RU2174576C2

RU2174576C2 - Thin-slab closed-section structure

Info

Publication number: RU2174576C2
Application number: RU99107694A
Authority: RU
Inventors: М.М. Копытов; К.А. Ерохин; А.В. Матвеев; А.С. Косинцев; С.Г. Яшин
Original assignee: Томский государственный архитектурно-строительный университет; Копытов Михаил Михайлович; Ерохин Константин Александрович; Матвеев Андрей Вадимович; Косинцев Александр Сергеевич; Яшин Сергей Григорьевич
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 1999-04-05
Publication date: 2001-10-10

Abstract

FIELD: construction engineering. SUBSTANCE: device used in bearing structures of frames, coverings, columns, and other members of residential, industrial, and public buildings and other structures is made of channel bars joined together by longitudinal welded joints and of angle pieces to form closed cells, at least one of cells being pentahedral. Formed pentahedral cells may be joined by channel bar walls, ledges, or angle-piece tubers to form composite closed sections of different configurations. Cells are asymmetrical relative to one of main axes. Inner space of cells may be filled with concrete or other filler. Center of gravity of pentahedral-cell section is practically equidistant from material of walls. Material is rationally distributed throughout section of structure due to proposed shape of thin-slab structure and is reduced to minimum. In addition, physical shape may be developed in different directions not always orthogonal or parallel with minimal cost which provides for extending spectrum of solutions concerned with planning buildings and structures using alternative design solutions. EFFECT: enhanced bearing capacity of thin-slab structure. 5 cl, 7 dwg

Description

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. The invention relates to the construction and can be used as columns, supporting structures of overpasses, towers, cooling towers, frame elements and a number of other structures and their parts working for compression and compression with a bend.

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.Known devices of thin-walled core elements from paired corners forming a square section [1] (Fig. 8.3 ^G , p. 180), as well as from a bent thin sheet forming closed profiles: oval, pentagonal and other sections [2] (Fig. 19 ^D , p. 55). The disadvantage of such core elements is their low bearing capacity associated with the loss of the overall stability of the square profile due to the small radius of inertia and with the loss of local stability of the closed bent profile due to the small thickness of the sheet.

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.Closest to the claimed thin-walled structure is a structure formed of two channels joined by welds in the longitudinal direction along the feathers of the shelves [1] (Fig. 8.3 ^B , p. 180). In this case, the radius of inertia increases, and, consequently, the bearing capacity of the core element. The design is symmetrical in cross section. However, such a section is not equally stable: the ratio of the radii of inertia relative to the central axes is in the range of 1.05 ... 1.5, which leads to irrational use of the material and its cost overrun. In addition, in the range of high flexibility and external loads, a continuous cross-section of two channels does not always have sufficient bearing capacity for compression with bending due to the limited rolling profiles, and the transition to a through composite rod element of a truss type is associated with large labor costs, an increase in construction height, overspending of metal and cost.

Задача изобретения - обеспечить высокую несущую способность тонкостенной несущей конструкции замкнутого сечения при малой металлоемкости и расширить область ее применения. The objective of the invention is to provide high bearing capacity of a thin-walled supporting structure of a closed section with low metal consumption and to expand the scope of its application.

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. The problem is solved as follows. In a thin-walled supporting structure containing longitudinally fastened elements, at least one of which is made in the form of a channel, one or more of the above elements are made of a corner or corners, and the channels and corners are fastened together to form closed cells, and at least at least one pentahedral cell. In addition, the formed pentahedral cells are joined together by the walls of the channels, or by the shelves of the corners, or along the edges of the corners. Cells or part of the cells are filled with a filler, such as concrete.

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.Thus, the claimed device differs from the prototype in that:
- one or more of the longitudinally fastened elements are made in the form of corners;
- channels and corners are fastened together with the formation of closed cells;
- channels and corners are fastened together with the formation of at least one closed pentagonal cell;
- if the number of pentagonal cells is more than one, they are joined along the walls of the channels, or along the shelves of the corners, or along the edges of the corners;
- the cells or part of the cells are filled with a filler, for example, concrete.

Это говорит о новизне заявляемого устройства. This indicates the novelty of the claimed device.

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. Due to the proposed form of a thin-walled supporting structure, the material is rationally distributed over its cross section and is minimized at a given external load. The five-sided structural cell is formed of two asymmetric open profiles of rolled products, forms a closed contour of the section, asymmetric with respect to one of the main axes, but despite this, it ultimately has the properties of equilibrium. The center of gravity of the cross section of pentagonal cells is almost equidistant from the material of the walls. This design works optimally under central compression. According to their geometric characteristics, the pentahedral cells are closer to the ideal symmetrical section in the form of a round pipe than the prototype. The material of the construction makes full use of its mechanical properties in all possible directions of loss of stability and its consumption becomes minimal. Since the channels and corners are bonded together so that they form closed cells, with all or part of the cells (at least one) five-sided, it is possible to rationally use the claimed design by combining the cells, with a complex nature of loading: compression with bending and torsion, at different values and directions of external loads. The inventive object allows to obtain load-bearing structures having sections of different shapes, degrees and directions of development depending on the magnitude and direction of external loads. Thus, combining the cells formed by channels and corners, it is possible to provide a high load-bearing capacity of the structure with a minimum material consumption in a wide range of applications. To increase the bearing capacity, a thin-walled structure of a closed section can be filled with concrete or other filler. Thus, while maintaining and observing all operating parameters, the claimed thin-walled supporting structure of a closed section requires less metal in comparison with the prototype and has a greater bearing capacity.

