Комбинированная балка
COMBINED BEAM

Изобретение относится к области строительства, в частности к конструкциям комбинированных двутавровых балок, используемых в качестве несущих элементов покрытий и перекрытий малоэтажных зданий, а также в качестве балок опалубочных комплектов.
Известна составная металлодеревянная балка двутаврового сечения, включающая конструктивные элементы - пояс и стенку, соединенные в жесткую конструкцию при помощи металлических нагелей, при этом пояса выполнены из древесины, а стенка из волнистого стального листа.
[Патент на полезную модель РФ №151745, от 23.12.2013, МПК Е04С 3/12, Бюллетень №10 от 10.04.2015].
Недостатком этой балки является низкая несущая способность и жесткость конструкции, необходимость в большом количестве нагелей, обеспечивающих совместную работу стенки и поясов.
Известна клеефанерная балка двутаврового сечения, состоящая из брусчатых деревянных поясов с криволинейными пазами трапециевидной формы и тонкой волнистой фанерной стенкой, изогнутая преднапряженная форма которой получена протяжкой плоской фанерной заготовки вдоль криволинейных пазов с последующей запрессовкой и склеиванием.
[Атлас деревянных конструкций / К.-Г. Гетц, Д. Хоор, К. Мелер, Ю. Наттерер; Перевод с немецкого Н. И. Александровой; Под ред. В. В. Ермолова. - Москва: Стройиздат, 1985; стр. 52-53, рис. 30].
Клеефанерную балку проектируют в основном с одинарной стенкой, при этом непрерывность фанерной полосы, образующей стенку, в поточном производстве достигается стыковкой листов фанеры, например, на «ус».
Недостатки конструкции выражаются в сложности технологического процесса, связанного с принудительным формированием волнистой формы фанерной стенки и креплением ее к поясам, низкой прочности стенки на срез, а также в низкой надежности клеевых соединений из-за опасных растягивающих усилий, направленных поперек волокон древесины, возникающих в поясах и стенке при ее запрессовке. Изготовление балки требует применения сложного и дорогостоящего технологического оборудования для установки стенки в проектное положение.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является комбинированная балка, включающая пояса из гвоздимого материала, поперечно гофрированную металлическую стенку с зубьями на продольных краях, которые запрессованы в пояса [Pat. USA №3,538,668 «REINFORCED ARCHITECTURAL SHAPES» Patented Nov. 10,1970 by Howard A. Anderson, 2278 Meadow Road, Ingomar, Pa. 15237 Continuation-in-part of application Ser. No. 518,414, Jan. 3,1966. This application Dec. 1, 1967, Ser. No. 691,101; Int. C1. E04C 2/26; U.S. C1. 52-615]. Данное изобретение принято за прототип.
В этом патенте заявлены разные строительные конструкции, имеющие снаружи два линейных или плоских элемента типа тонких пластин, выполненных из материалов, обладающих свойством гвоздимости, объединенных при помощи запрессовки одной или нескольких волнистых металлических стенок, снабженных для этой цели вдоль продольных краев острыми зубьями треугольной формы, попеременно отогнутыми в разные стороны.
К основным недостаткам конструкции и способа ее изготовления относятся сложность и дороговизна технологического оборудования, податливость зубчатого соединения, низкая надежность и изгибная жесткость конструкции.
Отогнутые от вертикали, разведенные в разные стороны и часто расположенные зубья, снижают несущую способность и надежность соединения с древесиной, поскольку глубина и успешность их запрессовки в линейные или плоские элементы не может быть проконтролирована. Высока вероятность того, что часть зубьев не войдет в древесину, а избыточное локальное усилие запрессовки прокатного стана может привести к местной потере устойчивости тонкой стенки.
Кроме того, не поддается контролю геометрическая точность расположения волнистой стенки по отношению к осям пластин и поясов, что усложняет процесс изготовления, влияет на качество готового изделия.
Для одновременной запрессовки большого количества зубьев потребуются мощные и дорогостоящие прессы. В данном патенте - это прессы проходного типа.
