Строительный элемент

 

Использование: в несущих конструкциях арочных покрытий. Сущность: строительный элемент включает гофрированные лицевые листы, жестко соединенные друг с другом соединительной решеткой из гнутых профилей. Гофрированные листы расположены симметрично относительно продольной и поперечной осей элемента, выполнены криволинейными с трапецеидальными гофрами и разновеликими полками, обращенными своей большей шириной к наружным поверхностям элемента и имеющими посередине профилированные ребра полукруглого поперечного сечения, обращенные выпуклостью внутрь элемента, а соединительная решетка выполнена из дискретно размещенных по длине и (или) ширине элемента одинарных или составных по высоте жестко соединенных гофрированных полос и (или) гнутых профилей. 4 з. п. ф - лы, 7 ил.

Изобретение относится к строительству, а именно к несущим конструкциям арочных покрытий.

Из технической литературы известна однослойная конструкция сводов, образованная из криволинейных один или два раза профилированных листов, имеющих синусоидальное, трапецеидальное или прямоугольное сечения гофров, высота которых в зависимости от нагрузки и технологических возможностей колеблется от 100 до 600 мм, а толщина от 0,8 до 2 мм (кн. Легкие конструкции стальных зданий с применением гнутых профилей. Обзор. М. ВНИИИС, 1987, с. 36-39).

К недостаткам этой конструкции относятся следующие: низкая несущая способность из-за склонности к местной потере устойчивости большеразмерных граней гофров, особенно имеющих двойное продольное и поперечное гофрирование; низкая крутильная жесткость открытой формы сечения, затрудняющая монтаж; нерациональное распределение материала в поперечных сечениях конструкции с учетом ее силовой работы на сжатие с изгибом; технологические ограничения на дальнейшее увеличение высоты профиля; скопление пыли и снега в глубоких складках покрытия; сложность прокладки внутренних коммуникаций.

Наиболее близким техническим решением является конструкция свода американской фирмы "Behlen", приведенная в книге (Стальные конструкции из гнутых профилей в строительстве за рубежом. Обзор. М. ЦИНИС, 1971, с. 30, рис. 30, 31).

Конструкция свода состоит из двух волнистых оцинкованных листов-настилов, связанных при помощи соединительных деталей элементами перекрестной решетки из гнутых профилей корытообразного сечения. Плоскости решеток расположены по образующим волнистой поверхности настила с шагом 1 м, а их стержни подходят к настилам под углом 45^о.

Недостатком этой конструкции является сложность их изготовления, обусловленная многодельностью и большим числом конструктивных элементов. Причем эффективность конструктивного решения снижается с уменьшением строительной высоты, а криволинейность свода получается за счет мелкого дробления свода на отправочные монтажные марки.

Целью изобретения является упрощение изготовления, повышение несущей способности и жесткости строительного элемента.

Эта цель достигается тем, что гофрированные листы расположены симметрично относительно продольной и поперечной осей элемента, выполнены криволинейными с трапецеидальными гофрами и разновеликими полками, обращенными своей большей шириной к наружным поверхностям элемента и имеющими посередине профилированные ребра полукруглого поперечного сечения, обращенные выпуклостью внутрь элемента, а соединительная решетка выполнена из дискретно размещенных по длине и (или) ширине элемента одинарных или составных по высоте жестко соединенных гофрированных полос и (или) гнутых профилей.

Отличие состоит также в том, что гофрированные полосы или гнутые профили выполнены трапецеидальными с размещенными по их наклонным граням профилированными ребрами, имеющими полукруглое поперечное сечение и ориентированными вдоль осей гофров лицевых листов.

Кроме того строительный элемент отличается тем, что гофрированные полосы изогнуты в плоскости гофров, объединены между собой по высоте сторонами, имеющими одинаковые размеры, и установлены с шагом, изменяющимся в радиальном направлении с приращением, пропорциональным высотам гофрированных полос.

Еще одно отличие состоит в том, что соединительная решетка выполнена из спаренных по высоте гофрированных полос переменной ширины, большие полки которых прикреплены к гофрам лицевых листов с образованием между стыкуемыми гранями цилиндрических полостей, открытых с торцов.

