СИСТЕМА ПРОФИЛЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЗАМКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ
SYSTEM OF PROFILES FOR CREATING A LOCK JOINT

Изобретение относится к изготовлению профилей, имеющих боковые кромки, специально предназначенные для зацепления одной с другой, с образованием замкового соединения, которое может быть использовано преимущественно в соединении стенкообразующих сварных элементов шпунтового типа для создания шпунтовых стенок, а также в соединении бетонных блоков дорожного ограждения.
В качестве прототипа, выбрана система профилей для создания замкового соединения (патент РФ №93092, E02D 5/12, опубл. 20.04.2010). Эта система содержит два профиля: первый - симметричный с U-образной кромкой, образующей открытую полость, и полосовой частью, второй - симметричный с Т-образной кромкой и полосовой частью. Замковое соединение создается за счет размещения Т-образной кромки второго профиля в открытой полости U-образной кромки первого профиля.
Недостаток прототипа поясняется Фигурой 1 - Система профилей для создания замкового соединения из описания полезной модели к патенту РФ №93092.
Нормальное напряжение изгиба от действия нагрузки Р, растягивающей замковое соединение, при одинаковой толщине элементов, равной а, и моменты сопротивления сечений можно найти по формулам из курса сопротивления материалов (Курс сопротивления материалов с примерами и задачами: учебное пособие/ В.И. Водопьянов, А.Н. Савкин, О.В. Кондратьев; ВолГТУ. - Волгоград, 2012. - 136 с):
- в точке А (максимально удаленная от линии действия силы N): σ(A)=M(A)/W(A);
- в точке С (начало внутреннего закругления U-образной кромки): σ(C)=M(C)/W(C),
- в точке Е (начало внутреннего закругления концевого участка): σ(E)=M(E)/W(E),
где
- М(А) - изгибающий момент в точке A, M(A)=AB*N=AB*P/2/cos(α);
- W(A) - момент сопротивления в точке A, W(A)=L*(a^2)/6, где L - длина профиля;
- М(С) - изгибающий момент в точке С, M(C)=CD*N=CD*P/2/cos(α);
- W(C) - момент сопротивления в точке С, W(C)=L*(a÷2)/6.
- М(Е) - изгибающий момент в точке Е, M(E)=EF*N=EF*P/2/cos(α);
- W(E) - момент сопротивления в точке Е, W(E)=L*(a^2)/6.
При этом, во всех точках снизу от линии действия силы N до оси симметрии изгибающий момент способствует закрытию замкового соединения при растяжении, поэтому изгибающие напряжения в них можно не учитывать при рассмотрении вопроса прочности замкового соединения на разрыв (раскрытие).
В итоге получим:
σ(A)=3*AB*P/(cos(α)*L*(a^2)); σ(C)=3*CD*P/(cos(α)*L*(a^2));
σ(E)=3*EF*P/(cos(α)*L*(a^2)).
Из этих формул следует, что напряжение прямо пропорционально плечу нормальной силы N. Поскольку плечо убывает далее максимального АВ, то в точке С (и близких к ней с верхней стороны от линии действия силы N) напряжение будет много меньше максимального при одинаковой толщине элементов, равной а. Это приводит к излишней металлоемкости симметричного профиля с U-образной кромкой.
