Составная комбинированная двутавровая балка
COMPOSITE COMBINED I-BEAM

Изобретение относится к области строительства, в частности к конструкциям комбинированных двутавровых балок, используемых в качестве несущих элементов покрытий и перекрытий малоэтажных зданий.
Известна составная металлодеревянная балка двутаврового сечения, включающая верхнюю и нижнюю полки, изготовленные из древесины хвойных пород, соединенных между собой при помощи накладок, расположенных по длине балки с возможностью обеспечения постоянства расстояния между полками. Полки выполнены составными из элементов с профилированными гранями, которыми они обращены друг к другу и скреплены между собой по длине балки, профилированная стенка в верхней и нижней части расположена между составными элементами. Между полками установлены опорные элементы, которые скреплены между собой. [Патент на полезную модель РФ №96144, от 18.03.2010, МПК Е04С 3/292, Бюллетень №20 от 20.07.2010].
Недостатками такой конструкции является большое количество деталей, требующихся для изготовления балки, усложняющих технологический процесс. Отсутствие доступа к стенке балки и, в связи с этим, усложнение контроля состояния балки под накладками.
Известна металлодеревянная двутавровая балка, состоящая из металлической стенки, сшитой на нагелях или винтах двухсторонними деревянными поясами и параллельными двухсторонними ребрами. [Патент на полезную модель РФ №129960, от 09.01.2013, МПК Е04С 3/292, Бюллетень №19 от 10.07.2013]. Ребра в балке уперты с равным шагом в пояса и выполнены восходящими от опор. Ребра с поясами в узлах стыка соединяются зубчатыми пластинами или металлическими пластинками на нагелях.
Недостатками такой конструкции является большое количество комплектующих деталей, требующихся для изготовления балки.
Наиболее близкой к изобретению является составная комбинированная двутавровая балка, включающая составные деревянные пояса, полученные, например, роспуском призматического бруса по длине по волнистой линии, и поперечно гофрированную стальную стенку, размещенную между частями поясов, соединенные в жесткую конструкцию при помощи металлических нагелей [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 металлических нагелей, обеспечивающих совместную работу тонкой стенки и поясов.
Технический результат изобретения - повышение несущей способности и жесткости составной комбинированной двутавровой балки.
Технический результат достигается тем, что составная комбинированная двутавровая балка, состоящая из соединенных в жесткую конструкцию, при помощи механических связей, деревянных составных поясов, полученных роспуском бруса по длине по волнистой линии, и стенки из поперечно гофрированного стального листа, усилена утолщением продольных краев стенки, по меньшей мере, в зоне соединения с составными частями поясов.
Усиление краев стенки утолщением получено путем симметричной сборки и жесткого соединения пакета волнистых полос из того же или иного конструкционного материала с более высокими физико-механическими свойствами одинаковой или переменно ступенчатой ширины, постепенно сужающихся к периферии.
Усиление краев стенки утолщением также может быть получено прокаткой, сваркой или вальцовкой с загибом, не менее высоты пояса, на 180° продольных краев стального листа стенки до его гофрирования.
Технический результат достигается также тем, что балка дополнительно усилена продольными диафрагмами жесткости уголкового сечения, расположенными с внутренней стороны составных частей поясов, соответствующими им по длине и ширине, жестко прикрепленными к утолщенной части стенки, полкой, прилегающей и совпадающей с ее волнистым контуром, при этом составные части поясов установлены между утолщенной частью стенки и отогнутой полкой диафрагм жесткости враспор.
Механические связи, соединяющие балку в жесткую конструкцию, пропущены через отогнутые полки диафрагм жесткости, увеличивают количество плоскостей срезов и несущую способность соединения.
Оси механических связей по отношению к продольной оси балки расположены в плане под углом неравным 90°, например, по схеме зигзаг, что, с одной стороны, уменьшает ослабление поперечных сечений деревянных поясов, а с другой стороны, увеличивает площадь смятия в стальной стенке.
Изобретение поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 изображена составная комбинированная двутавровая балка в изометрии, где показаны: составная часть пояса 1, стенка 2, механическая связь 3, диафрагма жесткости 4, утолщение 5.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение составной комбинированной двутавровой балки по фиг. 1, с утолщением, полученным при помощи симметричной сборки и жесткого соединения пакета волнистых полос, где показаны: составная часть пояса 1, стенка 2, механическая связь 3, диафрагма жесткости 4, утолщение 5.
