БАЛКА С ГОФРИРОВАННОЙ АСИММЕТРИЧНЫМ ПРОФИЛЕМ СТЕНКОЙ
BEAM WITH WALL CORRUGATED WITH ASYMMETRIC PROFILE

Изобретение относится к строительству, к несущим конструкциям, обладающим возможностью выполнения ограждающих функций, и может применяться в промышленных и гражданских зданиях и сооружениях.
Из уровня техники известна двутавровая балка Н.П. Селиванова - Патент на изобретение RU 2029039 С1. В данной балке стенка гофрирована профилем с уменьшающейся к нижнему (растянутому) поясу амплитудой. Недостатком известной конструкции является снижение общей устойчивости стенки и местной устойчивости отдельного гофра по причине изменения по высоте стенки сечения гофра, который перестает работать как поперечное ребро жесткости, что особенно актуально на приопорных участках балки. Участок стенки в местах преобладания изгибающих моментов (как правило, среднепролетный участок шарнирно опертых изгибаемых балок) не может в полной мере включиться в работу на изгиб ввиду малой жесткости стенки поперек гофров.
Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения по технической сущности и достигаемому эффекту является балка с переменно-гофрированной стенкой - Патент на полезную модель №91583. Конструктивное решение прототипа соответствует изменениям интенсивности основных усилий, возникающих в изгибаемой балке, - изгибающих моментов и поперечных сил - однако, не реализует в полной мере потенциальные возможности переменного гофрирования стенки. Данное обстоятельство обосновано симметричностью профиля (профилей) гофров относительно плоскости, проходящей через вершину гофра и нормальной к продольной оси балки, проходящей вдоль наибольшей стороны элемента.
Технический результат от применения настоящего изобретения заключается в повышении несущей способности балки, прежде всего устойчивости формы ее стенки.
Указанный технический результат является решением актуальной задачи эффективного использования материала в несущих строительных конструкциях. Отмеченный технический результат достигается за счет того, что стенка балки, по крайней мере на некоторых участках, традиционно или переменно гофрирована преимущественно поперечными гофрами с профилем, асимметричным относительно плоскости, проходящей через вершину гофра и нормальной к продольной оси банки. Рациональными участками размещения гофров с асимметричным профилем являются зоны интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов и значительных касательных напряжений (как правило приопорные участки).
При этом традиционным предлагается считать гофрирование листовых заготовок гофрами с постоянным шагом и высотой. Переменным предлагается считать гофрирование листовых заготовок гофрами с изменяемым шагом и/или высотой.
Изменение параметров гофров (шага и высоты) при переменном гофрировании стенки соответствует изменениям интенсивности поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов в балке: на участках относительно интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов шаг гофров минимальный, а их высота - максимальная, а на участках относительно малых поперечных сил и/или крутящих моментов - обратная ситуация, шаг гофров - максимальный, высота гофров - минимальная.
Асимметричность профиля гофров стенки заключается в смещении вершины гофров в сторону возрастания интенсивности поперечных сил и/или крутящих моментов. Приведенное конструктивное решение позволяет разместить вершину гофра, т.е. фрагмент отдельно взятого гофра с наибольшей продольной и крутильной жесткостями, ближе к максимальным (по модулю) значениям усилий на участке данного гофра. Предлагаемая асимметричная геометрическая форма профиля гофров стенки соответствует оптимальному размещению материала гофра при заданных шаге и высоте, основываясь на принципе: наибольшая устойчивость стенки при наименьшей ее материалоемкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 - балка с переменно-гофрированной асимметричным профилем 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 - балка с гофрированной асимметричным профилем стенкой и с параллельными металло-деревянными поясами;
на фиг, 5 - продольное сечение балки на фиг.4;
на фиг.6 - балка с переменно-гофрированной асимметричным профилем стенкой, имеющей перфорацию, и с параллельными поясами, один из которых включает в себя железобетонный настил;
на фиг.7 - вид сбоку на балку на фиг.6;
на фиг.8 - продольное сечение А-А на фиг.7.
Балка с гофрированной асимметричным профилем стенкой состоит из сжатого пояса 1 и растянутого пояса 2, соединенных стенкой 3. Стенка 3 гофрирована преимущественно поперечными гофрами. Существенно важным обстоятельством является асимметричность профиля гофров по крайней мере на некоторых, чаще всего приопорных, участках балки. Гофрирование стенки 3 может быть традиционным или переменным, возможен вариант, когда на одних участках стенки 3 гофры имеют постоянные шаг и высоту, а на других - варьируемые (фиг.4, 5).
Гофры могут быть односторонними и двусторонними относительно срединной плоскости стенки 3. Устройство двусторонних гофров предпочтительнее ввиду более равномерной передачи усилий с поясов 1 и 2 на стенку 3, лучшей работы на кручение, близкого соответствия теоретических расчетных предпосылок реальной картине сопряжения элементов балки и их силового сопротивления.
