Двутавровый гнутосварной профиль

Изобретение относится к области строительства, а именно к двутавровому гнутосварному профилю, который может быть использован в качестве балок и балочных систем. Технический результат заключается в снижении концентрации напряжений и наклепа основного металла в зонах наложения швов гнутосварного профиля, уменьшении материалоемкости. В двутавровом гнутосварном профиле, выполненном из единой листовой заготовки, пояса которого изогнуты в виде треугольного очертания с прямым углом между наклонными гранями и замкнуты двумя сварными швами, каждая из наклонных граней в поперечном сечении имеет форму половины круглого полукольца с радиусом, равным высоте поясов и вдвое короче их ширины. Двутавровый гнутозамкнутый профиль можно выполнить также с двойной стенкой и одним сварным швом. 4 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано в качестве изгибаемых элементов при разработке несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения. В частности это могут быть элементы балок и балочных систем (балочных клеток, прогонов, ригелей, стропил, косоуров и т.д.).

Известна составная балка двутаврового сечения с поясами из пары гнутых тонкостенных профилей треугольного очертания, наклонные грани которых симметрично приварены к продольным кромкам стенки [патент США №5501053, 26.03.1996]. В таком гнутосварном профиле использованы три листовые заготовки, соединенные двумя парами сварных швов, что приводит к определенному росту его себестоимости и трудоемкости изготовления.

Известно еще одно техническое решение (принятое за аналог) представляющее собой балку, выполненную из единой листовой заготовки, пояса которой изогнуты в виде треугольника и замкнуты двумя сварными швами. Высота стенки этой балки оптимизирована по предельно допустимой гибкости и составляет 2/3 высоты балки [Москалев Н.С., Попова Р.А. Стальные конструкции легких зданий. - М.: Издательство ACB, 2003. - С. 65, рис. 4.5]. В приведенном аналоге весьма удачно оптимизирована стенка, однако треугольный профиль поясов при этом заметно отличается от такой рациональной формы, как прямоугольный треугольник, где угол между наклонными гранями поясов и плоскостью стенки равен 45°, а высота поясного профиля вдвое короче его ширины.

Наиболее близким к предлагаемому (принятым в качестве прототипа) является техническое решение в виде двутаврового гнутосварного профиля, выполненного из единой листовой заготовки, пояса которого изогнуты в виде треугольника и замкнуты двумя сварными швами. Угол между наклонными гранями треугольного профиля поясов рассмотрен в интервале от 45° до 135°, а предпочтение, как наиболее оптимальному, отдано прямому углу, при котором угол между наклонными гранями поясов и плоскостью стенки равен 45°а высота поясного профиля вдвое короче его ширины [патент США №3342007, 19.09.1967].

В приведенных технических решениях аналога и прототипа общий недостаток заключается в том, что сварные швы, замыкающие треугольные очертания поясов двутаврового профиля, расположены в зонах концентрации напряжений и наклепа основного металла, что негативно влияет на ресурсы его несущей способности и эксплуатации.

Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение ресурсов несущей способности и эксплуатации, снижение концентрации напряжений и наклепа основного металла в зонах наложения швов двутаврового гнутосварного профиля, уменьшение расхода конструкционного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в двутавровом гнутосварном профиле, выполненном из единой листовой заготовки, пояса которого изогнуты в виде треугольного очертания с прямым углом между наклонными гранями и замкнуты двумя сварными швами, каждая из наклонных граней в поперечном сечении имеет форму половины круглого полукольца с радиусом, равным высоте поясов и вдвое короче их ширины. Двутавровый гнутозамкнутый профиль можно выполнить также с двойной стенкой и одним сварным швом.

Предлагаемый двутавровый гнутосварной профиль обладает достаточно универсальным техническим решением, с реализацией которого сопряжения его стенки и поясов имеют плавные формы с весьма значительным радиусом закруглений, что, минимизируя зоны концентрации напряжений и наклепа основного металла, увеличивает ресурсы его несущей способности и эксплуатации [Нежданов К.К., Гарькин И.Н. Подкрановая балка с повышенным техническим ресурсом эксплуатации. - Региональная архитектура и строительство, 2017, №3. - С. 119-122].

Предлагаемое техническое решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показано сечение двутаврового гнутосварного профиля; на фиг. 2 - сечение двутаврового гнутосварного профиля с одинаковыми габаритами по ширине и высоте; на фиг. 3 - сечение двутаврового гнутосварного профиля с двойной стенкой и одним сварным швом; на фиг. 4 приведена расчетная схема двутаврового гнутосварного профиля (пунктиром обозначена средняя линия расчетного сечения).

