СПЛОШНОСТЕНЧАТАЯ АРКА Российский патент 1997 года по МПК E04B1/32 

Изобретение относится к строительству, авиа- и судостроению, в частности к изготовлению металлических арок различной конфигурации. Оно может быть использовано при возведении покрытий и укрытий, зданий и сооружений различного назначения (ангаров, складов, укрытий для техники и т.д.), а также элементов поперечной жесткости кораблей и летательных аппаратов.

Известна сплошностенчатая арка двутаврового сечения, содержащая пояса и стенки (Абрамов А.А. и др. Технология изготовления стальных конструкций. М. Стройиздат, 1963, с. 115) [1]
Такое техническое решение обладает следующими недостатками:
повышенной металлоемкостью из-за необходимости конструктивного утолщения стенки арки или укрепления ее конструктивными поперечными ребрами жесткости;
сложностью и трудоемкостью раскроя стенки при изготовлении;
наличием отходов при раскрое;
значительными технологическими трудностями при сварке тонкой стенки с толстыми поясами;
Наиболее близкой к предлагаемой является криволинейная арка, имеющая двутавровое сечение с изогнутыми по дуге поясами (полками), соединенными гофрированной стенкой (авт. св. СССР N 667658, кл. Е 04 С 3/00, 1979) [2] В данной конструкции обеспечивающая устойчивость гофрированная стенка может выполняться из тонкой листовой стали, однако при этом вводятся конструктивные ограничения по ее минимально допустимой толщине, связанные с возможностью выполнения качественной приварки к поясам. Исходя из этих соображений в ряде случаев используется более толстая стенка, чем это необходимо из условий эксплуатации, что приводит к увеличению расхода стали по сравнению с минимально возможным из соображений прочности и устойчивости конструкции.

Кроме того, конструктивное решение таврового соединения стенки и поясов встык допускает возможность использования только одного варианта технологии
сварку (или пайку) по зигзагообразной линии контакта. Другие способы соединения стенки с поясами без сварки, например: заклепочные; на дюбелях; на точечной, контактной и т.п. сварке невозможны.

В известном решении приварка каждой полки к стенке встык по зигзагообразной линии затрудняет автоматизацию процесса сварки, обуславливая необходимость ручного труда, большого расхода инертных газов (аргон, углекислого газа и др. ). Необходимость приварки к двум поясам требует кантовки конструкции в процессе работы для выполнения качественных швов.

Цель изобретения уменьшение металлоемкости, расширение области применения и повышение технологичности конструкции сплошностенчатой арки с продольной кривизной.

Указанная цель достигается тем, что угол при вершине каждого гофра в плане составляет не менее 120^o, а на гранях каждого из гофров выполнены жестко соединенные с поясами внахлест лапки, отогнутые перпендикулярно плоскости гофра, причем в смежных гофрах лапки отогнуты в противоположные стороны, а между смежными лапками выполнен зазор в виде паза, ширина которого составляет 3-5 толщины стенки, а сопряжение боковых стенок соседних лапок выполненро по окружности с радиусом, соответствующим половине ширины паза, при этом толщина поясов составляет 4-5,5 толщины стенки, ширина 30-40 толщин стенки, а высота стенки составляет 50-60 ее толщин при радиусе кривизны в продольном направлении 6-8 м.

На фиг.1 изображена сплошностенчатая арка, вид сбоку; на фиг.2 узел I на фиг.1; на фиг.3 сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг. 5 сечение В-В на фиг.1.

Сплошностенчатая арка содержит изогнутые в продольном направлении с радиусом R криволинейные пояса (полки) внешний 1 и внутренний 2, толщиной S₁ и S₂ и шириной Н₁ и H₂ соответственно, стенку 3 толщиной S и высотой Н с поперечными гофрами, угол α при вершине каждого из которого в плане составляет не менее 120^o. Грани каждого из гофров заканчиваются лапками 4, отогнутыми перпендикулярно плоскости гофра в одну сторону на каждом гофре и в противоположные стороны на соседних. Указанные лапки 4 предназначены для жесткого соединения стенки с поясами внахлест посредством креплений 5 (контактная сварка, дюбеля, заклепки, винты, клей и т.п.). Жесткое соединение лапок с поясами внахлест обеспечивает монолитность и работоспособность конструкции. Выполнение гофров с углом при вершине не менее 120^o позволяет осуществлять беспрепятственное отгибание лапок 4 в процессе изготовления арки. При нарушении этого условия возможно повреждение стенок соседнего гофра при отгибании лапок 4. Конструктивное исполнение лапок отогнутыми в одну сторону для каждого гофра и в противоположные стороны для соседних обеспечивает симметричный характер нагрузки и отсутствие растягивающих напряжений в креплениях 5, что благоприятно сказывается на работоспособности изделия. Между лапками 4 соседних гофров выполнен зазор в виде глухого узкого паза 6 шириной f 3-5 толщин стенки S, так как при ширине паза f более 5 толщин стенки S возникают технологические сложности с его получением в непрерывной линии, обуславливающие удорожание стоимости изделия, а ширину паза f менее 3 толщин стенки S практически невозможно получить из-за низкой стойкости вырубного инструмента. Сопряжение стенок паза по окружности с радиусом Z обеспечивает отсутствие концентраторов напряжения и, соответственно, повышение эксплуатационных свойств изделия. Вышеуказанные элементы 1, 2 и 3 образуют в поперечном сечении двутавр. Стенка 3 выполнена из рулонной листовой заготовки с поперечным гофрированием. Заданная криволинейность стенки достигается за счет изменения шага при растягивании гофров на одном краю и сжатии на другом. При этом радиус кривизны арки R должен быть не более 8 м и не менее 6 м. Это обусловлено тем, что при радиусе кривизны менее 6 м в процессе упругой деформации при изготовлении арки в материале стенки возникают внутренние упругие напряжения обратного знака, снижающие эксплуатационные характеристики предлагаемого изделия. В то же время для арки с радиусом кривизны R более 8 м схема нагружения фактически соответствует варианту с прямой балкой и величина прогиба под нагрузкой превышает допустимую.

