МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ АРКА С ВАРЬИРУЕМОЙ ЖЕСТКОСТЬЮ СТЕНКИ
METAL ARCH WITH VARIABLE STIFFNESS OF WALL

Изобретение относится к строительству, а более конкретно - к несущим конструкциям арочного типа, применяемым в промышленных и гражданских зданиях и сооружениях.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является известная из уровня техники двухшарнирная металлическая арка двутаврового поперечного сечения со стенкой, гофрированной в радиальном направлении (Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В.В.Кузнецова, изд. АСВ. 1998, стр.228-230). Недостаток указанной конструкции заключается в повышенной материалоемкости, обусловленной конструктивным решением, ввиду того, что гофрированная стенка практически не включается в работу поясов на изгиб из-за малой жесткости поперек гофров. Кроме того, гофрирование стенки осуществляется по всей длине с одинаковыми высотой и шагом гофров, что не рационально в местах снижения интенсивности поперечных усилий и увеличения изгибающих моментов.
Технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в снижении материалоемкости арок, повышении их сопротивляемости внешним силовым воздействиям. Указанный технический результат является решением актуальной задачи снижения материалоемкости строительных конструкций. Данный технический результат достигается за счет того, что стенка арки содержит радиально гофрированные и гладкие участки (отсеки). Последние обладают относительно большой жесткостью в тангенциальном по отношению к контуру арки направлении, что позволяет им воспринимать долю изгибающих моментов, существенно большую, чем у гофрированных участков, жесткость которых поперек гофров крайне мала. При этом локальная устойчивость гладких участков обеспечена малой интенсивностью поперечных сил в местах их устройства.
Гладкие участки стенки увеличивают изгибную жесткость конструкции, что обеспечивает сопротивляемость арки внешним нагрузкам и снижение материалоемкости, т.к. из уровня техники (Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий: 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 - 528 с.С.264) известно, что влияние изгибающих моментов для арок средних и малых пролетов (к которым относится предлагаемое изобретение) весьма существенно.
Радиально гофрированные участки повышают изгибно-крутильную жесткость арки и обеспечивают лучшие условия работы поясов в части их устойчивости, т.к. пояса опираются на условную полосу шириной, равной высоте гофра. При этом из соображений экономичности нет необходимости использования непрерывного гофрирования, как это предусмотрено у ближайшего аналога.
Рассмотренный выше технический результат может быть достигнут, если вместо гладких участков или совместно с ними в стенке используются радиально гофрированные участки с относительно меньшей высотой и большим шагом гофров по сравнению с остальными гофрированными участками. Гофрированные участки с относительно меньшей жесткостью поперек гофров и большей жесткостью вдоль гофров предлагается называть основными гофрированными участками, а гофрированные участки с большей жесткостью в поперечном направлении и меньшей - в продольном -второстепенными гофрированными участками.
Материалоемкость может быть дополнительно снижена за счет устройства в гладких участках перфорации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - арка с варьируемой жесткостью стенки, наличием перфорированных участков и ребер жесткости;
- на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;
- на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1;
- на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1;
- на фиг.5 - сечение Г-Г на фиг.1 (развертка);
- на фиг.6 - арка с варьируемой жесткостью стенки, содержащей основные и второстепенные гофрированные участки;
- на фиг.7 - сечение А-А на фиг.6;
- на фиг.8 - сечение Б-Б на фиг.6;
- на фиг.9 - сечение В-В (развертка) на фиг.6 (раскосы условно не показаны);
- на фиг.10 - эпюра изгибающих моментов в арке от действия вертикальных нагрузок;
- на фиг.11 - эпюра поперечных сил в арке от действия вертикальных нагрузок;
- на фиг.12 - эпюра изгибающих моментов в арке от действия горизонтальных нагрузок;
- на фиг.13 - эпюра поперечных сил в арке от действия горизонтальных нагрузок;
- на фиг.14 - эпюра изгибающих моментов в арке от совместного действия вертикальных и горизонтальных нагрузок;
- на фиг.15 - эпюра поперечных сил в арке от совместного действия вертикальных и горизонтальных нагрузок.
Арка с варьируемой жесткостью стенки представляет собой двухшарнирную конструкцию двутаврового сечения и состоит из поясов 1 и 2 и стенки 3. Пояса 1 и 2 могут быть изготовлены из листового металла или металлических профилей и иметь различное сечение. Шарниры предусмотрены в опорах. Пояса 1 и 2 соединены стенкой 3, которая содержит основные радиально гофрированные участки 4 и гладкие участки 5, а также может включать второстепенные гофрированные участки 6. Профиль гофров может быть различным: трапецеидальный, треугольный, волнистый. Второстепенные гофрированные участки 6 стенки 3 могут иметь профиль гофров, отличающийся от основных гофрированных участков 4 стенки 3. Гладкие участки 5 могут иметь перфорацию 7.