Для количественной оценки ресурсов несущей способности двутаврового гнутосварного профиля целесообразно рассчитать площадь А, а также моменты инерции его сечения Ix и Iy относительно главных центральных осей. Сечение такого профиля можно считать составной фигурой из пары трубных частей клиновидного гнутозамкнутого профиля [Марутян А.С. Клиновидный гнутозамкнутый профиль. - Патент №2656297, 04.06.2018, бюл. №16] и прямоугольника между ними. Расчетные выкладки при этом допустимо выполнять по средней линии тонкостенного сечения 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].

Трубная часть клиновидного гнутозамкнутого профиля применительно к рассматриваемому расчету двутаврового гнутосварного профиля имеет следующие расчетные параметры:

- ордината центра тяжести сечения относительно верней кромки

ус=0,22178R=0,22178×0,5U=0,11089U;

- площадь сечения

Ас=5,14tR=5,14t×0,5U=2,57tU;

- осевые моменты инерции сечения

Ixc=0,4571441tR3=0,4571441t(0,5U)3=0,0571430tU3;

Iyc=1,376627tR3=1,376627t(0,5U)3=0,1720783tU3,

где R - радиус половины круглого полукольца по средней линии его сечения

R=0,5U;

U - габарит по ширине двутаврового гнутосварного профиля.

Прямоугольник между парой трубных частей клиновидного профиля имеет измерения

t×(V-U)=t×U(1/n-1),

где n - отношение габарита по ширине к габариту по высоте двутаврового гнутосварного профиля

n=U/V.

Расчетная площадь сечения двутаврового гнутосварного профиля складывается из расчетных площадей сечений пары трубных частей клиновидного гнутозамкнутого профиля (двух поясов) и прямоугольника между ними (стенки):

A=2×2,57tU+tU(1/n-1)=tU(1/n+4,14).

Момент инерции сечения двутаврового гнутосварного профиля относительно оси х-х:

Ix=tU3(2×0,0571430+2×2,57(0,5/n-0,11089)2+(1/n-1)3/12)=tU3(0,0833333/n3+1,035/n2-0,3199746/n+0,0941567).

Момент инерции сечения двутаврового гнутозамкнутого профиля относительно оси у-у:

Iy=2×0,1720783tU3=0,3441566ftU3.

Осевые моменты сопротивления сечения двутаврового гнутозамкнутого профиля:

Wx=tU2(0,1666666/n2+2,07/n-0,6399492+0,1883134n);

Wy=0,6883132tU2.

Осевые радиусы инерции сечения двутаврового гнутозамкнутого профиля:

ix=U((0,0833333/n3+1,035/n2-0,3199746/n+0,0941567)/(1/n+4,14))1/2;

iy=U((0,3441566/(1/n+4,14))1/2.

Частный случай, когда габаритные размеры по ширине и высоте двутаврового гнутосварного профиля совпадают (n=U/V=1/1=1), вызывает практический интерес тем, что вместо двух сварных швов, замыкающих верхний и нижний пояса, необходим только один из них. Тогда вполне очевидной становится еще одна модификация двутаврового гнутосварного профиля с двойной стенкой и одним сварным швом, а также соответствующими ей расчетными выкладками:

A=2×2,57tU+2tU(1/n-1)=tU(2/n+3,14);

Ix=tU3(/3(2×0,0571430+2×2,57(0,5/n-0,11089)2+2(1/n-1)3/12)=tU3(0,1666666/n3+0,785/n2-0,0699746/n+0,0108234);

Iy=2×0,1720783tU3=0,3441566tU3;

Wx=tU2(0,3333333/n2+1,57/n-0,1399492+0,0216468n);

Wy=0,6883132tU2.

ix=U((0,1666666/n3+0,785/n2-0,0699746/n+0,0108234)/(2/n+3,14))1/2;

iy=U((0,3441566/(2/n+3,14))1/2.