1
2
1
3
4
3
5
В настоящем изобретении предложена система профилей для создания замкового соединения, содержащая два профиля: первый - охватывающий профиль, состоящий из полосовой части и U-образной боковой кромки, концевые участки которой, загнутые внутрь, образуют открытую полость для размещения в ней боковой кромки второго профиля, концевые участки U-образной кромки выполнены симметричными относительно оси профиля, второй - профиль с Т-образной кромкой, состоящий из полки с симметрично загнутыми краями и с возможностью ее размещения в открытой полости, образованной концевыми участками U-образной боковой кромки первого профиля, причем угол α загиба краев полки Т - образного профиля меньше 90°, а угол загиба концевых участков U-образной кромки полосового профиля равен α+90°, и полосовой части, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии полки, отличающаяся тем, что концевые участки профиля с U-образной кромкой толщиной а>0 с наружной стороны на протяжении всей длины закругления имеют утолщение с постоянной величиной b>0, внутренний радиус закругления концевых участков равен R>0, внешний радиус закругления концевых участков равен R=R+a+b, U-образная боковая кромка толщиной а>0 с наружной стороны имеет утонение, которое на протяжении всей длины выпуклого закругления имеет постоянную величину с>0, а на протяжении всей длины вогнутого закругления плавно уменьшается от с>0 в точке сопряжения выпуклого и вогнутого закругления до 0 в точке примыкания к полосовой части, внутренний радиус закругления U-образной боковой кромки равен R>0, внешний радиус выпуклого закругления U-образной боковой кромки равен R=R+a-c и плавно сопрягается с внешним радиусом вогнутого закругления R>0 U-образной боковой кромки.
Изготовление профилей может осуществляется методом горячего прессования из круглой заготовки с последующими операциями правки и резки.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении прочности профиля с U-образной кромкой при одновременном снижении металлоемкости замкового соединения.
1
2
1
4
3
5
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе профилей для создания замкового соединения концевые участки профиля с U-образной кромкой толщиной а>0 с наружной стороны на протяжении всей длины закругления имеют утолщение с постоянной величиной b>0, внутренний радиус закругления концевых участков равен R>0, внешний радиус закругления концевых участков равен R=R+a+b, U-образная боковая кромка толщиной а>0 с наружной стороны имеет утонение, которое на протяжении всей длины выпуклого закругления имеет постоянную величину с>0, а на протяжении всей длины вогнутого закругления плавно уменьшается от с>0 в точке сопряжения выпуклого и вогнутого закругления до 0 в точке примыкания к полосовой части, внутренний радиус закругления U-образной боковой кромки равен R3>0, внешний радиус выпуклого закругления U-образной боковой кромки равен R=R+a-c и плавно сопрягается с внешним радиусом вогнутого закругления R>0 U-образной боковой кромки.
Более конкретно, в настоящем изобретении при одинаковой толщине, равной а, и одинаковой геометрии прочих элементов для описываемой системы профилей, в сравнении с прототипом, величины напряжений изгиба от действия нагрузки Р, растягивающей замковое соединение, изменятся:
- в точке А (максимально удаленная от линии действия силы N): σ(A)=3*AB*P/(cos(α)*L*((a+b)^2));
- в точке С (начало внутреннего закругления U-образной кромки): σ(C)=3*CD*P/(cos(α)*L*((a-c)^2)).
- в точке Е (начало внутреннего закругления концевого участка): σ(E)=3*EF*P/(cos(α)*L*(a^2)).
Из этих формул следует, что утолщение величиной b позволяет уменьшать максимальное напряжение в точке А, а утонение величиной с позволяет увеличивать напряжение в точке С, тем самым приближая его к максимальному. Поскольку длина участка с утолщением меньше длины участка с утонением, то путем варьирования значений утолщения величиной b и утонения величиной с можно добиться одновременного увеличения прочности и уменьшения поперечного сечения профиля с U-образной кромкой, т.е. снижения металлоемкости замкового соединения. Наибольшее снижение металлоемкости может быть достигнуто при таких сочетаниях утолщения величиной b и утонения величиной с, при которых выполняется равенство σ(А)=σ(С)=σ(Е).
Сущность настоящего изобретения дополнительно проиллюстрирована следующими графическими материалами.
Фиг. 1 - Система профилей для создания замкового соединения из описания полезной модели к патенту РФ №93092.
