БАЛКА

БАЛКА


RU (11) 2232125 (13) C2

(51) 7 B66C6/00, E04C3/04 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 19.01.2009 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2002112377/11 
(22) Дата подачи заявки: 2002.05.07 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.05.07 
(43) Дата публикации заявки: 2004.01.27 
(45) Опубликовано: 2004.07.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: EP 0293789 A1, 12.07.1988. SU 852772 A, 07.08.1981. SU 802472 A, 15.02.1981. 
(72) Автор(ы): Нежданов К.К. (RU); Туманов В.А. (RU); Нежданов А.К. (RU); Лаштанкин А.С. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Пензенская государственная архитектурно-строительная академия (RU) 
Адрес для переписки: 440028, г.Пенза, ул. Титова, 28, ПГАСА 

(54) БАЛКА 

Изобретение относится к металлическим конструкциям. Прокатная балка содержит стенку и два пояса, выполнена симметричной из четырех элементов, двух зеркальных относительно осей у и х профильных элементов, каждый из которых содержит вертикально ориентированную стенку, плавно переходящую по радиусу кривой сверху и снизу в трубчатого профиля элемент, составляющий четвертинку сечения трубы, затем переходящий в горизонтальный отгиб, стенки зеркальных профильных элементов соединены друг с другом полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником, причем отгибы соединены друг с другом сверху и снизу затяжками из листа также посредством полых заклепок с внедренным в каждую сердечником, при этом четвертинки трубчатого профиля образуют лотки, сверху и снизу замкнутые затяжками. Технический результат изобретения - снижение материалоемкости прокатного профиля. 1 ил.




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Предлагаемое изобретение относится к металлическим конструкциям.

Известны двутавровые прокатные балки [1, с.260]. Недостаток этого технического решения - значительная материалоемкость. Известна балка, содержащая два зеркально расположенных профильных элемента, соединенных сверху и снизу затяжками из листа и имеющими вертикально ориентированные стенки [ЕР 0293789 А1, 12.07.1988, фиг.4,5]. Примем это решение за аналог.

Технический результат изобретения - снижение материалоемкости балки.

Технический результат достигнут тем, что балка содержит два зеркально расположенных профильных элемента, соединенных сверху и снизу затяжками из листов и имеющих вертикально ориентированные стенки.

Отличие состоит в том, что каждый из профильных элементов выполнен с профилями, в которые плавно по кривой сверху и снизу переходит вертикально ориентированная стенка этого элемента, выполненными в виде четвертей трубы каждый.

Упомянутые профили профильных элементов в виде четвертей труб переходят в горизонтальные отгибы и в зонах выполнения их в виде четвертей труб образуют форму лотков, замкнутых сверху и снизу затяжками из листов, соединенными с горизонтальными отгибами полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником. Стенки профильных элементов соединены друг с другом также полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником.

Площадь сечения двух соединенных стенок составляет 38%, двух лотков - 15%, а четырех горизонтальных отгибов и двух затяжек - 47% от всей площади сечения балки.

Сопоставление с аналогом показывает существующие отличия разработанного профиля:

- зеркальные профильные элементы симметричны относительно осей x и y, прокатаны на прокатном стане и имеют плавные по кривой переходы от стенки к четвертям трубы и затем к горизонтальным отгибам;

- эффективные коэффициенты концентрации напряжений сведены к минимуму, то есть близки к единице, и поэтому выносливость зеркальных профильных элементов наивысшая [3];

- соединения зеркальных профильных элементов друг с другом и с затяжками выполнены посредством полых заклепок с внедренным в каждую сердечником [4];

- трудоемкость изготовления сведена к минимуму, так как сечение балки состоит из прокатных элементов, и их соединяют автоматизированно на поточной линии с использованием пиротехнических установок, выполняющих пробитие в пакетах соединяемых элементов с автоматизированной постановкой полых заклепок;

- балка обладает амортизирующими свойствами из-за лотков сверху и снизу сечения.

- распределение материала по сечению обеспечивает максимальный момент сопротивление и, следовательно, минимальную материалоемкость.

