Балка композиционной структуры
COMPOSITE STRUCTURE BEAM

Изобретение относится к строительству, а именно к балкам покрытий и перекрытий зданий и сооружений, к подкрановым балкам, работающим преимущественно в условиях изгиба.
Известна сталебетонная балка, состоящая из верхнего и нижнего поясов, стенок и опорных диафрагм, образующих замкнутый контур, заполненный бетоном. При этом стенки имеют криволинейную форму двоякой кривизны, расстояние между которыми уменьшается от верхнего пояса к нижнему. В стенках имеются отверстия и вырезы, которые расположены с переменным шагом по длине балки в соответствии с эпюрой сдвигающих напряжений. Стенки объединены предварительно напряженными стяжными шпильками (RU №2621247, Е04С 3/07, Е04С 3/293, 2017.06.01).
Недостатком такого технического решения является повышенная материалоемкость балки за счет неэффективного использования бетона по сечению сталебетонной балки вследствие заполнения бетоном всего внутреннего пространства между поясами и стенками балки, в том числе и в зонах их наименьшего взаимодействия.
Известна также сталежелезобетонная балка, включающая верхний и нижний пояса, стенку и бетон, расположенный в замкнутом контуре в верхней части сечения балки, имеет замкнутый контур для расположения бетона. Замкнутый контур образован верхним поясом и стенкой, состоящей из двух листов, которые в верхней части балки изогнуты наружу в соответствии с эпюрой нормальных сжимающих напряжений в сечениях балки. Верхние кромки листов стенки разнесены в горизонтальной плоскости и образуют по длине балки две кривые, соответствующие эпюре изгибающего момента в балке.
Верхние точки сопряжения листов стенки расположены на вертикальной кривой, соответствующей эпюре изгибающего момента в балке, а листы стенки объединены фиксаторами переменной длины, которые обеспечивают ей криволинейную форму по высоте и длине балки (RU №2627810, Е04С 3/293, Е04С 3/07, Е04В 1/30, 2017.08.11).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки за счет неэффективного использования бетона по сечению сталежелезобетонной балки, обусловленная заполнением бетоном всей внутренней области между поясами и стенками балки, в том числе и в зонах их наименьшего взаимодействия.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является балка композиционной структуры, содержащая сжатый и растянутый пояса и стенку, причем стенка состоит из металлических листов, перпендикулярных плоскостям поясов и имеющих, по крайней мере, на части длины поперечное к продольной оси балки традиционное или переменное гофрирование, а образованные между металлическими листами полости на участках интенсивных поперечных сил заполнены бетоном, причем гофры на данных участках остаются постоянного по высоте стенки сечения (RU №2409728, Е04С 3/293, 20.01.2011).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость балки композиционной структуры, обусловленная тем, что композитный материал - бетон полностью заполняет полости, образованные металлическими листами в зонах его размещения по длине балки и соответственно распределен по всему ее поперечному сечению, а, как известно, эффективность совместной работы поясов, стенки балки с композитным материалом - бетоном снижается по мере удаления от зон их контакта, что приводит в удаленных от их контакта зонах композитного материала к существенному снижению влияния напряжений в композитном материале на напряженно-деформированное состояние стенок и поясов балки как по высоте сечения балки, так и по ее ширине, и, следовательно, к недоиспользованию влияния прочностных свойств композитного материала на несущую способность балки, что, как следствие, приводит к его неэффективному применению и в целом увеличивает материалоемкость балки композитной структуры.
Задача изобретения - снижение материалоемкости балки композиционной структуры за счет более эффективного распределения толщины композитного материала по ее сечениям и длине и повышение эксплуатационной надежности.
Технический результат достигается тем, что балка композиционной структуры, содержащая пояса и стенку из металлических листов, образующих полость, заполненную композитным материалом, внутри которого размещена жесткая полая оболочка, поперечные размеры которой переменны, при этом в каждом поперечном сечении по длине балки композиционной структуры толщина композитного материала между жесткой полой оболочкой, поясами и стенкой изменяется подобно очертанию эпюры приведенных нормальных напряжений от нагрузок в поясах и стенке, а в зонах их сопряжения - подобно очертанию эпюры суммарных приведенных нормальных напряжений.
Приведенные нормальные напряжения в поясах и стенке определяются в соответствии с зависимостью:
х
xy
где σ - нормальные напряжения в поясах и стенке, направленные вдоль оси балки композиционной структуры, τ - касательные в плоскости стенки.
Ширина зон сопряжения поясов и стенки определяются выражением:
wi
где t - толщина соответствующего пояса или стенки, Е - модуль упругости;
y
R - расчетное сопротивление материала соответствующей полки или стенки.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- фиг. 1 - общий вид балки композиционной структуры;
- фиг. 2 - поперечное сечение 1-1 на фиг. 1;
- фиг. 3 - поперечное сечение 2-2 на фиг. 1;
- фиг. 4 - поперечное сечение 3-3 на фиг. 1;
- фиг. 5 - поперечное сечение 4-4 на фиг. 1;
- фиг. 6 - схема формирования толщины слоя композитного материала, подобной эпюрам приведенных нормальных напряжений в сечении 1-1 на фиг. 1;
- фиг. 7 - схема формирования толщины слоя композитного материала, подобной эпюрам приведенных нормальных напряжений в сечении 2-2 на фиг. 1;
- фиг. 8 - схема формирования толщины слоя композитного материала, подобной эпюрам приведенных нормальных напряжений в сечении 3-3 на фиг. 1;
- фиг. 9 - схема формирования толщины слоя композитного материала, подобной эпюрам приведенных нормальных напряжений в сечении 4-4 на фиг. 1;
- фиг. 10 - схема формирования толщины композитного материала, в зонах сопряжения стенки и поясов балки композитной структуры подобной эпюрам суммарных приведенных нормальных напряжений в сечениях балки композиционной структуры;
- фиг. 11 - аксонометрическое представление размещения композитного материала по длине балки;
- фиг. 12 - аксонометрическое представление жесткой полой оболочки по длине балки.