Профиль гофров может быть криволинейный или ломаный. В ряде случаев, возможно рассматривать асимметричный профиль как соответствующее деформирование волнистого, треугольного, трапецеидального или другого симметричного профиля. Возможно изменение профиля гофров по длине стенки 3, например, трапецеидальный профиль - на приопорных участках стенки, а треугольный и/или волнистый профиль - в пролетном участке (фиг.4, 5).
Объемом изобретения предусмотрен вариант балки, в которой применяются гофры, как выходящие на обе кромки стенки 3, так и не выходящие, или гофры, выходящие только на одну кромку (глухие).
Стенка 3 для повышения местной устойчивости может иметь, по крайней мере на некоторых участках, преимущественно выштампованные и сонаправленные с гофрами ребра жесткости (по сути - дополнительные гофры 4). Дополнительные гофры 4 могут не выходить на края стенки 3 или выходить хотя бы на один ее край. Дополнительные гофры 4 являются, как правило, односторонними и симметричными ввиду того, что их эффективно производить с помощью технологии штамповки листовых деталей.
Стенка 3 может иметь перфорацию 5 (фиг.6, 7), которую предпочтительно предусматривать в участке с преобладающим влиянием изгибающих моментов на несущую способность. Устройство перфорации 5 позволяет в ряде случаев дополнительно снизить расход металла на стенку 3 и осуществить пропуск коммуникаций через конструкцию.
Объемом изобретения предусмотрен вариант балки, в которой на участках относительно малых поперечных сил и крутящих моментов при интенсивных изгибающих моментах стенка 3 представляет собой гладкий лист. Участком стенки 3 для рационального размещения гладкого листа может быть, например, пролетная зона шарнирно опертой изгибаемой (особенно с формированием зоны чистого изгиба) балки.
Как вариант, стенка 3, по крайней мере на некоторых участках, содержит поперечно расположенные преимущественно металлические прокатные либо гнутые профили открытого или замкнутого поперечного сечения (приопорные участки стенки 3 на фиг.4, 5).
Указанные металлические профили формируют, как правило, вершины гофров и соединяются непосредственно друг с другом или с промежуточными металлическими пластинами при помощи сварного, клеевого или заклепочного соединения.
Существенные отличия предлагаемой конструкции от ближайшего аналога:
- асимметричный профиль гофров позволяет сместить вершину гофров в сторону преобладания интенсивных поперечных сил и касательных напряжений, в большинстве случаев - в направлении опор;
- возможность организации наборной стенки 3, которая сформирована набором прокатных или гнутых профилей, соединенных между собой, например, тонкими плоскими пластинами, что позволяет: дифференцировать толщину стенки 3 по длине балки;
без дополнительного усиления стенки 3 устраивать в ней относительно небольшие отверстия (размеры отверстия - не более 1/3 высоты стенки 3), например, для пропуска коммуникаций;
увеличивать крутильную жесткость сечения балки;
изготавливать балку с переменно- и традиционно-гофрированной стенкой 3 без специализированного гофрообразующего оборудования;
- возможность формирования такой стенки 3, в которой местная потеря устойчивости некоторых ее пластин не приводит конструкцию к предельному состоянию, но сигнализирует о высоком уровне действующих в конструкции усилий, т.е. предоставляется возможность создавать конструкцию с контролируемым посредствам изменения формы элементов уровнем напряжений в стенке 3.
Балка с гофрированной асимметричным профилем стенкой 3 может иметь по длине стенки 3 поперечные ребра жесткости и/или продольные ребра жесткости, а также торцевые опорные ребра (на чертежах условно не показаны).
Высокая гибкость стенки 3, достигающая 500 и более, увеличивает 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.
Поперечные ребра жесткости могут примыкать к стенке 3 и к поясам 1 и 2 или только к поясам 1 и 2. В последнем случае они фактически являются стойками. Возможен вариант балки, в которой стенка 3 укреплена не только стойками, но и раскосами. Относительно стенки 3 ребра жесткости, стойки и раскосы могут быть как односторонними, так и двусторонними. Двусторонний вариант эффективен и в случае усиления предлагаемой балки, например, при увеличении эксплуатационной нагрузки.
Пояса 1 и 2 балки с гофрированной асимметричным профилем 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 балки с гофрированной асимметричным профилем стенкой 3 могут выполняться с различным поперечным сечением, также возможно изменение сечения поясов 1 и 2 по длине.
Изобретением предусмотрен вариант балки, в которой сжатый пояс 1 выполнен из нескольких материалов: металлического элемента 6 и железобетонного настила 7, скрепленных между собой анкерующими болтами 8 (фиг.6, 7).
Поперечное сечение балки может быть двутавровым, коробчатым (двойная стенка 3), двутаврово-коробчатым (по сути - коробчатое со свесами поясов 1 и/или 2).