Пример реализации предлагаемого двутаврового гнутосварного профиля можно привести, если в качестве базового объекта для сравнения использовать аналог, коим является балка со стенкой, оптимизированной по предельно допустимой гибкости и составляющей 2/3 высоты балки [Москалев Н.С., Попова Р.А. Стальные конструкции легких зданий. - М.: Издательство АСВ, 2003. - С. 65, рис. 4.5]:

- габаритные размеры

U=160 мм, V=1250 мм;

- геометрические характеристики сечения

t=4 мм, A=81,3 см2 (100%) Ix=164700 см4 (100%), Wx=2635 см3 (100%);

- гибкость стенки

hw/t=834/4=208,7 (100%),

где hw - высота стенки; hw/V=2/3.

Предлагаемый двутавровый гнутосварной профиль с одной стенкой и двумя сварными швами имеет следующий расчетные параметры:

hw/V=(V-U)/V=2/3, откуда n=U/V=1/3=0,3333333;

U=V/3=1250/3=416,66666≈416 мм;

A=tU(1/n+4,14)=tU(3+4,14)=7,14tU;

t=A/(7,14U)=81,3/(7,14×41,6)=0,2737152≈0,27 см;

A=7,14×0,27×41,6=80,19648 см2 (98,64%);

Ix=tU3(0,1666666/n3+0,785/n2-0,0699746/n+0,0108234)=tU3(0,1666666×33+0,785×32-0,0699746×2+0,0108234)=10,699232tU3=10,699232×0,27×41,63=207967,91 см4 (127,3%);

Wx=tU2(0,1666666/n2+2,07/n-0,6399492+0,1883134n)=tU2(0,1666666×32+2,07×3-0,6399492+0,1883134×0,3333333)=7,1328219tU2=7,1328219×0,27×41,62=3332,8195 см3 (126,5%).

Как видно, расход конструкционного материала уменьшился, а момент инерции и момент сопротивления сечения увеличились. При этом, однако, увеличилась и гибкость стенки:

tw/t=(V-U)/t=(250-416)/2,7=308,9 (148,01%).

Обеспечить устойчивость такой стенки можно при помощи нескольких продольных гофров, как это сделано в легких металлоконструкциях типа «Орск» [Москалев Н.С., Попова Р.А. Стальные конструкции легких зданий. - М.: Издательство АСВ, 2003. - С. 118, рис. 7.2].

Предлагаемый двутавровый гнутосварной профиль с двойной стенкой и одним сварным швом при еще одном сравнении с приведенным аналогом в качестве базового объекта будет иметь следующий расчетные параметры:

hw/V=(V-U)/V=2/3, откуда n=U/V=1/3=0,3333333;

U=V/3=1250/3=416,66666≈416 мм;

A=tU(2/n+3,14)=tU(2×3+3,14)=9,14tU;

t=A/(9,14U)=81,3/(9,14×41,6)=0,2138213≈0,21 см;

A=9,14×0,21×41,6=79,84704 см2 (98,21%);

Ix=tU3(0,1666666/n3+0,785/n2-0,0699746/n+0,0108234)=tU3(0,1666666×33+0,785×32-0,0699746×3+0,0108234)=11,365899tU3=11,365899×0,21×41,63=171831,61 см4 (104,5%);

Wx=tU2(0,3333333/n2+1,57/n-0,1399492+0,0216468n)=tU2(0,3333333×32+1,57×3-0,1399492+0,0216468×0,3333333)=7,5772664tU2=7,5772664×0,21×41,62=2753,7119 см3 (104,3%).

Как видно, и при повторном сравнении момент инерции и момент сопротивления сечения возросли, а расход конструкционного материала снизился, при этом уменьшилась и гибкость двойной стенки:

hw/(2t)=(V-U)/(2t)=(1250-416)/(2×2,1)=198,6 (95,16%).

К полученным результатам повторного сравнения остается добавить, что количество сварных швов сократилось с двух до одного.

Модификацию предлагаемого двутаврового гнутосварного профиля с двойной стенкой и одним сварным швом целесообразно сравнить с известным техническим решением, имеющем в своем составе двойную стенку. В качестве такого решения вполне подходит прогон из двутаврового замкнуто-открытого профиля с двойной стенкой высотой 40 мм из гнутых заготовок толщиной 1,5 мм и поясами треугольного очертания, горизонтальные грани которых выполнены из плоских заготовок толщиной 3,0 мм [Брудка Я., Лубиньски М. Легкие стальные конструкции. - М.: Стройиздат, 1974. - С. 199-200, рис. 6-74]:

- габаритные размеры

U=100 мм, V=180 мм, hw/V=40/180=1/4,5;

- геометрические характеристики сечения

Ix=756,0 см4 (100%), Iy=79,2 см4 (100%), Wx=84,0 см3 (100%);

A=2×0,3×10,0+2×0,15(4×3,0+2×4,0+4(6,72+2,02)1/2)=15,598 см2 (100%).

