БИПЛАСТМАССОВАЯ БАЛКА
BIPLASTIC BEAM

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве несущей конструкции различных зданий и сооружений, в том числе эксплуатируемых в условиях химически агрессивных сред, а также в случаях, когда к конструкциям предъявляют требования немагнитности или недопустимости искрообразования.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является клеефанерная балка, в состав которой входят верхний и нижний пояс, вертикальная волнистая стенка, клеевая композиция и ребра жесткости. Соединение верхнего и нижнего поясов, выполненных из досок или брусьев прямоугольного поперечного сечения, с вертикальной волнистой стенкой выполнено при помощи запрессовки последней в криволинейные пазы на клеевой композиции, которые выбираются в верхнем и нижнем поясах на специальных копировальных станках (Проектирование и расчет деревянных конструкций: Справочник / И.М. Гринь, В.В. Фурсов, Д.М. Бабушкин и др. - Липецк.: Издательство «Интеграл», 2005, с.80-82, рис.6.5). Данное конструктивное решение балки отличается высокой местной устойчивостью стенки, возможностью предусматривать ребра жесткости только в опорных сечениях и в местах приложения сосредоточенных нагрузок.
Однако она имеет малую крутильную жесткость из плоскости изгиба из-за большой высоты стенки «в свету» или между внутренними гранями верхнего и нижнего поясов. Кроме этого при изготовлении такой балки требуется специальное оборудование для устройства клиновидных пазов в верхнем и нижнем поясах и для запрессовки стенки в криволинейных пазах, что существенно усложняет технологию изготовления балки.
Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является увеличение несущей способности балки, ее крутильной жесткости и упрощение технологии изготовления.
Задача решается за счет того, что в бипластмассовой балке, содержащей верхний и нижний пояса, вертикальную волнистую стенку, клеевую композицию и ребра жесткости, поставленные в опорных сечениях и в местах приложения сосредоточенных нагрузок, верхний и нижний пояса выполнены из углепластиковых швеллеров, стенки которых образуют верхнюю и нижнюю грани балки, причем вертикальная волнистая стенка из стеклопластиковых листов продольными гранями примыкает к внутренним горизонтальным поверхностям верхнего и нижнего поясов, а гребнями приклеена к внутренним вертикальным поверхностям верхнего и нижнего поясов, при этом внутренне пространство швеллеров заполнено клеевой композицией, а ребра жесткости приклеены к вертикальной волнистой стенке и к верхнему и нижнему поясам.
Кроме этого задача решается тем, что вертикальная волнистая стенка на опорах и в середине пролета ℓ или в других наиболее напряженных зонах при необходимости может быть усилена плоскими стеклопластиковыми листами, сформированными в опорных зонах из ортогонально направленных стекловолокнистых шпонов с соотношением их количеств 1:1 и в середине пролета из ортогонально направленных стекловолокнистых шпонов с соотношением их количеств 10:1 с направлением стекловолокон в большем количестве вдоль балки, при этом плоские стеклопластиковые листы приклеены как к гребням вертикальной волнистой стенки и к верхнему и нижнему поясам, так и к ребрам жесткости.
Также верхняя грань клеевой композиции сформирована с углом наклона 45° в сторону середины высоты поперечного сечения балки, а стенка швеллеров поясов имеет различную толщину, увеличивающуюся от опор к середине пролета, при этом внешние размеры швеллеров не изменяются.
На фиг.1 изображен вид бипластмассовой балки сбоку; на фиг.2 - ее продольный разрез 1-1 на фиг.1; на фиг.3 - поперечный разрез 2-2 на фиг.1; на фиг.4 - поперечный разрез 3-3 на фиг.1; на фиг.5 - поперечный разрез 4-4 на фиг.1; на фиг.6 - продольный разрез по швеллеру верхнего или нижнего поясов.
Бипластмассовая балка включает верхний 1 и нижний 2 пояса, выполненные из углепластиковых швеллеров, вертикальную стеклопластиковую волнистую стенку 3, которая продольными гранями примыкает к внутренним горизонтальным поверхностям верхнего 1 и нижнего 2 поясов, а гребнями приклеена к внутренним вертикальным поверхностям верхнего 1 и нижнего 2 поясов, клеевую композицию 4, заполняющую внутреннее пространство швеллеров и ребра жесткости 5, поставленные в опорных сечениях и в местах приложения сосредоточенных нагрузок и приклеенные к вертикальной волнистой стенке 3 и к верхнему 1 и нижнему 2 поясам. Также в состав балки при необходимости входят плоские стеклопластиковые листы усиления 6, сформированные на опорах из ортогонально направленных стекловолокнистых шпонов с соотношением их количеств 1:1 и плоские стеклопластиковые листы усиления 7 в середине пролета из ортогонально направленных стекловолокнистых шпонов с соотношением их количеств 10:1 с направлением стекловолокон в большем количестве вдоль балки. Плоские стеклопластиковые листы 6 в опорных зонах и плоские стеклопластиковые листы 7 в середине пролета приклеены как к гребням вертикальной волнистой стенки 3 и к верхнему 1 и нижнему 2 поясам, так и к ребрам жесткости 5. Верхнюю грань клеевой композиции 4 целесообразно формировать с углом наклона 45° в сторону середины высоты поперечного сечения балки, что позволяет уменьшить свободную высоту вертикальной волнистой стенки и, соответственно, повысить крутильную жесткость балки. Горизонтальные стенки швеллеров верхнего 1 и нижнего 2 поясов могут иметь различную толщину, увеличивающуюся от опор к середине пролета, при этом их внешние размеры не изменяются, что позволяет сохранить простоту изготовления балки и эффективно использовать материал верхнего 1 и нижнего 2 поясов при работе балки на изгиб, например, при равномерно-распределенной нагрузке.