Объемом изобретения предусматривается вариант арки, в которой стенка укреплена радиальными ребрами жесткости 8 или присутствует система раскосов 9 и стоек 10. Ребра жесткости 8 соединены со стенкой 3 сварным соединением. Раскосы 9 и стойки 10 не связаны со стенкой 3 непосредственным контактом. Постановка ребер жесткости 8 и стоек 10 эффективна в местах интенсивных поперечных сил и/или на границе участков 4, 5 и 6.
Возможен вариант арки с переменной толщиной стенки 3, при этом эффективно предусматривать относительно большую толщину для гладких участков 5.
Протяженность участков 5 и 6, обладающих повышенной в поперечном направлении жесткостью, следует ограничивать интервалом 1-3 высоты поперечного сечения стенки 3, т.к. меньшая протяженность незначительно сказывается на снижении материалоемкости, но существенно осложняет изготовление конструкции, а большая - повышает вероятность возникновения погибей - геометрических несовершенств стенки 3, что негативно сказывается на ее устойчивости.
Элементы арки изготавливаются из металла, преимущественно из стали группы обычной или повышенной прочности. Возможен полиметаллический, в частности бистальной, вариант арки.
Пояса 1 и 2 соединены со стенкой 3 с помощью одностороннего сварного шва. Участки 4, 5 и 6 стенки 3 соединены между собой с помощью сварного либо фланцевого соединения.
Для изготовления предлагаемого изобретения возможно прибегать к технологиям, применимым для изготовления ближайшего аналога:
гофрирование радиальными гофрами листовой криволинейной заготовки, изгиб проката, применяемого для поясов, приварка поясов к гофрированной стенке.
Металлическая арка с варьируемой жесткостью стенки 3 работает следующим образом: при действии в плоскости стенки 3 вертикальных и горизонтальных нагрузок возникают изгибающие моменты и поперечные силы (фиг.10-15). При этом конструктивное решение арки с варьируемой жесткостью стенки 3 обеспечивает восприятие поперечных сил (фиг.11, 13, 15) преимущественно основными гофрированными участками (вследствие большей жесткостью вдоль гофров) и ребрами жесткости 8 или стойками 10, если они предусмотрены. Изгибающие моменты (фиг.10, 12, 14) воспринимаются преимущественно поясами 1 и 2 и гладкими участками 5 стенки 3. Основные гофрированные участки 4 стенки 3 предотвращают потерю устойчивости стенки 3 при действии поперечных сил и улучшают работу поясов 1 и 2, которые, как правило, сжаты. Пояса 1 и 2 опираются на условную полосу шириной, равной высоте гофров участков 4 и 6. Устройство гладких участков 5, а также второстепенных гофрированных участков 6, обладающих повышенной жесткостью поперек гофров, с одной стороны уменьшает материалоемкость арки, а с другой - более эффективно включает материал стенки 3 в работу конструкции. Распор, возникающий при нагружении арки, воспринимается опорными элементами или затяжкой (в случае ее устройства), предусмотренной в уровне опорных узлов.
Очертание арки с варьируемой жесткостью стенки 3 преимущественно круговое (по дуге окружности) или параболическое.
Арка с варьируемой жесткостью стенки 3 выполняется преимущественно с параллельными поясами 1 и 2, но допустим и вариант серповидного решения поясов 1 и 2, а также вариант с переломом наружного пояса 1.
Максимальный пролет арки с варьируемой жесткостью стенки 3 характерен для сплошностенчатых арок и составляет 60 метров. Как известно из уровня техники (Металлические конструкции. В 3 т. Т.2. Конструкции зданий: 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 - 528 с. С.255, 264), дальнейшее увеличение пролета сказывается возрастанием влияния нормальной силы при том, что влияние изгибающих моментов несущественно.
Конкретные места устройства гладких участков 5 и второстепенных гофрированных участков 6 определяются анализом результатов статических расчетов конструкции при заданных условиях эксплуатации. На основе анализа эпюр изгибающих моментов (фиг.10, 12, 14) и поперечных сил (фиг.11, 13, 15) от действия (в том числе и совместного) вертикальной (снег, собственный вес и т.п.) и горизонтальной (ветер слева или ветер справа) нагрузок можно сделать вывод о том, что участки 5 и 6 следует предусматривать в интервале 0-1/3 пролета, считая от опорных узлов.