ПЕРФОРИРОВАННАЯ МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ БАЛКА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована как облегченный несущий элемент каркаса зданий и сооружений.
Известна металлическая перфорированная балка (заявка №96121963, МПК Е04С 3/08, опубл. 20.01.1999 г.), выполненная с одним рядом шестиугольных вырезов. Длина горизонтальной стороны шестиугольного выреза такой балки равна перемычке между вырезами.
Описанная балка является недостаточно легкой при заданной изгибной жесткости, так как при ее изготовлении применена резка исходного элемента по зигзагообразной линии с одинаковыми по длине горизонтальными резами с образованием трапециевидных выступов.
К недостаткам описанной балки можно отнести то, что у такой конструкции облегченной балки ширина перемычки строго фиксирована и не позволяет снижать массу балки при заданной высоте и параметрах вырезов, что ограничивает область ее применения.
Полезная модель по 1 варианту исполнения решает задачу снижения расхода металла (на 10-15%), а следовательно, и массы перфорированной балки при сопоставимой жесткости полученной балки с жесткостью балки-прототипа.
Технический результат полезной модели (1 вариант) - перераспределение напряжений вследствие уменьшения длины перемычки и увеличения размеров вырезов.
Для получения необходимого технического результата в известной перфорированной металлической балке, выполненной с одним рядом шестиугольных вырезов, предлагается длину горизонтальной стороны отдельного выреза выполнять большей длины, чем длину перемычки между вырезами.
Для доказательства причинно-следственной связи признаков формулы (1-ый вариант) и технического результата производился расчет жесткости (деформаций) перфорированной балки-прототипа (длина перемычки равна а) и сравнивался с рассчитанной жесткостью балки-стенки, изготовленной по предлагаемому варианту с разной длиной перемычек (0.5а, 0.2а и 0.1 а).
i
проm
S
перф
сnл
i
проm
Расчеты МКЭ деформаций перфорированных балок-стенок с разной длиной перемычек между шестиугольными вырезами показали, что прогибы балки при уменьшении длины перемычек и, как следствие, увеличении числа вырезов при постоянных их размерах возрастают (см. таблицу), но в то же время уменьшается масса балки. Если использовать в качестве критерия сопоставимости жесткости перфорированных балок коэффициент K=w*·m (где w*=w/w - относительный прогиб перфорированной балки-стенки, η=S/S - относительная масса, равная отношению площади перфорированной балки-стенки к площади сплошной балки, m*=m/m - величина массы балки в долях от прототипа), определяемый в нижеприводимой
Таблица
Длина перемычки, с (a-сторона выреза)
Число вырезов, N
Прогиб <sup>W</sup> <sub>max</sub>, см
Величина прогиба в долях от прототипа, W*
Относительная масса, η<sub>S</sub>
Величина массы балки в долях от прототипа, m*
Критерий K=w* ·m*
а
11
0.584
1
0.761
1
1
0.5а
13
0.601
1,03
0.718
0,94
0.971
0.2а
15
0.635
1,09
0.675
0,89
0.964
0.1а
16
0.667
1,14
0.653
0,86
0.980
таблице, то увидим, что уменьшение длины перемычки приводит к большему снижению массы, чем к увеличению прогиба балки (критерий K оказывается меньше единицы). Понятно, что существует некоторая ширина перемычек (в данном случае, скажем, с=0.2а), при которой соотношение «жесткость балки - ее масса» является оптимальным. Снижение массы при этом по сравнению с прототипом составляет 11%.
Известна также металлическая перфорированная балка (А.с. 1174541, МКИ Е04С 3/08, опубл. 23.08.1985), выполненная с двумя рядами одинаковых шестиугольных вырезов. Длина горизонтальной стороны шестиугольного выреза балки равна ширине перемычки между вырезами.
К недостаткам описанной балки можно отнести пониженную устойчивость стенки, что ограничивает область ее применения.
Полезная модель по 2 варианту исполнения решает задачу повышения устойчивости двухрядно перфорированной балки при заданных габаритных размерах балки и заданной высоте вырезов.
Технический результат полезной модели (2 вариант) - смещение нейтральной оси балки в сторону с меньшими вырезами и перераспределение напряжений.
Для получения необходимого технического результата в известной перфорированной металлической балке, выполненной с двумя рядами шестиугольных вырезов, предлагается высоту шестиугольных вырезов в обоих рядах выполнить одинаковой, а длину вырезов в одном ряду выполнять отличной от длины вырезов в другом ряду, при этом горизонтальная сторона выреза в одном ряду выполняется равной ширине перемычки во втором ряду.
