БАЛКА КОМПОЗИЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ
COMPOSITE STRUCTURE BEAM

Изобретение относится к строительству, а именно к балкам покрытий и перекрытий зданий и сооружений, к пролетным строениям мостов и другим элементам, работающим преимущественно в условиях изгиба.
Известна сталебетонная балка, включающая стальной профиль двутаврового сечения, имеющий анкерные элементы и бетон заполнения, анкерные стержни приварены к стенкам двутавра по огибающей эпюре изгибающего момента, с обеих сторон стенки в два ряда с разным шагом, с уменьшением к опорам (RU 155972, Е04С 3/294, опубл. 27.10.2015, бюл. № 30).
Недостатком такого технического решения является повышенный расход материала балки, так как бетоном заполнено все внутреннее пространство между поясами и стенками балки, в том числе и в зонах их неэффективного взаимодействия.
Известна также бипластмассовая балка, состоящая из верхнего и нижнего поясов, вертикальной волнистой стенки, клеевой композиции и ребер жесткости, поставленных в опорных сечениях и в местах приложения сосредоточенных нагрузок, верхний и нижний пояса выполнены из углепластиковых швеллеров, стенки которых образуют верхнюю и нижнюю грани балки, причем вертикальная волнистая стенка из стеклопластиковых листов продольными гранями примыкает к внутренним горизонтальным поверхностям верхнего и нижнего поясов, а гребнями приклеена к внутренним вертикальным поверхностям верхнего и нижнего поясов, при этом внутреннее пространство швеллеров заполнено клеевой композицией, а ребра жесткости приклеены к вертикальной волнистой стенке и к верхнему и нижнему поясам (RU 2535865, Е04С 3/07, опубл. 20.12.2014, бюл. № 35).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость, обусловленная тем, что стенка выполнена волнистой и ее суммарная длина больше длины пролета, что, как следствие, приводит к дополнительному расходу материала.
Кроме того, внутреннее пространство швеллеров полностью заполнено клеевой композицией, что увеличивает объем неэффективного использования клеевой композиции как по высоте сечения бипластмассовой балки, так и по ее длине пролета и приводит к дополнительному расходу клеевой композиции, что увеличивает материалоемкость бипластмассовой балки в целом.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является балка композиционной структуры с гофрированными элементами, 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, бюл. № 2).
Недостатком такого конструктивного решения является повышенная материалоемкость, обусловленная тем, что на части ее длины стенки состоят из двух металлических листов и имеют гофрирование, что приводит к увеличению линейной длины металлических листов стенки, кроме того стенки выполнены двойными что приводит к соответствующему повышению расхода металла на стенки, а, значит и на конструкцию в целом.
Композитный материал, например, бетон, размещен только на части пролета балки, а, следовательно, на участках, где он отсутствует каждый металлический лист стенки балки имеет увеличенную толщину, необходимую для обеспечения его устойчивости в сжатых зонах, что приводит к повышенному расходу металла на стенку, и на конструкцию в целом.
Композитный материал, например бетон, в зонах его размещения по длине балки заполняет полости по всей высоте стенки, в том числе и в ее растянутой части, где отсутствует возможность потери устойчивости металлических листов стенки и есть возможность полного использования прочностных свойств материала стенки, следовательно, эффективность размещения в этих зонах композита приводит к неэффективному его использованию, и, соответственно к повышенному расходу материала на конструкцию в целом.
Композитный материал, например, бетон, в зонах его размещения по длине балки заполняет полости на всю ширину пространства между металлическими листами, а, как известно, эффективность совместной работы поясов, стенки балки с композитным материалом 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 напряженное состояние стенки и поясов балки и, как следствие, к недоиспользованию прочностных свойств композитного материала и его неэффективному применению, что в итоге повышает материалоемкость балки композиционной структуры.
Задача изобретения - снижение материалоемкости балки композиционной структуры за счет формирования более эффективных параметров плоскостных элементов из композитных материалов и повышение эксплуатационной надежности.
ст
пкэ
пкэ
Технический результат достигается тем, что балка композиционной структуры, содержащая сжатый и растянутый пояса, стенку из металлических листов, дополнительно содержит плоскостные элементы из композитных материалов, установленные с двух сторон стенки и внутренними поверхностями жестко объединенные с ней, расположенные в ее сжатой зоне и имеют переменные размеры, ограниченные в своих плоскостях поясами балки и изолинией нулевых значений главных сжимающих напряжений в стенке от внешних нагрузок, а в поперечном направлении очертание внешней поверхности каждого плоскостного элемента из композитных материалов подобно эпюрам главных сжимающих напряжений в стенке балки композиционной структуры, при этом наибольшая толщина каждого из них не превышает значений , где t - толщина стенки балки композиционной структуры, Е - модуль деформации плоскостных элементов из композитных материалов, R - расчетное сопротивление материала плоскостных элементов из композитных материалов.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
- фиг. 1 - общий вид балки композиционной структуры;
- фиг. 2 - поперечное сечение А-А на фиг. 1;
- фиг. 3 - поперечное сечение Б-Б на фиг. 1;
- фиг. 4 - поперечное сечение В-В на фиг. 1;
- фиг. 5 - поперечное сечение Г-Г на фиг. 1;
- фиг. 6 - поперечное сечение Д-Д на фиг. 1;
- фиг. 7 - аксонометрическое представление плоскостного элемента из композитных материалов.
