Строительный элемент

Полезная модель относится к области строительства, в частности к конструкциям двутаврового сечения, используемых в качестве несущих элементов зданий и сооружений.
Известен строительный элемент - стальная балка двутаврового сечения с трубчатыми поясами узкой прямоугольной формы и одной или двумя поперечно гофрированными стенками с трапециевидными гофрами, расположенной между поясами и жестко прикрепленной к ним на сварке / X. Wang (2003), "Behavior of steel members with trapezoidal corrugated webs and tubular flanges under static loading," Drexel University, Ph. D. thesis / URL: http://hdl.handle.net/1860/98 (Дата обращения: 18.03.2021)/.
7
Известен строительный элемент, где гофрированная стенка может иметь волнистую форму, допускается применение всех известных видов и способов сварки, а в одном из вариантов исполнения показано применение дискретных механических связей (болтов) / Corrugated web beam connected to a top tube and bottom tube. Patent No.: US 6415577 B1 United States / Appl. No.: 09/677,002 / US C1. 52/7293 / МПК E04C 3/30, E04C 3/07. Автор: Jerry W. Curtis. Даю приоритета: 29.092002. Опубликовано: 09.07.2002. Заявитель: BEHLEN ACQUISITION Co. URL: https://patents.google.com/patent/US6415577B1/en (Дата обращения: 18.03.2021)/. Здесь описаны варианты исполнения прямоугольных труб и гофр (трапециевидный и волнистый) стенки, включая размеры элементов, со ссылками на научные исследования подобных балок с гофрированной стенкой.
К недостаткам известных балок относится развитая в ширину прямоугольная форма поясов, снижающая их крутильную жесткость. Тонкостенные полки поясов, со стороны гофрированной стенки, испытывают сжатие, что может привести к местной и общей потере устойчивости сжатых поясов.
Другой недостаток балок связан со сложностью изготовления ее частей и конструкции в целом, что характерно для многих известных стальных двутавровых балок с гофрированной стенкой.
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. Гётц, Д. Хоор, К. Мёлер, Ю. Наттерер; Перевод с немецкого Н.И. Александровой; Под ред. В.В. Ермолова. - Москва: Стройиздат, 1985; С. 52-53, рис. 3/.
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, способом и конструкцией крепления 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.
Известен строительный элемент, состоящий из волнистой стенки и поясов, жестко соединенных с этой стенкой. Пояса имеют форму коробок или труб с продольной щелью. Для соединения волнистой стенки с поясами продольные края стенки втоплены в бетон, раствор и т.п., заполняющий пояса. /«Строительный элемент». А.с. №51838 СССР: Класс 37b, 3 1937 г. / МПК Е04С 3/29 и Е04С 3/02 / В.Н. Горнов. Заявлено 17 декабря 1936 года за № ТП-2460. Опубликовано 30 сентября 1937 года. Данное изобретение принято за прототип.
Волнистая стенка, без ущерба для ее устойчивости, может быть более тонкой по сравнению с гладкой стенкой и безупречно передает сдвигающие усилия. Волнистая стенка может быть не только сплошной, но и сквозной.
В плане строительный элемент может быть прямым и изогнутым. Направление ложбин волнистой стенки может быть не только перпендикулярным к стенке, но и наклонным. У опор может быть двойная стенка с перекрещивающимся направлением ложбин. Строительный элемент с волнистой стенкой может быть выполнен из металла, железобетона, асбоцемента и других материалов. Возможны комбинации из двух различных материалов. Пояса могут быть дополнительно усилены арматурой из круглого и другого железа.
К недостаткам этой конструкции относятся сложность, многооперационность и продолжительность изготовления, связанная с процессами твердения раствора или бетона, низкая надежность соединения гофрированной стенки с поясами, большая материалоемкость.
Сущность полезной модели - повышение несущей способности и надежности строительного элемента с одновременным упрощением его изготовления за счет простоты сборки и высокой монтажной готовности, а также совмещения технологических операций формования конструкции в едином непрерывном технологическом процессе.