На чертеже показан профиль сечения балки.

Балка содержит два зеркальных относительно осей х и у профильных элемента 1 и две затяжки 2 сверху и снизу. Элементы соединены друг с другом полыми заклепками 3 с внедренным в каждую сердечником.

Каждый из зеркальных профильных элементов состоит из стенки а, переходящей в элемент трубчатого профиля, составляющий четверть b трубы. Четверть b плавно переходит в отгиб с.

Зеркальные профильные элементы соединены друг с другом полыми заклепками и образуют в сборке двутавровую балку.

Четверти b образуют лотки сверху и снизу. Каждый из лотков соединен посредством затяжки 2 и полых заклепок 3 с отгибами с зеркальных профильных элементов 1.

Распределим материал по сечению балки так, чтобы из заготовки с площадью сечения А получить балку, обладающую наибольшим моментом сопротивления Wmax или обладающую наибольшей прочностью.

Для удобства проката зеркальных профильных элементов 1 примем, что толщина листа заготовки везде одинакова, то есть толщина стенки равна толщине четверти и равна толщине отгиба t. Толщину затяжки примем равной tз=1,2t.

Высота стенки hст составляет 0,8 от высоты h балки, hст=0,8 h. Диаметр лотка D составляет 0,2 от высоты балки D=0,2h. To есть по сравнению с аналогом мы уменьшаем высоту стенки на 20%, что приводит к такому же уменьшению гибкости стенки 

Для максимального снижения материалоемкости площадь сечения необходимо распределить между элементами сечения таким образом, чтобы профиль получил максимальный момент сопротивления Wx. Вся площадь сечения А должна распределятся в определенной пропорции между стенкой Аст, лотками 2Ал и свисающими частями стенки 2Асв, включая две затяжки. Введем коэффициент материалоемкости стенки балки К. Тогда:

КА - материалоемкость стенки балки.

Площадь сечения двух лотков равна 2Aл= Dtл,

где D=0,2h - диаметр лотка; D=0,25hст;

h=1,25hст - высота балки;

tл=0,5tст - толщина лотка равна толщине стенки;



Площадь сечения свесов, включая две затяжки, равна



Собственные моменты инерции двух лотков запишем, используя справочник по сопротивления материалов [2, с.62]



Расстояние от главной оси х до центра тяжести каждого из лотков равно



Гибкость стенки 

Высота стенки равна 

Высота всей балки 

Тогда собственные моменты инерции двух лотков



Запишем главный момент инерции балки, пренебрегая в запас прочности собственными моментами инерции свеков затяжек



Заменим Аст, Асв, Ал, hст.

Получим

или



Поделив на , получим момент сопротивления профиля



Взяв производную по К, найдем экстремум Wx



Отсюда коэффициент материалоемкости равен K=0,38022, то есть для максимального снижения материалоемкости на стенку необходимо истратить 38,02% стали от всей площади сечения.

Подставив К в полученные формулы, имеем:

Площади сечения:

стенки: Acт=0,38022A;

двух лотков: 2Ал=0,149314;

свесов и затяжек: 2Асв=0,47047А (в том числе площадь сечения двух затяжек).

Главный момент инерции Jх=0,09902А2 .

Момент сопротивления 

Минимальная площадь сечения в зависимости от момента сопротивления



Толщина стенки балки 

Высота стенки hст=0,8h.

Момент сопротивления двух лотков 

Пример конкретной реализации

Сравним разработанный новый профиль с аналогом, например двутавром I100Б4 [1, с.261]

А=397 см2; Jx=662170 см4; Wx=13060 см2; ix=40,8 см; iy=6,85 см; h=101,4 см;

hст=101,4-23,3=94,8 см; ст=94,8/1,86=51; tст=1,86.

В соответствии с действующими нормами назначаем гибкость стенки, при которой не требуется проверка ее устойчивости [3, с.27, п.7.3]



Ry=230 МПа; Е=206000 МПа.

Тогда 

Принимаем гибкость стенки 74,8.

