
Бистальную тонкостенную несущую конструкцию замкнутого пятигранного сечения рационально использовать в конструктивных формах и их составляющих элементах работающих в условиях изгиба относительно оси jc-jc (фиг. 1), в условиях внецентренного сжатия или
растяжения с эксцентриситетом относительно оси х-х. Рациональная работа материала достигается применением марки стали повышенной прочности в наиболее нагруженном элементе (швеллере 1 или уголке 2) составного сечения и марки стали обычной прочности в наименее нагруженном элементе в зависимости от соотношения и направления действующих усилий.
Преднапряженную тонкостенную несуш;ую конструкцию замкнутого пятигранного сечения рационально использовать в конструктивных формах и их составляюш;их элементах, работаюп ;их в условиях изгиба относительно оси х-х (фиг. 2, фиг. 3) или растяжения с изгибом при преобладающем действии изгибающего момента. При использовании способа предварительного выгиба (фиг. 2), после освобождения в устройстве остаются предварительные напряжения, обратные по знаку напряжениям от нагрузки. Такой прием увеличивает область упругой работы конструкции и, соответственной, позволяет увеличить нагрузку. При использовании высокопрочной затяжки 3 (фиг. 3) устройство превращается в статически неопределимую систему. Под действием внешней нагрузки несущая способность повышается, вопервых, потому, что сначала в конструкции исчерпываются предварительные напряжения, что увеличивает область упругой работы материала, а во вторых, потому, что конструкция с затяжкой работает как статически неопределимая система, и растягивающее усилие в затяжке 3, складывающееся из предварительного напряжения и самонапряжения под нагрузкой, уравновещивается усилиями от сжимающих напряжений в стержне. В результате образуется дополнительный момент внутренних сил, уравновешивающий часть внешнего изгибающего момента. Таким образом заявляемое устройство бистальной и предварительно напряженной тонкостенной несущей конструкции
замкнутого пятигранного сечения позволяет повысить область допустимой нагрузки на сечение, тем самым повысить несущую способность при низкой металлоемкости.
Источники информации:
1.Беленя Е.И. Металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1986.
2.Артемьева И.Н. Алюминиевые конструкции. Л., Стройиздат, 1976.
3.Тонкостенная несущая конструкция замкнутого сечения. Патент на изобретение. №2174576, МПК Е04 С 3/32.