Технический результат полезной модели - повышение несущей способности и надежности конструкции, упрощение процесса сборки с заданной точностью и высокая монтажная готовность строительного элемента, а также повышение оперативности изготовления строительного элемента.
Технический результат достигается тем, что в известном строительном элементе двутаврового сечения с гофрированной стенкой, включающем тонкостенные пояса трубчатой формы с продольными щелями, в которые установлена и жестко закреплена стенка, и усилительные элементы, особенность заключается в том, что пояса имеют форму замкнутого многосвязного сечения, продольные щели поясов выполнены в соответствии с геометрией гофров стенки, а жесткое закрепление стенки создано запрессовкой ее в продольные щели и соединением в местах стыковки с элементами поясов, при этом усилительные элементы, в виде вертикальных ребер жесткости, установлены в торцах поясов и между поясами на участках приложения локальных сосредоточенных нагрузок к поясам.
Продольные кромки стенки выполнены зубчатыми с попеременным разводом зубьев, допускающим свободную установку стенки в продольные щели поясов.
Пояса могут быть выполнены из упруго-пластичного листового материала путем его раскроя по траектории волны стенки с последующим принудительным гибом до образования замкнутой формы или из труб с дискретными по длине элемента продольными щелями в виде прорезей, в которых размещены соответствующие им части стенки ступенчато переменной высоты, также стенка может быть выполнена по длине элемента дискретной с усилением ее свободных краев у проемов вертикальными ребрами жесткости.
Жесткое соединение стенки с поясами обеспечено дискретными связями в виде прерывистой сварки и омоноличиванием безусадочным компаундом зубчатых продольных кромок стенки в полостях поясов.
Пояса и стенка снабжены отверстиями, технологические отверстия в стенке между поясами усилены вертикальными ребрами жесткости, а конструктивные отверстия в поясах и части стенки, заключенной в полости труб, выполнены соосными, расположенными по длине элемента, при этом поперечная запрессовка и жесткое соединение стенки с поясами созданы при помощи преднапряжения болтов, пропущенных через конструктивные отверстия в стенке и поясах.
Пояса плоской формы и гофрированная стенка жестко соединены совместной завальцовкой и сваркой зубчатых продольных кромок стенки между полками поясов.
Стенка выполнена многослойной, составленной из гибких полос тонколистового свариваемого материала с отношением толщины слоя t к минимальному радиусу кривизны гофр не более 1/100, протянутого через щели поясов и жестко соединенного контактной сваркой между слоями, а также в местах стыковки стенки с поясами.
Трубчатые пояса, испытывающие наибольшее сжатие и кручение от внешних нагрузок и воздействий, имеют более развитую по всем направлениям форму многосвязного поперечного сечения, а вертикальные ребра жесткости, расположенные в торцах, снабжены отверстиями, предназначенными для укрупнения строительного элемента сращиванием при помощи высокопрочных болтов с разнообразными условиями взаимного сопряжения и опирания.
Повышение несущей способности и надежности конструкции, в предложенном техническом решении, достигается за счет размещения стенки внутри полости трубчатых поясов, укрепляющих местную устойчивость тонкостенных поясов, контактных механических взаимодействий между гофрами стенки и кромками криволинейных пазов поясов, что делает возможным применение дискретных жестких связей между стенкой и поясами.
Простота сборки строительного элемента, выполненной с заданной точностью, упрощает изготовление и обеспечивает высокую монтажную готовность строительного элемента без привлечения вспомогательных технических средств, отвечающей требованиям поточности производства с максимальным совмещением технологических операций.
Полезная модель поясняется чертежами, где показаны: пояс 1, продольная щель 2, стенка 3, стык 4, вертикальное ребро жесткости 5, продольная кромка стенки 6, листовой упруго-пластичный материал 7, линия гиба 8, линия резки 9.
На фиг. 1 изображен строительный элемент в аксонометрии, где показаны: трубчатые пояса 1 с продольными щелями 2, повторяющими геометрию стенки 3, запрессованной и состыкованной с образованием жесткого соединения в местах стыка 4 с поясами 1, вертикальные ребра жесткости 5, установленные по торцам поясов и между поясами 1, в местах приложения значительных сосредоточенных сил (нагрузок) F.