Бипластмассовую балку необходимо изготавливать в следующем порядке.
1. В соответствии с рабочими чертежами изготавливают методом горячего прессования с использованием простейших пуансонов и матриц составные элементы балки - углепластиковые швеллера для верхнего 1 и нижнего 2 поясов, стеклопластиковую вертикальную волнистую стенку 3, ребра жесткости 5, плоские стеклопластиковые листы 6 и 7. Для применения в опорных зонах плоские стеклопластиковые листы 6 формируют из ортогонально направленных стекловолокнистых шпонов с соотношением их количеств 1:1. Для применения в середине пролета плоские стеклопластиковые листы 7 формируют из стекловолокнистых шпонов с соотношением их количеств 10:1.
2. На горизонтальное основание укладывают нижний пояс 2 балки стенкой швеллера вниз и вставляют в него вертикальную волнистую стенку 3, ребра жесткости 5 и, при необходимости, плоские стеклопластиковые листы 6 и 7, предварительно обработав их в местах сопряжения между собой клеевой композицией 4.
3. Заполняют внутреннюю полость швеллера нижнего пояса 2 клеевой композицией 4, формируя ее верхнюю грань с углом наклона 45° в сторону середины высоты поперечного сечения балки.
4. После схватывания клеевой композиции 4 балку переворачивают на 180°, предварительно уложив на освободившееся горизонтальное основание верхний пояс 1 балки стенкой швеллера вниз.
5. Заполняют внутреннюю полость швеллера верхнего пояса 1 клеевой композицией 4, формируя ее верхнюю грань с углом наклона 45° в сторону середины высоты поперечного сечения балки.
6. Производят косметическую обработку конструкции.
Бипластмассовая балка работает следующим образом. При действии вертикальной нагрузки происходит поперечный изгиб балки, при этом возникающие нормальные напряжения воспринимаются верхним 1 и нижним 2 поясами, выполненными из углепластиковых швеллеров. За счет того, что стенки швеллеров, в которых сконцентрирована основная масса конструкционного материала, образуют верхнюю и нижнюю грани балки наиболее удаленных зон от нейтральной оси поперечного сечения балки, углепластик используется наиболее эффективно в сравнении с поясами прямоугольного поперечного сечения, предусмотренного в прототипе.
При необходимости увеличения несущей способности балки в ней устраивают дополнительно плоские стеклопластиковые листы 6, сформированные в опорных зонах из ортогонально направленных стекловолокнистых шпонов с соотношением их количеств 1:1 и в середине пролета из ортогонально направленных стекловолокнистых шпонов с соотношением их количеств 10:1 с направлением стекловолокон в большем количестве вдоль балки. Такая ориентация стекловолокнистых шпонов позволяет эффективно использовать стеклопластиковые листы 6 для восприятия скалывающих напряжений в опорных зонах и стеклопластиковые листы 7 для восприятия нормальных напряжений в середине пролета с учетом того, что прочность волокнистого материала увеличивается с увеличением количества волокон, направленных по оси приложения усилия.
Восприятие сосредоточенных вертикальных нагрузок в балке обеспечивают ребра жесткости 5, поставленные в опорных сечениях и в местах приложения этих сосредоточенных нагрузок. По конструкции ребра жесткости 5 аналогичны верхнему 1 и нижнему 2 поясам, что позволяет уменьшить номенклатуру изделий, применяемых для изготовления бипластмассовой балки.
Монолитность сопряжений всех элементов бипластмассовой балки между собой, а также бипластмассовой балки в целом обеспечена клеевой композицией 4, которую наносят на сопрягаемые поверхности, а также заливают ей внутренние полости швеллеров верхнего 1 и нижнего 2 поясов. П-образная форма швеллеров позволяет проводить такую технологическую операцию без выполнения дополнительных опалубочных элементов за исключением постановки временных торцевых заглушек, препятствующих вытеканию клеевой композиции 4 со стороны торцов швеллеров. При заливке клеевой композиции 4 во внутреннюю полость швеллеров ее верхнюю грань формируют с углом наклона 45° в сторону середины высоты поперечного сечения балки. Такой прием позволяет уменьшить свободную высоту вертикальной волнистой стенки 3 и, соответственно, повысить ее устойчивость и крутильную жесткость балки в целом. Простая заливка клеевой композиции 4 во внутреннюю полость швеллеров позволяет исключить из технологического процесса изготовления балки применение специализированного оборудования для устройства клиновидных пазов в верхнем 1 и нижнем 2 поясах и для запрессовки вертикальной волнистой стенки 3 в криволинейных пазах, что является необходимой операцией при изготовлении балки-аналога.
Увеличение площади поперечного сечения швеллеров верхнего 1 и нижнего 2 поясов от опор к середине пролета балки l соответствует увеличению усилий, возникающих в этих поясах от действия внешних нагрузок. В этом случае внутренние напряжения в верхнем 1 и нижнем 2 поясах, а также в плоских стеклопластиковых листах 7 будут распределены более равномерно по длине балки, что обеспечивает наиболее эффективное использование несущего конструкционного материала, каким является углепластик швеллеров верхнего 1 и нижнего 2 поясов и стеклопластик плоских листов 7 в сравнении со стандартным швеллером с постоянной высотой стенки.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемая бипластмассовая балка обладает увеличенной несущей способностью, крутильной жесткостью и отличается упрощенной технологией изготовления.