Сущность изобретения - повышение несущей способности и надежности комбинированной балки с одновременным упрощением ее изготовления за счет простоты, точности сборки и высокой монтажной готовности, совмещения технологических операций формования конструкции в едином технологическом процессе с использованием прессового оборудования малой мощности.
Технический результат изобретения - повышение несущей способности и надежности конструкции комбинированной балки, а также оптимизация технологический процесса при ее изготовлении.
Технический результат достигается тем, что в известной комбинированной балке, включающей пояса из гвоздимого материала, поперечно гофрированную металлическую стенку с зубьями на продольных краях, запрессованными в пояса, особенность заключается в том, что пояса выполнены с криволинейными или дискретно криволинейными продольными взаимно согласованными пазами, соответствующими геометрии стенки, а зубья частично или попеременно отогнуты, формованы, запрессованы в полости криволинейных пазов; при этом металлическая гофрированная стенка дополнительно закреплена компаундом, уложенным в криволинейные пазы поясов.
Поперечное гофрирование стенки может быть выполнено в процессе протяжки металлического листа стенки вдоль криволинейных пазов поясов при сборке балки.
Пояса могут быть изготовлены составными, клееными и собраны по высоте сечения из ламелей разной ширины и толщины, при этом криволинейные пазы получены продольным роспуском крайних ламелей, обращенных к стенке, в соответствии с геометрией и толщиной стенки. В этом случае криволинейные пазы могут быть выполнены Т-образной замковой формы, а зубья стенки - прямоугольной или треугольной формы отогнуты на угол 90° в процессе запрессовки в полости пазов.
Криволинейные пазы также могут быть выполнены прямоугольной формы, допускающей свободную посадку стенки до запрессовки ее зубьев, или трапециевидной замковой формы, при этом частично отогнутые в разные стороны зубья могут иметь когтевую, дугообразную форму, вершины которых расположены в срединной плоскости стенки.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена комбинированная балка в аксонометрии, где показаны: пояс 1, криволинейный паз 2, стенка 3, зубья 4, компаунд 5 в пазах поясов.
На фиг. 2 изображен в увеличенном масштабе фрагмент балки по фиг. 1 в момент ее сборки, где показаны: пояс 1, криволинейный паз 2, стенка 3, зубья 4.
На фиг. 3 изображено поперечное сечение комбинированной балки по фиг. 1 с прямоугольной формой криволинейных пазов в последовательности изготовления, где показаны в процессе изготовления: пояс 1, криволинейный паз 2, стенка 3, зубья 4, компаунд 5.
На фиг. 3, А - стадия сборки, на фиг. 3, В - стадия запрессовки, а на фиг. 3, С - заключительная стадия заполнения криволинейных пазов 2 компаундом 5.
На фиг. 4 изображено поперечное сечение комбинированной балки по фиг. 1 с криволинейными пазами прямоугольной формы с цилиндрическим днищем в последовательности изготовления, где показаны в процессе изготовления: пояс 1, криволинейный паз 2, стенка 3, частично попеременно разведенные в разные стороны зубья 4, компаунд 5.
На фиг. 4: А - стадия сборки; В - стадия запрессовки; С - заключительная стадия заполнения криволинейных пазов 2 компаундом 5.
На фиг. 5 изображено поперечное сечение комбинированной балки по
фиг. 1 с криволинейными пазами трапециевидной замковой формы в последовательности изготовления, где показаны в процессе изготовления: пояс 1, криволинейный паз 2, стенка 3, частично попеременно разведенные в разные стороны зубья 4, компаунд 5.
На фиг. 5: А - стадия сборки; В - стадия запрессовки; С - заключительная стадия заполнения криволинейных пазов 2 компаундом 5.
Заполнение криволинейных пазов 2 компаундом 5 начинается до стадии сборки, а на фиг. 5, А и 5, Б компаунд 5 условно не показан.
