БАЛКА КОМПОЗИЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ С ГОФРИРОВАННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
BEAM OF COMPOSITE STRUCTURE WITH CORRUGATED ELEMENTS

Изобретение относится к строительству, более конкретно - к несущим конструкциям (с возможностью выполнения ограждающих функций) промышленных и гражданских зданий и сооружений.
Из уровня техники (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.271-273, рис.5.44) известен класс коробчатых металлических балок, применяемых, как правило, в случаях воздействия существенных крутящих моментов. Недостатком таких конструкций является повышенная металлоемкость, обусловленная назначением толщины листов стенки из условий прочности на срез от действия поперечных сил (как правило - приопорные участки) и местной устойчивости. При этом представляется затруднительным реализовать один из основных критериев оптимальности балочных конструкций - тонкостенность поперечных сечений.
Из уровня техники (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) известна металлическая балка двутаврового сечения с гофрированной стенкой. Недостатком указанной балки является повышенная материалоемкость, что вызвано необходимостью устройства относительно частого шага гофров для обеспечения местной и общей устойчивости стенки, а также назначением толщины стенки из условия прочности на срез от действия максимальных поперечных сил.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения по технической сущности и достигаемому эффекту является балка Селиванова Н.П. (патент на изобретение RU 2029040 С1. Опубликовано 20.02.1995). Недостатком указанной балки является повышенная металлоемкость, вызванная необходимостью назначения высоты и толщины гофрированных листов условиями прочности на срез от действия максимальных поперечных сил, а также относительно частого шага гофров для обеспечения местной и общей устойчивости стенок. Кроме того, в данной конструкции гофрированные стенки связаны между собой только в уровне поясов (отсутствуют промежуточные связи), что откладывает определенные ограничения на шаг и высоту гофров из условий устойчивости стенок и ведет к перерасходу металла на них.
Технический результат от применения настоящего изобретения заключается в снижении металлоемкости балок, повышении прочности и устойчивости (как формы, так и положения), что увеличивает их несущую способность. Указанный технический результат является решением актуальной задачи эффективного использования материала в несущих строительных конструкциях и достигается за счет того, что стенка балки состоит из нескольких традиционно- или переменно-гофрированных в поперечном направлении листов, при этом образованные между гофрированными листами полости на участках интенсивных поперечных сил заполняются бетоном. (Под традиционным понимается гофрирование металлических листов гофрами с постоянным шагом и высотой. Под переменным подразумевается гофрирование металлических листов гофрами с изменяемым шагом и/или высотой в соответствии с изменениями поперечных сил, т.е. на участках относительно интенсивных поперечных сил шаг гофров минимальный, а их высота - максимальная, а на участках относительно малых поперечных сил - обратная ситуация: шаг гофров - максимальный, высота гофров - минимальная). В этом случае на срез от действия поперечных сил (как правило, на приопорных участках) работает сечение стенки, состоящее из металлических гофрированных листов и бетонного участка - сердечника. Это предоставляет возможность уменьшить толщину металлических листов стенки, высоту поперечного сечения балки на участках преобладания поперечных сил, а также снизить высоту и увеличить шаг гофров, обеспечивающих устойчивость стенки. Кроме этого повышается сопротивление конструкции на действие крутящих моментов и снижается влияние собственных напряжений и начальных несовершенств стенки и сжатого пояса. Вес бетонного сердечника вызывает незначительные усилия в элементах конструкции, т.к. концентрируясь, как правило, вблизи опор, создает малые изгибающие моменты. Представленные особенности предлагаемой конструкции приводят к тому, что при меньшем расходе металла повышается изгибно-крутильная жесткость конструкции, прочность от действия поперечных сил, устойчивость формы и положения, а следовательно, и несущая способность.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 - балка композиционной структуры с переменно-гофрированной стенкой и параллельными металлическими поясами;
на фиг.2 - вид сбоку на балку на фиг.1;
на фиг.3 - продольное сечение А-А, поперечные сечения Б-Б, В-В и Г-Г на фиг.2;
на фиг.4 - балка композиционной структуры с переменно-гофрированной стенкой, верхний пояс состоит из металлической полосы, сопряженной с железобетонным настилом (армирование железобетонного настила условно не показано);
на фиг.5 - вид сбоку на балку на фиг.4 (армирование железобетонного настила условно не показано);
на фиг.6 - продольные сечения А-А, Б-Б, поперечные сечения В-В и Г-Г на фиг.5 (армирование железобетонного настила условно не показано);
на фиг.7 - сечение Д-Д на фиг.6 (армирование железобетонного настила условно не показано);
на фиг.8 - балка трапецеидального очертания, композиционной структуры с переменно-гофрированной стенкой;
на фиг.9 - вид сбоку на балку на фиг.8;
на фиг.10 - продольное сечение А-А, поперечные сечения Б-Б, В-В и Г-Г на фиг.9;
на фиг.11 - балка полигонального очертания, композиционной структуры с переменно-гофрированной стенкой, усиленной продольным ребром жесткости;
на фиг.12 - вид сбоку на балку на фиг.11;
на фиг.13 - продольное сечение А-А, поперечные сечения Б-Б, В-В и Г-Г на фиг.12.