Для доказательства причинно-следственной связи признаков формулы (2-ой вариант) и технического результата производился расчет устойчивости двухрядно перфорированной балки-прототипа и сравнивался с рассчитанной устойчивостью перфорированной двутавровой балки, изготовленной по предлагаемому варианту.
кр
Расчеты устойчивости методом конечных элементов по программе ANSYS перфорированных балок с двумя разными размерами шестиугольных вырезов в каждом ряду (фиг.5) показали, что критическая нагрузка Р несимметрично перфорированных балок (фиг.6 и фиг.7) примерно на 10-20% выше критической нагрузки балки с одинаковой перфорацией в рядах (фиг.8).
В качестве критерия сопоставимости устойчивости перфорированных балок, представленных на фиг.6-8, выступает одинаковая суммарная площадь вырезов для всех вариантов перфорации. Условиями соблюдения этого критерия являются одинаковые высоты вырезов и одинаковое расстояние между рядами вырезов. Это означает, что из исходных заготовок одинаковой высоты получают перфорированные балки одинаковых габаритных размеров.
Таким образом, когда надежная работа конструкции определяется условием ее устойчивости целесообразно изготавливать двухрядно перфорированные балки с разными размерами вырезов в рядах.
На прилагаемых к заявке графических материалах изображено:
- фиг.1 - исходная балка, разрезанная одинаковыми зигзагообразными резами на две части, с образованием трапециевидных выступов, с отличными по длине горизонтальными резами;
- фиг.2 - состыкованная из нижних полученных частей облегченная балка по 1-му варианту;
- фиг.3 - состыкованная из верхних частей облегченная балка по 1-му варианту;
- фиг.4 - способ роспуска исходной балки по двум эквидистантным зигзагообразным линиям на две части, с образованием трапециевидных выступов, с отличными по длине горизонтальными резами;
- фиг.5 - вариант исполнения перфорированной балки по 2-му варианту;
кр
- фиг.6 - приведены результаты расчета критической нагрузки (Р=35.113 кН) двухрядно перфорированной балки, выполненной по 2-му варианту модели (вырезы меньшего размера расположены в сжатой зоне);
кр
- фиг.7 - приведены результаты расчета критической нагрузки (Р=38.562 кН) двухрядно перфорированной балки, выполненной по 2-ому варианту модели (вырезы меньшего размера расположены в растянутой зоне);
кр
- фиг.8 - результаты расчета критической нагрузки прототипа (для 2-го варианта), имеющего одинаковые вырезы в каждом ряду (Р=32.329 кН).
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - исходная разрезаемая по 1-му варианту балка;
2 - нижняя часть разрезанной по 1-му варианту балки;
3 - верхняя часть разрезанной по 1-му варианту балки;
4 - длина верхнего горизонтального реза по 1-му варианту;
5 - длина нижнего горизонтального реза по 1-му варианту;
6 - исходная разрезаемая по 2-му варианту балка;
7 - нижняя часть разрезанной по 2-му варианту балки;
8 - верхняя часть разрезанной по 2-му варианту балки;
9 - длина верхнего горизонтального реза по 2-му варианту;
10 - длина нижнего горизонтального реза по 2-му варианту.
11 - зигзагообразная полоса между резами по 2-му варианту.
Перфорированная балка по 1-ому варианту.
Предлагаемый первый вариант перфорированной балки (фиг.2) изготавливают следующим образом. Две заготовки разрезают одинаковыми зигзагообразными резами и получают две пары полубалок. Причем длина горизонтальных резов по выступам отличается от длины резов по впадинам. Затем с помощью сварки соединяют две нижние полубалки между собой и две верхние полубалки по выступам зубьев, получая две перфорированные балки с разным типом вырезов. Причем вторая балка является побочным продуктом, представляющим не меньшую ценность, чем первая, поскольку из профильной балки со сплошной стенкой получается высокопрофильная балка с узкими редко расположенными вырезами, имеющая почти такие же жесткостные свойства, как балка со сплошной стенкой такой же высоты.
Перфорированная балка по 2-ому варианту.
Предлагаемый второй вариант перфорированной балки с двумя рядами шестиугольных вырезов разной формы (фиг.5) изготавливают следующим образом. Из исходной заготовки вырезают двумя эквидистантными резами (фиг.4) зигзагообразную полосу, причем верхние горизонтальные резы делают одной длины, а нижние горизонтальные резы - другой длины, а затем верхнюю и нижнюю заготовки раздвигают, зигзагообразную полосу поворачивают относительно горизонтальной оси на 180° и стыкуют полученные элементы с помощью сварки, образуя балку с двухрядно перфорированной стенкой.