БАЛКА С КОНТИНУАЛЬНО - ПОДКРЕПЛЕННОЙ СТЕНКОЙ
BEAM WITH CONTINUALLY RETAINED WALL

Изобретение относится к строительству, в частности к несущим конструкциям с возможностью выполнения ограждающих функций. Область применения изобретения - промышленные и гражданские здания и сооружения.
Из уровня техники известна металлическая балка двутаврового либо коробчатого поперечного сечения - «Металлические конструкции. Т.1. Элементы конструкций» Учебное издание. Под ред. В.В. Горева, Москва, Высшая школа, 2004. С 228-284. Для обеспечения устойчивости стенки при ее условной гибкости более 3,2 - в отсутствии подвижной нагрузки, и более 2,2 - при наличии подвижной нагрузки, применяются дискретно расположенные поперечные и продольные (при условной гибкости стенки более 6) односторонние либо двусторонние ребра жесткости. Не являясь тонкостенной конструкцией, данная балка может работать с учетом упругопластической стадии деформирования материала. Недостатком указанной балки является повышенный по сравнению с тонкостенными конструкциями расход металла и, как следствие, значительная масса изделия, что отрицательно сказывается в том числе и на расходе материала других конструкций, воспринимающих нагрузку веса балки: колонны, стены, главные балки, фундаменты и др.
Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемго изобретения по технической сущности и достигаемому эффекту является балка с переменно-гофрированной стенкой - патент на полезную модель №91583. Структура такой балки соответствует изменениям интенсивности основных усилий, возникающих в ней при изгибе, однако требует применения специализированного гофрообразующего оборудования. Остается малоизученным вопрос о развитии упругопластических деформаций в изгибаемых конструкциях с гофрированной стенкой.
Технический результат от применения настоящего изобретения заключается в сокращении материалоемкости балки и повышении ее несущей способности.
Указанный технический результат является решением актуальной задачи эффективного использования материала в несущих строительных конструкциях. Отмеченный технический результат достигается за счет того, что плоская стенка (стенки - в случае коробчатого сечения) на участках действия значительных по интенсивности поперечных сил и/или крутящих моментов - как правило, приопорные зоны - усилена преимущественно поперечно установленными ребрами жесткости в виде преимущественно металлических профилей (уголков, швеллеров, труб, z-образных профилей и др.), примыкающих друг к другу с зазором, обеспечивающим выполнение сварного, клеевого либо иного надежного соединения ребер между собой и со стенкой, при этом профиль и калибр (позиция в сортаменте) ребер могут меняться по длине стенки в соответствии с изменением интенсивности действующих усилий. Под надежным соединением подразумевается такое соединение элементов балки, которое обладает достаточной прочностью для восприятия действующих на соединение усилий от расчетных нагрузок и их комбинаций. В ряде случаев такое соединение обладает равнопрочностью с соединяемыми элементами.
Стенку, подкрепленную, по крайней мере, на некоторых участках, преимущественно поперечными ребрами жесткости, установленными непрерывно с зазором, обеспечивающим организацию надежного соединения ребер между собой и со стенкой, предлагается называть континуально-подкрепленной стенкой.
