БАЛКА ДВУТАВРОВОГО СЕЧЕНИЯ С ГОФРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ
I-BEAM WITH CORRUGATED WALL

Изобретение относится к области строительства, в частности к конструкциям гражданских, промышленных и общественных зданий и сооружений.
Известна конструкция металлодеревянной балки двутаврового сечения, содержащая металлическую гофрированную стенку, верхнюю и нижнюю полки, выполненные из дерева /Патент №82730 (2006.01), МПК Е04С 3/292. Составная балка двутаврового сечения / М.С. Котина, заявл. ООО "ХТС-Русланд" 16.02.2009, опубл. 10.05.2009. Бюл. №13 [1]/.
Недостатком указанной балки является низкая несущая способность на изгиб в вертикальной плоскости вследствие выполнения полок из древесины, у которой низкое значение расчетного сопротивления, ограниченная длина пролета, связанная с длиной пиломатериалов, а также подверженность деревянных полок гниению, вследствие чего эти факторы сильно ограничивают область использования таких балок.
Наиболее близким техническим решением является конструкция сварной двутавровой балки, содержащей горизонтальные полки и гофрированную стенку, выполненную с поперечным расположением гофров /Патент №76936 (2006.01), МПК Е04С 3/00. Балка двутавровая сварная /В.И. Климов, А.В. Григорьев, Ю.И. Родин, заявл. ООО ПСК "Пулково" 12.03.2008, опубл. 10.10.2008. Бюл. №28 / [2] - принято за прототип.
Недостатком указанной балки является недостаточная несущая способность на изгиб в двух плоскостях и на кручение, связанная с ограниченным сортаментом металлопроката, а также ограниченная сфера применения, связанная с воздействием агрессивных сред ввиду того, что гофрированная стенка выполняется толщиной 2-3 мм.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение долговечности, огнестойкости, несущей способности и прочности балки двутаврового сечения с гофрированной стенкой на изгиб в двух плоскостях и на кручение, а также расширение сферы ее применения в строительстве.
Технический результат достигается тем, что в балке двутаврового сечения, содержащей полки и приваренную к ним стенку из металлического гофрированного листа с поперечным расположением гофров произвольной формы, стенка состоит из двух или более параллельно расположенных соединенных между собой гофрированных листов, а полки выполнены сталежелезобетонными, состоящими из жесткой арматуры в виде рифленого листа металла и арматурного каркаса, включающего продольную арматуру и поперечную арматуру, которая обхватывает продольную арматуру, соединена с ней, а ее концы с загибом внутрь приварены к рифленому листу металла с отступом от стенки балки, равным не менее чем 50 мм; толщина гофрированных листов стенки равна 5-8 мм; высота полуволны волнообразной гофрированного листа стенки равна не менее 1/4 шага полуволны; гофрированные листы стенки балки расположены друг к другу с параллельным расположением волн их гофров; гофрированные листы стенки балки расположены друг к другу с примыканием вершин волн их гофров; гофрированные листы стенки скреплены между собой точечной сваркой; гофрированные листы стенки скреплены между собой болтовым соединением; диаметр стержневой продольной арматуры определяется из расчета конструкции на прочность и деформативность нормального сечения верхней и нижней полки; диаметр стержней поперечной арматуры определяется из расчета балки на прочность и деформативность наклонного сечения полки и принимается не менее  диаметра продольной арматуры и не менее 6 мм; поперечная арматура может быть выполнена в виде отдельных прямых стержней, хомутов, шпилек с отгибами и крюками в зависимости от действующих нагрузок на конструкцию; расстояние между стержнями поперечной арматуры должно быть не более 300 мм; продольная и поперечная арматура в арматурном каркасе соединена между собой вязальной стальной проволокой; продольная и поперечная арматура в арматурном каркасе соединена между собой точечной сваркой; приварка гофрированного листа стенки к рифленым листам жесткой арматуры выполнена точечной сваркой со стороны отсутствия рифленого рисунка на листе металла.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен общий вид балки двутаврового сечения с гофрированной стенкой, где приняты следующие обозначения: 1 - верхняя полка, 2 - нижняя полка; 3 - стенка; 5 - рифленый лист металла; 6 - продольная арматура; 7 - поперечная арматура.
