Чернов П. С.
кандидат технических наук, доцент кафедры транспортных средств и процессов
Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ в г. Пятигорске Марутян А. С.
кандидат технических наук, профессор кафедры «Строительство»
Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ в г. Пятигорске Оробинская В. Н.
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, доцент
Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ в г. Пятигорске Галдин Е. В.
член Творческого союза художников России кандидат филологических наук, доцент кафедры дизайна Институт сервиса, туризма и дизайна (филиал) СКФУ в г. Пятигорске
Ромбические трубы в металлических конструкциях зданий и сооружений
В статье при помощи анализа узлов выявлена перспективность применения профильных труб ромбического сечения для дальнейшей модернизации несущих конструкций. Показана вполне приемлемая корректность и простота расчета ромбических сечений по приближенной методике. Приведено два новых технических решения решетчатых конструкций, способствующих улучшению их технико-экономических характеристик. Выявлено снижение расхода конструкционного материала при реализации таких решений на примере стропильных ферм (ферм покрытия).
Ключевые слова: несущие конструкции; фермы покрытия; замкнутые гнутосварные профили; ромбические трубы.
Chernov Pavel Sergeevich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of vehicles and processes Institute of service, tourism and design (branch) "North Caucasus Federal University" Pyatigorsk Marutyan Alexander Surenovich Candidate of Technical Sciences, professor of the department "Construction" Institute of service, tourism and design (branch) "North Caucasus Federal University" Pyatigorsk Orobinskaya Valeriya Nikolaevna Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Leading researcher of Institute of service, tourism and design (branch) "North Caucasus Federal University" Pyatigorsk Galdin Evgeny Vladimirovich a member of the Creative Union of Artists of Russia Candidate of Philology, Associate Professor of the Department of Design,
Institute of service, tourism and design (branch) "North Caucasus Federal University" Pyatigorsk
The rhombic pipes in metal constructions of buildings and structures
248
The article by analyzing the nodes identified the prospects of application profile pipes of rhombic section for further modernization of the load-bearing structures. The acceptable accuracy and ease of calculation of rhombic cross-sections for an approximate method was shown. Two new technical solutions of lattice structures that contribute to the improvement of their technical and economic characteristics were given. reduction in consumption of construction material in the implementation of these solutions on the example of roof trusses (covering farms) was shown.
Key words: bearing structures, covering farms, closed cabriole welded profiles, rhombic
tubes.
Введение
Благодаря высоким эксплуатационным и эстетическим свойствам квадратные (прямоугольные) трубы (гнутосварные профили - ГСП) нашли довольно широкое применение в зарубежной и отечественной практике строительства. Tак, уже в 1964 г. в Англии было использовано 80 тыс. т этих профилей [1]. Использование ГСП в строительных металлоконструкциях обеспечивает значительное снижение расхода материальных и трудовых затрат, а также сокращение продолжительности строительства. При этом наиболее экономичными среди конструкций из ГСП являются фермы покрытий (перекрытий), эффективность которых особенно возрастает при наличии внеузловых нагрузок [2]. В общем ряду подобных технических решений свою нишу занимают легкие металлические конструкции комплектной поставки в виде блоков покрытий и перекрытий из перекрестных ферм типа «Пятигорск». Несмотря на конъюнктурную нестабильность, они продолжают пользоваться спросом, привлекая внимание инвесторов и заказчиков своими технико-экономическими характеристиками. Из-за небольших размеров (6*6...12х12 м) их можно условно классифицировать как «карманные» модули и изготавливать цельносварными из прямоугольных и квадратных труб с бесфасоночными узловыми соединениями [2]. Для поддержания и увеличения конкурентоспособности таких конструкций необходима дальнейшая модернизация при помощи разработки и исследования стальных ферм из гнутосварных профилей (профильных труб) и их перекрестных систем.
Постановка задачи
Наибольшее распространение в трубчатых фермах получили узловые бесфасоночные соединения с непосредственным примыканием стержней решетки к поясам. Здесь во избежание продавливания (выдергивания) диаметр трубы решетки не должен быть меньше 0,3 диаметра трубы пояса. В фермах из прямоугольных (квадратных) труб такое ограничение ужесточено в два раза, то есть ширину стержня решетки следует принимать не менее 0,6 поперечного размера пояса. Недостаток описанных узлов заключается в отмеченном ограничении, учет которого приводит к повышению расхода материала на стержни и увеличению металлоемкости конструкции. Еще одним известным техническим решением является решетчатая конструкция с узловым бесфасоночным соединением трубчатых элементов фермы, в котором диагональ поперечного сечения квадратного пояса расположена в осевой плоскости фермы, а раскосы в месте примыкания имеют сквозной вырез (V-образной формы), полностью повторяющий геометрию этого примыкания. За счет такого выреза соединение каждого из элементов решетки с поясом осуществляется по двум смежным его стенкам [3]. В прогонных покрытиях уже само ребро пояса может быть смято прогоном, поэтому необходимо устройство опорных столиков под прогоны, что негативно влияет на материалоемкость конструкций, а также увеличивает трудоемкость их изготовления и монтажа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является строительная металлическая тонкостенная решетчатая конструкция, включающая пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку. В одном варианте эта решетка выполнена из трубчатых элементов со сплющенными в плоскости конструкции концами, а в другом - из прутковых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания [4]. Tакому техническому решению присущи недостатки известных трубчатых ферм с бесфасоночными примыканиями решетки к поясам, увеличивающими жесткость узловых соединений, так как стержневые элементы со сплющенными в плоскости конструкции концами еще больше ужесточают узлы в этой плоскости, что сопровождается ростом металлоемкости. Решетка, выполненная из стальных изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания, отличается незначительной несущей способностью, что ограничивает нагрузку на конструкцию [5].