Площадь сечения оставляем без изменения А=397 см2. Эту площадь распределяем по сечению следующим образом:

Площади сечения:

стенки: 0,3802397=150,95 см2,



Момент сопротивления нового двутавра будет равен 



Толщина стенки 

Высота балки 

Высота стенки hст=0,8h=106,26 см.

Момент инерции Jx=0,09902A2 =0,09902 3972 74,8=1167362 см4.

Сопоставление с аналогом показывает, что:

момент сопротивления увеличился в раза;

момент инерции увеличился в раза.

Если принять толщину свеса tсв=0,71 см, то ширина двух свесов равна



Диаметр лотка D=0,2h=0,2132,82=26,56 см.

Ширина балки bmax=D+2bсв=26,56+131,52=158,08 см.

Для уменьшения ширины балки площадь сечения свесов распределяем по сечению свеса и затяжки толщиной tзат=1,2tсв







Ширина балки 

Момент инерции относительно вертикальной оси y



где d - внутренний диаметр лотка;

d=D-2tст=26,56-2 1,42=23,72 см;



У аналога было Jy=18620 см4 (100%).

То есть момент инерции Jy увеличился в 12,97 раза!



У аналога было Wy=1150 см3 (100%).

Момент сопротивления Wy увеличился в 2,65 раза.

Эффективность нового балочного профиля высокая.

Примем равные с аналогом моменты сопротивления, то есть Wx=13060 см3.

Находим минимальную площадь сечения



Распределяем площадь по сечению.

Площади сечения:



Толщина стенки 

Высота балки 

Высота стенки hст=0,8h=84,45 см.

Момент инерции Jx=0,09902A2 =0,09902 250,82 74,8=465885,9 см4.

Момент сопротивления



Произошло снижение материалоемкости.

Материалоемкость новой балки по сравнению с первой составляет , то есть материалоемкость снижена на 36,8%.

Экономический эффект достигнут за счет применения рационального профиля балки. Показатели материалоемкости в большей степени зависят от толщины стенки tст и гибкости стенки ст. В нашем случае стенка сопряжена с полками посредством лотков и это позволило уменьшить высоту стенки на 20% и, следовательно, и гибкость стенки на 20%. Полученный коэффициент материалоемкости стенки K=0,38022 позволил достигнуть максимального момента сопротивления при заданной площади сечения или достигнуть минимальной материалоемкости при заданном моменте сопротивления.

Таким образом, новый профиль снижает материалоемкость до 36% по сравнению с аналогом при одинаковом моменте сопротивления.

Если же делать балку с такой же площадью сечения, как аналог, то моменты сопротивления Wx повышаются на 25... 28%, момент Wy - на 25... 30%.

Моменты инерции повышаются значительно больше Jx на 55... 59%, a Jy - на 50... 55%.

Особенно эффективен новый профиль для подкрановых балок и колонн промышленных и гражданских зданий, так как у профиля сильно увеличен момент инерции Jy и момент сопротивления Wy.

Литература

1. Васильченко В.Т. и др. Справочник конструктора металлических конструкций. Киев, “Будiвельник”, 1980, 288 с.

2. Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. Киев, “Наукова думка”, 1975, 704 с.

3. СНиП II-23-81* Стальные конструкции, Госстрой СССР, Москва, 1999, 96 с.

4. Нежданов К.К., Васильев А.В., Колмыков В.А., Нежданов А.К. Способ и устройство для неподвижного соединения. Патент России №2114328. Бюл. №18, зарегистрирован 27.06.1998. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Балка, содержащая два зеркально расположенных профильных элемента, соединенных сверху и снизу затяжками из листов и имеющих вертикально ориентированные стенки, отличающаяся тем, что каждый профильный элемент выполнен с профилями, в которые плавно по кривой сверху и снизу переходит вертикально ориентированная стенка этого элемента, выполненными в виде четверти трубы каждый, упомянутые профили профильных элементов в виде четвертей труб переходят в горизонтальные отгибы и в зонах выполнения их в виде четвертей труб образуют форму лотков, замкнутых сверху и снизу затяжками из листов, соединенными с горизонтальными отгибами полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником, при этом стенки профильных элементов соединены друг с другом также полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником.