Результат интеллектуальной деятельности: ТРЕХГРАННАЯ РЕШЕТЧАТАЯ ОПОРА С ПОЯСАМИ ИЗ ПЛОСКООВАЛЬНЫХ ТРУБ

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве опорных конструкций для антенно-мачтовых систем, громоотводов, линий электропередач, радиорелейной связи, ветрогенераторных установок, осветительных вышек, дымовых труб и других инженерных сооружений.

Известным техническим решением является трехгранная решетчатая опора с поясами из замкнутых треугольных, четырехугольных или пятиугольных профилей, выполненных путем перегиба стального листа, а также обратного симметричного отгиба под углом 60° обеих кромок того же листа в виде листовых фасонок для узловых соединений стержней решеток [Сабитов Л.С., Кузнецов И.Л., Батердинов И.Р. Трехгранная решетчатая опора. - Патент №2564337, 20.05.2016, бюл. №14].

Такому техническому решению присущ недостаток известных трубчатых ферм из прямоугольных, квадратных, пятигранных и пятиугольных профилей, снижающий ресурс несущей способности конструкций и увеличивающий их материалоемкость из-за угловатости перечисленных форм поперечных сечений, сопровождающейся наклепом материала и повышенной концентрацией напряжений. Этот недостаток в рассматриваемом случае усугубляют двойные отгибы под острыми углами в обратных направлениях. Фасонки для соединения стержней решеток необходимы только в местах их примыкания к поясам, а в трехгранных трубчатых опорах подобные соединения и вовсе являются бесфасоночными, и узловые фасонки имеют ограниченное применение в монтажных стыках [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3 / Под ред. В.В. Кузнецова. - М.: Изд-во АСВ, 1999. - C. 42-43, рис. 1.29]. Поэтому двойные фасонки по всей длине поясов могут стать причиной увеличения расхода конструкционного материала и дополнительных затрат, вызванных обработкой торцевых кромок стержней решеток с продольными прорезями для пропуска этих фасонок. Кроме того, такие фасонки формируют пазухи, ухудшающие эксплуатационные качества несущих конструкций (особенно открытых).

Наиболее близким техническим решением (принятым за прототип) к предлагаемой трехгранной решетчатой опоре с поясами из плоскоовальных труб является трубчатая конструкция, в которой все стержневые элементы поясов и решеток (включающих раскосы и распорки) имеют круглые сечения, заводские соединения в виде сварных бесфасоночных узлов и монтажные стыки на болтах через фланцы [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 3. / Под ред. В.В. Кузнецова. - М.: Изд-во АСВ, 1999. - С. 42-43, рис. 1.28].

Основной недостаток прототипа заключается в сложной форме (фигурной) разделки торцевых кромок стержней решеток (раскосов и распорок) для их непосредственного примыкания в узловых соединениях к поясам, поверхности которых отличаются полным отсутствием плоских участков, что требует соблюдать повышенную точность изготовления и сборочно-сварочных операций, увеличивает трудоемкость и сопровождается определенным ростом затрат. Этот недостаток определенным образом ограничивает область применения круглых труб, в чем они значительно уступают прямоугольным профилям, массово востребованным в строительной практике.

Техническим результатом предлагаемого решения является уменьшение трудоемкости изготовления опорных конструкций и снижение затрат на них.

Указанный технический результат достигается тем, что в трехгранной решетчатой опоре из трубчатых профилей, включающей пояса и стержни решеток, соединенные при помощи сварных бесфасоночных узлов и монтажных стыков на болтах через фланцы, поперечные сечения поясов имеют плоскоовальную форму с отношением габаритных размеров 1/1,542.

В предлагаемой несущей (опорной) конструкции все три пояса, а также решетки между ними выполнены из трубчатых профилей. Для непосредственного примыкания к поясам с образованием бесфасоночных узлов все стержневые элементы решеток из круглых труб имеют плоскую разделку торцевых кромок под определенными углами наклона относительно поясных элементов. Такая разделка является наиболее простой и весьма технологичной, поскольку допускает обработку не отдельных стержней, а пакетную обработку однотипных элементов их плоскими резами фрезами или лентопильными станками. Для удобства наложения валиков сварных швов и повышения степени унификации бесфасоночных узловых соединений вполне оправдано применение конструктивных эксцентриситетов, ограниченных 0,25 высоты поясных элементов из прямоугольных труб, что допускает не учитывать их в расчетах [Руководство по проектированию стальных конструкций из гнутосварных замкнутых профилей / М.: ЦНИИпроектстальконструкция, 1978. - С. 24, п. 4.2.8]. Это допущение применительно к поясам из плоскоовальных труб нуждается в подтверждении за счет соответствующих проработок и экспериментальных исследований. Однако оно вполне может послужить своего рода расчетно-теоретической предпосылкой в новом техническом решении, обеспечивающей в трехгранной опоре равноустойчивость трубчатых поясов из плоскоовальных труб относительно осевых плоскостей решеток. Исходя из этого, чтобы стержневые элементы поясов в плоскостях и из плоскостей решеток имели одни и те же гибкости, целесообразно использовать приведенный конструктивный эксцентриситет для расчета оптимальных параметров плоскоовальных труб.

