БАЛОЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ С ВЫСОКИМИ ПРОЧНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
BEAM ELEMENT OF METAL STRUCTURES WITH HIGH STRENGTH CHARACTERISTICS

Изобретение относится к области строительства, а именно к строительству из металлоконструкций.
В настоящее время актуальным направлением является строительство в Арктической зоне РФ (стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 г.. Цитируется по: URL: www.minregion.ru/upload/02_dtp/l01001_str.doc. Дата обращения: 23.11.2014). При строительстве в таких условиях могут быть применены конструкции из горячекатаных металлических элементов, а также из холодногнутых профилей - технология строительства быстровозводимых сооружений с использованием каркасной системы из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК). Конструкции из ЛСТК широко используются в строительной индустрии. В научной литературе имеется множество технических решений, предложено несколько подходов к расчету стержневых конструкций из холодногнутой стали. Однако аварий с каждым годом не становится меньше.
Из уровня техники известны балочные элементы, представленные в изданиях Беленя Е.И. и др. «Металлические конструкции», специальный курс, издание 2-е, Москва, Стройиздат, 1982 г. и в Беленя Е.И., Балдин В.А., Ведеников Г.С. и др. «Металлические конструкции. Общий курс», 600 с.
Балочные элементы, полученные путем холодного загиба сильно подвержены кручению, имеют низкие показатели жесткости и устойчивости (Серегин С.В. Влияние пластинчатых свойств тонкостенных стержней, смоделированных системой связанных пластин, на частоты и формы собственных колебаний // Вестник МГСУ. 2014. №3. - С. 92-98; Серегин С.В. О собственных крутильных колебаниях тонкостенных стержней открытого профиля // Известия высших учебных заведений: Строительство. 2014. №1. - С. 101-107; Рыбаков В.А. Основы строительной механики легких стальных тонкостенных конструкций: учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2011. - 207 с.), однако суровые климатические условия этой зоны вынуждают обеспечивать высокие прочностные и эксплуатационные характеристики несущих конструкций зданий, сооружений при их относительно малом весе.
Задачей изобретения является создание балочного элемента с высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками для возведения металлоконструкций на суше и ледовых образованиях Арктической зоны Российской Федерации.
Технический результат заключается в снижении стоимости, массы, расхода материала на изготовление балочного элемента, повышении его прочностных и эксплуатационных характеристик, а именно: уменьшение кручения в тонкостенных стержнях, увеличение несущей способности, геометрической неизменяемости и устойчивости.
Технический результат достигается тем, что балочный элемент выполняется из нескольких стержней произвольного профиля, которые соединены между собой и в плоскости одного стержня пластинчатыми элементами. Таким образом, дополнительные стержневые и пластинчатые элементы воспринимают значительную часть воздействий, передаваемых на пространственную конструкцию балки.
Снижение веса достигается тем, что в стержнях и в пластинчатых элементах выполняется перфорация или создаются отверстия различной геометрической формы.
Конструкция изобретения приведена на фиг. 1, 2, где:
1 - стержневой элемент;
2 - пластинчатый элемент;
3 - отверстия.
а
а
а
а
Примеры реализации заявленного технического решения: Вариант 1: проектом установлено, что необходим монтаж металлической балки определенного сечения, ширина опирания полки которой равняется «». Согласного нового технического решения, на ширине опирания «» устраиваются, например, два стержня с размерами полки, соответственно «/2», (если три стержня, то «/3» и так далее), при этом для совместной работы стержни соединены между собой пластинчатыми элементами. Для еще большего увеличения несущей способности, жесткости и устойчивости общей конструкции балки, стержневые элементы могут быть соединены пластинчатыми элементами и в плоскости одного стержня. Таким образом, в работу вступают элементы добавленных стержней и пластинчатые элементы, которые значительно повысят прочностные и эксплуатационные характеристики балки, а именно: значительно уменьшат кручение в тонкостенных стержнях, увеличат несущую способность, придадут балке геометрическую неизменяемость и устойчивость.
а
а
Вариант 2: Расчетом установлено, что необходимо проектирование балки определенного сечения, ширина опирания полки которой равняется «». Согласного нового технического решения, на ширине опирания «» располагаются стержни совместно с пластинчатыми элементами.
