Конструктивный элемент, содержащий металлическую оболочку, усиленную упрочняющей пластиной (варианты)

 

Изобретение относится к области строительства, в частности к стойкам, колоннам, опорам, мачтам и другим длинномерным конструкциям. Конструктивный элемент содержит длинномерный полый корпус, включающий по меньшей мере две тонкостенные металлические оболочки. Каждая боковая кромка оболочек вдоль всей ее длины имеет фланец. Фланцы совмещают один с другим лицевыми сторонами для образования полого корпуса. По меньшей мере, одну из упрочняющих вставок соединяют с концевой частью корпуса, и в корпус заливают наполнитель. Упрочняющую пластину прикрепляют с использованием клея, такого как эпоксидная смола, к внутренней поверхности каждой из тонкостенных металлических оболочек для повышения прочности на растяжение конструктивного элемента. Кроме того, в упрочняющей пластине выполнена по меньшей мере одна прорезь и соответствующее количество полок, образованных на боковой стороне прорези. Технический результат изобретения - повышение прочности на растяжение конструктивного элемента. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к конструктивному элементу с длинномерной полой тонкостенной металлической оболочкой, заполненной наполнителем; а более конкретно, к новому конструктивному элементу, снабженному упрочняющей пластиной, прикрепленной к внутренней стенке длинномерной полой тонкостенной металлической оболочки, для повышения его сопротивления разрыву.

Как правило, конструктивные элементы, такие как стойка, колонна, опора, мачта, балка и т. п. , изготавливают из древесины, бетона, металла или из композитов в соответствии с их предполагаемым использованием.

В частности, конструктивный элемент, изготовленный из бетона, широко используют в строительстве благодаря его высокой прочности на сжатие и экономичности. Кроме того, его дополнительное преимущество состоит в том, что его легко изготовить разной конфигурации, используя матрицы различной конструкции. Однако такие бетонные колонны и опоры обычно непригодны для использования в качестве декоративных элементов из-за их грубой поверхности и неэстетичного внешнего вида. Поэтому требуются дополнительные отделочные элементы, изготовленные из древесных и/или металлических пластин, для отделки необработанной поверхности бетонных элементов, чтобы использовать их для декоративных целей.

Следовательно, полые металлические конструктивные элементы, изготовленные, например, из алюминия, алюминиевых сплавов, нержавеющих сталей, оцинкованных сталей, специальных сталей меди или медных сплавов, широко используют в разнообразных конструктивных элементах, таких как опорные колонны, соединительные стержни, декоративные колонны и т.п., благодаря их привлекательному внешнему виду, высокой коррозионной стойкости и хорошей обрабатываемости. У таких полых металлических элементов должна быть относительно большая толщина для противодействия приложенной нагрузке, что тем самым влечет за собой высокие материальные и производственные расходы.

Исходя из этого были предприняты попытки уменьшить толщину полой металлической конструкции путем придания поперечному сечению конструкции изогнутой или гофрированной формы, чтобы повысить тем самым прочность на изгиб и момент инерции металлической конструкции. Однако производственные расходы на изготовление металлической конструкции еще остаются относительно высокими, поскольку придание такой конструкции особой формы требует использования дополнительных производственных этапов. Кроме того, уменьшение толщины металлической конструкции в попытке снизить затраты может привести к обратным результатам, так как это делает ее чувствительной к внешним ударным нагрузкам.

Поэтому были разработаны различные конструктивные элементы с конкретной целью повысить их прочность при растяжении и сжатии.

В патентах США 5263297 и 5457929 предложен конструктивный элемент, предназначенный для использования совместно с основанием, причем конструктивный элемент включает длинномерную полую тонкостенную металлическую оболочку, упрочняющую концевую вставку, вставленную в концевую часть оболочки, причем упрочняющая концевая вставка имеет сквозное отверстие, и наполнитель, залитый в полую тонкостенную оболочку и сквозное отверстие упрочняющей концевой вставки. Упрочняющие концевые вставки, описанные в упомянутых патентах, могут быть заделаны в бетонный наполнитель, предотвращая тем самым деформацию обоих концов оболочки в процессе введения бетонного раствора внутрь оболочки и предохраняя обе концевые части конструктивного элемента от разрушения или повреждения в процессе транспортировки или строительства.

