Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)2707510.22363/1815-5235-2021-17-2-140-164Analysis and design of building structuresРасчет и проектирование строительных конструкцийResearch ArticleOptimization of channels and I-shaped bended closed profiles with tubular shelves from sheets of different thicknessesОптимизация швеллерных и двутавровых гнутозамкнутых профилей с трубчатыми полками из листового проката разных толщин8528-9956MarutyanAlexander S.МарутянАлександр Суренович

teacher, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

преподаватель, кандидат технических наук, доцент

al_marut@mail.ruPyatigorsk Institute (branch) of the North Caucasus Federal UniversityКолледж Пятигорского института (филиала) Северо-Кавказского федерального университета20072021172VOL 17, NO2 (2021)ТОМ 17, №2 (2021)14016420072021Copyright ©; 2021, Marutyan A.S.Copyright ©; 2021, Марутян А.С.2021Marutyan A.S.Марутян А.С.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/27075

The continuation of optimization of channels and I-beams bent closed profiles (BCP) with tubular flanges made of rolled sheet of different thicknesses is presented. Such profiles are intended for light steel thin-walled structures (LSWS), which are distinguished by high technical and economic indicators and massive demand in industrial and civil construction, which confirms the relevance of their further development. The main results of the calculation of the optimal bending arrangement of composite sections of I-beams from sheet blanks of different thicknesses, including channel-type BCPs unified in terms of optimal parameters, are also presented. The aim of the study is to show that the characteristics of the LSWS can be further improved by shaping profiles, combining straight and round outlines of closed and open contours in a composite section. Methods. By means of experimental design studies, solution of optimization problems and variant design of I-profiles, their composite sections from sheet blanks of different thicknesses, including blanks of channel profiles, have been refined. The originality of channels and I-shaped BCP has been confirmed by patent examination. Results. The I-shaped BCP consists of two tubular shelves and one double thickness wall. Calculation of the optimal layout of an I-shaped BCP made of rolled sheet of different thicknesses for bending showed that the bearing capacity is limited by the ratio of the thickness of the flanges and the wall of its composite section. In particular, when the thickness of the flanges is 2 times the wall thickness, the strength is maximum at a ratio of width to height of 1/11, and when the thickness of the flanges is 0.6 times the wall thickness, the strength is maximum at a ratio of 1/3.3. With the ratios of the width and height of I-shaped BCP of 1/2.68...1/3 and channel-type BCPs of 1/5.36...1/6, their composite sections should be optimally assembled from standardized blanks.

Представлено продолжение оптимизации швеллерных и двутавровых гнутозамкнутых профилей (ГЗП) с трубчатыми полками из листового проката разных толщин. Такие профили предназначены для легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК), которые отличаются высокими технико-экономическими показателями и массовым спросом в промышленно-гражданском строительстве, что подтверждает актуальность их дальнейшей проработки. Приведены основные итоги расчета оптимальной на изгиб компоновки составных сечений двутавровых ГЗП из листовых заготовок разных толщин, включая унифицированные по оптимальным параметрам швеллерных ГЗП. Цель исследования - показать, что характеристики ЛСТК можно дополнительно улучшить при помощи формообразования профилей, сочетающего в составном сечении прямые и круглые очертания замкнутых и открытых контуров. Методы. Посредством опытно-конструкторских проработок, решения оптимизационных задач и вариантного проектирования двутавровых профилей уточнены их составные сечения из листовых заготовок разных толщин, в том числе заготовок швеллерных профилей. Оригинальность двутавровых и швеллерных ГЗП подтверждена патентной экспертизой. Результаты. Двутавровый ГЗП состоит из двух трубчатых полок и одной стенки двойной толщины. Расчет оптимальной компоновки двутаврового ГЗП из листового проката разных толщин на изгиб показал, что несущая способность лимитирована отношением толщин полок и стенки его составного сечения. В частности, когда толщина полок в 2 раза больше толщины стенки, прочность максимальна при отношении размеров ширины и высоты 1/11, а когда толщина полок составляет 0,6 толщины стенки, прочность максимальна при отношении размеров 1/3,3. При отношениях размеров ширины и высоты двутавровых ГЗП 1/2,68…1/3 и швеллерных ГЗП 1/5,36…1/6 их составные сечения оптимально компоновать из унифицированных заготовок.