Другое отличие заключается в том, что гофрированные полосы выполнены спаренными по толщине с образованием в местах совмещения наклонных граней профилированных ребер, образующих замкнутые полости цилиндрической формы.

Существенными отличиями заявленного объекта от известных из технической литературы конструктивных решений являются следующие признаки. Во-первых, это многослойность конструкции в сочетании с дискретным размещением между лицевыми листами гофрированных полос или гнутых профилей, образующих локально распределенную внутреннюю ячеистую структуру элемента. Многослойность строительного элемента позволяет рационально разместить конструкционный материал в поперечных сечениях, вследствие чего высота лицевых гофрированных листов может быть уменьшена. Снижение высоты гофров упрощает вальцовку листов и повышает качество, исключая опасность возникновения складок и морщин на стенках гофров. Изготовление лицевых листов с разновеликими гранями-полками повышает несущую способность и жесткость сечения изгибу, так как при размещении широких граней-полок снаружи достигается наибольшее удаление собственной оси листа от центральной оси инерции составного сечения, а вследствие этого возрастают значения важнейших геометрических характеристик: момента инерции и момента сопротивления. Вместе с тем, местная потеря устойчивости широких граней полок исключается усилением их средней части продольными профилированными ребрами с полукруглой формой поперечного сечения, обращенной выпуклостью внутрь элемента.

Использование трапецеидальных по форме гофрированных полос или гнутых профилей, дискретно размещенных по длине и (или) ширине элемента, одинарных или составных по высоте, позволяет значительно сократить общее число конструктивных деталей, жестко связывающих лицевые листы между собой, и тем самым упростить изготовление строительного элемента. Создаваемая при этом внутри элемента локально распределенная ячеистая структура, в силу своей многосвязности, повышает жесткость конструкции, а дробностью размеров граней трапецеидальных гофров обеспечивается их местная устойчивость, поскольку последние взаимно поддерживают друг друга. С другой стороны, усиление наклонных граней гофров профилированными ребрами, имеющими полукруглое поперечное сечение и ориентированными вдоль осей гофров лицевых листов, позволяет увеличить высоту гофрированных полос и гнутых профилей и тем самым увеличить несущую способность и жесткость строительного элемента. Прочность и жесткость строительного элемента возрастут пропорционально высоте и половине квадрата высоты поперечного сечения (т.е. пропорционально моменту сопротивления и моменту инерции по формулам: W A x h; J A x h²/2, где A площадь поперечного сечения одного лицевого листа; h высота сечения строительного элемента между центрами тяжести гофрированных лицевых листов.

В случае с гнутыми профилями значительно возрастает поперечная жесткость, так как их наклонными гранями создаются жесткие сплошно-стенчатые диафрагмы. Наличие продольных профилированных ребер полукруглой формы сечения на стыкуемых гранях полос соединительной решетки образует между ними цилиндрические полости, открытые с торцов, что облегчает послойную сборку конструкции. Это выражается в том, что образовавшиеся между ребрами трубчатые полости могут быть использованы для размещения в них болтов и шпилек, объединяющих стыкуемые грани гофров за счет фиксации их при помощи П-образных шайб-скоб или тарельчатых крышек с диаметральными прорезями. Упрощение изготовления строительного элемента в этом случае связано с простотой сборки и расширением возможностей выбора технологических решений. Вместе с тем, усиления граней гофров повышают их жесткость.

Объединение гофрированных полос по толщине с образованием в местах совмещения наклонных граней профилированных ребер и замкнутых полостей цилиндрической формы значительно увеличивает их жесткость на изгиб и кручение по сравнению с сечением полукольца: на поперечный изгиб К_изгиба J_трубы/J_{полукольца} 20 π (R² + r²)/[3(R + r)²] где J_трубы π (R⁴ r⁴)/4; J_{полукольца} 3(R r)(R + r)³/20; на кручение К_круч J_трубы/J_{полукольца} ≃ 3(R² + r²)/(R r)², где J_трубы π (R⁴ r⁴)/2; J_{полукольца}≃ π (R + r)(R r)³/6.