Один из основных недостатков предшествующих конструктивных элементов состоит в том, что они по существу способны выдерживать уровень нагрузки от низкого до среднего. Другими словами, они не могут быть использованы в ситуациях, когда должны выдерживать высокие нагрузки, особенно высокие растягивающие нагрузки, такие как нагрузки на парапеты мостов, зданий, сооружений и т.п.

Поэтому основная задача настоящего изобретения состоит в создании конструктивного элемента с тонкостенной металлической оболочкой, способной выдержать даже высокую растягивающую нагрузку.

Вышеупомянутая и другие задачи настоящего изобретения реализованы в предложенном конструктивном элементе, содержащем: длинномерный полый корпус, включающий по меньшей мере две тонкостенные металлические оболочки, причем каждая боковая кромка металлических оболочек вдоль всей ее длины имеет отбортованный внутрь фланец, и отбортованные фланцы совмещены один с другим лицевыми сторонами для образования длинномерного полого корпуса; упрочняющую пластину, прикрепленную к внутренней поверхности каждой из металлических оболочек; и наполнитель, залитый в полый корпус.

Вышеупомянутая и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из следующего ниже подробного описания вместе с прилагаемыми чертежами, на которых: на фиг. 1 показано трехмерное аксонометрическое изображение с удаленным для ясности наполнителем из бетона, причем конструктивный элемент имеет упрочняющую пластину в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения; на фиг. 2 приведено как пример аксонометрическое изображение для демонстрации напряжений, приложенных к конструктивному элементу фиг. 1; на фиг. 3А-3Е представлены аксонометрические изображения для иллюстрации различных вариантов упрочняющей пластины и для показа направлений приложенных напряжений; на фиг. 4 представлено поперечное сечение по линии I-I на фиг. 3D; на фиг. 5 показан трехмерный вид упрочняющей пластины только с несколькими прорезями; на фиг. 6 показано трехмерное аксонометрическое изображение с удаленным для ясности наполнителем из бетона, причем конструктивный элемент содержит средство прикрепления упрочняющей пластины и тонкую металлическую оболочку в соответствии со вторым предпочтительным вариантом настоящего изобретения;
на фиг. 7 представлено поперечное сечение, показывающее, как выглядит в сборе конструктивный элемент, изображенный на фиг. 6;
на фиг. 8 показано изображение, подобное показанному на фиг. 6, с крепежным средством, несколько отличающимся от показанного на фиг. 6;
на фиг. 9 представлено поперечное сечение, показывающее, как выглядит в сборе конструктивный элемент, изображенный на фиг.8;
на фиг. 10 представлено трехмерное аксонометрическое изображение другой упрочняющей концевой вставки для фиг.1;
на фиг. 11 представлено сечение, показывающее детали конструктивного элемента фиг. 10;
на фиг. 12 показано аксонометрическое изображение с частичным вырезом конструктивного элемента с залитым в полую оболочку фиг. 10 бетоном с использованием упрочняющей концевой вставки фиг. 10;
на фиг. 13 представлено сечение, выполненное по линии II-II фиг. 12;
на фиг. 14 показано трехмерное аксонометрическое изображение следующего варианта упрочняющей концевой вставки для фиг. 1;
на фиг. 15 приведено трехмерное аксонометрическое изображение еще одного варианта упрочняющей концевой вставки фиг. 1;
на фиг. 16 использовано трехмерное аксонометрическое изображение с удаленным для ясности бетонным наполнителем конструктивного элемента цилиндрической формы, имеющего упрочняющую пластину, в соответствии с третьим предпочтительным вариантом настоящего изобретения.