Балка композиционной структуры с гофрированными элементами состоит из сжатого пояса 1 и растянутого пояса 2, соединенных стенкой 3, которая состоит из металлических листов 4 и бетонных участков, образованных заполнением бетонным раствором полостей в стенке 3 между листами 4 на участках преобладания поперечных сил. Листы 4 по всей длине или на некоторых участках гофрированы поперечными (перпендикулярными продольной оси балки) гофрами 5 и/или 6.
Гофры 5, 6 на участках стенки 3, заполненных бетоном, остаются постоянного по высоте стенки 3 сечения.
Гофры 5, 6 могут быть односторонними и двусторонними. Устройство двусторонних гофров 5, 6 предпочтительнее ввиду их симметрии относительно срединной плоскости металлических листов 4.
Профиль гофров 5, 6 может быть различным: волнистый (синусоидальный, параболический, эллипсоидный и т.п.), треугольный, трапецеидальный (в частном случае - прямоугольный). Возможно изменение профиля гофров 5, 6 по длине стенки 3.
Объемом изобретения предусмотрен вариант балки, в которой применяются гофры 5 как выходящие на обе кромки листов 4, так и не выходящие, или гофры 6, выходящие только на одну кромку (глухие).
Стенка 3 может иметь перфорацию 7, которую предпочтительно предусматривать в пролетном участке, где интенсивность поперечных сил, как правило, невелика, а интенсивность изгибающих моментов достигает своего максимума. Устройство перфорации 7 позволяет в ряде случаев дополнительно снизить расход металла на стенку и расширить область применения таких конструкций, например, за счет прокладки через отверстия коммуникаций.
Толщина металлических листов 4 стенки 3, расстояние между ними, а также класс бетона и размеры участков, заполненных бетоном, согласуются с условиями прочности стенки на срез и назначаются при проектировании конструкции по конкретным условиям эксплуатации. Возможно применение расширяющихся бетонов и фибробетонов. Таким образом, максимальную толщину металлических листов 4 стенки 3 следует предусматривать на участках действия интенсивных поперечных сил (как правило, приопорные участки) с учетом силового сопротивления бетонных элементов стенки 3.
При относительно малых крутящих моментах, действующих на балку в пролетной части, возможно клиновидное в плане расположение листов 4 стенки 3 по отношению друг к другу с максимальным расхождением на участках максимальных поперечных сил и схождением к участку с относительно малыми поперечными силами. Такая конструкция балки лучше отвечает принципу концентрации материала в зависимости от интенсивности и характера действующих усилий (в данном случае - поперечных сил и изгибающих моментов). При относительно большом расстоянии (соизмеримым с высотой поперечного сечения балки) в плане между наружными листами 4 на опоре описанное выше клиновидное расположение листов 4 позволяет уменьшить сечения связей, раскрепляющих сжатый пояс 1 балки на опоре из их плоскости, или вообще отказаться от устройства таких связей.
Предусмотрен вариант балки, в которой на участках относительно малых поперечных сил и интенсивных изгибающих моментов стенка 3 представляет собой один гладкий или гофрированный металлический лист 4 с вырождением поперечного сечения балки на данных участках в двутавровое (фиг.8-13).