Здесь R наружный радиус, а r внутренний радиус профиля.

Другим существенным отличием является переменная ширина спаренных по высоте гофрированных полос, большие полки которых обращены и жестко прикреплены к гофрам лицевых листов.

Изменение ширины полосы от срединной поверхности элемента к периферии сечения отвечает напряженно-деформированному состоянию наклонных граней полос. Прежде всего это относится к изгибающему моменту, действующему в соединительной решетке, значения которого линейно возрастают по направлению от срединной поверхности к лицевым листам.

Таким образом, переменность ширины гофрированных полос повышает несущую способность конструкции, а распределение конструкционного материала учитывает характер изменения эпюры изгибающего момента.

Еще одним существенным отличием является переменный шаг стыкуемых сторон изогнутых гофрированных полос, который изменяется в радиальном направлении пропорционально высотам их гофр
ΔS h_гофра х α, где ΔS изменение (приращение) шага изогнутой гофрированной полосы в радиальном направлении, например, между местами ее стыковки с лицевым листом и другой полосой;
h_гофра высота гофрированной полосы в радиальном направлении;
α центральный угол, соответствующий шагу гофр. Благодаря непрерывности и гофрированности полос, каждая из них, подобно пружине, легко (без значительных усилий) принимает при гнутье заданную криволинейную форму и переменный шаг гофров, чем упрощает изготовление соединительной решетки.

Кроме того, образование внутри строительного элемента локально распределенной по длине и (или) ширине внутренней ячеистой структуры придает строительному элементу целенаправленные прочностные и жесткостные свойства, причем дискретность структуры благоприятна также с точки зрения укрупнения строительных элементов, поскольку открытость и доступность соединяемых поверхностей упрощает изготовление монтажных стыков.

Таким образом, известные ранее в отдельности отличительные признаки в заявляемом объекте выступают в новом взаимодействии, упрощая изготовление, повышая жесткость и несущую способность строительного элемента.

Рациональными областями применения строительного элемента являются: склады, гаражи, мастерские, зернохранилища, ангары; то есть объекты преимущественно сельскохозяйственного и промышленного назначения, малых и средних пролетов.

На фиг. 1 изображен общий вид строительного элемента; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 вариант строительного элемента; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5, 6 еще один вариант строительного элемента и разрез В-В на фиг. 5; на фиг. 7 строительный элемент с соединительной решеткой из спаренных по толщине гофрированных полос.

На фиг. 1 изображен строительный элемент, состоящий из наружнего и внутреннего гофрированных лицевых листов 1, 2, жестко соединенных между собой при помощи составленных по высоте гофрированных полос 3, имеющих профилированные усиления на наклонных гранях гофров 4 в виде ребер с полукруглой формой сечения, и гнутых профилей 5, дискретно размещенных по длине элемента. Гофрированные лицевые листы 1, 2 расположены симметрично относительно продольной и поперечной осей элемента и выполнены криволинейными с трапецеидальной формой гофров и разновеликими полками.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез строительного элемента по фиг. 1. Лицевые гофрированные листы 1 и 2 имеют трапецеидальную форму гофров, широкие грани-полки которых обращены наружу и усилены посредине продольными профилированными ребрами 6, выступающими внутрь элемента и имеющим полукруглую форму сечения. Гофрированные полосы 3 дискретно размещены по ширине строительного элемента, в створах узких граней-полок лицевых листов 1, 2. Профилированные ребра 4 наклонных граней полос 3 центрированы на узкие грани полки листов 1, 2 и ориентированы вдоль их осей. Гофрированные полосы 3 изогнуты по плавной кривой и в местах стыковки по высоте выполнены с одинаковыми размерами соединяемых сторон и одинаковым шагом гофров, изменяющимся в радиальном направлении с приращением, пропорциональным высотам гофров. Гнутые профили 5 образуют сплошностенчатые диафрагмы жесткости по длине строительного элемента и в сочетании с гофрированными полосами 3 локально распределенную ячеистую структуру. Форма ячеек структуры определяется формой сечения гофров, которая по фиг. 1, 2 принята трапецеидальной.