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. In FIG. 1-7 depict cross-sections of a supporting structure with different external contours. In FIG. 1 shows a supporting structure of one pentahedral cell; in FIG. 2 shows the same cell with concrete aggregate; in FIG. 3 - supporting structure with pentahedral cells docked along the edges of the corners; in FIG. 4 - supporting structure with pentagonal cells docked on the shelves of the corners; in FIG. 5 - supporting structure of pentahedral cells docked along the edge of the corners and adjacent channels to these cells; in FIG. 6 - supporting structure with pentagonal cells, docked on the walls of the channels; in FIG. 7 is a design of a square outer contour formed of two composite pentahedral cells and adjacent corners.

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). The device contains channels 1 and corners 2, which are interconnected by welding in the longitudinal direction with the formation of pentagonal cells. The cells or part of the cells may be filled with concrete 3 or other aggregate. Channel bars 4 or corners 5 can be attached to pentahedral cells by means of longitudinal welds, forming, in turn, closed cells with channels 1 or corners 2 (Figs. 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 i_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.The inventive device of a thin-walled supporting structure is rational to use in structural forms and their constituent elements operating in conditions of central compression, where equidistance is a criterion for the efficiency of material distribution and leads to its lowest cost. Equilibrium stability is characterized by the ratio of the radii of inertia with respect to the central axes i _X : i _Y. When using channels in the range from N 6.5 to N 30 and the corners corresponding to them for forming a pentagonal profile, this ratio is in the range 1.0 ... 1.15 (for the prototype 1.05 ... 1.5). With the same cross-sectional area of metal elements, i.e. the same metal consumption, the minimum radius of inertia of the claimed device is greater than the same radius of inertia of the prototype 1.08 ... 1.22 times, which follows from the calculations. And the radius of inertia is a parameter of flexibility, on which the bearing capacity depends. In the range of flexibility of the centrally compressed rod from 50 to 120, the bearing capacity of the inventive device of the five-sided contour exceeds the prototype by 2 ... 40%. In the same range is also the saving of metal for a given bearing capacity. To increase the load-bearing capacity without the expense of metal, the internal cavity of the claimed device is filled with concrete (Fig. 2), which is included in the joint work with a metal clip and perceives part of the load.

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. With large values of the compressive external load in the conditions of central compression, it is rational to use combined composite profiles of the cruciform and square contours of the inventive device (Fig. 5 and 7). For compressed-curved rods with a predominance of bending relative to the xx axis (Fig. 3), it is rational to use a ten-sided contour of the inventive device, which has an increased moment of inertia about the xx axis, capable of resisting bending in this plane with simultaneously developed inertia radii and a cross-sectional area capable of resisting compression . For the rod compressed and bent in two orthogonal directions, it is rational to use the L-shaped profile of the inventive device (Fig. 4). In this case, the moments of inertia of the cross section are developed in two necessary directions and increase the bending resistance relative to the x-x and y-y axes, and the developed radii of inertia and the cross-sectional area allow the element to effectively resist compression. For a compressed rod with flexibility relative to the y-y axis, significantly exceeding the flexibility relative to the x-x axis, it is rational to use a composite profile (Fig. 6) of the inventive device. In addition, the inventive device of a thin-walled supporting structure with minimal costs allows you to develop the structural form of the erected system in many different, not always orthogonal or parallel directions, which expands the range of space-planning decisions of a building or structure with unconventional solutions.

Источники информации
1. Беленя Е.И. Металлические конструкции. М. Стройиздат, 1986.Sources of information
1. Belena E.I. Metal constructions. M. Stroyizdat, 1986.

2. Артемьева И.Н. Алюминиевые конструкции. Л., Стройиздат, 1976. 2. Artemyeva I.N. Aluminum construction. L., Stroyizdat, 1976.

Claims

1. Thin-walled supporting structure of a closed section, containing elements fastened to each other in the longitudinal direction, at least one of which is made in the form of a channel, characterized in that one or more of the elements fastened to each other in the longitudinal direction is made in the form of a corner or corners, this channels and corners are interconnected with the formation of closed cells, with at least one pentahedral.

2. The invention according to claim 1, characterized in that the five-sided cells are joined together along the walls of the channels.

3. The invention according to claim 1, characterized in that the pentahedral cells are docked together on the shelves of the corners.

4. The invention according to claim 1, characterized in that the pentahedral cells are docked to each other along the edges of the corners.

5. The invention according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the cells or part of the cells are filled with a filler, for example concrete.