На фиг. 2 изображен вид сбоку на балку двутаврового сечения с гофрированной стенкой, где приняты следующие обозначения: 1 - верхняя полка, 2 - нижняя полка; 3 - стенка.
На фиг. 3 изображено сечение А-А фиг. 2, варианты использования для стенки из одного, двух и трех гофрированных листов, которые скреплены соединением, где приняты следующие обозначения: 2 - нижняя полка; 3 - стенка; 4 - соединение.
На фиг. 4 изображено сечение Б-Б фиг. 2, поперечное сечение балки двутаврового сечения с гофрированной стенкой, где приняты следующие обозначения: 1 - верхняя полка, 2 - нижняя полка; 3 - стенка; 5 - рифленый лист металла; 6 - продольная арматура; 7 - поперечная арматура.
Предлагаемая балки в сечении представляет собой двутавр и состоит из верхней полки - 1, нижней полки - 2, которые выполнены сталежелезобетонными, и стенки - 3, которая размещена между полками и жестко соединена с ними.
а
Стенка - 3 выполнена в виде по меньшей мере одного гофрированного листа. Но возможно исполнение стенки - 3 из двух и более параллельно расположенных соединенных между собой гофрированных листов. Причем в этом случае волны гофрированных листов можно располагать как параллельно друг другу, так и навстречу друг другу с примыканием вершин волн их гофров, скрепляя их между собой соединением - 4, представляющим собой точечную сварку или болтовое соединение. Высота полуволны (ƒ) (фиг. 3) гофрированного листа стенки равна не менее 1/4 шага полуволны (), что также обеспечивает повышение жесткости стенки - 3.
Выполненные таким образом стенки из гофрированных листов более устойчивы к длительной статической нагрузке. Очертание гофрированных листов стенки, выполненное, например, в виде синусоидального очертания, кроме преимуществ, извлекаемых из технологии производства, имеет конструктивное преимущество перед очертанием из прямых граней, например треугольного очертания, за счет устранения местной деформации, свойственной плоским пластинам. Толщина гофрированных листов стенки может достигать 5-8 мм в зависимости от применяемого очертания.
Сталежелезобетонная верхняя полка - 1 и нижняя полка - 2 представляют собой конструкцию, состоящую из жесткой арматуры в виде рифленого листа металла - 5 и арматурных каркасов, включающих продольную арматуру - 6 и поперечную арматуру - 7, объединенных бетоном. Рифленый лист металла - 5 выполняется с односторонним рифлением с определенной структурой, например чечевичное рифление, с целью улучшения сцепления металлической поверхности с бетоном. Стенка - 3 приваривается к рифленому листу металла - 5 со стороны отсутствия рифления на листе. Продольная арматура - 6 устанавливается с целью восприятия растягивающих напряжений в нижней полке - 2 и сжимающих напряжений в верхней полке - 1. Продольная арматура - 6 в совместной работе со сжатым бетоном верхней полки - 1 и растянутым бетоном нижней полки - 2 дополнительно увеличивает изгибную жесткость балки, а также препятствует образованию трещин в нормальном сечении растянутой нижней полки - 2. Продольная арматура - 6 совместно с поперечной арматурой - 7 препятствует образованию наклонных трещин в полках от возникающих касательных напряжений при действии поперечных сил в пролете среза.
Совместность работы рифленого листа металла, продольной арматуры, поперечной арматуры и бетона достигается за счет обхвата продольной арматуры стержнями поперечной арматуры, при этом концы стержней поперечной арматуры имеют загибы внутрь, которые привариваются к рифленому листу металла с отступом от стенки балки, равным не менее чем 50 мм, а также за счет физико-химической адгезии бетонных и металлических поверхностей.
Диаметр стержней продольной арматуры - 6 определяется из расчета конструкции на прочность и деформативность нормального сечения верхней или нижней полки, а диаметр стержней поперечной арматуры – 7 - из расчета балки на прочность и деформативность наклонного сечения полки и принимается не менее  диаметра продольной арматуры и не менее 6 мм. Поперечная арматура - 7 может быть выполнена в виде отдельных прямых стержней, хомутов, шпилек с отгибами и крюками в зависимости от действующих нагрузок на конструкцию. Сборку арматурного каркаса осуществляют либо вязальной стальной проволокой, либо приваркой его элементов точечной сваркой. Расположение арматуры в железобетонных полках должно соответствовать расчетным и конструктивным требованиям норм проектирования железобетонных конструкций. Расстояние между стержнями поперечной арматуры должно быть не более 300 мм. Совместность работы всех составляющих сталежелезобетонных полок должна быть обеспечена исходя из требований норм проектирования сталежелезобетонных конструкций.