На фиг. 3 изображен вариант строительного элемента, состоящий из наружного и внутреннего гофрированных листов 1, 2, жестко соединенных между собой дискретно расположенными по длине элемента гофрированными полосами 3 постоянной или переменной ширины, составленными в два яруса по высоте. Причем в варианте с переменной шириной полос 3, имеющих сбоку вид трапеций, широкие основания трапеций обращены к лицевым листам 1, 2 и большими по ширине полос 3 гранями-полками прикреплены к гофрам лицевых листов 1, 2.

На фиг. 4 дан поперечный разрез Б-Б по фиг. 3, из которого видна сотовая структура, образованная полосами 3 и лицевыми листами 1, 2. Стыкуемые грани гофрированных полос 3 выполнены с профилированными ребрами 7, ориентированными вдоль осей гофров лицевых листов 1, 2 и образующих в местах сопряжения полость, близкую по форме к цилиндрической, открытую с торцов.

На фиг. 5 изображен вариант строительного элемента с соединительной решеткой в виде дискретно расположенных по длине элемента гнутых профилей 5, имеющих поперечное сечение в виде трапецеидальных складок с отгибами, установленных в два яруса по высоте, и своими отгибами, прикрепленных к гофрам лицевых листов 1, 2. Наклонные грани гнутых профилей 5 усилены профильными ребрами 8 полукруглого сечения, центрированными на грани гофров листов 1, 2. Гнутые профили 5 совместно с гофрированными листами 1, 2 образуют по длине и ширине локально дискретную внутреннюю ячеистую структуру, причем сами профили 5 в поперечном направлении создают сплошно-стенчатые диафрагмы жесткости.

На фиг. 6 изображен поперечный разрез В-В на фиг. 5, показывающий взаимное расположение слоев.

На фиг. 7 изображен еще один вариант строительного элемента, в котором между лицевыми гофрированными листами 1, 2 дискретно расположена по ширине соединительная решетка, образованная из спаренных по толщине изогнутых гофрированных полос 3, выполненных с профильными усилениями 4 наклонных граней трапецеидальных гофров в виде ребер. В местах сплачивания профильные ребра 4 образуют замкнутые полости цилиндрической формы.

Жесткое соединение гофрированных лицевых листов 1, 2, полос 3 и гнутых профилей 5 предпочтительно осуществлять при помощи точечной сварки или на электрозаклепках. Особенно это относится к соединениям с лицевыми листами 1, 2, где по условиям эксплуатации требуется герметичность. Вместе с тем, во взаимных соединениях гофрированных полос 3, гнутых профилей 5 могут быть использованы обыкновенные заклепки, винты и другие традиционные крепежные изделия. В варианте строительного элемента по фиг. 3, 4 может быть использовано сборно-разборное соединение на шпильках или болтах со специальными фиксирующими шайбами в форме тарельчатых крышек с диаметральными прорезями в стенках.

Особенность силовой работы строительного элемента с дискретно расположенными по длине и (или) ширине элемента соединителями в виде одно- и многоярусных гофрированных полос 3 или гнутых профилей 5 заключается в том, что осевые и изгибные усилия воспринимаются лицевыми гофрированными листами 1, 2, в то время как сдвиговые усилия внутренним ячеистым заполнением. Дискретность ячеистого заполнения приводит к тому, что в расположенных по длине элемента полосах 3 или профилях 5 возникают изгибающие моменты, при этом многосвязность структуры способствует равномерному перераспределению усилий.