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 показана аксонометрия фрагмента трехгранной решетчатой опоры с поясами из плоскоовальных труб; на фиг. 2 - расчетная схема поперечного сечения пояса с конструктивным эксцентриситетом бесфасоночного узла; на фиг. 3 приведен поперечный разрез опорной конструкции с поясами из плоскоовальных труб, оптимизированных по критерию равноустойчивости; на фиг. 4 - поперечный разрез опорной конструкции с поясами из плоскоовальных труб, оптимизированных по максимуму прочности на изгиб.

Предлагаемое техническое решение опорной конструкции включает пояса 1, а также соединяющие их решетки из раскосов 2 и распорок 3. Заводские соединения оформлены в виде бесфасоночных узлов с односторонними примыканиями раскосов 2 и распорок 3 к поясам 1, а также с использованием конструктивных (расчетных) эксцентриситетов, по абсолютной величине равных 1/4 меньшего габаритного размера плоскоовального сечения поясной трубы. Монтажные стыки 4 выполнены при помощи стяжных болтов через фланцы.

Для вывода приведенного отношения габаритных размеров плоскоовального сечения поясов и количественной оценки ресурсов их несущей способности целесообразно использовать расчетные формулы, протестированные при оптимизации параметров плоскоовальных труб для решеток ферменных конструкций [Марутян А.С., Абовян А.Г. Расчет оптимальных параметров плоскоовальных труб для ферменных конструкций. - Строительная механика и расчет сооружений, 2017, №4. - С. 17-22]:

I_x=U³t(0,0740286+0,785(1/n-0,363)²+(1/n-1)³/6);

I_y,=U³t(0,5/n-0,1075);

A=Ut(2/n+1,14),

где I_x, I_y, A - соответственно момент инерции сечения относительно оси x-x, момент инерции сечения относительно оси y-y, площадь сечения;

U - меньший габаритный размер поперечного сечения плоскоовальной трубы по средней линии;

V - больший габаритного размера поперечного сечения плоскоовальной трубы по средней линии;

n - отношение меньшего габаритного размера к большему, n=U/;

t - толщина стенки плоскоовальной трубы.

Когда центр бесфасоночного узлового соединения совмещен с центром тяжести поперечного сечения поясной трубы, моменты инерции сечения можно определить с учетом угла поворота осей:

где α - угол поворота осей, α=30°, cos²α=0,75, sin²α=0,25.

Очевидно, что рационально такое сечение поясной трубы, которое является равноустойчивым относительно плоскости решетки, когда гибкость в плоскости решетки равна гибкости из этой плоскости, то есть I_xp=I_yp. Тогда, подставив значения моментов инерции, можно получить кубическое уравнение

0,0591503n³-0,284955n²+0,1425n+0,0833333=0 с корнями

n₁=-0,3389272, n₂=1,0001144, n₃=4,1562863,

из которых практический интерес представляет второй корень

n=1,0001144≈1

при погрешности 100(1,0001144-1)/(1,0001144…1)=0,01143…0,01144%.

Такой результат показывает, что в случае нулевого эксцентриситета рационально техническое решение с поясами из круглых труб, принятое за прототип:

n=1;

U=V=D;

I_x=U³t(0,0740286+0,785(1/1-0,363)²+(1/1-1)³/6)=0,3925572U³t≈0,3925D³t

при погрешности 100(0,3925572-0,3925)/(0,3925572…0,3925)=0,01457%;

I_y=U³t(0,5/1-0,1075)=0,3925U³t=0,3925D³t;

при погрешности

при погрешности 100(0,3925142-0,3925)/(0,3925142…0,3925)=0,00361%,

где D - диаметр эквивалентной (равновеликой по площади сечения) круглой трубы по средней линии ее сечения;

I_x=I_y=I_xp=I_yp=0,3925D³t=πD³t/8 - осевые моменты инерции сечения той же трубы;

A=πDt=3,14Dt - площадь сечения той же трубы.

В предлагаемом техническом решении, когда центр бесфасоночного узлового соединения смещен относительно центра тяжести поперечного сечения поясной трубы на расстояние, равное 1/4 меньшего из габаритных размеров плоскоовального сечения (0,25U), моменты инерции сечения можно определить с учетом угла поворота осей и приведенного расстояния между осями ординат:

Для обеспечения равноустойчивости, как и в случае с прототипом, приняв I_xp=I_yp или I_xp-I_yp=0, можно получить кубическое уравнение

0,0120998n³+0,409955n²-0,1425n-0,0833333=0 с корнями

n₁=-34,2194198, n₂=-0,3103104, n₃=0,6485917,

из которых практический интерес представляет третий корень

n=0,6485917=1/1,541802≈1/1,542 при погрешности 100(1,542-1,541802)/(1,542…1,541802)=0,01284%.