Новое техническое решение
Техническим результатом предлагаемого решения является возрастание несущей способности конструкции с уменьшением расхода ее конструкционного материала. Указанный технический результат достигается тем, что в конструкции с решеткой из ГСП, включающую пояса трубчатого сечения и жестко прикрепленную к ним решетку, выполненную со сплющенными концами из изогнутых элементов V- или W-образного (зигзагообразного) очертания, стержневые элементы решетки имеют трубчатое сечение ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости [6].
В предлагаемой металлической конструкции треугольная или раскосная решетка выполнена из ромбического замкнутого ГСП. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов ромбический профиль в заданных по проекту местах сплющивают и двойными гибами придают ему V- или W-образное (зигзагообразное) очертание, характерное решеткам из прутковых элементов (рис. 1). Протяженность полосовой (ленточной) заготовки ромбического профиля можно подобрать так, что его хватит на всю длину конструкции или ее отправочной марки. По сравнению с прутковой такая решетка имеет более высокую несущую способность (особенно при сжатии), что позволяет увеличить нагрузку на конструкцию или при фиксированной нагрузке снизить ее металлоемкость.
Рисунок 1. Предлагаемое решение несущей конструкции с решеткой из
ромбической трубы: а - при треугольной системе решетки; б - при раскосной системе решетки
Сплющивание и двойные гибы ромбического профиля обеспечивают компоновку бесфасоночных узловых соединений без конструктивных эксцентриситетов, характерных для трубчатых ферм из прямоугольных (квадратных) гнутосварных профилей, что исключает появление изгибающих моментов и позитивно влияет на расход конструкционного материала. Сплющивание предохраняет стенку поясных элементов от продавливания и позволяет уменьшить ее толщину. По линиям гибов ромбического профиля в плоскости конструкции образуются листовые шарниры, которые соответствуют шарнирно-стержневой расчетной схеме (модели) и избавляют от необходимости учитывать жесткости узлов, что также способствует снижению металлоемкости. При шарнирных закреплениях в плоскости конструкции и жестких (рамных) из плоскости расчетная длина стержневых элементов решетки в плоскости конструкции в два раза больше расчетной длины из плоскости [7, с. 332, рис. 6.11]. Исходя из этого, чтобы стержневые элементы решетки в плоскости и из плоскости конструкции имели одну и ту же гибкость,
целесообразен такой профиль поперечного сечения, у которого радиусы инерции по главным центральным осям отличаются между собой также в два раза. Такому условию вполне отвечает тонкостенное трубчатое сечение ромбической формы с отношением диагоналей 1/2, где большая диагональ расположена в плоскости конструкции, а меньшая - из плоскости. Причем значение радиуса инерции по большей диагонали превышает величину радиуса инерции аналогичного ромбического профиля с равными диагоналями, то есть квадратного, что определенным образом способствует дальнейшему снижению материалоемкости несущих конструкций. Здесь можно выявить резервы несущей способности верхнего (сжатого) пояса фермы, если и его выполнить из подобного ромбического профиля с соответствующим сплющиванием в бесфасоночных узлах. Кроме того, ромбические профили в предлагаемой конструкции отношением диагоналей 1/2 отличаются от труб стальных ромбических, ребристых по ГОСТ 8647-57.
Приближенный расчет ромбических сечений Для количественной оценки резервов несущей способности целесообразно использовать расчетные формулы осевых моментов инерции 1х и 1у ромбического (в том числе и квадратного) профиля (рис. 2):
4 = (4/3)b3t (1/(n2 +1)) + (1/3)bt3(n2 +1)/ n2 (1)
Iy = (4/3)bW /(n2 +1) + (1/3)bt 3(n2 +1), (2)
где b - длина срединной линии стенки, то есть линии, проходящей через середину толщины стенки;
b = B -1; (3)
B - наружный габарит квадратного (исходного) профиля; A - площадь поперечного сечения профиля (его листовой заготовки);
A =4bt ; (4)
t - толщина стенки;
n - отношение горизонтальной (меньшей) диагонали U к вертикальной (большей) V , n = U/V. (5)
а б в