Балка с переменно-гофрированной стенкой
Изобретение относится к строительству, в частности к балочным конструкциям промышленных и гражданских зданий и сооружений. Балка состоит из сжатого и растянутого поясов (1,2), соединенных поперечно-гофрированной стенкой (3). Шаг и высота гофров стенки (3) изменяются по длине балки в соответствии с эпюрами поперечных сил и изгибающих моментов. Гофры с относительно частым шагом и большой высотой сконцентрированы на приопорных участках, где действуют интенсивные поперечные силы. Уменьшение высоты и увеличение шага гофров по длине балки («затухание» гофрирования) происходит по мере снижения поперечных сил и возрастания изгибающих моментов. Гофры с относительно редким шагом и наименьшей высотой расположены в срединном участке балки, где действуют интенсивные изгибающие моменты. Отдельно взятый гофр по высоте стенки (3) имеет постоянное сечение. Технический результат заключается в снижении материалоемкости балочных конструкций и повышении их несущей способности. 8 з.п. ф-лы., 14 ил.
Полезная модель относится к строительству и может использоваться в качестве несущей конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Из уровня техники известна двутавровая балка Н.П.Селиванова (Патент на изобретение RU 2029039 С1), в которой стенка гофрирована профилем, имеющим уменьшение амплитуды к нижнему поясу. Недостатком такого решения является снижение общей устойчивости стенки и местной устойчивости отдельного гофра, который (в силу изменения его сечения по высоте стенки) перестает работать как поперечное ребро жесткости, что особенно сказывается на опорных участках балки. Кроме того, в местах преобладания изгибающих моментов сжатый участок стенки (выше нейтральной оси) не может в полной мере включиться в работу на изгиб, в виду малой жесткости поперек гофров.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является металлическая балка двутаврового сечения с гофрированной стенкой, шаг и высота поперечных гофров которой остаются постоянными по длине балки (Металлические конструкции. В 3 т. Т.1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов/В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В. Филиппов и др.; под ред. В.В.Горева - 3-е изд., стер. - М.: Высш. Шк., 2004 - 551 с. С.294-298, рис.5.60). Недостатком указанного конструктивного решения является исключение из работы на изгиб пролетного участка стенки на существенной ее высоте, т.е. образование зоны недонапряжения, что снижает надежность конструкции, вследствие малой жесткости стенки поперек гофров, а также увеличивает расход материала, в виду продолжающегося гофрирования стенки на участках преобладания изгибающих моментов.
Техническим результатом настоящей полезной модели является снижение материалоемкости балок и повышение их несущей способности. Представленный технический результат является решением актуальной и существенной для строительной отрасли задачи эффективного использования материала в несущих конструкциях. Указанный технический результат достигается за счет того, что поперечные гофры, постоянного по высоте стенки сечения, концентрируются на тех участках стенки, где действуют интенсивные поперечные силы (как правило, приопорные участки) с последующим плавным или ступенчатым уменьшением высоты гофров и/или увеличением их шага («затуханием») в соответствии со снижением интенсивности поперечных сил и возрастанием интенсивности изгибающих моментов. Существенно важным является постоянство поперечного по высоте стенки сечения отдельно взятого гофра для обеспечения его местной устойчивости, как своеобразного поперечного ребра жесткости. При этом стенка является конструктивно-ортотропной пластиной, жесткостные (в т.ч. изгибно-крутильные) характеристики которой по длине изменяются в общем случае нелинейно, в связи с различной интенсивностью «затухания» гофрирования по длине стенки.
На чертежах, раскрывающих сущность данной полезной модели, представлено: на фиг.1 - балка с переменно-гофрированной стенкой, нижний пояс балки имеет несимметричное сечение по сравнению с верхним;
на фиг.2 - вид сбоку на балку на фиг.1;
на фиг.3 - продольное сечение А-А на фиг.2;
на фиг.4 - балка с переменно-гофрированной стенкой и симметричными поясами;
на фиг.5 - балка с переменно-гофрированной стенкой, усиленной двусторонними торцевыми и дополнительными поперечными ребрами жесткости;
на фиг.6 - балка с переменно-гофрированной стенкой, имеющей в пролете плоский участок;
на фиг.7 - балка с переменно-гофрированной стенкой, имеющей плоский участок с перфорацией, а также поперечные ребра жесткости;
на фиг.8 - балка трапецеидального очертания, имеющая переменно-гофрированную стенку;
на фиг.9 - балка трапецеидального очертания, имеющая переменно-гофрированную стенку с плоским фрагментом;
на фиг.10 - балка трапецеидального очертания, стенка которой переменно-гофрирована различными профилями;
на фиг.11 - вид сбоку на балку на фиг.10;
на фиг.12 - продольное сечение А-А балки на фиг.11;
на фиг.13 - балка полигонального очертания с переменно-гофрированной стенкой;
на фиг.14 - балка с переменно-гофрированной стенкой, выполненной из двух явных отсеков, пролетный участок которых - плоский.