Как показано на фиг. 1, представлен конструктивный элемент 100 в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения. Конструктивный элемент 100, как показано, содержит длинномерный полый корпус 110, содержащий пару тонкостенных оболочек 112, пару упрочняющих концевых вставок 120, вставляемых в оба конца корпуса 110, и пару упрочняющих пластин 130, прикрепляемых к внутренней стенке каждой длинномерной оболочки 112 соответственно. Корпус 110 заполняют наполнителем 140 (фиг. 2), например бетонным раствором.

Тонкостенная оболочка 112 конструктивного элемента в соответствии с данным вариантом настоящего изобретения может быть изготовлена из металла, такого как нержавеющая сталь, алюминий, медь или их соответствующие сплавы. У каждой боковой кромки металлических оболочек 112 вдоль всей ее длины предусмотрен отбортованный внутрь фланец 114 для получения полого корпуса 110, образуемого совмещением лицевых сторон фланцев 114. В результате образования корпуса при совмещении лицевых сторон фланцев один с другим в корпусе вдоль всей его длины образуются ребра, при этом ребра дополнительно увеличивают контактные площади между наполнителем 140 и корпусом 110. Ребра должны функционировать как крепежные средства для наполнителя 140.

В упрочняющих концевых вставках 120 предусмотрено сквозное отверстие 122, через которое в корпус 110 вводят наполнитель 140, ступенчатая часть 124, образованная вокруг их верхней части для предотвращения чрезмерного углубления упрочняющей концевой вставки в корпус 110, и пара пазов 126, образованных с их обеих сторон соответственно, чтобы тем самым получить возможность введения в них ребер корпуса 110, обеспечив плотное сцепление упрочняющих концевых вставок 120 с корпусом 110.

Упрочняющую пластину 130 изготавливают из металла, слоев волокнистого материала, выбираемого из группы, включающей углеродное волокно, арамидное волокно и стекловолокно, или их комбинации, т.е. комбинации слоев металла и волокон. Для повышения прочности на растяжение конструктивного элемента 110 упрочняющую пластину 130 прикрепляют к внутренней стенке металлической оболочки 112 с помощью клеящих веществ, таких как эпоксидная смола, пайкой или точечной сваркой. Кроме того, на упрочняющей пластине 130 может быть, кроме того, предусмотрена пара полок 132, образованных отбортовкой внутрь каждой боковой кромки по всей ее длине, чтобы увеличить площадь контакта между упрочняющей пластиной 130 и наполнителем 140. Полки 132 функционируют как крепежное средство для наполнителя 140.

Если к предложенному конструктивному элементу приложена нагрузка W, как показано на фиг. 2, то на конструктивный элемент действуют три типа напряжений: сжимающие напряжения на верхней части конструктивного элемента, как показано стрелками А, растягивающие напряжения на его нижней части, как показано стрелками В, и касательные напряжения на боковой его части, как показано стрелками С. Прочность конструктивного элемента связана с его способностью противостоять, т. е. амортизировать или снижать приложенные к нему напряжения.

Упрочняющая пластина 130, прикрепленная к внутренним стенкам корпуса 110, амортизирует или снижает растягивающие напряжения, возникшие в конструктивном элементе, как показано на фиг. 3А. Полка 132 на каждой кромке упрочняющей пластины 130 вдоль ее длины повышает прочность на растяжение и на срез конструктивного элемента 100 за счет функционирования как дополнительное крепежное средство для наполнителя, как показано на фиг. 3В.

В отличие от показанной на фиг. 3В упрочняющей пластины 130, у которой предусмотрены полки на ее обеих боковых кромках вдоль всей ее длины, у упрочняющей пластины 130 может быть выполнена по меньшей мере одна прорезь 131 и соответствующее количество полок 133, образованных со стороны прорези 131 упрочняющей пластины 130, как показано на фиг. 3С и 3Е.

