Результат интеллектуальной деятельности: ШВЕЛЛЕРНЫЙ ГНУТОЗАМКНУТЫЙ ПРОФИЛЬ

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве стержневых и балочных элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения. В частности, это могут быть поясные элементы ферм покрытий, стеновые ригели или кровельные прогоны.

К известному техническому решению можно отнести гнутый швеллерный профиль толщиной 0,8…3,5 мм, стенка которого сопряжена с полками посредством участков изгиба с радиусной внутренней поверхностью и внешней поверхностью с впадинами в форме цилиндров определенных размеров [Антипов В.Г., Сафронов М.Ф., Тулупов С.А., Афанасьев В.Ф., Кривоносов С.В. Гнутый швеллерный профиль. - Патент №2113306, 20.06.1998, бюл. №17]. Такие впадины способствуют росту местной (локальной) устойчивости тонкостенного профиля и, как следствие, увеличению его несущей способности. Однако их выполнение сопровождается дополнительными затратами, а при использовании сталей повышенной прочности может привести к образованию трещин.

Другим известным техническим решением является гнутый профиль швеллерного типа из оцинкованной стали толщиной 0,5…1,0 мм, содержащий полки и гофрированную стенку с заданной величиной радиуса изгиба между ними. Профиль дополнительно содержит продольные гофры на полках и отбортовки по их кромкам определенных размеров [Антипов В.Г., Сафронов М.Ф., Афанасьев В.Ф., Кривоносов С.В. Гнутый профиль швеллерного типа. - Патент №2118579, 10.09.1998, бюл. №25]. Гофрирование позволяет увеличить запас местной (локальной) устойчивости и формы тонкостенного сечения, несущая способность которого, однако, ограничена из-за незначительной толщины открытого (незамкнутого) профиля.

Еще одно известное решение (принятое за аналог) представляет собой гнутозамкнутый профиль прямоугольного сечения со стыком по середине одной из длинных граней, где каждая часть состыкованной грани имеет продолжение в форме I-образного ребра, а размер коротких граней в два раза меньше размера I-образных ребер и в три раза меньше размера длинных граней. Листовая заготовка такого профиля выполнена по всей длине с зубчатыми продольными кромками, зубцы которых расположены относительно друг друга в шахматном порядке и взаимно загнуты в пазах между собой после замыкания гнутого профиля по I-образным ребрам [Марутян А.С. Гнутозамкнутый профиль. - Патент №2641333, 17.01.2018, бюл. №2]. Зубчатое замыкание формирует профиль без сварки, что позволяет применять оцинкованную тонколистовую сталь. Поперечное сечение аналога оптимизировано по критерию равноустойчивости, рациональной для стержневых элементов, но требует определенной доработки для балочных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому (принятым в качестве прототипа) является техническое решение в виде швеллерного гнутосварного профиля, стенка которого сопряжена с трубчатыми полками прямоугольного или полуплоскоовального сечения определенных размеров [патент США US 20080028720 А1, 07.02.2008]. Параметры стенки и полок соразмерны толщине такого профиля и подобраны весьма рационально. Однако наличие в его составе двух сварных швов вызывает дополнительные затраты, ограничивает минимальную толщину свариваемых элементов и не позволяет применять оцинкованную сталь.

В приведенных технических решениях, исключая аналог, несущая способность швеллерных гнутых профилей обеспечена из условия их силового сопротивления поперечным нагрузкам и воздействиям, свойственным балочным конструкциям. Этим профилям можно придать замкнутую, но достаточно компактную форму поперечного сечения с отношением габаритов по ширине и высоте 1/2, довольно устойчивую из плоскости и в плоскости несущей конструкции, что применимо и для таких стержневых элементов, как пояса ферм. Подобная проработка швеллерных гнутозамкнутых профилей, дополненная зубчатыми замыканиями по конструктивно-компоновочному решению из аналога, может способствовать расширению области их рационального применения.

