Типы профилей из алюминия и их основы проектирования

Элементами каркасов и стержневых конструкций являются стержни из прессованных или гнутых профилей и труб. Каркасы и конструкции решетчатые проектируются из ограниченного числа профилей. Каркасы и конструкции сплошные — из составных, сварных, клепаных элементов, иногда с соединениями на замках или защелках.

Оптимальным сечением для стержней, воспринимающих сжатие, является труба — оболочка (круглая, эллипсоидная и т. п.). Однако узловые сопряжения гладких труб довольно сложны в изготовлении, требуют тщательной подгонки друг к другу, а иногда усиления фасонками. Поэтому гладкие трубы более рационально применять в комбинации с открытыми тонкостенными профилями, которые рекомендуются в первую очередь. Особенно это относится к трехгранным в сечении фермам, в которых применяются открытые профили с неортогональным сопряжением полок и стенок. Сортамент таких профилей отсутствует. Возникает необходимость проектирования новых профилей. При способе прессования получение новых профилей не представляет больших трудностей. Важно, чтобы вновь запроектированный профиль обеспечил получение экономии металла по сравнению с существующими и применяемыми ранее профилями.

Рассмотрим характеристику профилей каркасов, их классификацию и рекомендации по их проектированию, т. е. конструированию и расчету, в связи с отсутствием таких рекомендаций в нормативной литературе.

Типы профилей, применяемых в каркасах. По статическим свойствам все профили делятся на три группы: бисимметричные, имеющие не менее двух осей симметрии (рис. 74,а—д); моносимметричные с одной осью симметрии (рис. 74, е—к) и несимметричные (рис. 74,л).

У бисимметричных профилей центр тяжести совпадает с центром изгиба, поэтому такие профили обладают наибольшей устойчивостью при продольном изгибе. У моносимметричных профилей эти две точки могут совпадать и не совпадать. По соотношениям полок, стенок, ребер к их толщинам моносимметричные профили относятся к тонкостенным профилям и в ряде случаев могут иметь изгибно-крутильную форму потери устойчивости. У несимметричных профилей центр изгиба, как правило, не совпадает с центром тяжести, что приводит к неопределенности их работы, а при сжатии — к изгибно-крутильлой форме потери устойчивости.

По конструктивной форме бисимметричные профили делятся на следующие подгруппы: полые оболочки (рис. 74,а), полые пластинчатые профили (рис. 74,6, в), сплошные прямоугольные (ортогональные, рис. 74,г), сплошные косоугольные (неортогональные, рис. 74, д).

Моносимметричные профили по конструктивной форме делятся на следующие подгруппы: полые (рис. 74,е), корытные (рис. 74,ж), уголковые (рис. 74,з), швеллерные (рис. 74,и) и тавровые (рис. 74,к). Моносимметричные профили (рис. 74,ж—к) являются наиболее распространенной в строительных конструкциях группой профилей благодаря сравнительной простоте изготовления их и удобству примыкания друг к другу.

К несимметричным профилям относятся неравнобокие уголки, сложные профили с бульбами и ребрами (рис. 74,л).

Проектирование профилей. Проектирование цельнопрессованных профилей включает в себя следующие этапы:

1. Конструирование, т. е. проработку в нескольких вариантах схем и контуров профилей в соответствии с величиной и знаком усилия, конструктивными требованиями общей схемы сооружения, отдельных узлов и принятым видом заводских и монтажных соединений.

2. Проверку технологических требований при прессовании, т. е. уточнение размера габаритного круга, отношений размеров полок, стенок, ребер к их толщинам, соотношений размеров открытых и замкнутых полостей, радиусов закруглений и выемок, а также увязку этих требований в соответствии с маркой сплава.

3. Подсчет характеристик профиля в зависимости от типа профиля: подсчет статических характеристик для бисимметричных профилей, статических и секториальных — для моносимметричных и несимметричных профилей.

4. Определение предельной нагрузки. Проверку прочности и общей устойчивости стержня.

5. Проверку местной устойчивости стенок, полок и ребер профиля при предельной нагрузке.

6. Сравнение вариантов сечений профиля по весу, степени сложности изготовления, стоимости, по трудоемкости соединения с соседними стержнями или другими примыкающими к нему элементами. Выбор профиля, удовлетворяющего всем необходимым требованиям.

Конструирование профиля начинается с выявления его конфигурации в зависимости от эксплуатационных, конструктивных и эстетических требований. Правильная, хорошая форма профиля может увеличить срок его эксплуатации и обеспечить защиту от коррозии.