Балка композиционной структуры с гофрированными элементами может иметь по длине стенки поперечные ребра жесткости 8 и/или продольные ребра жесткости 9, а также торцевые опорные ребра 10.
Бетонная смесь (раствор) с армирующими (в случае необходимости) элементами укладывается в соответствующие полости между металлическими листами 4 после их приварки к одному из поясов 1 или 2 или закачивается через отверстия 11 в поясе 1 или 2 после сварки металлических листов 4 с поясами 1 и 2.
Для лучшего сцепления бетона с металлическими листами 4 последние могут иметь соответствующие выштампованные засечки 12 на участках гофров 5. Засечки 12 могут быть направлены как вдоль, так и под углом к продольной оси балки. Не исключена возможность устройства анкерующих элементов 13 в виде гнутых стержней, приваренных к листам 4.
Для обеспечения лучшей совместной работы металлических листов 4 стенки 3 возможно устройство стягивающих болтов 14 и/или поперечных диафрагм 15.
Пояса 1 и 2 балки композиционной структуры с гофрированными элементами могут быть параллельными или не параллельными между собой. В последнем случае очертание поясов 1 и 2 представляет собой треугольную, трапецеидальную, полигональную или сегментную форму.
Сжатый пояс 1 и растянутый пояс 2 балки композиционной структуры с гофрированными элементами могут выполняться с различным поперечным сечением.
Для дополнительного снижения материалоемкости рассматриваемых балок возможно изменение сечения поясов 1 и 2 по длине. Изобретением предусмотрен вариант балки, в которой сжатый пояс 1 выполнен из нескольких материалов: металлического элемента 16 и железобетонного настила 17, скрепленных между собой анкерующими болтами 18. Возможен обрыв металлического элемента 16 над участками устройства бетонных сердечников с устройством арматурных каркасов 19, работающих по принципу нагелей и связывающих железобетонный настил 17 со стенкой 3.
Эффективность балки композиционной структуры с гофрированными элементами обосновывается характером ее работы, который заключается в следующем:
при загружении балки внешней нагрузкой, действующей на один или два пояса 1 и 2 и направленной в плоскости стенки 3, наблюдается поперечный изгиб конструкции. Поперечные силы воспринимаются практически полностью композиционной стенкой 3, а изгибающие моменты - практически полностью поясами 1 и 2. Бетонные участки стенки 3, работая совместно с гофрированными металлическими листами 4, значительно увеличивают жесткость и устойчивость всего сечения в продольном (вдоль гофров 5, 6) его направлении. Это предоставляет возможность уменьшить толщину металлических листов 4 стенки 3, уменьшить высоту и увеличить шаг гофров 5, 6 (запроектировать более пологое и, следовательно, более экономичное гофрирование), а также в ряде случаев отказаться от установки поперечных ребер жесткости 8. При этом, за счет разноса (в плане) металлических листов 4 от продольной оси балки и обеспечения лучшей устойчивости стенки 3 благодаря совместной работе с бетоном, повышаются крутильная и изгибно-крутильная жесткости конструкции, устойчивость ее формы и положения.
Балка композиционной структуры с гофрированными элементами изготавливается из металлов, преимущественно из сталей групп обычной и повышенной прочности с заполнением соответствующих полостей стенки 3 бетонным раствором. Ввиду того, что изгибающие моменты воспринимаются преимущественно поясами 1 и 2, их возможно изготавливать из металлов с разными физико-механическими свойствами (в частности - бистальное решение). Металлические листы 4 стенки 3 соединяются с поясами 1 и 2 с помощью непрерывных, односторонних сварных швов, что необходимо учитывать при выборе конкретных материалов по критериям свариваемости и условиям эксплуатации.
Придание листовым заготовкам необходимой традиционно- или переменно-гофрированной формы возможно с помощью штамповки - прессования заготовок между двумя матрицами, прокатки на профилирующих станах, гибки с помощью профилегибочных машин, а также комбинированием данных способов.
Предлагаемое изобретение может применяться в конструктивных системах несущих элементов зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения, предназначенных для эксплуатации в различных снеговых и ветровых районах, а также в районах с сейсмичностью до 9 баллов.