Толщина поясов 1 и 2 составляет S₁ 4-5,5 и S₂ 4-5,5 толщины стенки S, так как выход за верхнюю границу этого диапазона приводит к неоправданному повышению расхода металла, неадекватному повышению эксплуатационных характеристик конструкции, а при толщине поясов S₁ и S₂ менее 4 толщин стенки 3 устойчивость арки резко снижается. Ширина же поясов H₁ и H₂ составляет 30-40 толщин стенки, так как дальнейшее ее увеличение свыше 40 толщин стенки S слабо сказывается на несущей способности изделия, в то же время снижение ширины H₁ и H₂ до значений менее 30 толщин стенки S неблагоприятно отражается на этой характеристике, приводя к резкому ее снижению.

Высота стенки составляет Н 50-60 ее толщин S, так как при высоте более 60 S имеет место большой расход металла при одних и тех же эксплуатационных характеристиках, а при высоте менее 50 S арка получает недостаточно высокую жесткость, величина ее прогиба под нагрузкой резко возрастает.

Применение предлагаемого решения позволяет достичь экономии металла за счет использования относительно более тонкой стенки, достаточной из соображений прочности и устойчивости, и обеспечить высокие эксплуатационные свойства. Например, в арках, испытывающих в основном сжимающие усилия и частично изгиб, поперечные силы невелики -при тонкой сплошной стенке, ее участие в работе на сжатие невелико и потребность в стенке носит, главным образом, конструктивный характер.

Наличие отгибаемых лапок на гофрах дает возможность преодолеть конструктивные ограничения по толщине при сварке и использовать более тонкую стенку, наиболее близко отвечающую расчетным требованиям. При креплении стенки и поясов при помощи лапок возможно применение стенки 1 мм и менее. Лапки обеспечивают возможность соединения стенок и полок без расхода электродов контактной сваркой (точечной, роликовой) или токами высокой частоты, на клею, на заклепках, дюбелях. Это дает возможность соединять несвариваемые или трудносвариваемые материалы, а также разнородные материалы (например, алюминий и титан и т.д.). Технологичность конструкции соединения позволяет применять высокопроизводительную сварочную и другую технику в рамках автоматизированных линий. Наличие лапок улучшает также сейсмическую стойкость конструкции вследствие амортизирующего эффекта за счет дополнительной затраты энергии на поглощенных упругих и пластических деформациях в местах отгибов при общей деформации арки от этих воздействий.

Использование данного технического решения позволит сэкономить до 15-20% металла, сократить трудозатраты, полностью автоматизировать процесс изготовления унифицированных секций массового применения.

Использование: в строительных конструкциях, в судостроении для жестких изогнутых поперечных ребер - шпангоутов корпусов кораблей и летательных аппаратов. Сплошностенчатая арка содержит пояса 1 и 2 и стенку 3 с поперечными гофрами, угол α при вершине каждого из которых составляет не менее 120^o. Указанные элементы образуют в поперечном сечении двутавр. Арка изогнута в продольном направлении с радиусом кривизны 6-8 м. Стенка снабжена поперечными гофрами, на гранях каждого из которых выполнены жестко соединенные с поясами внахлест лапки, отогнутые перпендикулярно плоскости в одну сторону для каждого гофра и поочередно в противоположные стороны для соседних гофров. Толщина поясов составляет 4-5,5 толщины стенки, ширина - 30-40 толщины, а высота стенки составляет 50-60 ее толщины. Между отгибами выполнены пазы с сопряжением боковых стенок по окружности с радиусом, соответствующим половине ширины паза. 5 ил.

Сплошностенчатая арка, содержащая два пояса и соединяющую их гофрированную стенку, в поперечном сечении образующие двутавр, отличающаяся тем, что угол при вершине каждого гофра в плане составляет не менее 120^o, а на гранях каждого из гофров выполнены жестко соединенные с поясами внахлест лапки, отогнутые перпендикулярно плоскости гофра, причем в смежных гофрах лапки отогнуты в противоположные стороны, а между смежными лапками выполнен зазор в виде паза, ширина которого составляет 3 5 толщины стенки, а сопряжение боковых стенок соседних лапок выполнено по окружности с радиусом, равным половине ширины паза, при этом толщина поясов составляет 4 5,5 толщины стенки, ширина 30 40 толщин стенки, а высота стенки составляет 50 60 ее толщин при радиусе кривизны арки 6 8 м.