На фиг. 6 изображено поперечное сечение комбинированной балки по фиг. 1 с криволинейными пазами трапециевидной замковой формы в последовательности изготовления, где показаны в процессе изготовления: пояс 1, криволинейный паз 2, стенка 3, частично попеременно разведенные в разные стороны зубья 4 когтевой, дугообразной формы на продольных кромках, вершины которых лежат в срединной плоскости стенки, вставленных, отформованных и запрессованных в полости, стенки и днище криволинейных пазов 2, заполненных компаундом 5.
На фиг. 6: А - стадия сборки; В - стадия запрессовки; С - заключительная стадия заполнения криволинейных пазов 2 компаундом 5.
Заполнение криволинейны пазов 2 компаундом 5 начинается до стадии сборки, а на фиг. 6, А и Б компаунд 5 условно не показан.
На фиг. 7, изображено поперечное сечение комбинированной балки по фиг. 1 с криволинейными пазами Т-образной формы, где металлическая волнистая стенка 3 получена установкой и запрессовкой или протяжкой и запрессовкой гибкой полосы, с поперечно просеченными (надрезанными) продольными зубчатыми кромками, с попеременно отогнутыми в разные стороны зубьями 4 треугольной или прямоугольной формы, размещенными в полостях Т- образных криволинейных пазов 2, заполненных компаундом 5.
На фиг. 7: А - балка с цельными поясами 1, снабженными Т-образным криволинейным пазами 2;
В - балка с многослойными клееными поясами 1, составленными из ламелей, причем криволинейные пазы 2 поясов Т-образной формы образуют крайние составные по ширине ламели из накладок: левой накладки 6 и правую накладки 7 со стороны стенки 3, полученные продольным роспуском (раскроем) прямоугольной заготовки на две части по линии соответствующей геометрической форме стенки 3 с учетом ее толщины, жестко соединенные с другими ламелями поясов 1 на клею;
С - заключительная стадия заполнения криволинейных пазов 2 компаундом 5.
Комбинированная балка состоит из поясов 1, выполненных преимущественно из гвоздимых материалов, например, из цельной или клееной древесины с взаимно согласованными криволинейными пазами 2, гибкой металлической гофрированной стенки 3, объединяющей пояса и имеющей на продольных краях зубья 4, все или часть которых попеременно отогнута в разные стороны, вставленной или протянутой вдоль криволинейных пазов 2, запрессованной в полости криволинейных пазов 2, а острыми зубьями - в стенки, днища и ребра пазов, заполненных компаундом 5. Криволинейные пазы 2 у разных комбинированных балок могут иметь разную форму поперечного сечения: прямоугольную, прямоугольную с цилиндрическим днищем, Т-образную и трапециевидную замковую форму.
В качестве металла гофрированной стенки 3 может использоваться тонколистовая малоуглеродистая сталь с защитными антикоррозионными покрытиями или нержавеющая сталь толщиной 0,6…1,5 мм.
Формирование зубьев 4 любой формы может быть получено просечкой, штамповкой или резкой металлической полосы.
Длина зуба 10...20 мм. Их частичный и попеременный развод, заострение вершин, форму отгиба определяет геометрия профиля и размеры криволинейного паза 2, а также твердость материала поясов.
С учетом заполнения криволинейного паза 2 компаундом 5 длина зубьев 4 будет минимальной, а глубина криволинейного паза 2 должна быть не менее 8-10 мм из условий технологии изготовления, прочности и надежности механического и клеевого (комбинированного) соединения.
Криволинейные пазы 2 в деревянных поясах 1 могут быть созданы фрезерованием или с применением других более рациональных технологий, например, накаткой (тиснением) или склеиванием ламелей разной толщины и ширины, полученных криволинейным роспуском ламелей на две части, с оставлением зазора (щели) между ними.
Форма поперечного сечения криволинейного паза 2 может быть прямоугольная (наиболее простая), трапециевидная или Т-образная замковая.
Геометрические размеры криволинейного паза 2 должны обеспечивать свободную установку, посадку или протяжку зубчатых краев стенки 3 до начала запрессовки и их контакта с ребрами, днищем и стенками криволинейного паза 2.
Кривая паза может быть описана гармонической функцией, например, синусом, с постоянным периодом.