bar structuresthin-walled structuresbent-closed profilesgear fasteningsoptimization of sectionscalculation of optimal parametersстержневые конструкциитонкостенные конструкциигнутозамкнутые профилизубчатые крепленияоптимизация сеченийрасчет оптимальных параметровLyahovich L.S., Akimov P.A., Tuhfatullin B.A. On one problem of optimization of structures, taking into account the requirements of stability, strength, with restrictions on the first frequency of natural vibrations. Academia. Architecture and construction. 2020;(4):76–82. (In Russ.) https://doi.org/10.22337/2077-9038-2020-4-76-82Ляхович Л.С., Акимов П.А., Тухфатуллин Б.А. Об одной задаче оптимизации конструкций с учетом требований устойчивости, прочности, при ограничениях первой частоты собственных колебаний // Academia. Архитектура и строительство. 2020. № 4. С. 76-82. https://doi.org/ 10.22337/2077-9038-2020-4-76-82Lyahovich L.S., Akimov P.A., Tuhfatullin B.A. Estimation of the proximity to the project of the minimum material consumption of the decision on the optimization of the width of piecewise-constant sections of the flange of the I-beam cross-section under stability constraints or by the value of the first natural vibration frequency. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Journal of Construction and Architecture. 2020;22(4):114–125. (In Russ.) https://doi.org/10.31675/1607-1859-2020-22-4-114-125Ляхович Л.С., Акимов П.А., Тухфатуллин Б.А. Оценка близости к проекту минимальной материалоемкости решения об оптимизации ширины кусочно-постоянных участков полки стержней двутаврового поперечного сечения при ограничениях по устойчивости или на величину первой частоты собственных колебаний // Вестник ТГАСУ. 2020. Т. 22. № 4. С. 114-125. https://doi.org/ 10.31675/1607-1859-2020-22-4-114-125Lyakhovich L.S., Akimov P.A., Tukhfatullin B.A. Assessment of the proximity of design to minimum material capacity solution of problem of optimization of the flange width of I-shaped cross-section rods with allowance for stability constraints or constraints for the value of the national frequency and strength requirements. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2020;16(2):71–82. https://doi.org/ 10.22337/2587-9618-2020-16-2-71-82Lyakhovich L.S., Akimov P.A., Tukhfatullin B.A. Assessment of the proximity of design to minimum material capacity solution of problem of optimization of the flange width of I-shaped cross-section rods with allowance for stability constraints or constraints for the value of the national frequency and strength requirements // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2020. Vol. 16. No 2. Pp. 71-82. https://doi.org/ 10.22337/2587-9618-2020-16-2-71-82Perelmuter A.V. Essays on the history of metal structures. Moscow: SKAD Soft Publ.; Publishing House ASV; 2015. р. 28–42. (In Russ.)Перельмутер А.В. Очерки по истории металлических конструкций. М.: СКАД Софт; Изд-во АСВ, 2015. С. 28-42.Perelmuter A.V. Constructive form number one. Proceeding of the Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture. 2012;(1):27–39. (In Russ.)Перельмутер А.В. Конструктивная форма номер один // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2012. № 1. С. 27-39.Kuznecov D.N., Sazykin V.G. Stress-strain state of a steel I-beam as part of a combined beam (part 1). News of Higher Educational Institutions. Construction. 2019;(11):5–16. (In Russ.)Кузнецов Д.Н., Сазыкин В.Г. Напряженно-деформированное состояние стального двутавра в составе комбинированной балки: в 3 ч. Ч. 1 // Известия вузов. Строительство. 2019. № 11. С. 5-16.Kuznecov D.N., Sazykin V.G. Stress-strain state of a steel I-beam as part of a combined beam (part 2). News of Higher Educational Institutions. Construction. 2019;(12):13–23. (In Russ.)Кузнецов Д.Н., Сазыкин В.Г. Напряженно-деформированное состояние стального двутавра в составе комбинированной балки: в 3 ч. Ч. 2 // Известия вузов. Строительство. 2019. № 12. С. 13-23.Kuznecov D.N., Sazykin V.G. Stress-strain state of a steel I-beam as part of a combined beam (part 3). News of Higher Educational Institutions. Construction. 2020;(1):18–33. (In Russ.)Кузнецов Д.Н., Сазыкин В.Г. Напряженно-деформированное состояние стального двутавра в составе комбинированной балки: в 3 ч. Ч. 3 // Известия вузов. Строительство. 