POLYHEDRAL SHAPED COMPOSITE PIPE (OPTIONS)
МНОГОГРАННАЯ ФИГУРНАЯ КОМПОЗИТНАЯ ТРУБА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к машиностроению и строительным конструкциям и может быть использовано в качестве труб ливневой, промышленной и хозяйственно-бытовой канализации, дренажных и водозаборных труб и каналов, труб, каналов и тоннелей гидротехнических сооружений.
Известны канализационные трубы, имеющие формы поперечного сечения, отличные от круглого - полукруглое, шатровое, банкетное, овоидальное, эллиптическое, полукруглое с прямыми вставками, овоидальное перевернутое, лотковое, пятиугольное, прямоугольное, трапецеидальное (см. стр. 28-29, «Водоотведение и очистка сточных вод. Учебник для вузов», Воронов Ю.В., Яковлев С.В., Издательство Ассоциации строительных вузов, М., 2006). Такие трубы строились из различных материалов: дерево, кирпич, камень, бетон, железобетон.
Известны железобетонные прямоугольные трубы для гидротехнических сооружений (ГОСТ 26067.0-83 и ГОСТ 26067.1-83, «Звенья железобетонные безнапорных труб прямоугольного сечения для гидротехнических сооружений», Госкомитет СССР по делам строительства, 1983 г.), максимальный размер этих труб - 2500/2000 мм, и прямоугольные трубы для автомобильных и железных дорог (Серия 3.501.1-177.93, «Трубы водопропускные железобетонные прямоугольные сборные для автомобильных и железных дорог», Минтрансстрой, 1994 г.), максимальный размер сечения этих труб - 4000/2500 мм.
Известны трубы некруглого сечения фирмы HOBAS на основе полиэфирной смолы, армированной стекловолокном, изготовленные способом непрерывной намотки на оправку стекловолоконной нити, пропитанной полиэфирной смолой, максимальный размер сечения таких труб 2680×2590 мм, раздел А04 «Трубы некруглого сечения (NC-Line)», стр. 11, (Брошюра «HOBAS. Технические данные Безнапорные системы трубопроводов» [Электронный ресурс], Публикация: 11/2010. Обновление: 03/2012. Режим доступа: http:// www.hobas.ru/fileadmin/Daten/PUBLIC/Brochures_World_pdf/RU/Gravity_pipes_RU.pdf).
Некруглые трубы фирмы HOBAS представляют собой композитную оболочку с монолитной стенкой, которая в продольном сечении представляет собой плоский элемент, обеспечивающий лишь минимальную прочность на изгиб, что приводит к большой толщине стенки и большому весу, для обеспечения требуемой поперечной прочности и кольцевой жесткости композитной некруглой трубы большого диаметра. Большой размер и вес композитной некруглой трубы и способ ее изготовления, требующий вращать трубу и оправку, на которой она изготавливается, ограничивает максимальные диаметры изготавливаемых некруглых труб. Некруглые трубы больших размеров фирмы HOBAS имеют небольшую поперечную жесткость, из-за относительно небольшой толщины стенки, и в основном применяются для ремонта существующих канализационных коллекторов или как внутренняя оболочка при строительстве новых.
Каждое сечение трубы имеет свои преимущества и недостатки по гидравлическим и прочностным характеристикам, которые влияют на материалоемкость, сложность строительства, производительность, сложность обслуживания и стоимость эксплуатации.
Из-за сложностей в производстве некруглых труб в СССР от них отказались, несмотря на то, что круглые трубы не всегда оптимальный вариант для некоторых случаев строительства, что иногда ведет к перерасходу материалов, ухудшению характеристик трубопровода, уменьшению срока его службы, увеличению стоимости эксплуатации. Из всех видов некруглых труб в действующих строительных нормах стран СНГ остались только прямоугольные железобетонные трубы.