Как показано на фиг. 4, если упрочняющая пластина 130 с прорезью 131 и полкой 133 прикреплена к металлической оболочке 112 с помощью такого клея 138, как эпоксидная смола, то прорези 131 заполняются клеем 138, при этом клей 138 функционирует как дополнительное средство амортизации растягивающих и касательных напряжений. Количество и расположение прорезей 131 и полок 133 определяется требуемой прочностью на растяжение.

Кроме того, упрочняющая пластина 130 может быть упрощенно представлена с несколькими прорезями 134, имеющими любую особую форму, как показано на фиг. 5, причем клей, заполняющий прорези 134, служит для амортизации растягивающих напряжений, увеличивая тем самым прочность на растяжение конструктивного элемента 100.

Как показано на фиг. 6 и 7, там представлен конструктивный элемент, который в соответствии со вторым предпочтительным вариантом настоящего изобретения, кроме того, может быть соединен с другими деталями. Конструктивный элемент 200 включает, как показано, длинномерный полый корпус 210, состоящий по меньшей мере из двух металлических оболочек 212, причем каждая из металлических оболочек 212 имеет отверстие 216, а упрочняющая пластина 230 прикреплена к внутренней поверхности каждой из металлических оболочек 212 и имеет отверстие 234, совпадающее с отверстием 216 каждой тонкостенной металлической оболочки 212. К конструктивному элементу по настоящему изобретению могут быть присоединены другие конструктивные элементы (не показаны) с помощью подходящих средств соединения 250 через отверстия 216 и 234. У каждой кромки металлических оболочек 212 вдоль всей ее длины также расположены отбортованные внутрь фланцы 214 для образования полого корпуса 210 посредством прижатия лицевых сторон фланцев 214 друг к другу.

Средства соединения 250 могут включать, например, болт 252, имеющий резьбовое отверстие 253 и устанавливаемый через отверстия 216 и 234, гайку 256, навинчиваемую на болт 252, и болт 254, ввинчиваемый в резьбовое отверстие 253, которые предназначены для присоединения конструктивного элемента к другим деталям. Конец резьбовой части болта, выступающий изнутри упрочняющей пластины, может, кроме того, выполнять функцию крепежного средства наполнителя 140.

На фиг. 8 и 9 показан конструктивный элемент с использованием других средств соединения, который содержит соединительный элемент 258 с резьбовым отверстием 259, предназначенным для навинчивания на резьбовую часть болта 252, вместо гайки 256, как показано на фиг. 6 и 7.

Помимо этого, на фиг. 10 и 11 показана другая упрочняющая концевая вставка, которая подобна той, что показана на фиг. 1. Упрочняющая вставка 220, как показано, имеет не только сквозное отверстие 122, ступенчатую часть 124 и паз 126, как у упрочняющей концевой вставки 120, показанной на фиг. 1, но также включает две пары параллельных ребер 224, направленных внутрь вдоль соответствующих пазов 126, пару отверстий 226 для вставных элементов, причем каждое из отверстий расположено у конца каждого из ребер 224, и соединительный элемент 170, имеющий цилиндрическую часть 172 на одном его конце для введения в отверстие 226 для вставных элементов и стопорную часть 174 на другом конце для предотвращения полного введения соединительного элемента 170 в отверстие 226 для вставных элементов. На цилиндрической части 172 и стопорной части 174 выполнено резьбовое отверстие 176 соответственно. Цилиндрический болт 262 ввинчивают в стопорную часть 174 для фиксации в наполнителе 140, как показано на фиг. 13, а болт 260 ввинчивают через держатель (не показан), установленный в основании (не показано), в цилиндрическую часть 172 для предотвращения тем самым засорения резьбовых отверстий 176 в процессе введения наполнителя 140, как показано на фиг. 12. После введения наполнителя 140 болт 260 удаляют, и резьбовое отверстие 176 может быть использовано для присоединения конструктивного элемента к другим деталям при использовании подходящих средств соединения.