2020. № 1. С. 18-33.Tusnin A.R., Abdurahmonov A.H. Bearing capacity of a centrally compressed I-beam in constrained torsion. Industrial and Civil Engineering. 2020;(9):21–27. (In Russ.) https://doi.org/10.33622/-7019.2020.09.21-27Туснин А.Р., Абдурахмонов А.Х. Несущая способность центрально-сжатого двутаврового стержня при стесненном кручении // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 9. С. 21-27. https://doi.org/10.33622/-7019.2020.09.21-27Abdurahmonov A.H. Numerical analysis of stability of a centrally compressed I-beam under constrained torsion. Construction: Science And Education. 2020;10(4):11–27. (In Russ.) https://doi.org/10.22227/2305-5502.2020.4.2Абдурахмонов А.Х. Численный анализ устойчивости центрально-сжатого двутаврового стержня при стесненном кручении // Строительство: наука и образование. 2020. Т. 10. Вып. 4. Ст. 2. С. 11-27. https://doi.org/10.22227/2305-5502.2020.4.2Garkin I.N., Lashtankin A.S. Numerical analysis of stability of a centrally compressed I-beam under constrained torsion. Regional Architecture and Engineering. 2020;(3):68–77. (In Russ.)Гарькин И.Н., Лаштанкин А.С. Циклические испытания подкрановых балок на выносливость // Региональная архитектура и строительство. 2020. № 3. С. 68-77.Paryshev D.I., Iltyakov A.V., Kopyrin V.I., Moiseev O.Y., Agafonov Y.A., Ovchinnikov I.G., Sherenkov V.M., Ovchinnikov I.I., Harin V.V., Harin D.A., Voronkin V.V., Popov I.P. Bituminous concrete beam. Russian Federation patent No. 2739271. Bulletin No 36. (In Russ.) Available from: https://www1.fips.ru/ofpstorage/Doc/IZPM/RUNWC1/000/000/ 002/739/271/%D0%98%D0%97-02739271-00001/DOCUMENT.PDF (accessed 02.02.2021).Патент РФ № 2739271. Битрубобетонная балка // Д.И. Парышев, А.В. Ильтяков, В.И. Копырин, О.Ю. Моисеев, Ю.А. Агафонов, И.Г. Овчинников, В.М. Шеренков, И.И. Овчинников, В.В. Харин, Д.А. Харин, В.В. Воронкин, И.П. Попов. 2020. Бюл. № 36. URL: http://www1.fips.ru/ofpstorage/Doc/IZPM/RUNWC1/000/000/002/739/271/ %D0%98%D0%97-02739271-00001/DOCUMENT.PDF (дата обращения 02.02.2021).Belov G.I. Development of methods for calculating bar elements of steel structures under multi-parameter loading. Bulletin of Civil Engineers. 2020;(3):43–54. (In Russ.) https://doi.org/10.23968/1999-5571-2020-17-3-43-54Белов Г.И. Развитие методов расчета стержневых элементов стальных конструкций при многопараметрическом загружении // Вестник гражданских инженеров. 2020. № 3. С. 43-54. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2020-17-3-43-54Belov G.I. An analytical-numerical method for calculating the stability of rod elements of light steel thin-walled structures. Bulletin of Civil Engineers. 2020;(4):39–46. (In Russ.) https://doi.org/10.23968/1999-5571-2020-17-4-39-46Белов Г.И. Аналитически-численный метод расчета на устойчивость стержневых элементов легких стальных тонкостенных конструкций // Вестник гражданских инженеров. 2020. № 4. С. 39-46. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2020-17-4-39-46Kosenkov V.V., Shurinov A.V. Refinement of methods for calculating structures from steel thin-walled cold-formed sections. Industrial and Civil Engineering. 2020;(10):65–76. (In Russ.) https://doi.org/10.33622/0869-7019.2020.10.65-76Косенков В.В., Шуринов А.В. Уточнение методов расчета конструкций из стальных тонкостенных холодногнутых профилей // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 10. С. 65-76. https://doi.org/10.33622/0869-7019.2020.10.65-76Fan S., Chen M., Li S., Ding Z., Shu G., Zheng B. Stainless steel lipped C-section beams: numerical modelling and development of design rules. Journal of Constructional Steel Research. 2019;(152):29–41.Fan S., Chen M., Li S., Ding Z., Shu G., Zheng B. Stainless steel lipped C-section beams: numerical modelling and development of design rules // Journal of Constructional Steel Research. 2019. No 152. Pp. 29-41.Ye J., Hajirasouliha I., Becque J., Pilakoutas K. Development of more efficient cold-formed steel channel sections in bending. Thin-Walled Structures. 2016;(101):1–13.Ye J., Hajirasouliha I., Becque J., Pilakoutas K. Development of more efficient cold-formed steel channel sections in bending // Thin-Walled Structures. 2016. No 101. Pp. 1-13.Lawsona R.M., Bastab A. Deflection of C-section beams with circular web openings. Thin-Walled Structures. 