Балка двутаврового поперечного сечения состоит из сжатого 1 и растянутого 2 поясов, соединенных переменно-гофрированной стенкой 3, гофры которой перпендикулярны продольной оси балки, причем отдельно взятый гофр не изменяет свое сечение по высоте стенки 3. Изменение шага 4 и/или высоты 5 гофров стенки 3 по длине балки позволяет варьировать жесткость и изгибно-крутильные характеристики, как самой стенки 3, так и балки в целом, что наилучшим образом соответствует эпюрам поперечных сил и изгибающих моментов.
Возможен вариант балки, в которой стенка 3 на участке с относительно интенсивными изгибающими моментами и сравнительно малыми поперечными силами выполняется из гладкого листа.
Наибольший экономический эффект от применения настоящей полезной модели может быть достигнут при загружении балки с формированием зоны чистого изгиба. В этом случае переменно-гофрированная стенка 3 воспринимает поперечные силы на приопорных участках, и в большей степени вовлекается в работу поясов 1 и 2 на изгиб в пролетном участке (в зоне чистого изгиба).
На основе описанного выше принципа концентрации и «затухания» гофров, путем варьирования их шага 4 и/или высоты 5, возможно, в зависимости от заданных условий и желания проектировщика, либо снизить материалоемкость при обеспечении равной устойчивости формы и положения балки в сравнении с ближайшим аналогом, либо при одинаковой материалоемкости повысить резерв устойчивости формы и положения конструкции, либо получить вариант конструкции, которая будет обладать и лучшей устойчивостью, и сниженной материалоемкостью.
Данное обстоятельство объясняется характером работы балки с переменно-гофрированной стенкой 3, который заключается в следующем: при действии на один из поясов 1 и 2 внешней нагрузки в плоскости стенки 3 происходит поперечный изгиб балки. При этом усилия, вызванные изгибающим моментом, воспринимаются преимущественно поясами 1 и 2 и пролетным участком стенки 3, имеющим большую, чем опорные участки, жесткость поперек гофров, в виду их относительно малой высоты 5 и/или большого шага 4 или выполнении пролетного участка гладкостенным. Поперечные силы, имеющие, как правило, наибольшую интенсивность на приопорных участках, практически полностью воспринимаются гофрированной стенкой 3, на этих участках целесообразно предусматривать гофры с относительно малым шагом 4 и/или большой высотой 5.
Постепенное увеличение шага 4 и/или снижение высоты 5 гофров обеспечивают устойчивость стенки 3 и повышают момент сопротивления изгибу поперечного сечения балки в пролетном участке - где доминирующее воздействие имеют изгибающие моменты.
В случае устройства переменного гофрирования стенки 3 за счет стыковки отсеков с различными параметрами гофров, эффективность такого конструктивного решения зависит от степени дискретизации (частоты разбивки) стенки 3 такими отсеками.
Профиль гофров может быть различным: волнистый (синусоидальный, параболический, эллипсоидный и т.п.), треугольный, трапецеидальный (в частном случае - прямоугольный).
Объемом полезной модели предусмотрены также варианты балки, переменность гофрирования стенки 3 которых осуществляется за счет изменения только одного из параметров гофров - шага 4 или высоты 5, т.е. изменяется (в соответствии с описанным принципом) только шаг 4 гофров при неизменной их высоте 5 или только высота 5 гофров при неизменном их шаге 4.
Стенка 3 может иметь перфорацию, которую предпочтительно предусматривать в пролетном участке, где интенсивность поперечных сил, как правило, невелика, а интенсивность изгибающих моментов достигает своего максимума. Устройство перфорации позволяет в ряде случаев дополнительно снизить расход материалов и расширить область применения таких конструкций, например, за счет прокладки через отверстия коммуникаций.
Возможен вариант балки, в которой стенка 3 состоит из отсеков (явных или условных) с различным профилем гофров. Под явными отсеками подразумеваются фрагменты стенки 3, объединенные в единое целое с помощью сварных швов 6 или фланцевых соединений. В случае условных отсеков подразумевается, что стенка 3 выполнена из цельного листа, а деление на отсеки обусловлено либо постановкой ребер жесткости 7, либо сменой профиля гофрирования, либо иным конструктивным решением.
Гофры могут быть односторонними и двусторонними. Устройство последних предпочтительнее ввиду их симметрии относительно срединной плоскости стенки 3.
Пояса 1 и 2 могут быть как параллельны, так и не параллельны между собой. В последнем случае очертание поясов 1 и 2 представляет трапецеидальную, полигональную, сегментную или треугольную форму для лучшего соответствия эпюре изгибающих моментов. Возможно выполнять пояса 1 и 2 с различным поперечным сечением.
Балка с переменно-гофрированной стенкой 3 может иметь поперечные ребра жесткости 7 и/или торцевые ребра 8. Устройство ребер 7 и 8 эффективно в случае усиления стенки 3 в зонах действия сосредоточенных сил. Поперечные ребра жесткости 7 могут быть двусторонними или односторонними относительно срединной плоскости стенки 3.
