тонкостенная несущая конструкция замкнутого сечения

Формула изобретения

1. Тонкостенная несущая конструкция замкнутого сечения, содержащая скрепленные между собой в продольном направлении элементы, по меньшей мере один из которых выполнен в виде швеллера, отличающаяся тем, что один или более скрепленных между собой в продольном направлении элементов выполнены в виде уголка или уголков, при этом швеллеры и уголки соединены между собой с образованием замкнутых ячеек, причем по меньшей мере одной пятигранной.

2. Изобретение по п.1, отличающееся тем, что пятигранные ячейки состыкованы между собой по стенкам швеллеров.

3. Изобретение по п.1, отличающееся тем, что пятигранные ячейки состыкованы между собой по полкам уголков.

4. Изобретение по п.1, отличающееся тем, что пятигранные ячейки состыкованы между собой по обушкам уголков.

5. Изобретение по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что ячейки или часть ячеек заполнена наполнителем, например бетоном.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в качестве колонн, опорных конструкций эстакад, башен, градирен, элементов каркаса и ряде других сооружений и их частей, работающих на сжатие и сжатие с изгибом.

Известны устройства тонкостенных стержневых элементов из спаренных уголков, образующих квадратное сечение [1] (рис. 8.3^Г, стр. 180), а также из гнутого тонкого листа, образующего замкнутые профили: овального, пятиугольного и др. сечений [2] (рис 19^Г, стр. 55). Недостатком таких стержневых элементов является их малая несущая способность, связанная с потерей общей устойчивости квадратного профиля из-за малого радиуса инерции и с потерей местной устойчивости замкнутого гнутого профиля из-за малой толщины листа.

Наиболее близким к заявляемой тонкостенной конструкции является конструкция, образованная из двух швеллеров, состыкованных сварными швами в продольном направлении по перьям полок [1] (рис. 8.3^Б, стр. 180). При этом увеличивается радиус инерции, а следовательно, и несущая способность стержневого элемента. Конструкция в сечении симметричная. Однако такое сечение не является равноустойчивым: соотношение радиусов инерции относительно центральных осей находится в диапазоне 1,05...1,5, что приводит к нерациональному использованию материала и его перерасходу. Кроме того, в диапазоне больших гибкостей и внешних нагрузок сплошное сечение из двух швеллеров не всегда обладает достаточной несущей способностью при сжатии с изгибом из-за ограниченности профилей проката, а переход на сквозной составной стержневой элемент типа фермы сопряжен с большими трудозатратами, увеличением строительной высоты, перерасходом металла и стоимости.

Задача изобретения - обеспечить высокую несущую способность тонкостенной несущей конструкции замкнутого сечения при малой металлоемкости и расширить область ее применения.

Задача решена следующим образом. В тонкостенной несущей конструкции, содержащей скрепленные в продольном направлении элементы, по меньшей мере один из которых выполнен в виде швеллера, один или более из вышеуказанных элементов выполнены из уголка или уголков, причем швеллеры и уголки скреплены между собой с образованием замкнутых ячеек и причем по меньшей мере одной пятигранной ячейки. Кроме того, образованные пятигранные ячейки состыкованы между собой стенками швеллеров, или полками уголков, или по обушкам уголков. Ячейки или часть ячеек заполнена наполнителем, например бетоном.

Таким образом, заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что:

- один или более из скрепленных в продольном направлении элементов выполнены в виде уголков;

- швеллеры и уголки скреплены между собой с образованием замкнутых ячеек;

- швеллеры и уголки скреплены между собой с образованием по меньшей мере одной замкнутой пятигранной ячейки;

- в случае, если количество пятигранных ячеек более одной, они состыкованы по стенкам швеллеров, или по полкам уголков, или по обушкам уголков;

- ячейки или часть ячеек заполнены наполнителем, например, бетоном.

Это говорит о новизне заявляемого устройства.

Благодаря предлагаемой форме тонкостенной несущей конструкции материал рационально распределен по ее сечению и сводится к минимуму при заданной внешней нагрузке. Пятигранная ячейка конструкции образована из двух несимметричных открытых профилей проката, формирует замкнутый контур сечения, несимметричный относительно одной из главных осей, но несмотря на это, в итоге обладает свойствами равноустойчивости. Центр тяжести сечения пятигранных ячеек практически равноудален от материала стенок. Такая конструкция оптимально работает в условиях центрального сжатия. По своим геометрическим характеристикам пятигранные ячейки более близки к идеальному симметричному сечению в виде круглой трубы, чем прототип. Материал конструкции полностью использует свои механические свойства во всех возможных направлениях потери устойчивости и расход его становится минимальным. Поскольку швеллеры и уголки скреплены между собой так, что образуют замкнутые ячейки, причем все или часть ячеек (по меньшей мере одна) пятигранные, можно рационально использовать заявляемую конструкцию, комбинируя ячейки, при сложном характере загружения: сжатии с изгибом и кручении, при разных величинах и направлениях внешних нагрузок. Заявляемый объект позволяет получить несущие конструкции, имеющие сечения разных форм, степени и направления развития в зависимости от величины и направления внешних нагрузок. Таким образом, комбинируя образованные швеллерами и уголками ячейки, можно обеспечить высокою несущую способность конструкции при минимальном расходе материала в широком диапазоне областей применения. Для повышения несущей способности тонкостенная конструкция замкнутого сечения может быть заполнена бетоном или другим наполнителем. Таким образом, при сохранении и соблюдении всех рабочих параметров заявляемая тонкостенная несущая конструкция замкнутого сечения требует в сравнении с прототипом меньше металла и обладает большей несущей способностью.