Как показано на фиг. 14 и 15, там представлена другая модифицированная упрочняющая концевая вставка в соответствии с настоящим изобретением. Упрочняющая концевая вставка, как показано на фиг. 14, подобна той, что показана на фиг. 1, за исключением того, что резьбовые отверстия 326 выполнены за одно целое с боковыми стенками упрочняющей концевой вставки 120 на фиг. 1 соответственно, при этом боковая стенка отстоит на удалении от паза 126. Цилиндрический болт 262 и болт 260, как на фиг. 10 и 11, ввинчивают в резьбовые отверстия 326.

В вариантах выполнения изобретения, показанных на фиг. 10-11 и 14-15, цилиндрический болт 262 был использован в качестве фиксирующего элемента. Очевидно, что в качестве фиксирующего элемента могла быть также использована резьбовая шпилька (не показана) или односторонний резьбовой стержень.

Упрочняющая концевая вставка 420, как показано на фиг. 15, представляет собой комбинацию вставок, показанных на фиг. 10 и 11, со вставкой, показанной на фиг. 14, за исключением того, что использована пара резьбовых отверстий 326 вместо пары отверстий 226 для вставок.

На фиг. 16 показан конструктивный элемент в соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения. Как показано, этот конструктивный элемент 300 включает цилиндрический длинномерный полый корпус 400, состоящий из трех скругленных тонкостенных металлических оболочек 430, скругленной упрочняющей пластины 410, прикрепленной к внутренней поверхности каждой из металлических оболочек 430 с использованием клея, такого как эпоксидная смола, пайки и точечной сварки, и пары цилиндрических упрочняющих концевых вставок 440, соединяемых с концевой частью корпуса 400. На каждой боковой кромке металлических оболочек 430 вдоль всей ее длины выполнен отбортованный внутрь фланец 420 для получения полого корпуса 400, образуемого совмещением лицевых сторон фланцев 420. У цилиндрической концевой вставки 440 предусмотрены три паза 442, чтобы тем самым обеспечить возможность введения в них по всей длине совмещенных друг с другом отбортованных фланцев 420 металлических оболочек 430.

Хотя конструктивный элемент по настоящему изобретению, как описано выше, имеет прямоугольную или цилиндрическую форму, он не ограничен этими формами и может иметь различную конфигурацию, например, форму пятигранника, шестигранника и т.п.

Несмотря на то, что показаны и описаны в предпочтительные варианты изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть выполнены определенные изменения и модификации без отклонения от объема притязаний изобретения, как определено в следующей ниже формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Конструктивный элемент, содержащий длинномерный полый корпус, включающий по меньшей мере две тонкостенные металлические оболочки, причем каждая боковая кромка металлических оболочек вдоль всей ее длины имеет отбортованный внутрь фланец, и отбортованные фланцы совмещены один с другим лицевыми сторонами для образования длинномерного полого корпуса; упрочняющую пластину, прикрепленную к внутренней поверхности каждой из металлических оболочек; наполнитель, залитый в полый корпус.

2. Конструктивный элемент по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющая пластина изготовлена из металла, слоев волокнистого материала, выбранного из группы, включающей углеродное волокно, арамидное волокно и стекловолокно, или комбинации металла и слоев волокнистого материала.

3. Конструктивный элемент по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющая пластина прикреплена к внутренней поверхности каждой из металлических оболочек при использовании клея, такого как эпоксидная смола, пайки или точечной сварки.

4. Конструктивный элемент по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющая пластина содержит полку, образованную посредством отбортовки внутрь каждой ее боковой кромки по всей ее длине.

5. Конструктивный элемент по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющая пластина имеет по меньшей мере одну прорезь и соответствующее количество полок, образованных на боковой стороне прорезей.