Техническим результатом предлагаемого решения является достаточная местная (локальная) и общая устойчивость швеллерных гнутозамкнутых профилей из плоскости и в плоскости несущей конструкции, расширение области рационального применения, а также уменьшение дополнительных затрат.

Указанный технический результат достигается тем, в швеллерном гнутозамкнутом профиле стенка и трубчатые полки сопряжены друг с другом посредством зубчатых замыканий продольных кромок и взаимного опирания в зоне контакта двух его листовых заготовок, где внутренняя грань стенки и полок в поперечном сечении имеет форму круглого полукольца диаметром, равным высоте стенки.

Предлагаемый швеллерный гнутозамкнутый профиль обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого для его изготовления можно использовать не только зубчатые замыкания, но и сварные, болтовые или заклепочные соединения. При изготовлении гнутозамкнутых профилей без сварных, болтовых или заклепочных соединений параметры зубчатых продольных кромок их листовых заготовок целесообразно подобрать так, чтобы одним зигзагообразным резом формировать кромки сразу двух заготовок. Издержки производства при этом будут минимальными, что обеспечит уменьшение дополнительных затрат. При этом загибы зубчатых креплений гнутозамкнутых профилей увеличивают толщину смятия, что может способствовать определенному росту несущей способности соединений тонкостенных элементов, работающих в основном на сдвиг [Кузнецов И.Л., Фахрутдинов А.Ф., Рамазанов P.P. Результаты экспериментальных исследований работы соединений тонкостенных элементов на сдвиг. - Вестник МГСУ, 2016, №12. - С. 34-43]. При этом загибы зубчатых креплений обеспечивают сохранение местной (локальной) устойчивости и формы сечения тонкостенных элементов до достижения предельного состояния, что позволяет рассчитывать не редуцированные сечения, а сечения нетто [Белый Г.И. К определению редуцированных сечений стержневых элементов легких стальных тонкостенных конструкций. - Вестник гражданских инженеров, 2017, №6. - С. 33-37]. Кроме того, загибы зубчатых креплений, распределенные равномерно по всей длине швеллерного гнутозамкнутого профиля, обеспечивают его монолитность в большей степени, чем зоны контакта с трением соединения фальцевого типа в прямоугольном профиле балки с креплениями торцов к зацепам, что позволило считать поперечное сечение балки монолитным [Яковлева Е.Л., Атавин И.В., Казакова Ю.Д., Максудов И.Х. Прочностные характеристики тонкостенных элементов. - Строительство уникальных зданий и сооружений, 2017, №12 (63). - С. 125-139].

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано сечение швеллерного гнутозамкнутого профиля; на фиг. 2 приведена расчетная схема швеллерного гнутозамкнутого профиля (пунктиром обозначена средняя линия расчетного сечения нетто); на фиг. 3 представлены фрагменты листовых заготовок (штрипсов) до сборочных операций их зубчатых замыканий в швеллерный профиль.

Швеллерный гнутозамкнутый профиль по предлагаемому техническому решению состоит из двух листовых заготовок (штрипсов). Внешняя заготовка 1 имеет П-образную форму поперечного сечения с угловыми закруглениями плоских граней. Внутренняя заготовка 2 в поперечном сечении совпадает с круглым полукольцом. Обе заготовки 1 и 2 выполнены по всей длине с зубчатыми продольными кромками, зубцы которых расположены относительно друг друга в шахматном порядке и взаимно загнуты в пазах между собой после замыкания гнутого профиля.