На фиг. 3 изображено поперечное сечение составной комбинированной двутавровой балки по фиг. 1, с утолщением, полученным прокаткой, сваркой или вальцовкой до гофрирования стального листа стенки, где показаны: составная часть пояса 1, стенка 2, механическая связь 3, диафрагма жесткости 4, утолщение 5.
На фиг. 4 изображен вид сверху (в плане) одного из поясов с расположением осей механических связей 3 под углом к продольной оси балки неравным 90°, по схеме зигзаг.
Составная комбинированная двутавровая балка состоит из верхнего и нижнего деревянных поясов. Каждый пояс образован роспуском бруса по длине по волнистой линии на две составные части, между которыми расположена поперечно гофрированная тонкая стенка 2 из стального листа.
Составные части деревянных поясов могут быть также изготовлены иным способом, например, формованием, склеиванием и запрессовкой целенаправленно уложенных отходов механической обработки или специально нарезанного древесного материала (продольно ориентированных стружек, шпона). При малой высоте гофр стальной стенки 2 составные части поясов могут быть получены из цельной или клееной древесины путем ее прессования, смятием поперек волокон. Как известно, деформации поперечного смятия в древесине велики, что объясняется пористым анизотропным ее строением с наименьшим модулем упругости в поперечном направлении. Такая технология упростит изготовление составных частей поясов 1, локально уплотнит и упрочнит древесину, а также исключит отходы деревообработки.
Составные части поясов 1 и стенка 2 комбинированной балки соединены между собой в жесткую конструкцию при помощи механических связей 3, например, выполненных в виде нагелей или тяжей. Деревянные пояса должны быть изготовлены из качественной цельной или клееной древесины хвойных пород класса прочности при изгибе не ниже К24 и обработаны антисептиком.
Кроме этого, балка снабжена продольными диафрагмами жесткости 4 уголкового сечения, расположенными с внутренней стороны каждой составной части пояса 1, которые соответствуют длине и ширине составной части пояса 1 и приваренные к стенке 2 прилегающей к ней полкой, край которой совпадает с волнистым контуром стенки 2.
Продольные края стенки 2, по меньшей мере, в зоне соединения с составными частями поясов 1и диафрагмами жесткости 4, выполнены с утолщением 5.
По одному из вариантов утолщение 5 стенки 2 достигается загибом (вальцовкой) на 180° продольных краев тонкого стального листа заготовки, прокаткой или сваркой, выполненной до операции поперечного гофрирования стального листа.
По другому варианту утолщение 5 стенки 2 достигается путем симметричной сборки и жесткого соединения пакета волнистых металлических полос контактной сваркой, либо послойной склейкой из того же или иного конструкционного материала одинаковой или переменно ступенчатой ширины, постепенно сужающихся к периферии.
Утолщение 5 продольных краев тонкой металлической стенки 2 усиливает ее сопротивление местному смятию и срезу под механическими связями 3 и одновременно рационально распределяет более прочный и жесткий материал в местах наибольших продольных деформаций и напряжений, возникающих при поперечном изгибе.
Составные части поясов 1 вставлены между утолщенным краем стенки 2 и отогнутой полкой диафрагм жесткости 4 враспор.
Продольные диафрагмы жесткости 4 ограничивают при изгибе балки развитие горизонтальных, раздвигающих составные части поясов 1 деформаций, вызванных волнистой формой поперечно гофрированной стенки 2, разгружая при этом механические связи 3, количество которых может быть уменьшено вдвое. В местах опирания балки и действия больших сосредоточенных сил тонкая поперечно гофрированная стенка 2 может быть дополнительно усилена поперечными ребрами жесткости, выполненными в древесине или металле.
С учетом условий эксплуатации все элементы комбинированной балки должны иметь специальные защитные покрытия (антикоррозийные, гидрофобные, огнезащитные).
Сборку составной комбинированной двутавровой балки выполняют на стенде в следующей последовательности.