max
ст
пкэ
пкэ
Балка композиционной структуры 1 (фиг. 1) включает сжатый 2 и растянутый 3 пояса, стенку 4 из металлических листов и плоскостные элементы 5 из композитных материалов, например, стеклопластика, фибробетона, углепластика. Плоскостные элементы 5 из композитных материалов установлены с двух сторон стенки 4 и внутренними поверхностями 6 жестко объединены с ней, например, на клею, на высокопрочных болтах (фрикционное соединение), комбинированно - на болтах, заклепках и клею, при этом плоскостные элементы 5 из композитных материалов расположены в сжатой зоне 7 стенки 4 (фиг. 1-4) и по длине пролета и поперечному сечению стенки 4 имеют переменные размеры (фиг. 5-6), которые ограничены по длине пролета поясами 2 и 3 и изолинией (линией равных величин) нулевых значений главных сжимающих напряжений 8 в стенке 4 от внешних нагрузок (фиг. 1), а очертание внешней поверхности 9 каждого плоскостного элемента 5 из композитных материалов выполнено подобным эпюрам главных сжимающих напряжений в стенке 4 балки композиционной структуры 1 (фиг. 7), при этом наибольшая толщина t каждого плоскостного элемента из композитного материала не превышает значений , где t -толщина стенки балки композиционной структуры, Е - модуль деформации плоскостных элементов из композитных материалов, R - расчетное сопротивление плоскостных элементов из композитных материалов.
При действии на балку композиционной структуры 1 внешних нагрузок сжатый пояс 2, растянутый пояс 3, стенка 4 и плоскостные элементы 5 из композитных материалов, жестко объединенные с ней внутренними поверхностями 6, деформируются совместно.
Во вне сжатой зоны 7 в стенке 4 балки действуют растягивающие напряжения, что исключает возможность потери устойчивости и дает возможность обеспечить полное использование ее прочностных свойств. Установка плоскостных элементов 5 только в сжатой зоне 7 стенки 4 позволяет обеспечить ее устойчивость на участке сжатой зоны 7, что приводит к полному использованию прочностных свойств материала стенки 4, возможности назначения минимальной из условия прочности ее толщины и, в итоге, к снижению материалоемкости системы в целом.
Установка плоскостных элементов 5 из композитных материалов в сжатой зоне 7 стенки 4 с переменными размерами, ограниченными по длине пролета поясами 2, 3 и изолинией нулевых значений главных сжимающих напряжений 8 в стенке 4 от внешних нагрузок позволят выполнить усиление стенки 4 только в сжатой зоне 7 (фиг. 1), где не обеспечена ее устойчивость, что приводит к уменьшению размеров плоскостных элементов 5 из композитных материалов, и снижению расхода композитного материала на конструкцию в целом.
Очертание внешней поверхности 9 каждого плоскостного элемента 5 из композитного материала подобное эпюрам главных сжимающих напряжений позволяет эффективно увеличивать толщину плоскостных элементов 5 из композитных материалов в зонах наибольших главных сжимающих напряжений и соответствующих им совместных деформаций стенки 4 и плоскостных элементов 5 из композитных материалов и пропорционально уменьшать их толщину в зонах с минимальными значениями сжимающих напряжений и дает возможность в полной (фиг. 2-4) мере использовать прочностные свойства плоскостных элементов 5 из композитных материалов, что приводит к экономии композитного материала и снижению материалоемкости системы в целом.
При совместной работе материала стенки 4 и материала плоскостных элементов 5 эффективность их взаимодействия при удалении от зоны контакта стенки 4 и внутренних поверхностей 6 плоскостных элементов 5 из композитных материалов уменьшается.
max
ст
пкэ
пкэ
max
Ограничение их толщины значениями t с учетом геометрических и механических параметров как стенки 4 (t), так и плоскостных элементов 5 из композитных материалов (Е, R) позволяет исключить назначение неэффективной толщины слоя композитного материала t, и, следовательно, снизить расход композитного материала на балку композиционной структуры с плоскостными элементами из композитного материала в целом.
Как известно, глубина (толщина) зон эффективного взаимодействия, связанных элементов, на которых взаимное влияние главных сжимающих нормальных напряжений является значимым, определяется, например, из: 1. СП 16.13330.2017 Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП П-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.
По сравнению с прототипом данное техническое решение обладает пониженной материалоемкостью балки на 10÷15% и повышенной эксплуатационной надежностью до 17%.