ПЯТИУГОЛЬНЫЙ РАВНОКАТЕТНЫЙ ГНУТОСВАРНОЙ ПРОФИЛЬ С УСИЛЕННЫМИ ГРАНЯМИ

Полезная модель относится к области строительства и может применяться в качестве балочных и стержневых элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения. В частном случае это могут быть стержневые элементы поясов ферм беспрогонных покрытий, решетчатых прогонов кровель или таких же ригелей стеновых каркасов.
x
y
Известным техническим решением является конструкция замкнутого сечения, выполненная из состыкованных между собой продольными швами швеллеров и уголков с образованием пятигранного профиля [Копытов М.М., Ерохин К.А., Матвеев А.В., Косинцев А.С., Яшин С.Г. Тонкостенная несущая конструкция замкнутого сечения. - Патент №2174576, 10.10.2001]. Сутью, формообразующей эту конструкцию, является пятигранная (пятиугольная) труба, скомпонованная из прокатных профилей открытого (незамкнутого) сечения, а именно швеллера и равнополочного уголка, в виде составного коробчатого стержневого элемента. Обладая преимуществами, свойственными замкнутым профилям, такая конструкция имеет определенные недостатки. В их числе парные продольные сварные швы (сплошные или прерывистые), с помощью которых швеллер и уголок состыкованы между собой в пятигранный профиль и которые увеличивают трудоемкость изготовления. Так как стенки пятигранного профиля имеют разные толщины, конструкционный материал распределяется по периметру поперечного сечения неравномерно. Кроме того, параметры тонкостенности швеллера и уголка оптимизированы в рамках формирования прокатных профилей открытого сечения независимо друг от друга, что ухудшает характеристику равноустойчивости пятигранного (пятиугольного) замкнутого сечения до 15% (i/i=1,15).
Еще одно известное техническое решение (принятое за аналог) представляет собой пятиугольный замкнутый гнутосварной профиль, выполненный из единой листовой заготовки. Он имеет численные параметры поперечного сечения, оптимизированные по критерию равноустойчивости относительно центральных осей х-х и у-у с использованием условного квадратного замкнутого гнутосварного профиля таким образом, что отношение высоты вертикальных стенок пятиугольного профиля к ширине его горизонтальной полки составляет 0,54...0,61. При этом реальный и условный профили обладают одними и теми же толщиной, периметром и площадью сечения, которые представляют собой постоянные величины [Марутян А.С., Кобалия Т.Л., Янукян Г.М., Глухов С.А., Павленко Ю.И. Пятиугольный замкнутый гнутосварной профиль. - Патент №104582, 20.05.2011, бюл. №14]. Предлагаемый профиль и его аналог имеют в своих поперечных сечениях прямой угол между равными сторонами (катетами), наклоненными относительно вертикали на 45 градусов. Поэтому представляется вполне допустимым для большей определенности маркировать их равнокатетными.
Профиль по техническому решению аналога характеризуются равной устойчивостью относительно главных центральных осей его поперечного сечения. Однако применительно к балочным элементам его можно дополнительно проработать для оптимизации расчетных моментов сопротивления в силовой плоскости несущей конструкции. В этом случае целесообразно учесть опыт проработки пятиугольного равнокатетного гнутосварного профиля, когда при его оптимизации по расчетному моменту сопротивления отбортовки сварного стыка определенных размеров использованы в качестве внутреннего ребра жесткости [Вартумян А.А., Шебзухова Т.А., Оробинская В.Н., Перцевая Е.Н., Саленко Р.Н., Лаврова Т.Н., Напалкин М.Ю., Марутян А.С. Пятиугольный равнокатетный гнутосварной профиль. - Патент №212917, 18.05.2022, бюл. №23]. Поэтому такое техническое решение может послужить прототипом, дополняющим уже принятый аналог.
В качестве недостатка пятиугольного равнокатетного гнутосварного профиля с внутренним ребром из тройных отбортовок сварного стыка следует отметить, что вертикальное расположение этого ребра стесняет внутреннюю полость трубчатого профиля и усложняет его применение в таких несущих конструкциях, как трубобетонные каркасы [Fei Gao, Fan Yang, Hongping Zhu, Hongjun Liang. Lateral-torsional buckling behaviour of concrete-filled high-strength steel tubular flange beams under mid-span load // Journal of Constructional Steel Research 176 (2021) 106398]. Поэтому практический интерес может вызвать дополнительная проработка технического решения прототипа на основе трансформации вертикального ребра жесткости в наклонные усиления боковых граней.
Технический результат предлагаемого решения представляет собой оптимизированный параметр расчетного момента сопротивления сечения в силовой плоскости несущей конструкции в пятиугольном равнокатетном гнутосварном профиле со свободной внутренней полостью применительно к балочным элементам, что увеличивает конструктивно-компоновочные возможности и расширяет область его рационального применения.
Указанный результат достигается тем, что в пятиугольном равнокатетном гнутосварном профиле, включающем одну горизонтальную полку, две вертикальные стенки и две наклоненные относительно вертикали на 45 градусов грани, а также сварной стык наклонных граней с отбортовками, отогнутыми внутрь профиля, эти отбортовки выполнены двойными, параллельными боковым граням и посредством заварки продольного шва формируют наклонные усиления обеих боковых граней размером, равным 0,47843 ширины профиля по средней линии его расчетного сечения.