На фиг. 1-7 изображены поперечные сечения несущей конструкции с разными наружными контурами. На фиг. 1 представлена несущая конструкция из одной пятигранной ячейки; на фиг. 2 изображена эта же ячейка с бетонным заполнителем; на фиг. 3 - несущая конструкция с пятигранными ячейками, состыкованными по обушкам уголков; на фиг. 4 - несущая конструкция с пятигранными ячейками, состыкованными по полкам уголков; на фиг. 5 - несущая конструкция из пятигранных ячеек, состыкованных по обушкам уголков и примыкающими к этим ячейкам швеллерами; на фиг. 6 - несущая конструкция с пятигранными ячейками, состыкованная по стенкам швеллеров; на фиг. 7 - конструкция квадратного наружного контура, образованная из двух составных пятигранных ячеек и примыкающими к ним уголками.

Устройство содержит швеллеры 1 и уголки 2, которые связанны между собой посредством сварки в продольном направлении с образованием пятигранных ячеек. Ячейки или часть ячеек могут быть заполнены бетоном 3 или другим наполнителем. К пятигранным ячейкам могут быть присоединены посредством продольных сварных швов швеллеры 4 или уголки 5, образуя в свою очередь со швеллерами 1 или уголками 2 замкнутые ячейки (фиг. 5, 7).

Заявляемое устройство тонкостенной несущей конструкции рационально использовать в конструктивных формах и их составляющих элементах, работающих в условиях центрального сжатия, где равноустойчивость является критерием эффективности распределения материала и приводит к наименьшим его затратам. Равноустойчивость характеризуется соотношением радиусов инерции относительно центральных осей _X:i_Y. При использовании швеллеров в диапазоне от N 6.5 до N 30 и соответствующих им уголков для формирования пятиугольного профиля это соотношение находится в диапазоне 1,0...1,15 (для прототипа 1,05...1,5). При одинаковой площади сечения металлических элементов, т.е. одинаковом расходе металла, минимальный радиус инерции заявляемого устройства больше аналогичного радиуса инерции прототипа в 1,08...1,22 раза, что следует из проведенных расчетов. А радиус инерции - параметр гибкости, от которого зависит несущая способность. В диапазоне гибкостей центрально-сжатого стержня от 50 до 120 несущая способность заявляемого устройства пятигранного контура больше прототипа на 2...40%. В этих же пределах находится и экономия металла при заданной несущей способности. Для большего повышения несущей способности без затрат металла внутренняя полость заявляемого устройства заполняется бетоном (фиг. 2), который включается в совместную работу с металлической обоймой и воспринимает часть нагрузки.

При больших значениях сжимающей внешней нагрузки в условиях центрального сжатия рационально использовать комбинированные составные профили крестообразного и квадратного контуров заявляемого устройства (фиг. 5 и 7). Для сжато-изогнутых стержней с преобладанием изгиба относительно оси x-x (фиг. 3) рационально использовать десятигранный контур заявляемого устройства, которое имеет увеличенный момент инерции относительно оси x-x, способный сопротивляться изгибу в этой плоскости при одновременно развитых радиусах инерции и площади сечения, способного сопротивляться сжатию. Для стержня сжатого и изгибаемого в двух ортогональных направлениях рационально использовать Г-образный профиль заявляемого устройства (фиг. 4). В этом случае моменты инерции сечения развиты в двух необходимых направлениях и увеличивают сопротивление изгибу относительно осей x-x и y-y, а развитые радиусы инерции и площади сечения позволяют элементу эффективно сопротивляться сжатию. Для сжатого стержня с гибкостью относительно оси y-y, значительно превышающей гибкость относительно оси x-x, рационально использовать составной профиль (фиг. 6) заявляемого устройства. Кроме того, заявляемое устройство тонкостенной несущей конструкции с минимальными затратами позволяют развивать конструктивную форму возводимой системы во многих различных, не всегда ортогональных или параллельных, направлениях, что расширяет спектр объемно- планировочных решений здания или сооружения при нетрадиционном их решении.

Источники информации

1. Беленя Е.И. Металлические конструкции. М. Стройиздат, 1986.

2. Артемьева И.Н. Алюминиевые конструкции. Л., Стройиздат, 1976.