На фиг. 2 и 3 изображен строительный элемент в аксонометрии в процессе изготовления, где показаны: пояса 1 с продольными щелями 2, повторяющими геометрию стенки 3, запрессованной и состыкованной с образованием жесткого соединения в местах стыка 4 с поясами 1, вертикальные ребра жесткости 5, установленные по торцам поясов и между поясами 1, в местах приложения значительных сосредоточенных сил (нагрузок) F, зубчатые продольные кромки стенки 6 прямоугольной (фиг. 2) или треугольной (фиг. 3) формы, попеременно разведенные в разные стороны, но еще не деформированные под прямым углом.
На фиг. 4 изображены два варианта (А, В) конструктивного исполнения поперечного сечения строительного элемента по фиг. 1, где показаны: пояса 1 с продольными щелями 2, повторяющими геометрию стенки 3, запрессованной и состыкованной с образованием жесткого соединения в местах стыка 4 с поясами 1 при помощи сварки, пайки (вариант А) или механических связей, например, преднапряженных высокопрочных болтов (вариант В), пропущенных через соосные конструктивные отверстия в стенке 3 и поясах 1 и создающих поперечную запрессовку стенки 3 и жесткое механическое сцепление за счет сил трения.
На фиг. 5 и 6 изображены поперечные сечения строительного элемента по фиг. 2 и 3 в последовательности изготовления, где показаны: пояса 1 с продольными щелями 2, повторяющими геометрию стенки 3, зубчатые продольные кромки стенки 6 с прямоугольными (по фиг. 2) и треугольными (по фиг. 3) зубьями, имеющими попеременный развод, допускающий их установку в щели 2 поясов 1 различными способами, отформованных под прямым углом запрессовкой в полости поясов 1 с образованием жесткого соединения в местах стыка 4 с поясами.
На фиг. 5, 6 представлены стадии изготовления: А - сборки, В - запрессовки в вертикальной плоскости, С - заключительной запрессовки стенки в горизонтальной плоскости с последующим жестким соединением при помощи сварки и заполнения трубчатых полостей поясов 1 безусадочным компаундом вместе с отогнутыми под прямым углом зубчатыми продольными кромками стенки 6.
На фиг. 7 изображена плоская заготовка листового упруго-пластичного материала 7 для изготовления трубчатых поясов 1 в процессе разметки и раскроя с линиями гиба 8 и линиями резки 9.
На фиг. 8 изображены пояса 1 с различной формой поперечного сечения, с продольной щелью 2, полученные роспуском цельных труб или путем принудительного гиба листового упруго-пластичного материала 7 по фиг. 7.
На фиг. 8, А изображен пояс 1 прямоугольной формы, близкой к квадрату, рациональной для сжатых поясов, на фиг. 8, В - вытянутой, сплющенной прямоугольной формы, рациональной для растянутых поясов, на фиг. 8, С - жесткой треугольной формы, плавно снижающей концентрацию напряжений в зоне переходе от стенки к поясам, а на фиг. 8, D - жесткой на кручение и равноустойчивой при сжатии круглой формы.
На фиг. 9 изображен трубчатый пояс 1 с прямоугольной формой поперечного сечения, имеющий дискретные продольные щели 2 в виде односторонних прорезей по длине элемента, соответствующие форме непрерывной, ступенчато переменной высоты, или дискретной волнистой стенки 3.
На фиг. 10 и 11 изображены варианты волнистых стенок 3 с зубчатыми продольными кромками стенки 6 прямоугольной по фиг. 2 и треугольной по фиг. 3 формой зубьев, попеременно разведенных в разные стороны, полученных поперечной просечкой (фиг. 10) или зигзагообразным раскроем (фиг. 11) исходной листовой заготовки стенки 3: А - до вертикальной запрессовки, когда развод зубьев минимальный, обеспечивающий установку стенки 3 в продольные щели 2 поясов 1 различными способами (вставкой, протяжкой); В - после запрессовки и деформирования их под прямым углом в полости поясов 1.