Предлагаемый гнутосварной профиль обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого для его 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 элементов жесткости, которым вполне допустимо и целесообразно после соответствующего расчета согласно заданным по проекту параметрам придать дополнительные конструктивно-компоновочные функции. В частности, оптимизированный параметр расчетного момента сопротивления в силовой плоскости несущей конструкции для балочных элементов из пятиугольного равнокатетного гнутосварного профиля может быть обеспечен при помощи наклонных усилений боковых граней из двойных отбортовок размером, равным 0,47843 ширины профиля по средней линии его расчетного сечения.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на
фиг. 1 приведено поперечное сечение с уточненными параметрами пятиугольного равнокатетного профиля, оптимизированного по критерию равноустойчивости, где пунктиром обозначена его средняя линия;
фиг. 2 - поперечное сечение пятиугольного равнокатетного профиля с наклонными усилениями боковых граней из двойных отбортовок, обеспечивающими оптимизированный параметр его расчетного момента сопротивления.
x
y
Для вывода приведенных соотношений параметров пятиугольного равнокатетного гнутосварного профиля и количественной оценки его несущей способности целесообразно рассчитать моменты инерции сечения I и I относительно главных центральных осей, а также площадь сечения А с использованием расчетных формул, апробированных при проработке технического решения из прототипа:
A=tU/(2/n+1,4142135);
min
2
y=U(1/n+0,4142135/n-0,1035533)/(2/n+1,4142135);
x
3
5
4
3
2
2
I=tU(0,6666666/n+2,3570225/n+1,7475467/n+0,0167506/n-0,1190776/n+0,0538623)/(2/n+1,4142135);
y
3
I=tU(0,5/n-0,0488157),
где t - толщина листовой заготовки профиля;
U - габаритный размер ширины по средней линии расчетного сечения;
n=U/V;
V - габаритный размер высоты по средней линии расчетного сечения;
min
y - ордината центра тяжести сечения относительно средней линии горизонтальной грани (полки).
Уточненные расчетные параметры равноустойчивого профиля имеют следующие значения [Марутян А.С. Оптимизация ферменных конструкций с поясами из пятиугольных равнокатетных и равнобедренных профильных труб // Строительная механика и расчет сооружений. 2022. №5. С. 54-62]:
n=U/V=0,9315083=1/1,0735277;
A=3,5612688tU;
U=0,2807987A/t; V=0,3014451A/t;
min
y=0,4193948U=0,1177655A/t;
x
y
3
3
2
3
3
2
I=0,4879486tU=0,0108033А/t; I=0,4879481tU=0,01088033A/t;
x
y
I/I=1,000001≈1;
Оптимизированный параметр расчетного момента сопротивления достижим, когда центр тяжести поперечного сечения расположен на середине его высоты, что можно обеспечить за счет включения в расчетное сечение профиля наклонных усилений обеих его боковых граней из двойных отбортовок размером 2t×l:
A=3,5612688tU+4tl.
Линейный размер усиления l необходимо рассчитать так, чтобы ордината центра тяжести оказалась равной половине размера по высоте:
o
y=0,5V=0,5367638U;
o
y=(3,5612688tU×0,6541329U+4tl×0,7071067h)/(3,5612688tU+6th);
0,5367638U=(3,5612688tU×0,6541329U+6th×0,5×l/2)/(3,5612688tU+4tl);
2
2
l-1,5181973Ul+0,2955585U=0;
1
2
l=0,4784265U; l=1,0397707U.
В дальнейшую проработку целесообразно принять
l=0,4784265U≈0,47843U.
Тогда пятиугольный равнокатетный гнутосварной профиль с таким размером усиления будет иметь следующие характеристики сечения:
A=tU(3,5612688+4×0,47843)=5,4749748tU;
o
y=0,5367638U=0,0338074A/t;
x
3
2
3
2
3
3
2
I=tU(0,4879486+3,5612688(0,6541329-0,5367638)+0,5×2×2×0,47843/12+2×2×0,47843(0,5367638-0,7071067×0,47843/2))=0,8138769tU=0,0049591A/t;
y
3
3
2
3
3
2
I=tU(0,4879481+0,5×2×2×0,47843/12+2×2×0,47843(0,47843×0,7071067/2))=0,5609530tU=0,0034180A/t.
Сравнение пятиугольного профиля с наклонными усиленными боковыми гранями с пятиугольным профилем без таких усилений показывает, что, если площадь сечения у предлагаемого профиля возросла в 5,4749748/3,5612688=1,537 раза, то момент инерции в силовой плоскости конструкции возрос в 0,8138769/0,4879486=1,668 раза. При этом у пятиугольного профиля с наклонными усилениями (l/U=0,47843/1) центр тяжести поперечного сечения находится на середине размера по высоте, что увеличивает ее конструктивно-компоновочные возможности для применения в балочных элементах несущих конструкций.
Таким образом, приведенные расчетные выкладки подтверждают их корректность и рациональность предлагаемого пятиугольного равнокатетного профиля с усиленными гранями. При этом универсальность его технического решения обеспечивает расположение центра тяжести сечения на середине размера по высоте и оптимизирует параметр момента сопротивления сечения в силовой плоскости несущих конструкций различных зданий и сооружении.