Для количественной оценки ресурсов несущей способности швеллерного гнутозамкнутого профиля целесообразно рассчитать площадь, а также моменты инерции его сечения I_x и I_y относительно главных центральных осей. Здесь очевидно, что сечение такого профиля можно считать составной фигурой, включающей круглое полукольцо толщиной t и радиусом U, пару прямоугольников размерами t×U, а также прямоугольник размерами t×V, где U - габарит гнутозамкнутого профиля по ширине; V - габарит того же профиля по высоте, V=2U. Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней линии тонкостенного сечения без учета его угловых закруглений и без учета численных величин, содержащих значения толщины, возведенной во вторую и третью степень (t², t³) [Марутян А.С. Оптимизация конструкций из трубчатых (гнутосварных) профилей квадратных (прямоугольных) и ромбических сечений. - Строительная механика и расчет сооружений, 2016, №1. - С. 30-38].

Поперечное сечение внутренней грани швеллерного профиля представляет собой круглое полукольцо, к которому вполне применимы расчетные формулы, протестированные при оптимизации параметров плоскоовальных труб для ферменных конструкций [Марутян А.С., Абовян Г.А. Расчет оптимальных параметров плоскоовальных труб для ферменных конструкций. - Строительная механика и расчет сооружений, 2017, №4. - С. 17-22]:

где x_c, I_xc, I_yc, A_c - соответственно абсцисса центра тяжести, моменты инерции относительно осей x-x и y-y, площадь сечения полукольца, U - ширина полки, равная радиусу полукольца по средней линии его сечения, t - толщина полукольца, равная толщине грани.

Расчетная площадь сечения нетто швеллерного гнутозамкнутого профиля складывается из расчетных площадей сечений нетто одного полукольца и трех прямоугольных участков стенки и полок:

Абсцисса центра тяжести сечения швеллерного гнутозамкнутого профиля относительно средней линии его стенки составляет:

Моменты инерции расчетного сечения нетто швеллерного гнутозамкнутого профиля относительно центральных осей:

Моменты сопротивления расчетного сечения нетто швеллерного гнутозамкнутого профиля относительно центральных осей:

Радиусы инерции расчетного сечения нетто швеллерного гнутозамкнутого профиля относительно центральных осей:

Швеллерный гнутозамкнутый профиль и его расчетные параметры интересно сопоставить с таким же по тонкостенности профилем в виде «полукруглого желоба с ужесточенными полками» [Брудка Я., Лубиньски М. Легкие стальные конструкции. - М.: Стройиздат, 1974. - С. 129-131]. Стенка такого профиля в сечении имеет форму круглого полукольца (R=60 мм, t=2 мм) и спряжена с полками, сечения которых представляют собой равнополочные уголки ( 30×30×2 мм).

Расчетные параметры рассматриваемого профиля составляют:

- отношение габаритных размеров

- площадь сечения

- абсцисса центра тяжести сечения

- моменты инерции относительно центральных осей

- моменты сопротивления относительно центральных осей

- радиусы инерции сечения относительно центральных осей

где «эталонные» (100-процентные) значения приняты для сопоставления с аналогичными величинами по предлагаемому техническому решению.

Расчетные параметры швеллерного гнутозамкнутого профиля, альтернативного профилю в виде «полукруглого желоба с ужесточенными полками», составляют:

Сопоставительный расчет показывает, что замена «полукруглого желоба с ужесточенными полками» альтернативным ему швеллерным гнутозамкнутым профилем сопровождается при прочих равных условиях уменьшением конструкционного материала, увеличением геометрических характеристик в плоскости конструкции и сокращением таких характеристик из плоскости. Выявленное сокращение можно объяснить тем, что «полукруглый желоб с ужесточенными полками» представляет собой профиль не швеллерного типа, а корытного. Тем не менее, вполне очевидно, что швеллерный гнутозамкнутый профиль по предлагаемому техническому решению достаточно перспективен для дальнейшей проработки, а сопоставление будет более корректным, если его сравнивать с аналогичными по очертанию профилями.

Швеллерный профиль образован, согласно определению, стенкой и двумя полками, расположенными по одну сторону от стенки под прямым углом. Аналогично, корытный профиль образован, согласно определению, тремя стенками, две из которых одинакового размера направлены в одну сторону, и двумя полками, направленными наружу профиля [ГОСТ 14350-80. Профили проката гнутые. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов, 1980. - С. 16].