Изменение профиля и калибра ребер соответствует изменениям интенсивности поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов в балке. На участках относительно интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов калибр ребер максимальный, а профиль обладает наибольшей жесткостью из плоскости стенки балки. На участках относительно малых поперечных сил и/или крутящих моментов - обратное решение: калибр - минимальный, профиль обладает наименьшей жесткостью. На участках, где жесткость неподкрепленной стенки достаточна для восприятия усилий, ребра жесткости допускается не устанавливать. Исключение составляют случаи, в которых ребра жесткости выполняют конструктивную функцию. Конструктивными причинами устройства дискретных или континуальных ребер жесткости могут быть: участки соединения/примыкания других конструкций; сосредоточенная на локальном участке внешняя нагрузка; места резкого изменения сечения балки или ее элементов; зоны устройства технологических отверстий, анкерных устройств затяжек, дополнительных связей (демпферов); сценарное изменение расчетной схемы вследствие повреждений либо выхода из строя элементов и конструкций и др. Изменение расчетной схемы представляется актуальным с точки зрения самосохранения и приспособления несущей конструкции (системы несущих конструкций) зданий и сооружений к новым условиям работы при воздействиях аварийного характера, вызванных влиянием техногенных (пожары, взрывы, аварии, ошибки монтажа, проектирования и изготовления, непроектная и/или ненадлежащая эксплуатация и т.д.) либо природных (карстовые эффекты, деформации основания, превышение действующих природных нагрузок над расчетными и т.д.) факторов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых
на фиг.1 представлена балка с континуально-подкрепленной стенкой и с параллельными поясами из листового материала;
на фиг.2 - вид сбоку на балку на фиг.1;
на фиг.3 - продольное сечение А-А на фиг.2;
на фиг.4 - поперечное сечение Б-Б на фиг.2;
на фиг.5 - увеличенное изображение фрагмента А на фиг.3.
Балка с континуально-подкрепленной стенкой состоит из сжатого пояса 1 и растянутого пояса 2, соединенных стенкой 3. Стенка 3 усилена расположенными друг за другом (с технологическим зазором, обеспечивающим надежное соединение) преимущественно поперечными ребрами жесткости 4. Существенно важным обстоятельством является расположение ребер 4 на участках интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов - преимущественно опорные зоны. Профиль и/или калибр ребер 4 может быть постоянным либо изменяться по длине стенки. Возможен вариант, когда на одних участках стенки 3 ребра 4 имеют неизменяемый профиль и/или калибр, а на других - варьируемый.
В случае двутаврового поперечного сечения балки ребра 4 могут быть односторонними либо двусторонними относительно срединной плоскости стенки 3. Устройство двусторонних ребер 4 предпочтительнее с конструктивной точки зрения, ввиду более равномерной передачи усилий с поясов 1 и 2 на стенку 3, лучшей работы на кручение, меньшей чувствительности конструкции к несовершенствам геометрии элементов, неоднородности их материала, эксцентриситетам действующих нагрузок. В случае коробчатого или двутаврово-коробчатого поперечного сечения балки ребра 4 рационально устраивать с одной - наружной стороны каждой из стенок 3.
Изобретением также предусмотрен вариант балки, в которой применяются ребра 4, как выходящие на обе кромки стенки 3 (т.е. распространяющиеся от пояса 1 до пояса 2), так и не выходящие или выходящие только на одну кромку.
Стенка 3 может иметь перфорацию 5, которую предпочтительно предусматривать на участках с преобладающим влиянием изгибающих моментов на несущую способность. Устройство перфорации 5 позволяет в ряде случаев дополнительно снизить расход материала на стенку 3 и осуществить пропуск коммуникаций через конструкцию.
Толщина стенки 3 по длине может быть переменна. Эффективнее всего назначать максимальную толщину стенки 3 на участках преобладания интенсивных срезающих усилий (поперечных сил).
Изменение профиля и/или калибра ребер 4, а также толщины стенки 3 с конструктивной и технологической точек зрения удобно осуществлять отсеками, в пределах которых описанные параметры постоянны. Таким образом, балка (либо только стенка 3) может состоять из отсеков, а ее структура представляет собой, например, такую последовательность: опорный отсек, промежуточный отсек, среднепролетный отсек, промежуточный отсек, опорный отсек.
Балка может изготавливаться из металлов, сплавов, композитных материалов, пластиков, углепластиков, металлопластов, дерева и других строительных материалов.
В случае изготовления балки из металлов представляется рациональным соединение ребер со стенкой с помощью сварного соединения с минимально возможным по конструктивным и прочностным требованиям катетом сварного шва с целью минимизации внутренних усилий от остаточных сварочных деформаций. С целью взаимокомпенсации данных усилий рекомендуется тщательно разрабатывать последовательность сборки конструкции.