2019;(134):277–290.Lawsona R.M., Bastab A. Deflection of C-section beams with circular web openings // Thin-Walled Structures. 2019. No 134 Pp. 277-290.Chen W., Ye J., Zhao Q., Jiang J. Full-scale experiments of gypsum-sheathed cavity-insulated cold formed steel walls under different fire conditions. Journal of Constructional Steel Research. 2020;(164):105809.Chen W., Ye J., Zhao Q., Jiang J. Full-scale experiments of gypsum-sheathed cavity-insulated cold formed steel walls under different fire conditions // Journal of Constructional Steel Research. 2020. No 164. 105809.Li Z., Li T., Xiao Y. Connections used for cold-formed steel frame shear walls sheathed with engineered bamboo panels. Journal of Constructional Steel Research. 2020;(164):105787.Li Z., Li T., Xiao Y. Connections used for cold-formed steel frame shear walls sheathed with engineered bamboo panels // Journal of Constructional Steel Research. 2020. No 164. 105787.Nazmeeva T.V., Sivohin A.D. Refinement of methods for calculating structures from steel thin-walled cold-formed sections. Industrial and Civil Engineering. 2018;(10):41–45. (In Russ.)Назмеева Т.В., Сивохин А.Д. Напряженно-деформированное состояние узла крепления каркасно-обшивной навесной стены на основе стального холодногнутого профиля // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 10. С. 41-45.Solodov N.V., Vodyahin N.V., Ishchuk Ya.L. Increasing the bearing capacity of the overlap connection of thin sheet parts. Bulletin of Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. 2019;(9):30–37. (In Russ.) https://doi.org/10.34031/article_5da44cc0ad5700.29474015Солодов Н.В., Водяхин Н.В., Ищук Я.Л. Повышение несущей способности нахлесточного соединения тонколистовых деталей // Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. 2019. № 9. С. 30-37. https://doi.org/10.34031/article_ 5da44cc0ad5700.29474015Shirokov V.S., Solovev A.V., Igolkin S.A. Testing of the joints on pop rivets with bulge. Urban Сonstruction and Architecture. 2020;10(3):21–25. (In Russ.) https://doi.org/10.17673/Vestnik.2020.03.4Широков В.С., Соловьёв А.В., Иголкин С.А. Испытание соединения на вытяжных заклепках с пуклевкой // Градостроительство и архитектура. 2020. Т. 10. № 3. С. 21-25. https://doi.org/10.17673/Vestnik.2020.03.4Li Z., Li T., Xiao Y. Connections used for cold-formed steel frame shear walls sheathed with engineered bamboo panels. Journal of Constructional Steel Research. 2020;(164):105787.Li Z., Li T., Xiao Y. Connections used for cold-formed steel frame shear walls sheathed with engineered bamboo panels // Journal of Constructional Steel Research. 2020. No 164. 105787.Tonakanyan M.M. Investigation of non-geometric factors affecting the manufacture and installation of steel structures. Bulletin of Civil Engineers. 2020;5(82):141–146. (In Russ.) https://doi.org/10.23968/1999-5571-2020-17-5-141-146Тонаканян М.М. Исследование факторов негеометрического характера, влияющих на изготовление и монтаж стальных конструкций // Вестник гражданских инженеров. 2020. № 5 (82). С. 141-146. https://doi.org/10.23968/1999-5571-2020-17-5-141-146Onosov G.V., Silina N.G. Corrosion resistance of galvanized sheet steel. Industrial and Civil Engineering. 2020;(10):4–8. (In Russ.)Оносов Г.В., Силина Н.Г. Коррозионная стойкость стального тонколистового оцинкованного проката // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 10. С. 4-8.Buecker R.V. Sheet metal beam. United States Patent No 6131362. 2000, Oct. 17.United States Patent No 6131362. Sheet metal beam / Robert V. Buecker. 2000, Oct. 17.Doktorov M.E. Collapsible I-beam M.E. Doktorova with hollow shelves. Russian Federation patent No 2043467. 1995. Bulletin No 24. (In Russ.) Available from: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber= 2043467&&TypeFile=html (accessed: 02.02.2021).Патент РФ № 2043467. Сборно-разборная двутавровая балка М.Е. Докторова с полыми полками / М.Е. Докторов. 1995. Бюл. № 24. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2043467&TypeFile=html (дата обращения: 02.02.2021).Zamaliev F.S., Zamaliev E.F., Bikkinin E.G., Ismagilov B.T., Gajnutdinov A.I. Steel concrete composite beam. Russian Federation patent No 185608. 2018. Bulletin No 35. (In Russ.) Available from: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2685013&TypeFile=html (accessed: 02.02.2021).Патент РФ № 185608. Сталебетонная составная балка / Ф.