Перфорированная балка
Владельцы патента RU 2569524:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный архитектурно-строительный университет" (СГАСУ) (RU)
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при изготовлении длинномерных конструкций, в частности перфорированной балки. Технический результат заключается в снижении концентрации напряжений в стенке перфорированных балок, что приводит к повышению надежности и долговечности конструкций. Перфорированная балка изготовлена из прокатного двутаврового профиля, разрезанного вдоль оси стенки с определенным очертанием для каждой половины балки и сваренного выступающими частями образовавшихся половин так, чтобы получить отверстия в виде эллипса. Эллиптические отверстия имеют разный угол наклона главной оси эллипса к оси балки. Центральное эллиптическое отверстие главной осью расположено перпендикулярно продольной оси балки, а остальные под углом 45 градусов симметрично относительно центра балки. Эллиптические отверстия могут иметь угол наклона, плавно меняющийся от 90 градусов в центре балки до 45 градусов в опорных участках симметрично относительно центра балки. 2 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для перекрытия больших пролетов.
Известны конструкции балок с шестигранной перфорацией стенки, полученные путем резки стенки прокатного двутавра по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом и затем сваркой обеих половин в совмещенных между собой выступах стенки (патент RU 16176, МПК Е04С 3/08, 3/10, опубликовано 10.12.2000; патент RU 2154717, МПК Е04С 3/08, опубликовано 20.08.2000; СНиП II-2-81. Стальные конструкции. Балки с перфорированной стенкой, стр. 54). При этом увеличивается высота балки, перераспределяется материал сечения, увеличивается относительная площадь поясов. Недостатком такого решения является сложное напряженно-деформированное состояние вследствие концентрации напряжений в углах отверстий ближе к поясам.
Известно также техническое решение (патент ЕР 0324206 А1, МПК Е04С 3/08, автор Walker, Peter Allan. UK Patent Application GB 2492176 A), в котором перфорированные балки изготовлены из разрезанной вдоль стенки прокатной балки и сваренной из полученных половинок. Первый непрерывный разрез выполнен вдоль стенки балки, второй разрез - вдоль стенки балки по пути, отличающемуся от пути первого разреза. Разрезы очерчивают прямолинейные участки, лежащие на противоположных сторонах от центральной линии стенки, и криволинейные участки, соединяющие ближайшие концы смежных прямолинейных участков. Центры всех прямолинейных участков равномерно распределены по длине балки на заданное расстояние. Криволинейные участки могут быть в форме полукруга или полуэллипса. Разрезанные половинки балки приварены друг к другу в областях, образованных сопоставлением прямолинейных участков двух половин. Могут быть изготовлены перфорированные балки с криволинейными отверстиями, круглыми, эллиптическими.
Это техническое решение принято в качестве прототипа как наиболее близкое как по сущности, так и по составу элементов.
Недостатком этого решения является сложное напряженно-деформированное состояние стенки с отверстиями в форме круга и эллипса (с вертикальной и горизонтальной главной осью), выражающееся в повышенной концентрации напряжений в стенке на границах отверстий, что может привести к текучести материала или преждевременному разрушению балки.
Технический результат заключается в снижении концентрации напряжений в стенке перфорированных балок, что приводит к повышению надежности и долговечности конструкций.
Технический результат достигается тем, что в известной перфорированной балке, изготовленной из прокатного двутаврового профиля, разрезанного вдоль оси стенки с определенным очертанием для каждой половины балки и сваренного выступающими частями образовавшихся половин так, чтобы получить отверстия в виде эллипса. Отличительной особенностью является то, что эллиптические отверстия имеют разный угол наклона главной оси эллипса к оси балки. Центральное эллиптическое отверстие главной осью расположено перпендикулярно продольной оси балки, а остальные под углом 45 градусов симметрично относительно центра балки, либо эллиптические отверстия имеют угол наклона, плавно меняющийся от 90 градусов в центре балки до 45 градусов в опорных участках симметрично относительно центра балки. При этом снижаются концентрации напряжений, что и приводит к повышению эксплуатационной надежности и долговечности конструкции.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана стенка балки с эллиптической перфорацией с наклоном главных осей эллиптических отверстий под углом 45 градусов к оси стенки, причем главная ось отверстия, расположенного в середине длины балки, ориентируется вертикально. Здесь а - верхняя часть стенки балки, б - нижняя часть стенки балки, в - эллиптическое отверстие, г - участок сварки.