Таким образом, вариант 1 позволяет пренебречь толщиной пластины, располагающейся в плоскости стержней при проектировании балочного элемента конструкции.
Аналогично и с высотой стенки профиля, то есть ее высота может быть подобрана с учетом толщины пластинчатых элементов и без их учета.
Для уменьшения веса и стоимости балки за счет снижения расхода материала балочного элемента стержни и пластинчатые элементы могут иметь перфорацию или одно, или несколько отверстий произвольной формы, например, см. фиг. 2.
Обратная задача, если имеются исходные данные, по которым необходимо подобрать сечение балки. В этом случае, используя представленное техническое решение, может быть подобрана балка, имеющая значительно меньшие геометрические характеристики или меньший вес по отношению к известному ее аналогу, представленному, например, в Беленя Е.И., Балдин В.А., Ведеников Г.С. и др. «Металлические конструкции. Общий курс», 600 с.
Напряженно-деформируемое состояние балки в значительной степени зависит от вида и места приложения нагрузки, вида сечения профилей, входящих в ее конструкцию, расстояния между ними, их ориентации относительно друг друга и способа крепления стержневых и пластинчатых элементов. Поэтому в заявленном техническом решении стержни могут быть различного профиля. Ориентация профилей относительно друг друга также может быть различна. Пластинчатые элементы в рамках одной балки соединяют рядом расположенные стержни в горизонтальном и вертикальном направлениях. При креплении пластинчатого элемента в плоскости одного стержня пластинчатые элементы могут выступать в качестве дополнительной стенки. Стержни могут располагаться относительно друг друга вплотную или через расстояние. Соединение стержней с пластинчатыми элементами может быть реализовано, например, сварным, заклепочным или винтовым способами. В пластинчатых элементах могут быть выполнены отверстия, а также пластинчатые элементы могут быть сплошными или прерывистыми вдоль длины стержня, то есть к стержням крепится не одна, а много пластин. Толщины пластинчатых элементов могут быть различны и определяются расчетом в зависимости от требований к несущей способности, жесткости, устойчивости балки и др. Данные отличительные признаки влияют на механические характеристики изобретения и позволяют достичь заявленный технический результат.
Выполнение отверстия вдоль всего пластинчатого или стержневого элемента в некоторых случаях может привести к значительному снижению прочностных и эксплуатационных характеристик заявленного технического решения, поэтому целесообразно выполнение нескольких отверстий, например, вдоль длины стержня.
Общая композиция балки, состоящая из перечисленных отличительных признаков, имеет синергетический эффект - взаимное усиление действия, направленное на достижение технического результата, то есть комбинация отличительных признаков в отдельности и совместно с известным техническим решением дает гораздо больший эффект, чем сумма этих признаков по отдельности. Данный эффект обусловлен спецификой работы конструкции тонкостенного стержня и его отдельных элементов, входящих в предложенную конструкцию балки. Так, например, когда ресурс несущей способности отдельного стержневого элемента или пластинчатого элемента балки еще не исчерпан, общая конструкция или ее отдельные элементы теряют устойчивость. Вертикальные и горизонтальные пластинчатые элементы совместно обеспечивают геометрическую неизменяемость стержневого элемента, значительно уменьшают кручение в тонкостенных стержнях, что позволяет использовать максимальный ресурс несущей способности стержня. Таким образом, совместная работа пластинчатых и стержневых элементов в предложенном изобретении позволяет достичь высокие механические характеристики, чем их использование по отдельности.
Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи. Из известного уровня техники отсутствуют решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, кроме того, в известных работах не подтверждена известность влияния остальных отличительных признаков на заявленный технический результат, а механизм достижения технического результата стал известен только из материалов заявки.
Создан опытный образец балки в цеху по сборке конструкций из ЛСТК строительно-проектной организации ООО «СпецЭнергоМонтаж» г. Комсомольск-на-Амуре для проведения экспериментальных исследований.
Балочный элемент металлических конструкций с высокими прочностными характеристиками может использоваться в промышленном и гражданском строительстве.