На фиг. 12 и 13 изображен строительный элемент в аксонометрии, где показаны: пояса 1 с дискретными по длине элемента продольными щелями 2 в виде односторонних прорезей (по фиг. 9), повторяющими геометрию непрерывной (фиг. 12) или дискретной (фиг. 13) стенки 3, вставленной в продольные щели 2, состыкованной с кромками и полками поясов 1 с образованием жесткого соединения в местах стыка 4 с поясами 1, усиленной по торцам поясов 1 и на границах участков с отверстиями в непрерывной или с проемами в дискретной стенке 3 вертикальными ребрами жесткости 5.
На фиг. 14 изображены варианты поперечных сечений строительного элемента с различными видами жесткого соединения, включающие пояса 1 с продольными щелями 2, соответствующими геометрии гофрированной стенки 3, имеющей зубчатые продольные кромки стенки 6 с попеременным разводом зубьев, вставленной через продольные щели 2 в пояса 1 с образованием жесткого соединения между поясами 1 и стенкой 3: в варианте А - при помощи дискретной прерывистой сварки мест стыка 4 и омоноличивания полостей труб - поясов 1 и зубчатых продольных кромок стенки 6 безусадочным компаундом; в варианте В - при помощи завальцовки и сварки зубчатых продольных кромок стенки 6 между полками плоских поясов 1.
min
На фиг. 15 изображен строительный элемент в аксонометрии в процессе изготовления и его поперечное сечение, где показаны: пояса 1 с продольными щелями 2, повторяющими геометрию гофрированной стенки 3, состоящей из нескольких гибких полос-заготовок листового упруго-пластичного материала 7 с отношением толщины слоя t к минимальному радиусу кривизны гофр R не более 1/100, сформированной совместной протяжкой в процессе непрерывного производства через продольные щели 2 поясов 1 с последующей стыковкой стенки 3 запрессовкой с поясами 1 и образованием жесткого соединения при помощи контактной сварки между слоями, а также в местах стыковки 4 стенки 3 с поясами 1.
Строительный элемент состоит из трубчатых поясов 1, выполненных преимущественно из прочных и упруго-пластичных материалов, например, из конструкционного металла или пластмасс. Возможно изготовление поясов из однородных и разнородных материалов. Продольные щели 2 в поясах 1, соответствующие геометрии гофрированной стенки 3, могут быть созданы полным или дискретным роспуском (разрезкой) готовых труб или сформированы из плоских заготовок листового упруго-пластичного материала 7 раскроем их по линиям резки 9 с последующим принудительным деформированием (перегибом) по линиям гиба 8 (по фиг. 7).
Геометрические размеры продольной щели 2 должны обеспечивать свободную установку (посадку) или протяжку стенки 3 до начала запрессовки (вальцовки) и создания жесткого соединения между поясами 1 и стенкой 3.
min
Волнистая гофрированная стенка 3 может быть однослойной или многослойной, изготовленной из конструкционного листового материала (металла, пластмасс). Наибольшее отношение толщины слоя t к минимальному радиусу кривизны R, при протяжке через продольные щели 2 не должно превышать 1/100.
Простейшая форма волны может быть в форме сопряженных дуг или 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 в случае применения строительного элемента в качестве однопролетной шарнирно опертой балки, испытывающей от внешней нагрузки наибольший изгибающий момент в середине пролета.
Рекомендуемое отношение высоты волны h к длине волны l гофрированной стенки 3-h/l=1/15…1/25.
В качестве металла гофрированной стенки 3 может использоваться тонколистовая (толщиной не менее 1,0 мм) малоуглеродистая сталь с защитными антикоррозионными покрытиями или нержавеющая сталь. Наименьшая толщина стенка зависит от многих факторов: прочности, местной и общей устойчивости, конструктивных и технологических требований, а также от условий эксплуатации и проектной долговечности.
Наибольшая толщина гофрированной стенки 3 зависит от материала, способа формирования гофр, способа соединения, назначения и условий работы строительного элемента.
В качестве конструкционных пластмасс могут применяться гомогенные и гетерогенные (армированные слоистые и волокнистые) материалы толщиной не менее 1 мм.