Отличительные особенности предлагаемой конструкции:
назначение толщины стенки 3 из условия прочности на срез при совместной работе с ребрами 4 на восприятие нагрузок, вызывающих упругопластические деформации сечений балки. На участках, где действующие поперечные силы и крутящие моменты воспринимаются стенкой 3, ребра 4 жесткости не устанавливаются, если это не продиктовано конструктивными требованиями, описанными выше, и требованиями локальной устойчивости. Предлагаемая конструкция по особенностям силовой работы занимает промежуточное положение между известной толстостенной реберной балкой с дискретным расположением ребер и балкой с тонкой переменно-гофрированной стенкой, объединяя в себе достоинства обеих конструкций:
- как в толстостенной балке - допускается упругопластическая работа материала, не требуется специализированное гофрообразующее оборудование;
- как в балке с переменно-гофрированной стенкой - устойчивость стенки 3 обеспечивается увеличенной жесткостью благодаря предлагаемому расположению ребер 4, соответствующему интенсивностям действующих усилий.
Отличительное свойство предлагаемой балки, отсутствующее у ее известных аналогов: восприятие поперечных срезающих усилий не только стенкой 3, но и ребрами 4 благодаря континуальности (непрерывности) их устройства на соответствующих участках балки и организации зазора между ними для соединения ребер 4 между собой и со стенкой 3.
С учетом вышеизложенных обстоятельств представляется, что рациональный с точки зрения материалоемкости диапазон гибкости стенки 3 (один из ключевых параметров оптимальности балочных конструкций) составляет 180-350 для металлических балок. При меньшей гибкости конструкция вырождается в известную балку с дискретным расположением ребер жесткости, а при большей эффективней становятся тонкостенные конструкции, работающие преимущественно в упругой стадии деформирования материала.
Возможность работы балки в упругопластической стадии, внутренние усилия от остаточных сварочных деформаций, а также сравнительно высокая гибкость стенки 3 увеличивают вероятность начальных погибей (геометрических несовершенств - отклонений от идеализированной формы), негативное влияние которых наиболее сказывается в приопорных участках стенки 3. Данное обстоятельство, а также то, что влияние опорных реакций близко к сосредоточенному воздействию внешней силы, вызывает необходимость устройства опорных ребер в большинстве случаев.
Пояса 1 и 2 балки с континуально-подкрепленной стенкой 3 могут быть параллельными или не параллельными между собой, представляя собой треугольную, трапецеидальную, полигональную или сегментную форму.
Сжатый пояс 1 и растянутый пояс 2 могут выполняться с различным поперечным сечением, а также из различных материалов с разными физико-механическими характеристиками. Возможно изменение сечения поясов 1 и 2 по длине.
Поверх балки может располагаться металлический, железобетонный (монолитный, сборный, сборно-монолитный) либо иной настил, скрепленный с поясом 1 балки с помощью анкерных элементов или иных соединений. При этом эффективно применять такие соединения и элементы, которые обеспечат совместную работу балки и настила.
Скрытые полости, образованные ребрами жесткости 4 и стенкой 3, могут заполняться раствором на основе безусадочного или расширяющегося цемента с целью повышения жесткости участков стенки 3. Заполнение раствором может осуществляться, например, через отверстия в поясе 1 и/или 2, стенке 3 или ребрах 4. Раствор может нагнетаться под давлением.
Поперечное сечение балки может быть двутавровым, коробчатым (двойная стенка 3), двутаврово-коробчатым (по сути - коробчатое со свесами поясов 1 и/или 2).
Предлагаемая балка может быть сконструирована и рассчитана с учетом шарнирного, жесткого, либо упругоподатливого опирания на концах, а также с учетом неразрезной многопролетной схемы работы.
