СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРФОРИРОВАННОЙ БАЛКИ
METHOD TO MANUFACTURE PERFORATED BEAM

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для перекрытия больших пролетов.
Известны конструкции балок с шестигранной перфорацией стенки, полученные путем резки стенки прокатного двутавра по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом и сварки обоих половин в совмещенных между собой выступах стенки (патент RU 16176 МПК Е04С 3/08, 3/10, опубликовано 10.12.2000; патент RU 2154717 МПК Е04С 3/08, опубликовано 20.08.2000; СНиП II-2-81 Стальные конструкции, Балки с перфорированной стенкой, стр. 54). При этом увеличивается высота балки, перераспределяется материал сечения, увеличивается относительная площадь поясов. Недостатком такого решения является сложное напряженно-деформированное состояние вследствие концентрации напряжений в углах отверстий ближе к поясам.
Известен также способ, (патент ЕР 0324206 А1 МПК Е04С 3/08, автор Walker, Peter Allan. UK Patent Application GB 2492176 А), в котором перфорированные балки изготавливают путем разрезки вдоль стенки прокатной балки и сварки полученных половинок. Первый непрерывный разрез выполняют вдоль стенки балки, второй разрез также вдоль стенки балки, но по пути, отличающемуся от пути первого разреза. Разрезы очерчивают прямолинейные участки, лежащие на противоположных сторонах от центральной линии стенки, и криволинейные участки, соединяющие ближайшие концы смежных прямолинейных участков. Центры всех прямолинейных участков равномерно распределены по длине балки на заданное расстояние. Криволинейные участки могут быть в форме полукруга или полуэллипса. Разрезанные половинки балки разделяют и затем приваривают друг к другу в областях, образованных сопоставлением прямолинейных участков из двух половин. Могут быть изготовлены перфорированные балки с криволинейными отверстиями, круглыми, эллиптическими.
Этот способ принят в качестве прототипа как наиболее близкий по сущности.
Недостатком этого решения является сложное напряженно-деформированное состояние стенки с отверстиями в форме круга и эллипса (с вертикальной и горизонтальной главной осью), выражающееся в повышенной концентрации напряжений в стенке на границах отверстий, что может привести к текучести материала или преждевременному разрушению балки.
Технический результат - повышение надежности и долговечности строительных конструкций за счет снижения концентрации напряжений в стенке перфорированных балок.
Технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления перфорированной балки путем резки вдоль оси стенки прокатного двутаврового профиля с определенной линией резки для каждой половины балки и сварки выступающих частей половин с получением в стенке отверстий в виде эллипса, особенностью является то, что при резке стенки прокатного двутаврового профиля линии резки задают с возможностью получения в стенке, после сварки, эллиптических отверстий с разным углом наклона главной оси эллипса к оси балки. Например, с возможностью получения в стенке, после сварки, центрального эллиптического отверстия, главной осью расположенного перпендикулярно продольной оси балки, а остальные - под углом 45 градусов симметрично относительно центра балки. Либо с возможностью получения в стенке, после сварки, эллиптических отверстий, имеющих угол наклона, плавно меняющийся от 90 градусов в центре балки до 45 градусов в опорных участках симметрично относительно центра балки. При этом снижаются концентрации напряжений, что и приводит к повышению эксплуатационной надежности и долговечности строительной конструкции.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана стенка балки с эллиптической перфорацией с наклоном главных осей эллиптических отверстий под углом 45 градусов к оси стенки, причем главная ось отверстия, расположенного в середине длины балки, ориентируется вертикально. Здесь а - верхняя часть стенки балки, б - нижняя часть стенки балки, в - эллиптическое отверстие, г - участок сварки.
На фиг. 2 показаны линии разрезов прокатного двутаврового профиля, необходимые для изготовления перфорированной балки, где а - верхняя часть стенки балки, б - нижняя часть стенки балки.
На фиг. 3 показана балка с эллиптической перфорацией с переменным наклоном главных осей эллиптических отверстий к оси стенки, где а - верхняя часть стенки балки, б - нижняя часть стенки балки, в - эллиптическое отверстие, г - участок сварки. Наклон отверстий изменяется от 45 градусов близ опоры балки с постепенным увеличением его до 90 градусов в середине балки.
На фиг. 4 показана схема разреза прокатного двутаврового профиля, позволяющая получить отверстия с переменным наклоном главных осей к продольной оси балки, где а - верхняя часть стенки балки, б - нижняя часть стенки балки.
Были рассмотрены напряженно-деформированное состояние стенки перфорированной балки с различной формой перфорации стенки (в виде круга и эллипса) и различным расположением их главной оси.
x
Подробный анализ напряженно-деформированного состояния стенки перфорированной балки в ПК «Лира 9.6» показывает уменьшение величины и концентрации напряжений при применении отверстий перфорации в форме эллипсов с наклоном их главной оси. На фиг. 5-9 показаны изополя напряжений σ в стенке балки двутаврового сечения (синим цветом обозначено сжатие, коричневым - растяжение). Интенсивность цвета соответствует величине напряжения. Цифрами указаны точки, в которых определены напряжения. Величины напряжений в этих точках приведены в таблице 1.
Таблица 1
Значения нормальных напряжений σ<sub>х</sub> в точках стенки в балках с рассматриваемой перфорацией
Номер точки
Изополя нормальных напряжений σ<sub>х</sub>, МПа
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 8
Фиг. 9
1
1,430
1,900
1,180
1,590
1,460
2
1,430
1,900
1,180
1,590
1,460
3
1,210
1,580
0,944
1,320
1,210
4
0,725
0,951
0,708
1,060
0,972
5
0,483
0,634
0,432
0,793
0,729
6
-1,450
-1,900
-1,180
-1,420
-1,430
7
-1,450
-1,900
-0,944
-1,320
-1,430
8
-1,210
-1,580
-0,944
-1,06
-1,210
9
-0,966
-1,270
-0,708
-0,793
-0,972
10
-0,725
-0,634
-0,432
-0,528
-0,729
Как видно из приведенной выше таблицы, предлагаемые формы отверстий в стенке в виде эллипсов с наклоном главной оси к оси балки, равным 45 градусов, симметрично расположенных относительно центра, а также с переменным наклоном главных осей эллиптических отверстий, показанные на фиг. 8 и 9, по сравнению с прототипом позволяют снизить напряжения в указанных точках в среднем на 10 процентов.
Предложенная перфорированная балка, выполненная описанным образом, позволяет уменьшить вес готовой конструкции и снизить концентрации напряжений в стенке. Это приводит к повышению надежности и долговечности строительной конструкции.