Предлагаемый двутавровый гнутосварной профиль с двойной стенкой и одним сварным швом имеет следующий расчетные параметры:

hw/V=(V-U)/V=1/4,5, откуда n=U/V=1/1,2857145=0,7777777;

U=V/1,2857145=180/1,2857145=139,99997≈140 мм;

A=tU(2/n+3,14)=tU(2×1,2857145+3,14)=5,711429tU;

t=A/(5,711429U)=15,297641/(5,711429×14,0)=0,1913161≈0,19 см;

A=5,711429×0,19×14,0=15,192401 см2 (99,31%);

Ix=tU3(0,1666666/n3+0,785/n2-0,0699746/n+0,0108234)==tU3(0,1666666×1,28571453+0,785×1,28571452-0,0699746×1,2857145+0,0108234)=1,5727369tU3=1,5727369×0,19×14,03=819,96208 см4 (108,5%);

Iy=0,3441566tU3=0,3441566×0,19×14,03=179,42948 см4 (226,6%);

Wx=tU2(0,3333333/n2+1,57/n-0,1399492+0,0216468n)=tU2(0,3333333×1,28571452+1,57×1,2857145-0,1399492+0,0216468×0,7777777)=2,4464793tU2=2,4464793×0,19×14,02=91,106876 см3 (108,5%).

Полученные результаты совпали с предыдущими итогами, поэтому для более полной проработки двутаврового гнутосварного профиля его необходимо сравнить с прокатными балками двутаврового сечения.

Самая мелкокалиберная двутавровая балка (I 10Б1 по ГОСТ 57837-2017) имеет следующие характеристики:

A=10,32 см2(100%), h=100 мм, b=55 мм, s=4,1 мм, t=5,7 мм;

hw=88,6 мм, hw/s=88,6/4,1=21,6 (100%);

Ix=171,01 см4(100%), Wx=34,20 см3(100%), ix=4,070 см (100%),

Iy=15,25 см4 (100%), Wy=5,54 см3 (100%), iy=1,215 см (100%).

Расчетные параметры двутаврового гнутосварного профиля с одной стенкой и двумя сварными швами составляют:

n=U/V=55/100=1/1,8181818=0,550;

A=tU(1/n+4,14)=tU(1,8181818+4,14)=5,9581818tU;

t=A/(5,9581818U)=10,32/(5,9581818×5,5)=0,3149221=0,30 см;

A=5,9581818×0,30×5,5=9,8309997 см2 (95,26%);

hw/t={V-U)/t=(100-55)/3,0=45/3,0=15,0 (69,44%);

Ix=tU3(0,0833333/0,5503+1,035/0,5502-0,3199746/0,550+0,0941567)=3,4347485tU3=3,4347485×0,30×5,53=171,43687 см4 (100,3%);

Wx=tU2(0,1666666/0,5502+2,07/0,550-0,6399492+0,1883134×0,550)=

=3,7782233tU2=3,7782233×0,30×5,52=34,2873732 см3 (100,3%);

ix=(171,43687/9,8309997)1/2=4,1759305 см (102,6%);

Iy=0,3441566tU3=0,3441566×0,30×5,53=17,177 701 см4 (112,6%);

Wy=0,6883132tU2=0,6883132×0,30×5,52=6,2464422 см3 (112,7%);

iy=(17,177701/9,8309997)1/2=1,3218545 см (108,8%).

Как видно, расход конструкционного материала и гибкость стенки уменьшились, а геометрические характеристики сечения увеличились.

Самая крупнокалиберная двутавровая балка (I 70Б4 по ГОСТ 57837-2017) имеет следующие характеристики:

A=248,14 см2 (100%), h=710 мм, b=262 мм, s=17 мм, t=25 мм;

hw=660 мм, hw/s=660/17=38,8 (100%);

Ix=199680,00 см4(100%), Wx=5625,00 см3 (100%), ix=28,367 см (100%),

Iy=7531,14 см4 (100%), Wy=574,90 см3(100%), iy=5,509 см (100%).

