Копытов - Легкие металлоконструкции из пятигранных труб

ВВЕДЕНИЕ

Высокая и постоянно растущая стоимость металла требует разработки строительных конструкций с минимальной металлоёмкостью. Это особенно актуально для зданий малых и средних пролетов, имеющих в настоящее время и в ближайший перспективе наибольший рыночный спрос. При этом металлоконструкции должны быть простыми в изготовлении, удобными при транспортировке и монтаже.

Вниманию читателя предлагаются новые легкие металлоконструкции покрытий удельная металлоемкость и стоимость которых на 18--25% меньше, чем у современных традиционных аналогов. Приоритет защищен семью патентами и авторскими свидетельствами на изобретения. Эти конструкции изучены теоретически и экспериментально, апробированы в практике строительства и показали высокие эксплуатационные качества.

Разработанные конструкции получили высокую оценку специалистов на Международной выставке "METALLBUILD 2003" в Москве [15]. Они награждены золотой медалью межрегионального конкурса "Лучшие товары и услуги Сибири "ГЕММА 2006".

Отличительной особенностью представленных в этой книге металлоконструкций является применение в основных несущих элементах составных стержней пятигранного профиля сечения. Такой стержень образуется посредством стыковки самых дешевых профилей проката: швеллера и уголка. Раскосная решетка из одиночных уголков крепится без фасонок не посредственно к поясам пространственно стержневых конструкций бесфасоночного покрытия.

Причинами такой высокой эффективности (по сути каждое четвертое покрытие оказывается бесплатным) являются:

-- отсутствие прогонов;

-- отсутствие фасонок, коннекторов и других соединительных деталей;

-- минимальная трудоемкость изготовления;

-- транспортабельность и удобство монтажа;

-- применение самых дешевых и ходовых профилей проката.

Дополнительным преимуществом является минимальная строительная высота, а значит -- снижение расходов на отопление "лишнего" объема помещения.

В этой книге содержится описание разработанных конструкций. Отмечены их достоинства и недостатки. Представлены основные результаты исследований и вытекающие отсюда практические рекомендации по их расчету и конструированию.

На конкретных примерах отмечены особенности проектирования, которые помогут читателю самостоятельно решить вопросы расчета и конструирования предлагаемых конструкций.

Дан технико-экономический анализ применения их в строительстве. Обозначены проблемы и перспективы дальнейшего развития таких конструктивных форм и способы их решения.

 

Глава I

ОСОБЕННОСТИ ПЯТИГРАННОГО ПРОФИЛЯ ИЗ СОСТЫКОВАННЫХ ШВЕЛЛЕРА И УГОЛКА

Замкнутые сечения обладают известными преимуществами по сравнению с открытыми. Они имеют более высокую несущую способность при работе стержней на сжатие, изгиб, кручение, внецентренное сжатие. Они менее подвержены механическим повреждениям при транспортировке и монтаже, обладают повышенной коррозионной стойкостью, хорошей обтекаемостью ветровым потоком, эстетическими качествами.

Широкое распространение получили конструкции из круглых и гнутосварных прямоугольных труб, из составных прокатных уголков или швеллеров, образующих квадратное или прямоугольное сечение (рис 1.1, а--б). Нами предлагается оригинальная форма сечения в виде пятигранника, которая может обеспечить бесфасоночное пространственное сопряжение элементов из прокатных профилей (патент на изобретение  2174576 RU и АС  98102236 RU [2, 3]). Пятигранник образуется из состыкованных швеллера и уголка (рис. 1.1, в).

Появляется возможность к каждой грани этого сечения впритык с помощью тавровых сварных соединений крепить примыкающие стержни без фасонок, развивая конструкцию в пяти различных направлениях. При этом горизонтальная плоскость может быть использована для непосредственного опирания кровельного настила без прогонов. Это создает предпосылки для разработки эффективных пространственно стержневых систем покрытий.

Стержни металлоконструкций с пятигранным контуром сечения могут иметь целый спектр более сложных композиций (рис. 1.2, б--ж).

Форма составного профиля может быть четырехгранной (рис. 1.2, ж), шестигранной (рис. 1.2, е), семигранной (рис. 1.2, г), десятигранной (рис. 1.2, в), двенадцатигранной (рис. 1.2, д); возможны и другие формы сечений, полученные на основе пятигранника. Это позволяет легко развивать конструктивную форму стержневой системы во многих различных, не только ортогональных или параллельных направлениях, что расширяет диапазон объемно планировочных решений здания или сооружения и их нетрадиционное исполнение.

Они могут быть использованы в опорных конструкциях эстакад, башен, градирен, в колоннах, каркасах и ряде других сооружений и их элементов, работающих на сжатие с изгибом.