В это же время в Германии в настоящее время действуют государственные стандарты DIN 4263 - 1947, 1977, 1991 годов, (DEUTSCHE NORMEN, Juni 1947, Leitungsquerschnitte des Wasserbaus, DIN4263, Fachnormenausschuβ Wasserbau und Wasserwirtschaft im Deutschen Normenausschuβ (DNA) (Германские стандарты, июнь 1947, «Поперечные сечения трубопроводов в гидротехнических сооружениях», DIN4263, Комитет по специальным стандартам гидротехнического строительства и водного хозяйства в Германском комитете по стандартам), где указаны следующие виды сечений:
стр. 1, прямоугольные поперечные сечения, максимальный размер - 3000/3000 мм;
п. 1) круговое поперечное сечение, максимальный диаметр - 3000 мм;
п. 2) завышенное яйцеобразное поперечное сечение, максимальный размер -1000/1750 мм;
п. 3) обычное яйцеобразное поперечное сечение, максимальный размер - 1600/2400 мм;
п. 4) широкое яйцеобразное поперечное сечение, максимальный размер -2400/3000 мм;
п. 5) сжатое яйцеобразное поперечное сечение, максимальный размер - 3200/3200 мм;
п. 6) завышенное лотковое поперечное сечение, максимальный размер - 3200/3200 мм;
п. 7) обычное лотковое поперечное сечение, максимальный размер - 4000/3000 мм;
п. 8) сжатое лотковое поперечное сечение, максимальный размер - 4000/2500 мм;
п. 9) банкетное поперечное сечение с односторонним подъемом, максимальный размер - 2400/3200 мм;
п. 10. банкетное поперечное сечение с двухсторонним подъемом, максимальный размер - 3600/3600 мм.
Как видно из сравнения размеров некруглых труб фирмы HOBAS, максимальный размер которых составляет 2680/2590 мм, и размеров сечений по DIN4263 - отсутствует поставка от производителей целого ряда стеклопластиковых некруглых труб больших сечений, указанных в DIN4263.
Это происходит из-за того, что стенки стеклопластиковой некруглой трубы в продольном сечении представляют собой плоский элемент, обеспечивающий лишь минимальную прочность на изгиб. Основная прочностная характеристика любых труб - это величина кольцевой жесткости трубы. Класс кольцевой жесткости показывает максимально допустимую нагрузку на единицу площади поверхности трубы при 4%-ной деформации ее вертикального диаметра, без учета бокового отпора, стенки трубы при такой нагрузке работают на изгиб. В круглых и некруглых трубах со сплошной стенкой кольцевую жесткость обеспечивает прочность материала и толщина стенки, чем больше размер трубы, тем толще стенка, для обеспечения той же кольцевой жесткости. Стенки такой трубы представляют собой плоский элемент, который не дает большую прочность на изгиб, из-за этого при больших диаметрах труб толщина стенки достигает очень большой величины и массы, что ограничивает размеры производимых труб.
Стеклопластиковых прямоугольных труб вообще не существует из-за того, что плоская верхняя стенка, работающая как горизонтальная балка, согнется гораздо раньше, чем нагрузка достигнет заданной величины.
Известны канализационные трубы овоидальной формы, выложенные из кирпича, (см. рис. 95, стр. 168, «Расчет труб, уложенных в земле», Г.К. Клейн. Госстройиздат, М, 1957 г.), кирпичные трубы строились в 19 - начале 20 века, данные трубы выкладывались из кирпича на цементном растворе вручную на месте работ. Работы велись открытым способом и занимали много времени. Несмотря на относительно малую прочность кирпичей и связующего их раствора, некоторые коллекторы, построенные в 19 веке, работают по настоящее время и в 21 веке. Кирпичная труба имеет очень большой вес и относительно малую поперечную и продольную прочность, что ведет к ее разрушению в случае подвижки грунта.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является канализационная труба овоидальной формы, выложенная из кирпича, указанная ранее. Кирпичная некруглая труба, построенная из прямых кирпичей (элементов) с углами между этими элементами, фактически является прототипом многогранной фигурной композитной трубы. Недостатками кирпичной некруглой трубы является:
1) возможность выкладывать трубу из кирпича исключительно на месте работ;
2) небольшие размеры кирпича;
3) большой вес кирпичной трубы;
4) малая прочность стенок трубы на изгиб;
5) малая поперечная и продольная прочность трубы.