Оптимизированное таким образом плоскоовальное сечение поясной трубы имеет следующие параметры:

n=1/1,542;

I_x=U³t(0,0740286+0,785(l,542-0,363)²+(1,542-1)³/6)=1,1917413U³t;

I_y=U³t(0,5×1,542-0,1075)=0,6635U³t;

А=Ut(2×1,542+1,14)=4,224Ut;

I_xp=I_xcos²α+I_ysin²α=U³t(l,1917413×0,75+0,6635×0,25)=1,0596854U³t;

при погрешности 100(1,0596854-1,0595603)/(1,0596854…1,0595603)=0,0118%.

Для сравнения предлагаемого технического решения и его прототипа полученные значения расчетных параметров целесообразно выразить через площадь сечения и толщину листовой заготовки (штрипса), приняв их за постоянные величины (A=const и t=const):

- круглое сечение поясной трубы

D=A/(3,14t)=0,3184713А/t;

I_x=I_y=I_xp=I_yp=0,3925(0,3184713A/t)³=0,0126779А³/t²;

- плоскоовальное сечение поясной трубы

U=A/(4,224t)=0,2367424A/t

I_xp=I_yp=1,0596(0,2367424A/t³)t=0,0142376A³/t²

Как видно, моменты инерции сечения поясных труб относительно плоскостей решеток в предлагаемом техническом решении больше, чем в его прототипе на 100(0,0142376-0,0126779)/(0,0142376…0,0126779)=10,95…12,3%.

Практический интерес может вызвать еще одно сравнение предлагаемого технического решения и его прототипа в случае, когда плоскоовальное сечение поясных труб имеет отношение габаритных размеров, отличное от приведенного. Таким отношением может быть, например, 1/3,064, полученное в результате оптимизации плоскоовального сечения трубчатого профиля из условия наибольшей прочности его на изгиб (W_x=W_x,max) [Марутян А.С. Способ перепрофилирования круглой трубы. - Патент №2623558, 27.06.2017, бюл. №18]:

n=1/3,064;

A=Ut(2×3,064+1,14)=7,268Ut;

U=A/(7,268t)=0,1375894A/t;

I_x=U³t(0,0740286+0,785(3,064-0,363)²+(3,064-1)³/6)=7,2663913U³t;

I_y=U³t(0,5×3,064-0,1075)=1,4245U³t;

I_xp=I_xcos²α+I_ysin²α=U³t(7,2663913×0,75+1,4245×0,25)=5,8059184U³t

Как видно, когда центр бесфасоночного узлового соединения смещен относительно центра тяжести поперечного сечения поясной трубы на расстояние, равное 1/4 меньшего из габаритных размеров плоскоовального сечения (0,25U), в рассматриваемом случае отношения моментов инерции сечения оказались отличными от единицы:

I_xp/I_yp=5,8059184/3,3392228=1,7396019.

Довести это отношение до единицы можно подбором соответствующего значения эксцентриситета:

I_xp/I_yp=1

I_xp-I_yp=0

5,8059184-2,8849728-7,268e²=0;

e²=(5,8059184-2,8849728)/7,268=0,4018912;

e=0,6339488;

I_yp=U³t(2,8849728+7,268×0,4018912)=5,805918U³t.

Тогда при эксцентриситете, равном 0,6339488 от меньшего габаритного размера плоскоовального сечения (0,6339488U или е/U=1/1,5774)

I_xp=I_yp=5,805918U³t=5,805918(0,137589A/t)³t=0,0151214A³/t², что превышает моменты инерции сечения круглой трубы поясов прототипа на 100(0,01512-0,0126779)/(0,015122…0,0126779)=16,2…19,3%.

Полученный результат обеспечен за счет эксцентриситета, пренебречь которым нельзя, так как из-за него центр бесфасоночного узла смещается за пределы плоскоовального сечения поясной трубы с отношением габаритных размеров 1/3,064.

Таким образом, подводя некоторые итоги, можно прийти к выводу, что оптимизированное по критерию равноустойчивости относительно плоскостей решеток плоскоовальное сечение поясных труб с отношением габаритных размеров 1/1,542 при эксцентриситете бесфасоночных узлов 1/4 меньшего габаритного размера достаточно перспективно для применения в опорных конструкциях. Если к этому добавить, что разделка торцевых кромок всех стержневых элементов решеток из круглых труб ограничивается плоскими резами, то положительный эффект от предлагаемого технического решения может оказаться более наглядным и весомым.