Возможен иной вариант геометрии стенки, например, в форме затухающих по закону экспоненты волн собственных колебаний с нулевой амплитудой в середине пролета однопролетной шарнирно опертой балки, где действуют наибольшие изгибающие моменты.
В качестве компаунда 5, заполняющего криволинейные пазы 2, целесообразно использовать безусадочные вязкие составы на основе эпоксидных смол с достаточной технологической живучестью, обладающих хорошей адгезией к разнородным материалам, быстрым схватыванием, с добавлением мелкодисперсного неорганического наполнителя в виде кварцевого песка или цемента, удешевляющих компаунд 5.
Сборка и изготовление комбинированной балки осуществляется на сборочном стенде (стапеле) с использованием фиксирующих пояса 1 и стенку 3 технологических приспособлений, а также прессового оборудования проходного типа.
На первом этапе изготовления с использованием запрессовки продольные края стенки 3 сначала свободно вставляются и точно фиксируются в криволинейных пазах 2 поясов 1.
На втором этапе осуществляется запрессовка продольных краев металлической стенки 3 в криволинейные пазы 2 поясов 1, которая не требует применения прессов большой мощности, поскольку лишь часть зубьев 4 впрессовывается в древесину, обеспечивая достаточную технологическую прочность и жесткость изделию. На заключительном этапе изготовления криволинейные пазы 2 заполняются компаундом 5.
Возможен вариант изготовления балки, в котором криволинейные пазы 2 поясов 1 частично заполняются компаундом 5 еще до момента сборки стенки 3 с поясами 1. Этот порядок изготовления обязателен при замковой форме пазов 2 (трапециевидной и Т-образной).
Сначала замковые криволинейные пазы 2 поясов 1 частично заполняются компаундом 5. Затем на стапеле осуществляется сборка и запрессовка, как было описано выше, при этом отгибы на 90° зубьев 4 (продольных поперечно надрезанных краев стенки 3) формуются непосредственно в полости Т-образных криволинейных пазов 2.
Изготовление комбинированной балки с формованием поперечно гофрированной волнистой стенки 3 за счет протяжки тонкой металлической полосы с незначительно отогнутыми зубьями 4 вдоль криволинейных пазов 2 начинается с частичного заполнения их компаундом 5, снижающим силы трения и облегчающим сборку. По завершении протяжки производится запрессовка зубьев 4 в полости, ребра, стенки и днища криволинейных пазов 2.
Поперечные надрезы (просечки) краев стальной гибкой полосы, уменьшают изгибную жесткость, облегчая принудительное гнутье тонколистового металла стенки 3, а начальные несовершенства в виде незначительных разносторонних отгибов облегчают формование отгибов зубьев 4 под углом 90° в процессе изготовления балки при запрессовке.
При изготовлении комбинированной балки с многослойными клееными деревянными поясами 1 предварительно собранная и зафиксированная в кондукторе конструкция снабжается со стороны стенки 3 ламелями из накладок: левой накладки 6 и правой накладки 7 с криволинейными кромками, соответствующими форме гофрированной стенки, полученными путем продольного раскроя (роспуска) исходной прямоугольной заготовки.
Накладки-ламели: левая накладка 6 и правая накладка 7, жестко прикрепленные к поясам 1 на клею, например, при помощи гвоздевой запрессовки, формируют криволинейный паз 2 нужной формы. Они же могут быть использованы для формования геометрии поперечно гофрированной волнистой стенки 3 в процессе изготовления клееных поясов 1.
Повышение несущей способности и надежности конструкции комбинированной балки и оптимизация технологического процесса при ее изготовлении, в предложенном техническом решении, достигаются за счет создания комбинированного соединения путем совмещения в едином процессе различных технологических операций, обеспечения контролируемых условий сборки, формования, запрессовки и анкеровки зубьев в пазах поясов без привлечения специальной технологической оснастки. Повышение несущей способности и надежности конструкции комбинированной балки также достигается за счет определенного расположения зубьев в соответствии с формой криволинейных пазов и дополнительного закрепления стенки компаундом, которым заполнены криволинейные пазы поясов.