Основной технической проблемой является создание композитной трубы из прямых композитных элементов, в которой устранены вышеуказанные недостатки. Поперечное сечение такой трубы представляет собой многоугольную фигуру. Следовательно, нам надо решить техническую проблему создания многоугольной фигурной композитной трубы.
Определение многоугольной фигуры следующее: «Многоугольной фигурой мы называем всякое множество точек плоскости, которое может быть разложено на конечное число треугольников, не имеющих общих внутренних точек. … многоугольная фигура является ограниченной замкнутой областью. … многоугольник определяют, как «часть плоскости, ограниченную не пересекающей себя замкнутой ломаной» … можно показать, что всякий многоугольник (в только что указанном смысле) является многоугольной фигурой.» (см. стр. 17, «Энциклопедия элементарной математики. Книга пятая - геометрия», П.С.Александров, М., 1966 г.).
Профиль коробчатого и швеллерного сечения имеет во много раз большую прочность на изгиб, чем плоский элемент из того же материала, при той же массе. Стенка трубы из полого профиля, расположенного в плоскости, перпендикулярной оси трубы, во много раз прочнее на изгиб, чем сплошная стенка из такого же материала, той же массы, т.е. при одной и той же прочности труба из композитного профиля во много раз легче трубы из композита со сплошной стенкой.
Композитные материалы более прочны, чем кирпич и цементный раствор, бетон и железобетон, и гораздо легче.
Основной технической проблемой является создание многогранной фигурной композитной трубы любого большого диаметра, любой требуемой кольцевой жесткости, поперечной и продольной прочности, из прямых композитных профилей коробчатого, швеллерного, круглого, трубчатого и других сечений требуемого размера. Поперечные и продольные элементы многогранной фигурной композитной трубы изготовлены из прямых композитных профилей, полученных способом пултрузионного формования, экструзии, прессования или любыми другими способами производства, из любых композитных материалов, имеющих в своем составе волокна (стеклянные, базальтовые, органические, угольные, борные и т.п.) и полиэфирные, эпоксидные и другие синтетические смолы.
Техническим результатом изобретения является создание многогранной фигурной композитной трубы высокой кольцевой жесткости и продольной прочности при минимальной массе, любой формы, любого большего размера и длины, используя при этом элементы из прямых композитных профилей и не нуждаясь во вращении при производстве многогранной фигурной композитной трубы.
Если грани многогранной фигурной композитной трубы касательны линиям стандартного некруглого сечения, а стыки граней находятся за этой линией, в этом случае площадь внутреннего сечения многогранной фигурной композитной трубы больше площади стандартного сечения, что компенсирует дополнительное сопротивление потоку за счет углов многогранной фигурной композитной трубы.
Основная техническая проблема решена и технический результат достигнут за счет того, что:
Вариант 1. Многогранная фигурная композитная труба, состоящая из прямых поперечных элементов швеллерного и (или) коробчатого сечения, которые соединены своими концами и (или) через угловые элементы в форме многоугольных фигур, а боковыми сторонами соединены в многогранную фигурную композитную трубу.
Минимальное количество граней многогранной фигурной композитной трубы равно трем граням, количество граней может быль любым требуемым количеством. Увеличение количества граней ведет к удорожанию производства многогранной фигурной композитной трубы, поэтому количество граней должно быть оптимальным для каждого конкретного случая. Длина отрезка многогранной фигурной композитной трубы может быть любой, удобной для транспортировки и монтажа.
Поперечным расположением профильных элементов мы получаем максимальную кольцевую жесткость и поперечную прочность многогранной фигурной композитной трубы.