Фиг. 2 - Система профилей для создания замкового соединения согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 - Вид сварной шпунтовой стенки (вариант 1)
Фиг. 4 - Вид сварной шпунтовой стенки (вариант 2)
Фиг. 5 - Вид соединения бетонных блоков дорожного ограждения;
где
1 - профиль с U-образной кромкой (прототип);
2 - профиль с Т-образной кромкой;
3 - профиль с U-образной кромкой (настоящее изобретение);
4 - полосовая часть;
5 - U-образная боковая кромка;
6 - концевой участок;
7 - открытая полость;
8 - утолщение;
9 - утонение;
10 - полка;
11 - симметрично загнутый край;
12 - полосовая часть;
13 - сварной шов;
14 - полоса горячекатаная;
15 - труба;
16 - арматурный пруток;
17 - бетонный блок.
1
2
1
3
4
3
5
Профиль с U-образной кромкой 3, состоящий из полосовой части 4 и U-образной боковой кромки 5, концевые участки 6 которой, загнутые внутрь, образуют открытую полость 7 для размещения в ней боковой кромки другого профиля. Концевые участки 6 U-образной кромки 5 выполнены симметричными относительно оси профиля. Концевые участки 6 толщиной а>0 с наружной стороны на протяжении всей длины закругления имеют утолщение 8 с постоянной величиной b>0. Внутренний радиус закругления концевых участков 6 равен R>0, внешний радиус закругления концевых участков 6 равен R=R+a+b. U-образная боковая кромка 5 толщиной а>0 с наружной стороны имеет утонение 9, которое на протяжении всей длины выпуклого закругления имеет постоянную величину с>0, а на протяжении всей длины вогнутого закругления - плавно уменьшается от с>0 в точке сопряжения выпуклого и вогнутого закругления до 0 в точке примыкания к полосовой части 4. Внутренний радиус закругления U-образной боковой кромки 5 равен R>0, внешний радиус выпуклого закругления U-образной боковой кромки 5 равен R=R+a-c и плавно сопрягается с внешним радиусом вогнутого закругления R>0 U-образной боковой кромки 5.
Профиль с Т-образной кромкой 2, состоящий из полки 10 с симметрично загнутыми краями 11 и с возможностью ее размещения в открытой полости 7, образованной концевыми участками 6 U-образной боковой кромки первого профиля, и полосовой части 12, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии полки 10.
Угол α загиба краев 11 полки 10 профиля с Т-образной кромкой 2 меньше 90°, а угол загиба концевых участков 6 профиля с U-образной кромкой 3 равен α+90°.
Предпочтительные диапазоны указанных величин:
1
2
3
4
5
а - 8…14 мм; b - 0,5…3 мм; c - 0,5…3 мм; R - 3…6 мм; R - 11,5…23 мм; R - 8…12 мм; R - 13…25,5 мм; R - 10…20 мм.
Результаты сравнения параметров конкретного варианта реализации системы профилей согласно настоящего изобретения и прототипа согласно патенту РФ №93092 приведены в Таблице 1.
Из таблицы 1 следует, что для описываемой системы, в сравнении с прототипом, напряжения изгиба в точке А снижаются от 137,8 МПа до 127,0 МПа, в точке С возрастают с 46,9 МПа до 51,1 МПа, в точке Е не меняются и остаются 125,1МПа. Напряжение в точках С и Е не превысило напряжение в точке А, поэтому увеличение прочности профиля с U-образной кромкой можно выразить как σ(А прототип)/σ(А описываемая система)=137,8/127,0=1,085 раз. В то же время снижение металлоемкости для описываемой системы, в сравнении с прототипом, можно выразить как Масса 1 метра (прототип)/Масса 1 метра (описываемая система)=23,29/23,23=1,0026 раз. Таким образом, достигается одновременное повышение прочности профиля с U-образной кромкой и снижение металлоемкости замкового соединения относительно прототипа.
Изготовление профилей осуществляется методом горячего прессования из круглой заготовки с последующими операциями правки и резки.
Система профилей для создания замкового соединения может быть использована преимущественно в соединении стенкообразующих сварных элементов шпунтового типа для создания шпунтовых стенок (фиг. 3, 4), а также в соединении бетонных блоков дорожного ограждения (фиг. 5).