При необходимости (у составных профилей) следует предусмотреть разделку кромок под сварку. Если проектируется профиль пояса, то в первую очередь определяется угол раскрытия полок. При трехгранных каркасах он принимается, как правило, 60°, для ферм покрытий может быть 90 или 45°.

Выбираются тип соединений, марка сплава и одновременно способ перевозки конструкции. Если принимается перевозка элементов россыпью, то соединения болтовые, если плоскими отправочными марками, то заводские соединения могут быть сварными или клепаными, а монтажные — на болтах, замках или защелках. После этого изображается схема профиля в осях и находится по знаку и величине усилия, в зависимости от марки сплава, примерная площадь сечения стержня, которая распределяется по профилю. Задаются размеры и толщина полок, стенок, ребер.

После того как будет определена форма профиля, необходимо сделать проверку технологических требований изготовления профиля в соответствии с правилами и таблицами, изложенными ранееI, при соответствующей корректировке размеров, длин и толщин полок, стенок и всего контура сечения.

От того, как будет сконструирован профиль, зависит его расчетная схема. Расчетная схема стержня и всего каркаса определяется тем, как расположены геометрические оси самой конструкции по отношению к продольным осям сечения профиля. Взаимное расположение осей сооружения по отношению к осям профиля задается, с одной стороны, требованием обеспечить четкое центрирование узлов в пространственной схеме сооружения, с другой — желанием создать бескосыночное сопряжение элементов решетки и поясов как в сварных, так и в клепаных или болтовых конструкциях.

В зависимости от схемы конструкции, величины и знака усилий в элементах, способов соединения между собой, марки сплава и тому подобных факторов могут быть три случая привязки осей сечения профиля к осям конструкции:

1. Геометрическая ось сооружения совпадает с продольной осью, проходящей через центр изгиба А сечения профиля (рис. 75,а, б). В этом случае под действием продольной силы стержень испытывает только сжатие.

2. Геометрическая ось сооружения совпадает с продольной осью, проходящей через центр тяжести О сечения профиля (рис. 75,в), и не проходит через центр изгиба А. В этом случае продольная сила вызывает сжатие и кручение стержня.

3. Геометрическая ось расчетной схемы сооружения проходит вдоль какой-нибудь реальной линии, например вдоль ребра профиля, по оси болтовых соединений и т. п., и не совпадает с его продольными осями, проходящими через центр тяжести и центр изгиба (рис. 75,г). В этом случае из-за внецентренного приложения продольной силы стержень будет сжато-изогнутым. При этом возможно и кручение его.

С целью увеличения общей устойчивости стержня при конструировании прессованного профиля следует добиваться совпадения оси сооружения с осью, проходящей через центр изгиба, путем перераспределения металла по сечению.

На рис. 75, а дан прессованный профиль в виде углотавра, который запроектирован таким образом, что трубчатые раскосы могут быть врезаны и присоединены прямо к неортогональным полкам, а последние пересекаются в центре изгиба профиля, совмещенном с центром тяжести сечения. Такая четкость при конструировании может быть получена только после рассмотрения нескольких вариантов сечений, в которых последовательная корректировка длин и толщин полок и стенок приводит к форме профиля, обладающей необходимыми конструктивными свойствами, геометрическими, статическими и секториальными характеристиками.

В зависимости от формы сечения и соотношений общих размеров элементов алюминиевых профилей стержни могут потерять устойчивость при плоской форме изгиба или при изгибно-крутильной. При плоской форме чаще всего теряют устойчивость полые бисимметричные и моносимметричные, у которых размеры вдоль оси симметрии развиты меньше, чем поперек нее. Форма потери устойчивости остальных профилей зависит от конфигурации сечения и размеров. Ранее установлено, что алюминий работает как нелинейно-упругий материал. Между пределами пропорциональности и текучести (сжатия и растяжения) у него происходит уменьшение модуля упругости, после того как в конструкции появятся напряжения выше предела пропорциональности. Поэтому работа конструкций должна рассматриваться в двух стадиях: упругой и упругопластической. Ниже рассмотрена работа упругих алюминиевых стержней и работа их за пределами пропорциональности. Даются способы подсчетов всех расчетных характеристик сечений для упругих и упругопластичных тонкостенных профилей, у которых учитываются изменение модуля упругости в зонах, где наблюдаются малые упругопластические деформации.