Вариант 2. Многогранная фигурная композитная труба, состоящая из прямых поперечных элементов швеллерного и (или) коробчатого сечения, которые соединены своими концами и (или) через угловые элементы в форме многоугольных фигур, а боковыми сторонами соединены в многогранную фигурную композитную трубу, сквозь отверстия в боковых сторонах элементов вставлены и соединены с ними, прямые продольные элементы круглого и (или) трубчатого сечения.
Добавляя продольные элементы внутри граней многогранной фигурной композитной трубы, мы увеличиваем продольную прочность трубы без увеличения толщины стенок многогранной фигурной композитной трубы.
Вариант 3. Многогранная фигурная композитная труба, состоящая из прямых поперечных элементов швеллерного и (или) коробчатого сечения, которые соединены своими концами и (или) через угловые элементы в форме многоугольных фигур, а боковыми сторонами соединены в многогранную фигурную композитную трубу, снаружи и (или) изнутри многогранной фигурной композитной трубы ее грани соединены с прямыми продольными элементами швеллерного, и (или) коробчатого, и (или) уголкового, и (или) плоского сечения.
Данное решение позволяет получить многогранную фигурную композитную трубу большой кольцевой жесткости, поперечной и продольной прочности, с любыми характеристиками каждой грани.
В многогранной фигурной композитной трубе поперечные элементы могут быть уложены так, что поперечные элементы многогранной фигурной композитной трубы уложены так, что концы поперечных элементов одной грани пересекаются с концами поперечных элементов другой грани.
В многогранной фигурной композитной трубе для соединения поперечных элементов в стыке граней многогранной фигурной композитной трубы могут использоваться угловые элементы, которые вставлены в прорези в поперечных элементах и соединены с ними.
В многогранной фигурной композитной трубе для соединения поперечных элементов в стыке граней многогранной фигурной композитной трубы могут использоваться угловые элементы плоского сечения.
В многогранной фигурной композитной трубе для соединения поперечных элементов в стыке граней многогранной фигурной композитной трубы могут использоваться угловые элементы с выступами и (или) впадинами для фиксации поперечных элементов.
Вышеперечисленные решения увеличивают прочность соединения элементов в углах (ребрах) многогранной фигурной композитной трубы.
В многогранной фигурной композитной трубе для соединения поперечных элементов многогранной фигурной композитной трубы могут использоваться угловые элементы со скругленным углом снаружи и (или) изнутри многогранной фигурной композитной трубы.
В многогранной фигурной композитной трубе на углы многогранной фигурной композитной трубы снаружи и (или) изнутри может быть наклеена ткань из высокомодульных волокон, пропитанная синтетической смолой.
В многогранной фигурной композитной трубе на грани многогранной фигурной композитной трубы снаружи и (или) изнутри может быть наклеена ткань из высокомодульных волокон, пропитанная синтетической смолой.
Многогранная фигурная композитная труба может быть снаружи и (или) изнутри обклеена тканью из высокомодульных волокон, пропитанной синтетической смолой.
Вышеперечисленные решения увеличивают прочность соединения элементов в углах и гранях многогранной фигурной композитной трубы.
Многогранная фигурная композитная труба может быть снаружи и (или) изнутри обклеена плоскими и (или) листовыми, и (или) пленочными материалами.
Многогранная фигурная композитная труба может быть снаружи и (или) изнутри покрыта резиноподобными материалами.
Материалами покрытия могут быть материалы типа полиуретанов и т.п.
Данные решения повышают износостойкость и герметичность многогранной фигурной композитной трубы.
Многогранная фигурная композитная труба может быть снаружи и (или) изнутри покрыта материалами, обеспечивающими огнезащитные, и (или) антифрикционные, и (или) антистатические свойства.
Углы многогранной фигурной композитной трубы снаружи и (или) изнутри могут быть соединены с продольными элементами уголкового сечения.
Это увеличивает продольную прочность и закрывает полости поперечных элементов, увеличивая герметичность многогранной фигурной композитной трубы.
В многогранной фигурной композитной трубе элементы могут иметь выступы и (или) впадины, которые при сборке многогранной фигурной композитной трубы вошли друг в друга.