пр.п.
пр.с.
Балка композиционной структуры 1 (фиг. 1) включает пояса 2 и стенку 3 из металлических листов 4, которые образуют полость в виде пустотного объема 5, заполненную композитным материалом 6 (например, бетоном, фибробетоном, дисперсно-армированным стеклопластиком, дисперсно-армированным углепластиком), при этом внутри композитного материала размещается жесткая полая оболочка 7 (фиг. 2-5, 11, 12), поперечные размеры которой переменны, в каждом поперечном сечении и по длине балки композиционной структуры 1, при этом толщина композитного материала 6, располагаемого между внешним контуром жесткой полой оболочки 7, полками 2 и стенкой 3 из металлических листов 4 изменяется подобно очертанию эпюры приведенных нормальных напряжений (фиг. 2-5, фиг. 6-9) от нагрузок в поясах 2 и стенке 3, а в зонах их сопряжения подобна очертанию суммарной эпюры этих напряжений (фиг. 10), при этом в полках 2 (σ, фиг. 6-9) и стенке 3 (σ, Фиг. 6-9), приведенные нормальные напряжения определяются в соответствии с зависимостью (1).
х
ху
При действии на балку композиционной структуры 1 эксплуатационных нагрузок пояса 2, стенки 3 и находящийся внутри композитный материал 6 с жесткой полой оболочкой 7 деформируются совместно. Наибольший эффект от их совместной работы достигается в местах взаимного контакта поясов 2 и стенки 3 с композитным материалом 6 в зонах с наибольшими значениями совместных деформаций и соответствующих им напряжений, при этом по мере удаления от плоскостей контакта поясов 2, стенки 3 с композитным материалом 6 вглубь по его толщине эффект от совместной работы уменьшается. Наибольшие значения напряжений и деформаций в поясах 2 и стенке 3 определяются приведенными напряжениями, учитывающими совместное действие нормальных σ и касательных напряжений τ в соответствии с формулой (1) (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. 201-202, рис. 5.5, 5.6).
Изменение толщины композитного материала 6, подобно очертанию эпюры приведенных нормальных напряжений (фиг. 6-9) как по длине балки, так и по ее сечению приводит с одной стороны к увеличению толщины композитного материала 6 в зонах с наибольшими напряжениями в поясах 2 и стенке 3 и ее снижению зонах с наименьшими напряжениями (фиг. 6-9), что позволяет снизить расход композитного материала и одновременно повысить эффективность его использования, это приводит к снижению материалоемкости балки композиционной структуры 1 в целом.
пр.п.,
пр.с.
пр.
пр.с
пр.п.
В местах сопряжения поясов 2 и стенки 3 взаимодействие с композитным материалом 6 определяется совместными деформациями и соответствующими приведенными напряжениями как в поясе 2 (σ фиг. 6-9), так и в стенке 3 (σ, фиг. 6-9), поэтому назначение толщины слоя композитного материала 6 в этих зонах подобной очертанию суммарной эпюре приведенных нормальных напряжений (∑σ=σ+σ, фиг. 10), позволят эффективно использовать композитный материал 6 по всей толщине его слоя.
Ширина зон их эффективного сопряжения (L1, L2, фиг. 10), на которых взаимное влияние приведенных нормальных напряжений в поясах 2 и стенке 3 является существенным, определяется выражением (2) (1. СП 16.13330.2017 Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. Дата введения 2017-08-28 п. 8.5.17; 2. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов/Е.И. Беленя, В. А. Балдин, Г.С Ведеников и др.; Под общ. ред. Е.И. Беленя. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986 - 560 е., ил. с. 168-169, рис. 7.28).
Изменение толщины слоя композитного материала 6 подобно эпюре суммарных приведенных нормальных напряжений в пределах зон сопряжения (L1, L2, фиг. 10) позволяет исключить его неэффективное использование и, следовательно, снизить расход композитного материала 6 и балки композитной структуры 1 в целом.
Использование жесткой полой оболочки 7 позволяет за счет воздушной полости - пустотного объема уменьшать расход композитного материала 6 и исключить его размещение в областях неэффективного использования, а за счет полости снижать вес балки композитной структуры 1. Жесткая полая оболочка 7 обеспечивает эффективную внутреннюю форму композитного материала 6.
Несущая способность балки композиционной структуры 1 обеспечивается подбором механических характеристик: предела прочности, модуля деформации, адгезионных свойств и т.п. для композитного материала 6, марок стали для поясов 2, стенки 3, размеров поперечного сечения балки композиционной структуры 1, материала и толщины жесткой полой оболочки 7 и т.п.