Размещение гофрированной стенки 3 в полости поясов 1 облегчает фиксацию частей строительного элемента, а ее соединение в местах контакта 4 с поясами 1 придает поясам многосвязность, повышенную жесткость и устойчивость.
Зубчатые продольные кромки стенки 6, полученные поперечной просечкой или зигзагообразным раскроем заготовки листового упруго-пластичного материала 7, локально снижающие изгибную жесткость, облегчают процесс формирования гофрированной стенки 3 протяжкой через продольные щели 2, а их начальное несовершенство в виде попеременного развода зубьев упрощает формирование прямого угла при вертикальной запрессовке стенки 3 в полости трубчатых поясов 1 и образованием жесткого соединения с поясами 1 при помощи сварки в местах стыка 4.
Кроме того, зубчатые продольные кромки 6 гофрированной стенки 3 упрощают создание жесткого соединения с поясами 1 путем завальцовки их между полками плоских поясов и последующей сварки.
Глубина просечки или зигзагообразного раскроя заготовки стенки 3, определяет высоту зуба и должна быть не более размеров сечения поясов 1.
Кроме того, ширина и высота зуба зависят от технологической (протяжка), опорной и соединительной функции отогнутых зубчатых продольных кромок стенки 6.
Под соединительной функцией здесь понимается возможность применения контактной сварки между деформированными под прямым углом зубьями продольных кромок 6 гофрированной стенки 3 и поясами 1, а также анкеровка зубчатых продольных кромок стенки 6 при заполнении внутренних полостей трубчатых поясов 1 безусадочным компаундом или завальцовке и сварке их между полками плоских поясов 1.
В качестве компаунда, заполняющего полости трубчатых поясов, целесообразно использовать безусадочные вязкие составы на основе полимерных растворов и бетонов с достаточной технологической живучестью, обладающих хорошей адгезией к разнородным материалам, быстрым схватыванием.
Возможно использование мелкозернистых цементно-песчаных растворов на напрягающем или глиноземистом цементе.
Заполнение поясов компаундом должно производиться под давлением.
Начальный попеременный развод зубьев продольных кромок стенки 6 зависит от размера продольных щелей 2 и технологии формирования стенки 3 в процессе непрерывного производства, например, прокаткой, совмещенной с протяжкой, запрессовкой и сваркой или прокаткой совмещенной с вальцовкой и сваркой.
Усилительные элементы в виде ребер жесткости 5, установленных с торцов трубчатых поясов 1, служат заглушками поясов 1 и элементами сопряжения, опирания строительного элемента. Ребра жесткости 5, установленные между поясами, в местах действия сосредоточенных сил или устройства технологических отверстий, проемов, локально усиливают гофрированную стенку 3, повышая ее жесткость, а их выступающие плоские части могут быть использованы для крепления горизонтальных и вертикальных связей.
Сборка и изготовление строительного элемента может осуществляться позиционно или непрерывно.
Позиционная сборка производится на сборочном стенде (стапеле) с использованием фиксирующих пояса 1 и стенку 3 технологических приспособлений, а также прессового и сварочного оборудования.
При позиционной сборке возможно изготовление строительного элемента линейно переменной высоты по фиг. 1.
При непрерывном изготовлении строительного элемента потребуется конвейерная линия, на которой одновременно могут быть совмещены в одном потоке различные технологические операции (сборка, запрессовка, формование, сварка, резка и др.) при обязательном использовании прессов проходного типа и соответствующего сварочного оборудования.
На первом этапе изготовления строительного элемента продольные края гофрированной стенки 3 свободно вставляются и точно фиксируются в продольных щелях 2 поясов 1.
На втором этапе осуществляется вертикальная и горизонтальная запрессовка продольных краев металлической гофрированной стенки 3 между полками и кромками поясов 1 с последующим образованием жесткого соединения состыкованных частей, например, при помощи сварки.