Порядок изготовления строительного элемента может быть принят следующим. Тонкие листы 1, 2 толщиной 0,7-1,5 мм и шириной до 1,5 м, профилируются прокаткой, после чего вальцуются до заданной кривизны. Гофрированные полосы 3 и гнутые профили 5 могут быть получены рубкой (резкой) листов 1, 2 либо их продольным раскроем (роспуском). Усиления гофрированных полос 3 и гнутых профилей 5 в виде профилированных ребер 4, 7, 8 с формой сечения, близкой к полукруглой, могут быть получены двумя способами: путем двойного гофрирования листов 1, 2 либо штамповкой, формующей только усиления 4, 7, 8 или одновременно совмещающей изготовление полос 3 и гнутых профилей 5 с соответствующими усилениями. Сборка конструктивных элементов ведется в кондукторе с широким использованием точечной сварки и электрозаклепок. Возможен также комбинированный способ соединения: одних частей на сварке, а других на болтах, заклепках, винтах. Завершается изготовление строительного элемента нанесением антикоррозийного покрытия.

Необходимость разработки заявляемого объекта была продиктована стремлением создать строительный элемент арочных и сводчатых покрытий, отличающийся простотой изготовления, высокой несущей способностью и прочностью при малой строительной высоте и массе.

Простота конструктивного решения предполагает следующий технико-экономический эффект:
1. Упрощение изготовления строительного элемента за счет:
уменьшения высоты гофрированных лицевых листов, вследствие чего облегчается их профилирование и вальцовка;
сокращения числа конструктивных элементов в результате использования непрерывных гофрированных полос и гнутых профилей с дискретным размещением их по площади элемента;
ячеистости (регулярности и повторяемости) внутреннего строения строительного элемента;
доступности и открытости мест сборки;
возможности широкого применения производительной точечной сварки;
расширения возможностей технологического выбора, реализованного в варианте со сборно-разборным соединением лицевых листов 1, 2, снабженных гофрированными полосами 3 с профильными ребрами 8 на стыкуемых сторонах.

2. Повышение несущей способности и жесткости строительного элемента вследствие рационального размещения в поперечных сечениях конструкционного материала, а также за счет многосвязности локально распределенной внутренней ячеистой структуры. А именно: выполнения лицевых листов 1, 2 с широкими гранями-полками, обращенными наружу; усиления широких граней гофрированных листов 1, 2, полос 3, гнутых профилей 5, профилированными ребрами, уменьшающими их гибкость; переменности ширины гофрированных полос 3.

3. Легкость, достигаемая за счет тонкостенности конструктивных элементов, упрощает транспортировку и монтаж.

4. Удобство размещения и свобода выбора направлений прокладки внутренних коммуникаций являются следствием открытого ячеистого строения внутренней структуры элемента.

5. Индустриальность и высокая степень заводской готовности.

Формула изобретения

1. СТРОИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, включающий гофрированные лицевые листы, жестко соединенные друг с другом посредством соединительной решетки из гнутых профилей, отличающийся тем, что гофрированные листы расположены симметрично относительно продольной и поперечной осей элемента, выполнены криволинейными с трапецеидальными гофрами и разновеликими полками, обращенными своей большей шириной к наружным поверхностям элемента и имеющими посередине профилированные ребра полукруглого поперечного сечения, обращенные выпуклостью внутрь элемента, а соединительная решетка выполнена из дискретно размещенных по длине и (или) ширине элемента одинарных или составных по высоте жестко соединенных гофрированных полос и (или) гнутых профилей.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что гофрированные полосы или гнутые профили выполнены трапецеидальными с размещенными по их наклонным граням профилированными ребрами, имеющими полукруглое поперечное сечение и ориентированными вдоль осей гофр лицевых листов.

3. Элемент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что гофрированные полосы изогнуты в плоскости гофр, объединены между собой по высоте сторонами, имеющими однаковые размеры, и установлены с шагом, изменяющимся в радиальном направлении пропорционально высотам гофрированных листов.

4. Элемент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что соединительная решетка выполнена из спаренных по высоте гофрированных полос переменной ширины, большие полки которых прикреплены к гофрам лицевых листов с образованием между стыкуемыми гранями цилиндрических полостей, открытых с торцов.

5. Элемент по пп.1 4, отличающийся тем, что гофрированные полосы выполнены спаренными по толщине с образованием в местах совмещения наклонных граней профилированных ребер, образующих замкнутые полости цилиндрической формы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7