Для большего повышения несущей способности и огнестойкости внутренняя полость пятигранника может быть заполнена бетоном (рис 1.2, б). Бетон включается в совместную работу с металлической обоймой и воспринимает часть нагрузки.

При малых гибкостях сжатых колонн и очень большой величине продольной силы (многоэтажные каркасы) могут использоваться составные профили сечения, соответствующие рисункам 1.2, д и 1.2, ж. Для сжатоизогнутых стержней с преобладанием изгиба относительно оси х рационально использовать десятигранный составной профиль (рис. 1.2, в). Для стержня сжатого и изгибаемого в двух ортогональных направлениях рационально применять Г образный профиль (рис. 1.2, г).

Он может быть использован в стойках каркаса, расположенных в углах здания.

Для эффективного применения пятигранного профиля в строительных конструкциях разработан сортамент этого составного сечения в диапазоне формообразующих швеллеров от  5 до  36 (Приложение 1). При составлении сортамента учтены все возможные варианты компоновки равнобоких уголков со швеллерами. В зависимости от соответствия размеров высоты сечения швеллера и расстояния между крайними точками перьев в сечении уголка возможны три варианта компоновки пятигранного сечения:

1) крайние точки перьев уголка лежат в плоскостях наружных граней полок швеллера (рис. 1.3, а);

2) крайние точки перьев уголка находятся с внутренней стороны от плоскостей наружных граней полок швеллера (рис. 1.3, б);

3) крайние точки перьев уголка находятся с наружной стороны от плоскостей наружных граней полок швеллера (рис. 1.3, в).

Для оценки эффективности пятигранного составного профиля произведен сравнительный анализ его геометрических характеристик с соответствующими значениями квадратных и прямоугольных профилей (рис. 1.1). Параметром, определяющим работу сжатого стержня, является относительный радиус инерции i/A; при работе на изгиб -- относительный момент со противления W/A. Результаты представлены на графиках рис. 1.4.

Из графиков рис. 1.4 а видно, что относительный радиус инерции imin/A пятигранного профиля в диапазоне высоты сечения до 20 см выше, чем у прямоугольного, а при дальнейшем увеличении высоты профилей эти параметры практически совпадают. Сравнение относительных радиусов инерции пятигранного и квадратного профилей показывает, что последний конкурентоспособен лишь в диапазоне уголков до  8. То есть в условиях сжатия пятигранный профиль предпочтительней как прямоугольного, так и квадратного профилей.

Из рис. 1.4 б следует, что относительный момент сопротивления двух швеллеров Wy/A больше соответствующего значения пятигранного профиля. Однако, при ортогональной ориентации осей (Wx/A для прямоугольного и Wy/A для пятигранного) предпочтительней становится пятигранный профиль. Поскольку для него Wy больше Wx на 25...45%, то такой профиль выгодней ориентировать с расположением стенки швеллера в плоскости изгиба.

Анализ графиков показывает, что пятигранный профиль сечения, образованный из состыкованных швеллера и уголка, особенно эффективен при работе на сжатие с изгибом. Это и предопределяет его использование в пространственных конструкциях покрытий.

 

Глава II

ЭФФЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ С ПОЯСАМИ ИЗ ТРУБ ПЯТИГРАННОГО ПРОФИЛЯ СЕЧЕНИЯ

В отечественной и зарубежной практике наметилась устойчивая тенденция развития строительства зданий и сооружений с небольшими пролетами 12...30 м. Они пользуются наибольшим рыночными спросом. Разработка новых конструктивных форм металлоконструкций покрытий таких зданий с использованием дешевых профилей проката, с упрощенным решением узлов (без фасонок) с сокращением или полным исключением вспомогательных элементов (прогонов и связей), обеспечивающих скоростной монтаж и индустриальный способ изготовления, представляется перспективным и актуальным.

Нами запатентованы, разработаны и исследованы бесфасоночные пространственно стержневые металлоконструкции покрытий с поясами пятигранного профиля сечения [2--16]. Отличительной особенностью этих конструкций является применение в них системообразующего стержня пятигранного контура, который формируется из состыкованных швеллера и уголка.

Появляется возможность к каждой грани этого сечения впритык с помощью тавровых соединений крепить примыкающие стержни без фасонок (рис. 2.1, а). Горизонтальная плоскость может быть использована для опирания кровельного профнастила без прогонов (рис. 2.1, б).