Характер работы балки с гофрированной асимметричным профилем 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, а изгибающие моменты - практически полностью поясами 1 и 2. Усилия от крутящих моментов воспринимаются и поясами 1, 2 и стенкой 3.
Если поверх балок устроен железобетонный настил 7, то он включается в работу сжатых поясов I на сжатие и кручение, позволяя существенно снизить их материалоемкость. Устойчивость сжатого пояса 1 улучшается в местах его примыкания к гофрированным участкам стенки 3, за счет опирают на условную полосу шириной, равной высоте гофров.
Двутавровая балка с гофрированной асимметричным профилем стенкой 3 по сопротивлению кручению (крутильной жесткости) занимает промежуточное положение между двутавровой гладкостенной (с поперечными ребрами жесткости) и коробчатой балками. Повышенное сопротивление кручению позволяет прикладывать изгибающую нагрузку с эксцентриситетами, достигающими половины высоты гофров.
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.
Предлагаемая балка имеет, как правило, шарнирное опирание на концах, хотя не исключена неразрезная многопролетная схема балки.
Гофрирование стенки 3, а также устройство (в случае необходимости) ребер жесткости, торцевых (опорных) ребер и/или системы раскосов и/или стоек предотвращает потерю устойчивости стенки 3. В случае устройства гладких участков стенки 3 в зонах интенсивных изгибающих моментов данные участки включаются в работу поясов 1,2 на изгиб.
Опорная реакция от балки передается на нижерасположенные вертикальные несущие элементы сооружения (стены, колонны, пилоны) и далее - на фундаменты.
Балка с гофрированной асимметричным профилем стенкой 3 изготавливается, как правило, из металлов, преимущественно из сталей групп обычной или повышенной прочности. 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). Стенка 3 соединяется с поясами 1 и 2 с помощью непрерывных, односторонних или двусторонних сварных швов, что требует учета показателей свариваемости и условий эксплуатации.
Возможно металло-деревянное решение поясов (фиг.4), представляющее собой соединенные в единый несущий элемент деревянный брус 9 и металлический профиль 10 (гнутый или прокатный). Данное конструктивное решение позволяет соединять стенку 3 с поясами 1 и 2 с помощью ее вклейки в пазы, устраиваемые в деревянных брусьях 9. Соединение бруса 9 с профилем 10 может быть осуществлено с помощью клея, нагельных элементов или болтов (в т.ч. сквозных).
В случае изготовления балки из неметаллических материалов (пластики, композиционные материалы и др.) соединения элементов балки выполняются преимущественно с помощью клеевых решений.
Традиционное или переменное гофрирование возможно осуществить с помощью технологии штамповки - прессования заготовок между двумя матрицами, прокатки на профилирующих станах, гибки профилегибочными машинами, а также комбинированием данных способов. Предпочтение следует отдавать производству с максимальной степенью автоматизации, приносящей наибольший экономический эффект. Следует учитывать, что устройство ребер жесткости, торцевых опорных ребер, раскосов и стоек существенно осложняет, а в ряде случаев нарушает полную автоматизацию производственных линий по выпуску составных конструкций.
Область применения предлагаемого изобретения: конструктивные системы несущих элементов зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения, Предлагаемое изобретение может использоваться в различных снеговых, ветровых и сейсмических районах. Предлагаемая конструкция предназначена для восприятия статических или динамических воздействий. При динамических нагрузках рекомендуется изготавливать данную балку из стали (сжатый пояс 1 может включать в себя железобетонный настил 7 - фиг.6, 7), а соединение поясов 1 и 2 со стенкой 3 осуществлять с помощью двусторонних непрерывных сварных швов.
Назначение конструктивных параметров конкретной балки (формы профиля гофров, их шаг, высота; 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 расчетов несущей способности рекомендуется использование численных методов теории упругости, в частности, метода конечных элементов (МКЭ) в компьютерной реализации.
Особенностью расчетов является учет того обстоятельства, что потеря устойчивости некоторых элементов балки (прежде всего стенки 3) весьма вероятна в упругой стадии работы материала. Возможен случай, когда потеря несущей способности балки вызвана потерей местной устойчивости ее элементов и происходит при напряжениях в элементах ниже придела текучести, а в некоторых случаях - даже ниже предела пропорциональности упруго-пластического материала элементов балки.
Рекомендуется при расчетах устойчивости балки анализировать не только первую форму потери устойчивости, но и последующие. Во многих (но не во всех) случаях допустимо проводить расчеты в предположении упругой работы материала балки.
При проведении компьютерных расчетов методом конечных элементов рекомендуется использовать при моделировании балки оболочечные конечные элементы с учетом геометрической и физической нелинейностей работы. При этом существенно важным критерием адекватности расчетной модели служит ее максимальное сходство с натурной конструкцией как по геометрическим характеристикам, так и по жесткостным параметрам.