Пустотелый строительный металлический элемент

Полезная модель относится к области строительства, а именно к тонкостенным металлическим конструкциям, в которых тонкостенный элемент выполняет не только ограждающую, но и несущую функцию.
Известен пустотелый строительный металлический элемент транспортерной галереи оболочечного типа прямоугольной формы [1, С. 42-44, рис. 26, 27], в котором оболочка, выполняющая несущие и ограждающие функции, состоит из плоской листовой обшивки, продольных ребер-стрингеров швеллерного сечения (ГОСТ 8282-83), жестких замкнутых поперечных рам-шпангоутов, образованных из балок покрытия и стоек стен. Все элементы соединены между собой в жесткую геометрически неизменяемую конструкцию с использованием сварки, а также высокопрочных болтов в узловых соединениях элементов шпангоутов.
Элементы шпангоутов расположены в поперечном сечении галереи по-разному: балки покрытия - внутри, а балки перекрытия и стойки - снаружи.
Шаг шпангоутов по длине галереи принят 3 м. Гнутые С-образные стрингеры с размерами 400×160×50×3 или 400×160×60×4 мм, подкрепляющие тонколистовую обшивку, расставлены по ширине граней оболочки равномерно с шагом не более 450 мм.
Длина отправочной марки (монтажной секции) 12 м. Поперечные размеры призматической оболочки отвечают стандартным транспортным габаритам по ширине и высоте. /Пособие по проектированию конвейерных галерей [Текст]: к СНиП 2.09.03-85: Утв. 07.05.87 / Государственный проектный институт Ленпроектстальконструкция, Госстрой СССР. - Москва: Стройиздат, 1989. - 106 с./
Основной недостаток типовой конструкции пустотелого строительного металлического элемента транспортерной галереи, снижающий технико-экономическую эффективность по показателям стоимости и трудоемкости - высокая металлоемкость и большое число элементов.
Известен пустотелый металлический строительный элемент замкнутого поперечного сечения с продольно гофрированными стенками [2], внутренними плоскими сквозными диафрагмами жесткости, установленными по длине элемента, в котором стенки элемента соединены между собой по линии пересечения срединных плоскостей гофрированных стенок.
Строительный элемент состоит из четырех многогофровых стенок двух типоразмеров (первый тип - горизонтальные листы; второй тип - вертикальные листы), объединенных сварными швами и обладающих жесткостью на изгиб. Установка внутри полости элемента плоских сквозных диафрагм жесткости препятствует общей потере устойчивости, обеспечивая неизменяемость контура поперечного сечения. Многогофровые стенки элемента препятствуют потере местной устойчивости при осевом сжатии. Соединение гофрированных стенок по линии пересечения их срединных плоскостей исключает дополнительный изгибающий момент. /А.с. СССР №855146 от 10.10.1979, опубл. 25.08.1981 МПК Е04С 3/36, Бюл. №30 от 15.08.1981 (https://findpatent.ru/patent/85/855146.html)/
Этот пустотелый металлический строительный элемент принят за прототип.
К недостаткам известного устройства относятся низкая несущая способность и ограниченная функциональность, заявленная в изобретении, как силовая работа на осевое сжатие, сужающая возможные области применения.
При внецентренном сжатии или поперечном изгибе продольно ориентированные гофры боковых стенок обладают низкой местной устойчивостью, а угловые сварные соединения продольно гофрированных листов, соединенных под прямым углом, является наиболее слабым, в отношении прочности, местом конструкции с высоким уровнем напряжений. Плоская форма диафрагм жесткости, лишь частично контактирующих с полками гофр, не обеспечивает полной геометрической неизменяемости формы гофр под нагрузкой общего вида.
Кроме того, в строительном элементе не оформлена конструкция опор.
Применение известного металлического строительного элемента в крупногабаритных конструкциях, например, в конвейерных галереях, потребует увеличения толщины гофрированных листов, частой установки диафрагм жесткости в приопорных зонах, что увеличит материалоемкость и трудоемкость изготовления.
Сущность полезной модели - повышение несущей способности в условиях сложного сопротивления, снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления - основана на рациональном использовании конструктивно анизотропного конструкционного материала гофрированных пластин с различной ориентацией гофр в боковых стенках по длине элемента.