В одном из вариантов изготовления строительного элемента поперечная запрессовка и жесткое соединение состыкованных частей осуществлено при помощи преднапряженных высокопрочных болтов, расставленных по длине элемента с определенным шагом, зависящим от усилий сдвига между стенкой 3 и поясами 1, пропущенных через соосные сквозные отверстия в поясах 1 и в продольных кромках стенки 6, размещенных в полостях поясов 1.
Эффективная установка и силовая работа высокопрочных болтов по высоте поясов 1 соответствует смещению их центров по направлению к продольным щелям 2 поясов 1.
При изготовлении строительного элемента возможно использование пайки и различных известных видов сварки, но наиболее предпочтительна контактная сварка.
Сварные стыковые или угловые швы могут быть непрерывными или дискретными, прерывистыми.
При дискретном исполнении сварных соединений внутренние полости трубчатых поясов 1 должны быть герметизированы в стыках между прерывистыми сварными швами герметиками.
Зубчатые продольные кромки стенки 6 с зубьями прямоугольной и треугольной формы, имеющими минимальный попеременный развод и низкую изгибную жесткость, облегчают установку гофрированной стенки 3 непосредственно в соответствующие продольные щели 2 поясов 1 или, в другом варианте изготовления, формирование гофрированной стенки 3 протяжкой зубчатых продольных кромок стенки 6 через продольные щели 2 поясов 1, а также принудительное гнутье под прямым углом тонколистового материала зубьев на этапе вертикальной запрессовки.
Развод зубчатых продольных кромок 6 гофрированной стенки 3 под прямым углом может быть выполнен до сборки строительного элемента.
В одном из вариантов непрерывного изготовления строительного элемента жесткое соединение поясов 1 с гофрированной стенкой 3 достигается совместной завальцовкой и последующей сваркой зубчатых продольных кромок стенки 6 между полками поясов 1 плоской формы.
Строительный элемент с жесткими соединениями при помощи механических связей (болтов) и дискретной сварки может быть использован как самостоятельная несущая конструкция, а также для последующего заполнения под давлением полостей поясов 1 безусадочным компаундом или цементно-песчаным раствором на напрягающем цементе.
Возможен вариант непрерывного изготовления строительного элемента, в котором формирование однослойной или многослойной волнистой стенки 3 происходит в процессе сборки конструкции путем протяжки длинной тонкой составной по длине полосы или пакета подобных полос между валками по направляющим продольным щелям 2 поясов 1. На заключительном этапе изготовления такого строительного элемента используется запрессовка и контактная сварка стыкуемых частей поясов 1 и стенки 3, а также слоев многослойной гофрированной стенки 3, чем достигается фиксация приобретенной геометрической формы составного сечения и повышается местная устойчивость.
Шаг расстановки сварочных точек в многослойной стенке 3 может быть регулярным в виде узлов ортогональной сети, наложенной на гофрированную поверхность, или - нерегулярным, учитывающим траектории главных сжимающих напряжений.
Пояса 1 строительного элемента, испытывающие от внешних нагрузок и воздействий наибольшее сжатие и кручение, имеют более развитую по всем направлениям форму многосвязного поперечного сечения, отвечающую требованиям прочности и жесткости. Наиболее рациональными формами трубчатых поясов 1 являются круглая и квадратная формы.
Для расширения функциональных возможностей строительного элемента вертикальные ребра жесткости 5, расположенные в торцах, выполнены в виде фланцев, снабженных отверстиями, предназначенными для укрупнения строительного элемента сращиванием при помощи высокопрочных болтов, контролируемое усилие натяжения которых зависит от разнообразных условий взаимного сопряжения и опирания (шарнирное, жесткое, упругое защемление).
Количество и расположение отверстий на ребрах жесткости 5, установленных в торцах поясов, зависит от условий сопряжения и опирания (шарнирное, жесткое, упругое защемление), а также от усилий в сопряжениях или от опорных реакций. В жестких и упругозащемленных сопряжениях высокопрочные болты должны быть расставлены по периметру поясов с обязательным контролем усилия их преднапряжения. В шарнирных сопряжениях болты размещаются у одного из поясов 1, а их натяжение должно исключать осевую податливость строительного элемента, не препятствуя свободе поворота сечения.