6. Конструктивный элемент по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющая пластина выполнена с по меньшей мере одной прорезью.

7. Конструктивный элемент по п. 5 или 6, отличающийся тем, что клей заполняет прорези упрочняющей пластины в процессе присоединения упрочняющей пластины к внутренней поверхности металлических оболочек.

8. Конструктивный элемент, содержащий длинномерный полый корпус, включающий по меньшей мере две тонкостенные металлические оболочки, причем каждая из металлических оболочек имеет по меньшей мере одно отверстие, каждая боковая кромка металлических оболочек вдоль всей ее длины имеет отбортованный внутрь фланец, и отбортованные фланцы совмещены один с другим лицевыми поверхностями для образования длинномерного полого корпуса; упрочняющую пластину, прикрепленную к внутренней поверхности каждой из металлических оболочек и имеющую по меньшей мере одно отверстие, соответствующее отверстию каждой из металлических оболочек; средство для присоединения конструктивного элемента к другим деталям через отверстия в полом корпусе и упрочняющей пластине; наполнитель, залитый в полый корпус.

9. Конструктивный элемент по п. 8, отличающийся тем, что средство соединения включает болт с нарезкой, установленный через отверстия в полом корпусе и упрочняющей пластине, и гайку, навинчиваемую на болт с нарезкой.

10. Конструктивный элемент по п. 8, отличающийся тем, что средство соединения включает болт с нарезкой, установленный через отверстия в металлических оболочках и упрочняющей пластине, и соединительный элемент имеет резьбовое отверстие для установки болта с нарезкой.

11. Конструктивный элемент по п. 9 или 10, отличающийся тем, что средство присоединения, кроме того, включает резьбовое отверстие, образованное у болта с нарезкой, и болт ввинчен в резьбовое отверстие.

12. Конструктивный элемент по п. 8, отличающийся тем, что содержит, кроме того, упрочняющую концевую вставку, соединенную с концевой частью полого корпуса, причем концевая вставка имеет сквозное отверстие, через которое в полый корпус заливают наполнитель, и пару пазов, образованных на обеих ее сторонах, для обеспечения введения в них по всей длине отбортованных фланцев, совмещенных друг с другом лицевыми сторонами.

13. Конструктивный элемент по п. 12, отличающийся тем, что каждая из упрочняющих концевых вставок, кроме того, содержит по меньшей мере две пары параллельных ребер, расположенных внутри и вдоль соответствующих пазов, пару отверстий для вставных элементов, выполненных на концах ребер, и соединительный элемент, имеющий на одном его конце цилиндрическую часть, предназначенную для введения в отверстие для вставных деталей и стопорную часть на другом его конце, причем цилиндрическая часть и стопорная часть снабжены резьбовым отверстием, в стопорную часть которого ввинчивают фиксирующий элемент для фиксации его тем самым в наполнителе.

14. Конструктивный элемент по п. 12, отличающийся тем, что каждая из упрочняющих концевых вставок, кроме того, содержит пару резьбовых отверстий, составляющих одно целое с боковыми стенками упомянутых вставок, причем боковая стенка расположена на расстоянии от паза, причем фиксирующий элемент ввинчен в каждое из резьбовых отверстий для фиксации его тем самым в наполнителе.

15. Конструктивный элемент по п. 12, отличающийся тем, что каждая из упрочняющих концевых вставок, кроме того, содержит две пары параллельных ребер, расположенных внутри и вдоль соответствующих пазов, пару резьбовых отверстий, выполненных на концах ребер, и пару резьбовых отверстий, составляющих одно целое с боковыми стенками упомянутых вставок, причем боковые стенки отстоят на удалении от паза.

16. Конструктивный элемент по любому из пп. 12-15, отличающийся тем, что, кроме того, содержит ступенчатую часть, образованную вокруг верхней периферийной, части упрочняющей концевой вставки для предотвращения излишнего углубления концевой вставки в корпус.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17