Технический результат полезной модели - повышение несущей способности пустотелого строительного металлического элемента в условиях сложного сопротивления, снижение его металлоемкости и трудоемкости изготовления, достигнут целенаправленным и рациональным использованием приема конструктивной анизотропии по длине элемента, учитывающим особенности напряженно-деформированного состояния его частей.
Технический результат достигается тем, что в известном пустотелом строительном металлическом элементе в форме замкнутой призматической оболочки, имеющем продольно гофрированные горизонтальные и вертикальные стенки, жестко соединенные между собой и подкрепленные изнутри поперечными диафрагмами жесткости, расставленными по длине элемента, особенность заключается в том, что стенки соединены при помощи угловых стрингеров, открытые торцы гофр усилены заглушками, вертикальные стенки в приопорных зонах на участке длиной  L имеют поперечную ориентацию гофр, встроены между стрингерами и диафрагмами жесткости, к которым они жестко прикреплены, горизонтальные стенки в тех же приопорных зонах подкреплены и соединены с балками, вставленными между стрингерами и прикрепленными к ним концами, а диафрагмы жесткости в виде жестких рам-шпангоутов установлены по торцам и с заданным шагом в средней части элемента, образуя с угловыми стрингерами и балками жесткий пространственный каркас.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен пустотелый строительный металлический элемент в аксонометрии, где показаны: горизонтальные стенки 1 и вертикальные стенки 2, поперечные диафрагмы жесткости 3, выполненные в виде жесткой замкнутой рамы-шпангоута, угловые стрингеры 4, заглушки 5, часть вертикальной стенки с поперечной ориентацией гофр 6, балки 7.
На фиг. 2,а изображен пустотелый строительный металлический элемент в двух проекциях: фронтальной и сверху, а на рис. 2,б - симметричный детализированный фрагмент фронтальной проекции дополнен продольным разрезом.
На фиг. 2,а,б показаны: горизонтальные стенки 1 и вертикальные стенки 2, поперечные диафрагмы жесткости 3, угловые стрингеры 4, заглушки 5, часть вертикальной стенки с поперечной ориентацией гофр 6, балки 7, а также протяженность участков вертикальной стенки с поперечной ориентацией гофр в долях от пролета L.
На фиг. 3 изображены поперечные разрезы 1-1 и 2-2 по фиг. 2, где показаны: горизонтальные стенки 1 и вертикальные стенки 2, поперечные диафрагмы жесткости 3, угловые стрингеры 4, заглушки 5, часть вертикальной стенки с поперечной ориентацией гофр 6 и балки 7.
Пустотелый строительный металлический элемент в средней зоне, испытывающей преимущественно изгиб, имеет стенки, выполненные с продольной ориентацией гофр, наилучшим образом отвечающие требованиям прочности и жесткости.
В приопорных зонах, на длине четверти пролета  L, где преобладает сдвиг от поперечной силы, вертикальные стенки выполнены с поперечной, по отношению к продольной оси элемента, ориентацией гофр. Такое техническое решение повышает сдвиговую жесткость и несущую способность пустотелого строительного металлического элемента, при этом отпадает необходимость в установке на этом участке поперечных диафрагм жесткости 3, за исключением торцов пустотелого строительного металлического элемента, где требуется повышенная крутильная жесткость. Поперечные диафрагмы жесткости 3 в виде жестких рам-шпангоутов установлены по торцам и в средней части пустотелого строительного металлического элемента с заданным шагом.
Угловая стыковка горизонтальных стенок 1 и вертикальных стенок 2 осуществлена при помощи угловых стрингеров 4, которые в средней зоне расположены внутри пустотелого строительного металлического элемента, а в приопорных зонах снаружи.
Части вертикальных стенок с поперечной ориентацией гофр 6 встроены между угловыми стрингерами 4 и диафрагмами жесткости 3, к которым они жестко прикреплены, при этом стрингеры 4 служат поясными соединительными элементами.
Балки 7, вставленные между угловыми стрингерами 4 в приопорной зоне пустотелого строительного металлического элемента, поддерживают продольно гофрированные горизонтальные стенки 1 и соединены с ними.