Расчетные параметры двутаврового гнутосварного профиля с одной стенкой и двумя сварными швами составляют:

n=U/V=262/710=1/2,70992236=0,3690140;

A=tU(1/n+4,14)=tU(2,70992236+4,14)=6,8499236tU;

t=A/(6,8499236U)=248,14/(6,8499236×26,2)=1,382642≈1,350 см;

A=6,8499236×1,350×26,2=242,28179 см2 (97,64%);

hw/t=(V-U)/t=(710-262)/13,50=448/13,50=33,2 (85,57%);

Ix=tU3(0,0833333/0,3690143+1,035/0,3690142-0,3199746/0,369014+0,0941567)=8,4862005tU3=8,4862005×1,350×26,23=206039,68 см4 (103,2%);

Wx=tU2(0,1666666/0,3690142+2,07/0,369014-0,6399492+0,1883134×0,369014)=6,2630312tU2=6,2630312×1,350×26,22=5803,9133 см3 (103,2%);

ix=(206039,68/242,28179)1/2=29,161848 см (102,8%);

Iy=0,3441566tU3=0,3441566×1,350×26,23=8355,9096 см4 (110,95%);

Wy=0,6883132tU2=0,6883132×1,350×26,22=637,85568 см3 (110,95%);

iy=(8355,9096/242,28179)1/2=5,8726819 см (106,6%).

Как видно и в этом расчетном случае, расход конструкционного материала и гибкость стенки уменьшились, а геометрические характеристики сечения увеличились. Следует добавить, что толщины листовых заготовок и мелкокалиберного и крупнокалиберного гнутосварных профилей отвечают требованиям ГОСТ 19903-2015 «Прокат листовой горячекатаный. Сортамент», что уменьшает дополнительные затраты и позволяет проработать аналогичным образом практически весь сортаментный ряд прокатных балок двутаврового сечения.

Таким образом, подводя некоторые итоги, можно прийти к основному выводу, что предлагаемые двутавровые гнутосварные профили достаточно эффективны, рациональны и перспективны для применения в несущих конструкциях зданий и сооружений.

Двутавровый гнутосварной профиль, выполненный из единой листовой заготовки, пояса которого изогнуты в виде треугольного очертания с прямым углом между наклонными гранями и замкнуты двумя сварными швами, отличающийся тем, что каждая из наклонных граней в поперечном сечении имеет форму половины круглого полукольца с радиусом, равным высоте поясов и вдвое короче их ширины, при этом двутавровый гнутозамкнутый профиль можно выполнить также с двойной стенкой и одним сварным швом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве стержневых и балочных элементов. Техническим результатом изобретения является достаточная местная (локальная) и общая устойчивость зетовых (Z-образных) гнутозамкнутых профилей из плоскости и в плоскости несущей конструкции.

Изобретение относится к области строительства, а именно к трапециевидной профильной трубе, используемой в качестве стержневых элементов строительных конструкций.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве стержневых элементов несущих конструкций зданий и сооружений различного назначения.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в узлах соединений перекрестно-стержневых конструкций или структурных плит покрытий (перекрытий) зданий и сооружений.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для возведения мостов, дорог, а так же зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и касается способа конструктивной огнезащиты стальной колонны здания. Техническим результатом изобретения является повышение надежности крепления элементов крупноразмерной облицовки, повышение предела огнестойкости стальной колонны, снижение риска обрушения колонны в начальной стадии пожара.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий, в частности, может быть использовано при изготовлении конструктивной огнезащиты стальной колонны здания.

Изобретение относится к области строительства, в частности к металлической колонне одноэтажного здания. Технический результат заключается в повышении надежности колонны.

Изобретение относится к области строительства, в частности к металлической колонне. .

Изобретение относится к области строительства, в частности к металлическим конструкциям зданий и сооружений, эксплуатация которых усложняется агрессивным воздействием окружающей среды.

Изобретение относится к области строительства, а именно к двутавровому гнутосварному профилю, который может быть использован в качестве балок и балочных систем. Технический результат заключается в снижении концентрации напряжений и наклепа основного металла в зонах наложения швов гнутосварного профиля, уменьшении материалоемкости. В двутавровом гнутосварном профиле, выполненном из единой листовой заготовки, пояса которого изогнуты в виде треугольного очертания с прямым углом между наклонными гранями и замкнуты двумя сварными швами, каждая из наклонных граней в поперечном сечении имеет форму половины круглого полукольца с радиусом, равным высоте поясов и вдвое короче их ширины. Двутавровый гнутозамкнутый профиль можно выполнить также с двойной стенкой и одним сварным швом. 4 ил.

Наверх