Такое решение упрощает сборку элементов и усиливает их соединение.
В многогранной фигурной композитной трубе элементы могут иметь отверстия и (или) выборки в стенках элементов.
Для облегчения веса трубы отверстия и выборки материала профилей могут быть сделаны в местах, не несущих нагрузку.
В многогранной фигурной композитной трубе элементы могут быть соединены между собой клеевым и (или) механическим соединением.
В многогранной фигурной композитной трубе в углы граней изнутри многогранной фигурной композитной трубы могут быть установлены продольные элементы уголкового сечения со скругленным углом.
В многогранной фигурной композитной трубе в углах граней изнутри многогранной фигурной композитной трубы могут быть отформованы скругления углов из композитного материала.
Скругления углов могут потребоваться для улучшения характеристик потока в многогранной фигурной композитной трубе.
В многогранной фигурной композитной трубе полости элементов могут быть закрыты пробками.
Пробки могут вставляться во все или в некоторые элементы до сборки многогранной композитной трубы или после сборки многогранной фигурной композитной трубы в элементы, полости которых остались открытыми при сборке по пункту 4 формулы изобретения.
Закрытие концов профилей до сборки многогранной фигурной композитной трубы увеличивает поверхность склеивания, т.е. прочность многогранной фигурной композитной трубы. Закрытие пробками также увеличивает герметичность многогранной фигурной композитной трубы.
В многогранной фигурной композитной трубе полости элементов могут быть заполнены полимерной пеной, и (или) пенобетоном, и (или) бетоном, и (или) армированным бетоном.
Можно получить теплоизолированную, утяжеленную или особо прочную многогранную фигурную композитную трубу, увеличить ее герметичность и надежность.
В многогранной фигурной композитной трубе к торцам многогранной фигурной композитной трубы могут быть прикреплены концевые детали для соединения многогранных фигурных композитных труб между собой встык, или в раструб, или с помощью надвижных муфт, или с помощью фланцев.
Многогранные фигурные композитные трубы могут собираться между собой так же, как и круглые трубы.
К многогранной фигурной композитной трубе могут быть прикреплены вспомогательные элементы для укладки, и (или) установки, и (или) присоединения многогранных фигурных композитных труб к опорам и (или) к строительным конструкциям.
Многогранные фигурные композитные трубы могут собираться в трубопроводы такими же способами, как и круглые трубы.
Указанные отличительные признаки изобретения являются существенными, каждый из них и совместно обеспечивают получение нового технического результата.
Могут быть различные комбинации выполнения многогранной фигурной композитной трубы в отношении формы, размеров и расположения элементов и граней.
Кроме прямых композитных профилей коробчатого, швеллерного, круглого, трубчатого и сплошных сечений могут использоваться специально разработанные для многогранных фигурных композитных труб композитные профили специальных сечений, с впадинами и выемками, со специальными формами, количеством и разными толщинами внутренних перегородок и (или) наружных стенок. Могут применяться различные комбинации форм профилей в одной конструкции многогранной фигурной композитной трубы. Материал профилей может быть различным и комбинироваться в конструкции многогранной фигурной композитной трубы в зависимости от требуемых характеристик.
Изготовленная многогранная фигурная композитная труба любого большого размера, с использованием рассмотренных решений обладает минимальной массой, при любой требуемой кольцевой жесткости, поперечной и продольной прочности, высокой коррозионной стойкостью, технологичностью, универсальностью и относительно низкой себестоимостью.
Новое техническое решение производства многогранных фигурных труб не требует вращения фигурной трубы во время ее изготовления, воспроизводимо в условиях производства и даже вне его, при сборке многогранной фигурной композитной трубы из элементов разной степени готовности на объекте строительства. Это позволяет экономить большие средства на перевозке готовых труб, обеспечивает решение технической проблемы и достижение нового технического результата, в предложенной совокупности признаков соответствует критерию «промышленная применимость», то есть уровню изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена многогранная фигурная композитная труба, подобная форме сечения 1. Многогранная фигурная композитная труба состоит из поперечных элементов 2 (коробчатого сечения), склеенных своими концами в форме многоугольных фигур. Боковыми сторонами поперечные элементы 2 склеены в многогранную фигурную композитную трубу. Для наглядности в торце многогранной фигурной композитной трубы выполнен прямоугольный вырез.