Угловые стрингеры 4 объединяют поперечные диафрагмы жесткости 3 и балки 7 в единый пространственный каркас.
Такое техническое решение упрощает изготовление и одновременно повышает несущую способность пустотелого строительного металлического элемента за счет рационального размещения конструкционного материала в его поперечных сечениях.
Наиболее выгодной формой поперечного сечения угловых стрингеров 4 является трубчатая прямоугольная форма, отличающаяся низкой массой, высокой прочностью, жесткостью, а также конструктивными достоинствами в формировании узловых сопряжений.
Поперечные диафрагмы жесткости 3 в виде прямоугольных рамшпангоутов могут быть выполнены из металлопроката, профилей открытого или замкнутого поперечного сечения.
С целью предотвращения проникновения атмосферных осадков, а также для усиления открытых торцов гофр продольно гофрированных вертикальных стенок 2 и обеспечения непрерывности силового потока в местах их поперечной стыковки, через диафрагмы жесткости 3, с частями вертикальных стенок с поперечной ориентацией гофр 6 предусмотрены усилительные заглушки 5. Заглушками 5 снабжены также и открытые торцы горизонтальных стенок 1.
Горизонтальные стенки 1, вертикальные стенки 2 и части вертикальных стенок с поперечной ориентацией гофр 6 жестко крепятся к поперечным диафрагмам жесткости 3 и угловым стрингерам 4 при помощи сварки, чем достигается совместная пространственная силовая работа всех частей пустотелого строительного металлического элемента.
Поперечная ориентация гофр вертикальных стенок 2 в приопорных зонах пустотелого строительного металлического элемента в сочетании с балками 7, прилегающими к горизонтальным стенкам 1, вставленными в той же зоне между угловыми стрингерами 4, и жестко соединенными с ними и горизонтальными стенками 1, обеспечивает достаточную крутильную жесткость поперечных сечений в этих зонах пустотелого строительного металлического элемента, чем упрощает его изготовление и сокращает затраты металла.
Сборка пустотелого строительного металлического элемента осуществляется на сборочном стенде (стапеле) с использованием кондукторов, струбцин и другой технологической оснастки.
Вначале собирают и сваривают плоский каркас, образованный из угловых стрингеров 4 и частей вертикальных стенок с поперечной ориентацией гофр 6.
Затем последовательно формируют жесткий пространственный сварной каркас из элементов поперечных диафрагм жесткости 3 и балок 7.
Поперечные диафрагмы жесткости 3 в виде рам-шпангоутов устанавливают на сборочном стенде по торцам и с заданным шагом в средней зоне элемента. Балки 7 устанавливают с заданным шагом в приопорных зонах пустотелого строительного металлического элемента со стороны горизонтальных стенок 1.
Далее пространственный каркас последовательно обшивается продольно гофрированными листами, образующими горизонтальные стенки 1 и среднюю зону вертикальных стенок 2, с использованием сварки или механических связей.
Соединение продольно гофрированных стенок на угловых стрингерах 4 и поперечных диафрагмах жесткости 3 с установкой заглушек 5, закрывающих и усиливающих открытые торцы продольно ориентированных гофр стенок, осуществляется при помощи сварки.
Заявленная конструкция пустотелого строительного металлического элемента может успешно применяться в промышленном строительстве, в частности, при возведении пролетных строений транспортерных (конвейерных) галерей. В зависимости от требуемых габаритов, конструкция может доставляться с завода на строительную площадку в готовом виде или отдельными транспортабельными модулями (отправочными марками) с последующей укрупнительной сборкой на строительной площадке.
Литература:
1 Пособие по проектированию конвейерных галерей [Текст]: к СНиП 2.09.03-85: Утв. 07.05.87 / Государственный проектный институт Ленпроектстальконструкция, Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1989. - 106 с. / стр. 42-44, рис. 26, 27
2 А.с. СССР №855146 от 10.10.1979, опубл. 25.08.1981 МПК Е04С 3/36, Бюлл. №30 от 15.08.1981 (https://findpatent.ru/patent/85/855146.html)