Металлическая балка с переменно-гофрированной стенкой

Полезная модель относится к строительству и может использоваться в качестве несущей конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Известна 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.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является балка с переменно-гофрированной стенкой (патент RU на полезную модель №91583, Е04С 3/07, опубл. 20.02.2010). Балка двутаврового поперечного сечения, содержащая сжатый и растянутый пояса, соединенные поперечно-гофрированной стенкой. Гофрирование осуществляется 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.
Недостатком конструктивного решения, описанного в прототипе, является значительная трудоемкость и сложность выполнения переменного гофрирования и низкая технологичность выполнения сварного соединения нерегулярной траектории. В этом случае возможны дефекты при изготовлении, которые, как известно, оказывают значительное влияние на напряженно-деформированное состояние тонкостенных конструкций, к которым относятся балки с гофрированной стенкой, и надежность конструкций в целом.
Задачей полезной модели является разработка нового конструктивного решения балки с переменно-гофрированной стенкой с достижением технического результата -повышения надежности работы и снижения материалоемкости за счет выполнения стенки различного профиля по длине балки.
w1
w2
w1
Поставленная задача решается тем, что металлическая двутавровая балка содержит пояса, выполненные из листовой стали, соединенные между собой стенкой, содержавшей отсеки с гофрированными участками и отсеки с плоской стенкой. Отсеки с гофрированной стенкой, длиной равной  пролета балки, располагают в опорных частях в месте действия максимальной поперечной силы. Гофрирование имеет постоянные параметры. Толщина гофрированной стенки t Центральные отсеки выполнены с плоской стенкой, толщиной t=2 t, подкрепленной ребрами, что позволяет включить стенку в работу на восприятие максимального изгибающего момента.
Существенными признаками, совпадающим с прототипом, являются следующие:
- балка выполнена двутаврового поперечного сечения;
- балка содержит сжатый и растянутый пояса, выполненные из листовой стали, постоянного сечения по длине;
- пояса жестко соединены поперечно-гофрированной стенкой. Отличительными от прототипа существенными признаками являются:
- опорные отсеки стенки выполнены поперечно-гофрированными, с постоянными параметрами гофрирования;
- центральные отсеки стенки выполнены с плоской стенкой, подкрепленной ребрами.
Между совокупностью существенных признаков полезной модели и достигаемым техническим результатом - повышения надежности работы и снижения материалоемкости двутавровой металлической балки - существует следующая причинно-следственная связь.
Использование, согласно прототипу, в конструкции балки двутаврового поперечного сечения, поперечно-гофрированной стенки 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 требует индивидуальной переналадки оборудования для изготовления гофра переменного профиля и выполнения сварного соединения переменной траектории, что значительно увеличивает трудоемкость изготовления, возможные дефекты при нестандартном изготовлении снижают надежность конструкции.
В заявляемом техническом решении усовершенствование конструкции металлической балки двутаврового поперечного сечения достигается за счет применения в опорных отсеках поперечно-гофрированной стенки с постоянными параметрами гофрирования и в центральном отсеке плоской стенки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, который включает поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, с выявлением источников, содержащих информацию об аналогах заявляемого технического решения, позволяет установить, что заявителем не выявлены аналоги, которые характеризуются всей совокупностью признаков, идентичной всем существенным признакам заявляемого устройства, указанных в формуле полезной модели.
Потому можно утверждать, что полезная модель соответствует условию патентоспособности по критерию «новизна».
Кроме того, полезная модель промышленно применима, потому что заявляемое техническое решение позволяет использовать его при проектировании несущих конструкций покрытий промышленных и гражданских зданий, инженерных сооружений, таких как пролетные строения мостов.
w1
w2
w1
Стенка металлической двутавровой балки разделена на отсеки с различным профилем. В опорных отсеках стенка выполнена поперечно-гофрированной. Толщина поперечно-гофрированной стенки принята t=2-3 мм. Гофрирование имеет постоянные параметры. Длина опорного отсека составляет  пролета балки. В центральном отсеке стенка выполнена плоской, толщиной t=2 t, подкрепленной ребрами.
Выполнение в опорных отсеках, где действует максимальная поперечная сила, поперечно-гофрированной стенки позволяет снизить материалоемкость балки за счет обеспечения устойчивости стенки на действие касательных напряжений при ее минимальной толщине. Выполнение в центральном отсеке, где действует максимальный изгибающий момент, плоской стенки позволяет включить ее в работу на действие нормальных напряжений и тем самым снизить расход материала на пояса. Выполнение опорного отсека длиной равной  пролета балки позволяет исключить недонапряжения в поясах и использовать материал рационально. Выполнение поясов постоянного сечения и опорных отсеков стенки с постоянными параметрами гофрирования способствуют снижению трудоемкости изготовления и повышения надежности балки в целом.
Конструктивное решение металлической балки с переменно-гофрированной стенкой иллюстрируется графическим материалом, где на фиг. 1 приведено аксонометрическое изображение металлической балки с переменно-гофрированной стенкой, на фиг. 2 изображен продольный разрез по стенке балки, на фиг. 3 поперечный разрез в опорном отсеке балки, на фиг. 4 изображен поперечный разрез в центральном отсеке балки.
Металлическая балка с переменно-гофрированной стенкой включает пояса, выполненные из листовой, стали, соединенные между собой стенкой, содержавшей отсеки с гофрированными участками и отсеки с плоской стенкой. Отсеки с гофрированной стенкой располагают в опорных частях, при этом гофрирование имеет постоянные параметры. Центральные отсеки выполнены с плоской стенкой, подкрепленной ребрами.
Металлическая балка с переменно-гофрированной стенкой состоит из поясов 1, и стенки 2.
Пояса 1 выполнены из листовой стали постоянного сечения по длине балки и жестко соединены со стенкой 2 угловыми сварными швами.
w1
w2
w1
p
w2
Стенка разделена на опорные отсеки 3, длиной равной  пролета балки, и центральный осек 4. В опорном отсеке 3 стенка 2 выполнена поперечно гофрированной 5 с постоянными параметрами по длине, толщиной t=2-3 мм. В центральном отсеке 4 стенка 2 выполнена плоской 6 толщиной t=2 t. (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4). Соединение гофрированной стенки 5 и плоской стенки 6 осуществляется через вертикальное ребро 7 толщиной t=t.
Участок с плоской стенки 6 дополнительно подкреплен поперечными ребрами 8, установленными с шагом 1.2-1.5 м. В опорных частях балки устанавливаем опорные ребра 9, толщиной 12-16 мм.
Таким образом в опорных отсеках 3, применение поперечно-гофрированной стенки 5 позволяет снизить материалоемкость балки за счет обеспечения устойчивости стенки на действие касательных напряжений при ее минимальной толщине, а в центральном отсеке 4 плоской стенки 6 позволяет включить ее в работу на действие нормальных напряжений и тем самым снизить расход материала на пояса.
Конструктивное решение обеспечивает повышение надежности работы и снижения материалоемкости и трудоемкости металлических двутавровых балок.