На фиг. 2 представлена многогранная фигурная композитная труба, подобная форме поперечного сечения 1. Многогранная фигурная композитная труба собрана из поперечных элементов 3 (коробчатого сечения с отверстиями в боковых стенках) и продольных элементов 4 (круглого сечения), проходящих сквозь отверстия в поперечных элементах 3. Поперечные элементы 3 склеены между собой в многогранную фигурную композитную трубу в таком порядке, что концы поперечных элементов 3 одной грани пересекаются с концами поперечных элементов 3 другой грани. Для наглядности в торце многогранной фигурной композитной трубы выполнен прямоугольный вырез.
На фиг. 3 представлена многогранная фигурная композитная труба прямоугольного поперечного сечения, собранная из поперечных элементов 2 (коробчатого сечения) и продольных элементов 5 (коробчатого сечения). Нижняя грань многогранной фигурной композитной трубы состоит из двух слоев поперечных элементов 2, между которыми находится слой из продольных элементов 5. В углы многогранной фигурной композитной трубы вклеены угловые элементы 6. Верхняя грань многогранной фигурной композитной трубы собрана из двух слоев поперечных элементов 2.
На фиг.4 представлена многогранная фигурная композитная труба прямоугольного поперечного сечения, состоящая из поперечных элементов 7 (швеллерного сечения), собранных с помощью механических болтовых соединений 8. Поперечные элементы 7 собраны между собой так, что концы поперечных элементов 7 одной грани пересекаются с концами поперечных элементов 7 другой грани. Продольные элементы 6.1 (уголкового сечения) вклеены во внутренние углы многогранной фигурной композитной трубы.
На фиг. 5 представлена многогранная фигурная композитная труба, подобная поперечному сечению 1, состоящая из поперечных элементов 3 (коробчатого сечения с отверстиями в боковых стенках) и продольных элементов 4 (круглого сечения), проходящих сквозь отверстия в поперечных элементах 3. На наружные и некоторые внутренние грани возле ребер многогранной фигурной композитной трубы наклеены продольные элементы 9 (плоского сечения). Для наглядности в торце многогранной фигурной композитной трубы выполнен прямоугольный вырез.
На фиг. 6 представлена многогранная фигурная композитная труба, подобная поперечному сечению 1, состоящая из поперечных элементов 2 (коробчатого сечения). Поперечные элементы 2 собраны в форме многоугольных фигур с помощью угловых элементов 11, вставленных в поперечные элементы 2. Боковыми сторонами поперечные элементы 2 и угловые элементы 11 склеены в многогранную фигурную композитную трубу. Некоторые угловые элементы 11 имеют наружное и внутреннее скругление. Для наглядности в многогранной фигурной композитной трубе выполнен прямоугольный вырез.
Осуществление изобретения
Секция многогранной фигурной композитной трубы, подобная форме поперечного сечения «полукруглое с прямыми вставками», собрана по Фиг. 2. Наружный размер секции: длина - 980 мм, ширина - 960 мм, высота - 1660 мм. Многогранная фигурная композитная труба собирается из пултрузионных профилей полого прямоугольного сечения размером 80/60 мм, с толщиной стенки 5 мм, и пултрузионных круглых прутков диаметром 19 мм. Израсходовано 80 метров полого прямоугольного профиля, 24 метра круглого прутка и 8 литров полиэфирной смолы с отвердителем. Поперечные элементы склеены между собой с поочередным чередованием концов элементов одной грани с элементами другой грани. Стеклопластиковые профили склеены полиэфирной смолой. Вес секции составляет 128 кг. Данная конструкция имеет высокую продольную и поперечную прочность от давления грунта.