С. Замалиев, Э.Ф. Замалиев, Э.Г. Биккинин, Б.Т. Исмагилов, А.И. Гайнутдинов. 2018. Бюл. № 35. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT& DocNumber=2685013&TypeFile=html (дата обращения: 02.02.2021).Kuznecov I.L., Fahrutdinov A.F., Ramazanov R.R. Results of experimental studies of the shear performance of joints of thin-walled elements. Vestnik MGSU. 2016;(12):34–43. (In Russ.)Кузнецов И.Л., Фахрутдинов А.Ф., Рамазанов Р.Р. Результаты экспериментальных исследований работы соединений тонкостенных элементов на сдвиг // Вестник МГСУ. 2016. № 12. С. 34-43.Endzhievskij L.V., Tarasov A.V., Tarasov I.V. Curved steel profile folded steel profile and a composite building element based on it. Russian Federation patent No 2478764. 2013. Bulletin No 10. (In Russ.) Available from: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2478764&TypeFile=html (accessed: 02.02.2021).Патент РФ № 2478764. Гнутый стальной профиль и составной строительный элемент на его основе / Л.В. Енджиевский, А.В. Тарасов, И.В. Тарасов. 2013. Бюл. № 10. URL: https://www.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB= RUPAT&DocNumber=2478764&TypeFile=html (дата обращения: 02.02.2021).Endzhievskij L.V., Tarasov A.V. Numerical and experimental studies of the frame of the building frame made of sheet steel. Industrial and Civil Engineering. 2012;(10):52–54. (In Russ.)Енджиевский Л.В., Тарасов А.В. Численные и экспериментальные исследования рамы каркаса здания из тонколистовой стали // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 10. С. 52-54.Marutyan A.S. Bent profiles and calculation of their optimal parameters. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Building. 2019;15(10):33–43. (In Russ.) https://doi.org/10.22363-1815-5235-2019-15-1-33-43Марутян А.С. Гнутозамкнутые профили и расчет их оптимальных параметров // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 1. С. 33-43. https://doi.org/10.22363-1815-5235-2019-15-1-33-43Marutyan A.S. Comparative calculation of the optimal parameters of bent and bent-closed channels. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2019;15(6):415–432. (In Russ.) https://doi.org/10.22363-1815-5235-2019-15-6-415-432Марутян А.С. Сравнительный расчет оптимальных параметров швеллерных гнутых и гнутозамкнутых профилей // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 6. С. 415-432. https://doi.org/10.22363-1815-5235-2019-15-6-415-432Marutyan A.S. I-beams bent-closed profiles with tubular shelves and calculation of the optimal arrangement of their composite sections. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2020;16(5):334–350. (In Russ.) https://doi.org/10.22363/1815-5235-2020-16-5-334-350Марутян А.С. Двутавровые гнутозамкнутые профили с трубчатыми полками и расчет оптимальной компоновки их составных сечений // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2020. Т. 16. № 5. С. 334-350. https://doi.org/10.22363/1815-5235-2020-16-5-334-350Kaplun Y.A. Steel structures from wide-flange I-beams and T-beams. Moscow: Strojizdat Publ.; 1981. р. 10–12. (In Russ.)Каплун Я.А. Стальные конструкции из широкополочных двутавров и тавров / под ред. Н.П. Мельникова. М.: Стройиздат, 1981. С. 10-12.Melnikov N.P. Metal constructions. Current state and development prospects. Moscow: Strojizdat Publ.; 1983. p. 82.Мельников Н.П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития. М.: Стройиздат, 1983. С. 82.Recommendations for the design, manufacture of installation of enclosing and supporting structures from steel bent profiles of increased rigidity. Moscow: CNIIPSK imeni N.P. Melnikova Publ.; 1999. p. 8–11. (In Russ.)Рекомендации по проектированию, изготовлению монтажу ограждающих и несущих конструкций из стальных гнутых профилей повышенной жесткости. М.: ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова, 1999. С. 8-11.Korsun N.D., Prostakishina D.A. Analysis of the stress-strain state of a composite section made of thin-walled profiles taking into account the intial jeometric imperfections. Akademicheskij vestnik UralNIIproekt RAASN. 2018;(4):83–88. (In Russ.)Корсун Н.Д., Простакишина Д.А. Анализ НДС составного сечения из тонкостенных профилей с учетом начальных геометрических несовершенств // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2018. № 4. С. 83-88.