Изготавливают и собирают балку двутаврового сечения с гофрированной стенкой следующим образом.
Первоначально собирают металлическую балку из двух рифленых листов металла и одного, двух или более параллельно расположенных соединенных между собой гофрированных листов. На металлической заготовке листа металла выполняют одностороннее рифление путем штамповки в виде заранее намеченной структуры, например чечевичное рифление. Для изготовления стенки металлический лист прокатывают валками и получают гофрированный лист стенки. Затем формованный лист стенки и рифленые листы сваривают в балку таким образом, чтобы в поперечном сечении получалось двутавровое сечение. Приварка гофрированного листа стенки к рифленым листам выполняется точечной сваркой со стороны отсутствия рифленого рисунка на листе металла.
После чего изготавливают верхнюю полку - 1 и нижнюю полку - 2 балки в виде сталежелезобетонных конструкций. Первоначально производят сборку арматурного каркаса, состоящего из продольной арматуры - 6 и поперечной арматуры - 7. Сборка осуществляется либо вязальной стальной проволокой, либо приваркой его элементов точечной сваркой. Жесткость каркаса создается за счет обхвата продольной арматуры - 6 стержнями поперечной арматуры - 7, при этом концы стержней поперечной арматуры - 7 имеют загибы внутрь, которые привариваются к рифленому листу металла с отступом от стенки балки, равным не менее чем 50 мм. Затем выставляют опалубку вокруг арматурных каркасов полок.
Опалубочные формы под полки заполняют бетоном в горизонтальном положении с послойным виброуплотнением для создания надежной монолитной конструкции. После чего выдерживают бетон в течение не менее 28 суток для набора проектной прочности в условиях заводского изготовления и 7 дней для набора прочности на действие монтажных нагрузок при изготовлении данной конструкции на строительной площадке. Совместность работы рифленого листа металла, продольной арматуры, поперечной арматуры и бетона достигается за счет физико-химической адгезии бетонных и металлических поверхностей.
Предложенное техническое решение можно использовать, например, в перекрытиях зданий и сооружений или в пролетных строениях мостов.
При изготовлении стенки балки из двух гофрированных листов скрепляют между собой точечной сваркой или болтовым соединением. Причем устанавливают волны гофрированных листов либо параллельно друг другу, либо навстречу друг другу с примыканием вершин волн их гофров.
Благодаря гофрированному листу стенки конструкция эффективно гасит изгибающие нагрузки. В условиях статической нагрузки балка рассчитывается по схеме, в которой изгибающие моменты и нормальные силы передаются только через полки, а поперечные силы распределяются только через стенку из гофрированного листа.
Балки этого типа могут использоваться во всех тех же проектах, что и обычные: деревянные, металлодеревянные, тавровые и двутавровые. Балки двутавтового сечения с гофрированными стенками имеют более высокий предел огнестойкости ввиду использования бетона в полках и более высокую несущую способность на изгиб в двух плоскостях и на кручение ввиду того, что поперечные сечения полок могут быть выполнены любого размера. Такие балки являются надежными элементами конструкций и фактически без структурных ограничений.
Повышенная надежность, долговечность, огнестойкость и устойчивость к агрессивной среде предложенной балки позволяет значительно расширить сферу ее применения при строительстве и реконструкции зданий и сооружений.
Источники информации
1. Патент №82730 (2006.01), МПК Е04С 3/292. Составная балка двутаврового сечения / М.С. Котина, заявл. ООО "ХТС-Русланд" 16.02.2009, опубл. 10.05.2009. Бюл. №13.
2. Патент №76936 (2006.01), МПК Е04С 3/00. Балка двутавровая сварная /В.И. Климов, А.В. Григорьев, Ю.И. Родин, заявл. ООО ПСК "Пулково" 12.03.2008, опубл. 10.10.2008. Бюл. №28.