Чтобы оценить полученные результаты в первом приближении, в качестве базового объекта для сравнения можно использовать геометрические (статические) гнутых равнополочных швеллеров по ГОСТ 8278-83* из стали марок С235 и С245 по ГОСТ 27772-88*, выполнив их выборку по отношению габаритов (U/V=1/2) [Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Общая часть. (Справочник проектировщика) / Под ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н.П. Мельникова) - М.: Изд-во АСВ, 1998. - С. 118-124]:

Сравнение приведенных параметров показывает, что швеллерные гнутозамкнутые профили достаточно перспективны для применения в несущих конструкциях. Поэтому практическое значение имеет дальнейшее уточнение их расчетных характеристик с добавлением зубчатых креплений взамен сварных, болтовых или заклепочных соединений. Для этого в рассмотренном профиле необходимо подобрать размеры элементов зубчатого крепления (зубцов), которые должны быть не меньше 1/10 габаритного размера сечения [СП 260.1325800.2016. Конструкции стальные тонкостенные из холодногнутых оцинкованных профилей и гофрированных листов. Правила проектирования. - М., 2016. - С. 16, формула (7.2)]. В данном случае этот размер составляет 0,1U, где U - габарит гнутозамкнутого профиля по ширине.

В расчетных выкладках параметр зубчатых креплений (размер зубцов) отразится 4-кратным образом, так как швеллерный гнутозамкнутый профиль имеет составное сечение из 2 листовых заготовок (штрипсов) с продольными кромками зубчатой формы:

Примерно такие же соотношения имеют геометрические характеристики гнутых профилей со швеллерной формой поперечного сечения, которые, как и другие стержневые элементы легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), характеризуются также коэффициентом редукции (или редукционным коэффициентом):

где A_red (А_сж) - расчетная площадь редуцированного сечения (или расчетная площадь сечения при сжатии), А (или А_р) - расчетная площадь полного сечения (или расчетная площадь сечения при растяжении).

Здесь в качестве базового объекта для сравнения во втором приближении можно использовать геометрические (статические) параметры профилей повышенной жесткости (ППЖ) марок ПГС100Ш (профили гнутые стальные, номинальной высоты 100 мм, швеллерного типа) с отношением габаритов U/V=49/102=1/2,082≈1/2) [Рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу ограждающих и несущих конструкций из стальных гнутых профилей повышенной жесткости. - М.: ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова, 1999. - С. 8-11]:

- ПГС(ППЖ)100Ш (t_[=0,8 мм)

- ПГС(ППЖ)100Ш (t_[=0,9 мм)

- ПГС(ППЖ)100Ш (t_[=1,0 мм)

где «эталонные» (100-процентные) значения приняты, как и в предыдущем случае, для сопоставления с аналогичными величинами по предлагаемому техническому решению.

Расчетные параметры швеллерных гнутозамкнутых профилей:

- по ПГС(ППЖ)100Ш (t_[=0,8 мм)

- по ПГС(ППЖ)100Ш (t_[=0,9 мм)

- по ПГС(ППЖ)100Ш (t_[=1,0 мм)

где принятые значения толщины тонколистовых элементов (t=0,40 мм, t=0,45 мм и t=0,50 мм) отвечают требованиям ГОСТ 19904-90 «Прокат листовой холоднокатаный. Сортамент», что уменьшает дополнительные затраты.

Как видно, расчетный переход от гнутых швеллеров к швеллерным гнутозамкнутым профилям при прочих равных условиях сопровождается с одной стороны уменьшением расхода конструкционного материала, а с другой стороны увеличением геометрических характеристик, что можно признать достаточно корректным обоснованием перспективности предлагаемого профиля для применения в несущих конструкциях зданий и сооружений.