Характер работы балки с континуально-подкрепленной стенкой 3 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. В балке возникают усилия в основном от поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов. Поперечные силы воспринимаются практически полностью стенкой 3 и ребрами 4, а изгибающие моменты - практически полностью поясами 1 и 2. Усилия от крутящих моментов воспринимаются поясами 1, 2, стенкой 3 и ребрами 4. Если поверх балки устроен надежно соединенный с ней настил, то он включается в работу сжатого пояса 1 на сжатие и кручение, позволяя существенно снизить его материалоемкость. Устойчивость сжатого пояса 1 улучшается в местах его примыкания к ребрам жесткости 4 стенки 3 за счет опирания на ребра 4. Стенка 3 в зонах интенсивных изгибающих моментов (как правило, среднепролетные участки) включается в работу поясов 1, 2 на изгиб. Устойчивость стенки 3 обеспечивается устройством ребер 4, профиль и калибр которых определяются расчетом. Устойчивость балки из плоскости обеспечивается раскреплением ее связями в виде распорок и прогонов, сплошным настилом в виде железобетонной плиты, профилированного или плоского металлического листа и т.п. Опорная реакция от балки передается на нижерасположенные вертикальные несущие элементы сооружения (стены, колонны, пилоны) и далее - на фундаменты. При воздействиях аварийного характера, повреждающих систему несущих конструкций, определяющим критерием становится сохранение несущей способности здания и сооружения (либо их частей) как минимум на время, достаточное для эвакуации людей. В таких случаях при соответствующем проектировании предлагаемая балка может работать по принципу нити (ванты), создавая распор, воспринимаемый другими конструкциями: колоннами, стенами, дисками перекрытий и др. При этом, допускается не соблюдать качества нормальной (не аварийной) эксплуатации конструкции (например, жесткость), а материал балки может работать в стадии самоупрочнения.
В случае изготовления балки из металлов предпочтение рекомендуется отдавать сталям различных групп прочности. При этом, ввиду того, что изгибающие моменты воспринимаются преимущественно поясами 1 и 2, возможно их изготавливать из металлов с разными физико-механическими свойствами (в частности - бистальное решение), а стенку 3 рекомендуется соединять с поясами 1 и 2 с помощью непрерывных, односторонних или двусторонних сварных швов, что требует учета показателей свариваемости и условий эксплуатации.
Для увеличения жесткости предлагаемая балка может быть предварительно напряжена, например, с помощью устройства растянутой затяжки, предварительным деформированием и другими способами.
Область применения предлагаемого изобретения : конструктивные системы несущих элементов зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения. Предлагаемая полезная модель может использоваться в различных снеговых, ветровых и сейсмических районах. Рассматриваемая балка предназначена для восприятия статических или динамических воздействий. При динамических нагрузках рекомендуется изготавливать данную балку из стали, а соединение поясов 1 и 2 со стенкой 3 осуществлять с помощью двусторонних непрерывных сварных швов.
Назначение конструктивных параметров конкретной балки (профиль и калибр ребер 4; сечения и материал элементов балки, ее генеральные размеры и т.д.) основано на условиях работы конструкции, комплексном задании на ее проектирование и результатах расчетов несущей способности и эксплуатационных качеств. Для проведения конструктивных расчетов рекомендуется использование численных методов теории упругости, в частности метода конечных элементов (МКЭ) в компьютерной реализации.
Рекомендуется при расчетах устойчивости балки учитывать упругопластические свойства материала (нелинейная устойчивость), а также анализировать не только первую форму потери устойчивости, но и последующие.
При проведении компьютерных расчетов МКЭ рекомендуется использовать при моделировании балки оболочечные конечные элементы с учетом геометрической и физической нелинейностей работы. Кроме того, расчеты несущей способности балки рекомендуется проводить с учетом внутренних усилий от остаточных сварочных деформаций. Существенно важным критерием адекватности расчетной модели служит ее максимальное сходство с натурной конструкцией как по геометрическим характеристикам, так и по жесткостным параметрам.