Все конструкции образуются системой наклонных ферм, ориентированных под углом 45° к вертикали с нисходящими опорными раскосами и треугольной решеткой (рис. 2.2). Верхний пояс - пентагональный профиль; решетка -- из одиночных уголков; нижний пояс -- пентагональный профиль или одиночный уголок. Плоскость раскосной решетки ортогональна плоскостям граней поясов. Это упрощает подрезку торцов с последующей приваркой в тавр к поясным элементам.

Расстояние между узлами системообразующей фермы -- 3 м. Предусмотрено опирание конструкций как на колонны и подстропильные элементы, так и на кирпичные стены. Размеры перекрываемых пролетов для I и IV снеговых районов: от 12 до 24 м при строительной высоте несущих конструкций 1,5 м. При пролетах 30--36 м требуется увеличение строительной высоты до 2,2 м из условия предельного прогиба.

Складчатое покрытие. Авторское свидетельство Р.Ф.  8716 RU.

План фрагмента складчатого покрытия показан на рисунке 2.3 а, поперечный разрез -- рисунке 2.3 б. Верхние пояса наклонных ферм 1 (рис. 2.3) выполнены из пятигранного профиля с горизонтальной ориентацией стенки швеллера. Раскосы 3 выполнены из одиночных уголков. Нижние пояса 2 выполняются из одиночных уголков или пятигранных профилей с ориентацией обушка вверх. Профнастил крепится к стенке швеллера.

Достоинства складчатой системы -- регулярность и архитектурная выразительность конструктивной формы. Решетка и узлы слабо нагружены. Сечения уголков минимальны и чаще всего лимитируются предельной гибкостью. Из за малой величины усилий узлы могут быть сильно расцентрованы и это упрощает процесс сварки конструкций. Недостаток её -- относительная многоэлементность и большой объем укрупнительной сборки.

Покрытие из трехгранных ферм. Патент РФ  2188287RU, патент РФ  36119RU, патент РФ  36118RU, патент РФ  49859

Покрытие образуется из расположенных с определенным шагом трехгранных ферм [4]. План фрагмента покрытия показан на рисунке 2.4 а, а варианты поперечных разрезов приведены на рисунках 2.4 б и 2.4 в. Раскосы могут быть приварены к поясам по торцам тавровыми швами [4] или по полкам угловыми швами [8].

Каждая трехгранная ферма образована из двух наклоненных под углом 45° ферм и включает два верхних пояса 1 пятигранного профиля из швеллера и уголка с вертикальной ориентацией стенки формообразующего швеллера, нижний пояс 2 пятигранного профиля с горизонтальной ориентацией стенки швеллера и раскосную решетку 3 из одиночных уголков.

Между собой трехгранные фермы объединяются профилированным настилом или панелями "сэндвич", которые крепятся к полке швеллера. Опирание трехгранных ферм происходит на подстропильные фермы 4, либо на продольные несущие стены. В трехгранных фермах вдвое уменьшено количество стержней раскосной решетки и нижних поясов. Они стали более нагруженными. Такие фермы могут целиком изготовляться на за воде и легко транспортироваться любым видом транспорта. По сравнению со складчатой системой в трехгранной бесфасоночной ферме усилия в раскосах и нижних поясах удвоились и требуется более строгое качество исполнения узлов, которые также могут быть расцентрированными. На заводе контроль качества швов не представляет труда, а все монтажные сопряжения предусмотрены только на болтах.

Дополнительное снижение металлоемкости можно получить за счет использования в наиболее напряженных элементах стали высокой прочности (бистальное сечение пятигранника) или применения предварительного напряжения [6].

Структурное покрытие. Патент РФ  19068RU В структурном покрытие в отличии от вышерассмотренных конструкций присутствуют затяжки по поясам и торцевые наклонные фермы, входящие в пространственную стержневую систему. План структурного покрытия размером 12 18 м представлен на рисунке 2.5 а, поперечный разрез на рисунке 2.5 б. Структурное покрытие образуется из объединенных профнастилом или панелями "сэндвич" трехгранных ферм 5, 6. Верхние пояса 1 выполнены из пятигранного профиля с горизонтальной ориентацией стенки швеллера. Нижние пояса 2 из одиночного уголка, ориентированного обушком вверх или пятигранного профиля, в зависимости от требуемой несущей способности нижнего пояса. Раскосы 3 выполняются из одиночных уголков, торцами примыкающих к полкам поясных уголков 1 и 2.

На монтаже структурное покрытие собирается из пространственных трехгранных ферм 5, 6 полной заводской готовности, объединенных раскосами 7, которые устанавливаются при укрупнительной сборке и профилированным листом или панелями "сэндвич". Трехгранные фермы 5 и 6 содержат либо один нижний и два верхних пояса, либо один верхний и два нижних пояса, которые соединяются затяжками 4.

...