Составные части поясов 1 балки выполняют роспуском по длине по волнистой линии деревянного бруса. При роспуске бруса пилением ширина пропила должна соответствовать утолщенному участку стенки 2, обеспечивая при этом установку составных частей деревянных поясов враспор, например, при помощи запрессовки.
Сквозные отверстия под механические связи 3 в одной из составных частей пояса 1 могут быть высверлены заранее, чтобы в дальнейшем использовать их в качестве направляющих.
Для получения утолщения 5 стенки 2 по одному из вариантов изготовления балки, продольные края стального листа заготовки для стенки 2 загибают на 180° не менее чем на высоту деревянного пояса, затем производят поперечное гофрирование листа.
По другому варианту изготовления балки утолщения 5 могут быть получены путем симметричной сборки и жесткого соединения, например, при помощи контактной сварки или склейки пакета волнистых металлических полос из того же или иного конструкционного материала, одинаковой или переменно ступенчатой ширины, сужающихся к периферии.
Переменность ширины полос снижает опасное влияние концентрации напряжений в переходной зоне от утолщения 5 к стенке 2 из тонкого стального листа.
Диафрагмы жесткости 4 уголкового сечения могут быть изготовлены, например, резкой по длине по волнистой линии стенки металлического гнутого швеллера или резкой прямоугольной полосы с последующим загибом (отбортовкой) на 90° одного из краев заготовки.
Продольные диафрагмы жесткости 4 уголкового сечения, расположенные с внутренней стороны составных частей поясов 1, соответствующие длине и ширине каждой из них привариваются к утолщенной части стенки 2 полкой, прилегающей к ней и совпадающей с ее волнистым контуром.
Соединение составных частей поясов 1 балки со стенкой 2 осуществляется при помощи механических связей 3, нагелей или тяжей пропущенных через отогнутые полки диафрагм жесткости, либо только через составные части поясов 1 и стенку 2, не захватывая диафрагмы жесткости 4.
Пропуск механических связей 3 дополнительно через отогнутые полки диафрагм жесткости 4 увеличивает число срезов и несущую способность соединения.
Схема расстановка механических связей 3 по длине балки с волнистой стальной стенкой влияет на несущую способность соединения, определяемую из условий смятия материалов балки, а также зависящую от среза и изгиба самой механической связи 3.
Кроме того, механические связи 3 испытывают растяжение, обусловленное волнистой геометрией стенки 2, стремящейся при изгибе балки сложиться между частями сжатых верхних поясов и выпрямиться между частями растянутых нижних поясов.
Наиболее опасный вид напряженно деформированного состояния в тонкой стальной стенке 2 - это вырыв или срез металла.
Утолщение 5 продольных краев стенки 2 повышает несущую способность механических связей 3 по опасным видам сопротивлений.
Симметричная по условию смятия древесины расстановка механических связей 3 предполагает равенство толщин составных частей деревянных поясов. В этом случае шаг механических связей 3 должен согласовываться с местами пересечения стенкой срединной плоскости балки.
При расстановке механических связей 3 по гребням и впадинам волн участки смятия древесины составных частей 1 поясов будут различными, что вносит в силовую работу соединения асимметрию, а в их расчет неопределенность.
Расположение осей механических связей 3 в плане по отношению к продольной оси балки под углом 90° к продольной оси поясов ослабляет поперечные сечения поясов.
Более рациональным расположением осей механических связей 3 в плане следует считать их расположение под углом большим или меньшим 90°, например, по схеме зигзаг.
Благодаря утолщению 5 продольных краев стенки 2 и диафрагмам жесткости 4 повышается несущая способность и жесткость составной комбинированной двутавровой балки, при этом значительно сокращается требуемое количество механических связей 3, поскольку необходимость в них диктуется, главным образом, обеспечением монтажной целостности конструкции, частичным восприятием растягивающих усилий, возникающих в поясах при изгибе балки, а также влиянием возможной усушки и разбухания древесины при эксплуатации, в условиях колебания температуры и влажности.
Концентрация материала стальной стенки за счет утолщений ее продольных краев, усиление продольными диафрагмами жесткости уголкового сечения, сдерживает опасные распорные деформации составных деревянных поясов, увеличивает приведенный момент инерции и момент сопротивления поперечного сечения конструкции, в целом повышает несущую способность и жесткость заявленной составной комбинированной двутавровой балки.