На фиг. 2 показаны линии разрезов прокатного двутаврового профиля, необходимые для изготовления перфорированной балки, где а - верхняя часть стенки балки, б - нижняя часть стенки балки.
На фиг. 3 показана балка с эллиптической перфорацией с переменным наклоном главных осей эллиптических отверстий к оси стенки, где а - верхняя часть стенки балки, б - нижняя часть стенки балки, в - эллиптическое отверстие, г - участок сварки. Наклон отверстий изменяется от 45 градусов близ опоры балки с постепенным увеличением его до 90 градусов в середине балки.
На фиг. 4 показана схема разреза прокатного двутаврового профиля, позволяющая получить отверстия с переменным наклоном главных осей к продольной оси балки, где а - верхняя часть стенки балки, б - нижняя часть стенки балки.
Был выполнен расчет напряженно-деформированного состояния стенки балки с круглыми и эллиптическими отверстиями различной ориентации с использованием программного комплекса LIRA-9.6. Результаты расчета в виде изополей напряжений представлены на фиг. 5-9.
Здесь:
На фиг. 5 показаны изополя приведенных напряжений в стенке с круглыми отверстиями;
на фиг. 6 - изополя приведенных напряжений в стенке с отверстиями в виде эллипса с вертикально ориентированной главной осью;
на фиг. 7 - изополя приведенных напряжений в стенке с отверстиями в виде эллипса с горизонтально ориентированной главной осью;
на фиг. 8 - изополя приведенных напряжений в стенке с отверстиями в виде эллипса с главными осями, ориентированными под углом 45 градусов к оси балки;
на фиг. 9 - изополя приведенных напряжений в стенке с отверстиями в виде эллипса с главными осями, имеющими переменный наклон главных осей, изменяющийся от 90 градусов к продольной оси балки до 45 градусов в опорной зоне.
На всех эпюрах синим цветом обозначено сжатие, коричневым - растяжение. Интенсивность цвета соответствует величине напряжения. Цифрами указаны точки, в которых определены напряжения. Величины напряжений в этих точках приведены в таблице 1.
Подробный анализ напряженно-деформированного состояния стенки перфорированной балки показывает уменьшение величины и концентрации напряжений при применении отверстий перфорации в форме эллипсов с наклоном их главной оси.
Как видно из приведенной выше таблицы, предлагаемые формы отверстий в стенке в виде эллипсов с наклоном главной оси к оси балки, равным 45 градусов, симметрично расположенных относительно центра, а также с переменным наклоном главных осей эллиптических отверстий, показанные на фиг.8 и 9, позволяют снизить напряжения в указанных точках в среднем на 10 процентов.
Предложенная перфорированная балка, выполненная описанным образом, позволяет уменьшить вес готовой конструкции и снизить концентрации напряжений в стенке. Это приводит к повышению надежности и долговечности конструкции.
1. Перфорированная балка, изготовленная из прокатного двутаврового профиля, разрезанного вдоль оси стенки с определенным очертанием для каждой половины балки и сваренного выступающими частями образовавшихся половин так, чтобы получить отверстия в виде эллипса, отличающаяся тем, что эллиптические отверстия имеют разный угол наклона главной оси эллипса к оси балки.
2. Перфорированная балка по п. 1, отличающаяся тем, что центральное эллиптическое отверстие главной осью расположено перпендикулярно продольной оси балки, а остальные под углом 45 градусов симметрично относительно центра балки.
3. Перфорированная балка по п. 1, отличающаяся тем, что эллиптические отверстия имеют угол наклона, плавно меняющийся от 90 градусов в центре балки до 45 градусов в опорных участках симметрично относительно центра балки.