Таким образом, балка с переменно-гофрированной стенкой 3 объединяет в себе достоинства как постоянного гофрирования в части увеличения устойчивости стенки и повышения изгибно-крутильных характеристик сечения, так и гладкостенного решения в части увеличения момента сопротивления поперечному изгибу.
При изгибе ближайшего аналога - балки с постоянно-гофрированной стенкой - в пролетном участке стенки образуется зона, в которой нормальные и касательные напряжения близки к нулю (зона недонапряжения), т.е. материал стенки в этой зоне не участвует в работе конструкции, повышая ее материалоемкость и снижая несущую способность. В балке с переменно-гофрированной стенкой 3 указанная зона существенно меньше по площади ввиду большей жесткости стенки 3 поперек гофров. Таким образом, материал стенки 3 активно включен в работу и рационально используется по всей длине конструкции, начиная от опорных участков, где максимальные поперечные силы воспринимаются сконцентрированными гофрами, и заканчивая пролетным участком, где гофры с малой высотой 5 и/или протяженным шагом 4 или, даже, гладкий фрагмент стенки 3 активно участвуют в работе поясов 1 и 2 на изгиб при, как правило, малой интенсивности поперечных сил.
Перечисленные особенности балки с переменно-гофрированной стенкой 3, позволяют обоснованно снижать ее строительную высоту, что применительно к зданиям различного назначения уменьшает площадь ограждающих конструкций, эксплуатационные затраты на отопление, вентиляцию и т.п.
Балка с переменно-гофрированной стенкой 3 может изготавливаться из основных строительных материалов, применяемых для несущих конструкций балочного типа: металлы, дерево. В случае изготовления балки из металлов переменно-гофрированная стенка 3 соединяется с поясами 1 и 2 с помощью непрерывного, преимущественно одностороннего сварного шва, что необходимо учитывать при выборе конкретных материалов по критериям свариваемости и условий эксплуатации. В случае изготовления балки из дерева края переменно-гофрированной стенки 3 вклеиваются в соответствующие пазы поясов 1 и 2.
Придание листовой заготовке переменно-гофрированной формы возможно с помощью штамповки; гибки с использованием вращающейся матрицы с набором различных пазов-калибров, соответствующих шагу и высоте гофров; профилирования на станах с меняющимися валками.
Для производства балок с переменно-гофрированной стенкой 3 на существующих производственных мощностях по автоматизированному выпуску ближайшего аналога - балки с постоянным гофрированием стенки -предлагается следующее: две половины - заготовки соединяются вертикальным сварным швом 6 или фланцевым соединением, причем, каждая половина стенки 3 гофрирована лишь на некоторой части - опорном участке, а на другой части - имеет плоскую форму (фиг.14).
Предлагаемая полезная модель может применяться в конструктивных системах несущих элементов зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения, предназначенных для эксплуатации в различных снеговых и ветровых районах Российской Федерации, а также в районах с сейсмичностью до 9 баллов. Балка с переменно-гофрированной стенкой может использоваться для выполнения как несущих, так и ограждающих функций, например, в обшивке транспортных галерей, торцевых элементов неотапливаемых зданий.
1. Балка двутаврового поперечного сечения, содержащая сжатый и растянутый пояса, соединенные поперечно-гофрированной стенкой, отличающаяся тем, что гофрирование переменно по длине балки с уменьшением шага гофров и/или увеличением их высоты на участках действия относительно интенсивных поперечных сил с последующим плавным или ступенчатым уменьшением высоты и/или увеличением шага гофров в соответствии с уменьшением интенсивности поперечных сил и возрастанием интенсивности изгибающих моментов с достижением минимальной высоты и/или максимального шага гофров на участке с максимальным изгибающим моментом и минимальными поперечными силами, причем отдельно взятый гофр остается постоянного сечения по высоте стенки.
2. Балка по п.1, отличающаяся тем, что сжатый и растянутый пояса не параллельны между собой, при этом очертание поясов представляет собой трапецеидальную, полигональную, сегментную или треугольную форму с наибольшим расхождением поясов в участках действия максимальных изгибающих моментов.
3. Балка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что по длине балки предусмотрена постановка односторонних или двусторонних поперечных ребер жесткости и/или торцевых ребер.
4. Балка по п.3, отличающаяся тем, что на участках с относительно малой интенсивностью поперечных сил в стенке предусмотрена перфорация.
5. Балка по п.4, отличающаяся тем, что на участке с относительно малой интенсивностью поперечных сил и относительно большой интенсивностью изгибающих моментов стенка выполняется из гладкого листа.
6. Балка по п.5, отличающаяся тем, что сжатый и растянутый пояса выполняются с различным поперечным сечением.
7. Балка по п.6, отличающаяся тем, что по длине балки изменяется профиль гофров стенки.
8. Балка по п.7, отличающаяся тем, что по длине балки высота гофров стенки не изменяется.
9. Балка по п.7, отличающаяся тем, что по длине балки шаг гофров стенки не изменяется.
