ЗЕТОБРАЗНЫЙ ПРОФИЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B66C7/00 

Изобретение относится к металлическим конструкциям.

Известен зетобразный профиль с ортогональными стенкой и поясами - прототип.

Недостаток прототипа - его малая несущая способность, так как главные центральные оси - горизонтальная x и вертикальная y - повернуты на угол α по отношению к осям x и y.

α = 0,5arctg[2l_xу/(l_x-l_у)], (1)
где I_x, I_y - моменты инерции относительно осей x и y;
I_xy - центробежный момент инерции.

Цель изобретения - повышение несущей способности зетобразного профиля без изменения расхода материала.

Цель достигнута формированием сечения зетобразного профиля при прокатывании его на прокатном стане. Деформируют профиль, перераспределяя площадь его сечения A между стенкой и поясами в пропорции (0,6-0,75)A - на стенку, (0,4-0,25)A - на два пояса, наклоняют стенку по отношению к вертикали под острым углом, равным:

где
h - высота сечения профиля,
t_п - толщина пояса,
b - ширина пояса,
t_ст - толщина стенки,
A_п - сечения каждого пояса.

Первоначальное сечение (прототип) обладает центробежным моментом инерции I_xy. Наклоном стенки уменьшают центробежный момент инерции до нуля, I_xy=0

отсюда получаем оптимальный угол θ наклона стенки к вертикали.

Изменение пропорции распределения материала по сечению профиля между стенкой и поясами обеспечивает возрастание момента сопротивления W_x балки до максимума.

Рекомендуемая пропорция - 0,6 - 0,75 площади сечения на стенку. Максимальное ее значение - 0,75 на стенку - обеспечивает максимальный момент сопротивления W_x профиля, но в этом случае максимально возрастает высота сечения h. Если же стенка содержит 60% площади всего сечения, то момент сопротивления W_x меньше своего максимального значения всего лишь на 2% высоты сечения h уменьшается по сравнению с вариантом в пропорции 0,75 значительно - на 20%. Поэтому с целью уменьшения вертикальных габаритов рационально прокатывать профиль при расходе металла на стенку в 60% или несколько выше.

При одинаковой толщине стенки и пояса профиль легко изготавливается на листогибочном станке из прокатного листа.

Угол θ наклона стенки к вертикальной оси обеспечивает горизонтальную и вертикальную ориентацию главных осей x, y. Это позволяет сделать вывод, что изобретения связаны единым изобретательским замыслом. Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных решений в данной области техники признаки, отличающие изобретения от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают предложенному техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Примеры конкретного выполнения. На фиг. 1 показан предлагаемый - профиль максимальной прочности; на фиг. 2 - зетобразный профиль - прототип.

Прототип и разработанный профиль содержат стенку 1 и пояса 2. Высота прототипа h (фиг. 2), а предлагаемого профиля
h_θ= h•cosθ. (4)
Площадь всего сечения A одинакова, как в первом случае, так и во втором. Площадь сечения пояса A_п, его толщина - t_п, ширина - b, толщина стенки t_ст.

Оптимальный угол θ наклона стенки получен трансформацией прототипа в предлагаемый профиль. При трансформации центробежный момент инерции I_xy (3) полностью компенсируется (I_xy= 0) и отсюда получаем угол θ (2), а моменты инерции при изгибе I_x, I_y, изменяясь, превращаются в главные.

Момент инерции относительно оси x I_x складывается из момента инерции стенки
,
и двух поясов

Тогда главный момент инерции I_xz полученного профиля равен

или
I_xz= I_xzcos²θ, (5)
то есть моменту инерции первоначального профиля (прототипа), умноженного на cos² θ.

Момент инерции при изгибе относительно вертикальной оси y сложится из момента инерции стенки

и двух поясов

Собственными моментами инерции горизонтальных поясов и стенки пренебрегли (в запас прочности).

Покажем эффективность предложенного способа, оптимизируя зетобразный профиль Z 20.

Площадь всего сечения - A = 41,7 см²
Моменты инерции - I_x = 2513,7 см⁴ - I_y - 411,2 см⁴
Главные моменты инерции - I_max = 2764,5 см⁴
Толщины: пояса - t_п = 1,5 см
стенки - t_ст = 1,0 см
Высота сечения - h = 20 см
Ширина полки - b = 7,0 см
Заявленные решения
1-й вариант. Повышение несущей способности прототипа путем поворота стенки по часовой стрелке на угол θ до полной компенсации центробежного момента инерции и превращения осей x, y в главные (см. таблицу).

Определим требуемый угол наклона стенки (2)

Проверим ориентацию главных осей по формуле (3)

I_xу= 5,25cosθ(-148+147,99998) = 0.
Оси x, y - действительно главные.

Главный момент инерции относительно горизонтальной оси x предложенного профиля (5)

Момент сопротивления

Проверка прочности сечения. Действующий изгибающий момент равен:
M = 56200 кг см = 56200 Н см = 5620 гН см.

В прототипе напряжения были:

Несущая способность увеличилась более чем в два раза.

2-й вариант. Повышение несущей способности прототипа путем увеличения материалоемкости стенки профиля до 60% и поворота стенки по часовой стрелке на угол θ до полной компенсации центробежного момента инерции и превращения осей x, y в главные (см. таблицу).

Проверим ориентации главных осей (3)

Оси x и y - действительно главные.

Найдем:
момент инерции трансформированного сечения (5)

высоту сечения
h_θ= hcosθ = 24,6cosθ = 24,17 см;
момент сопротивления

Проверим нормальные напряжения в заявленном устройстве

Произошло увеличение несущей способности по сравнению с прототипом почти в три раза.

3-й вариант. Повышение несущей способности прототипа путем увеличения высоты начального профиля до 32 см и соответствующего увеличения материалоемкости стенки профиля, а также поворота стенки по часовой стрелке на угол θ до превращения осей x, y в главные (см. таблицу).

Проверка ориентации главных осей

Действительно оси x и y являются главными.

Момент инерции сечения

Высота профиля
h_θ= hcosθ = 32cosθ = 31,62 см.
Момент сопротивления профиля

Проверим нормальные напряжения в заявленном устройстве

В прототипе напряжения были 568 кг/см²= 56,8 МПа (100%). Произошло увеличение несущей способности почти в четыре раза.

Изобретение относится к металлическим конструкциям. При прокатывании профиля формируют его сечение таким образом, что происходит перераспределение площади между стенкой и поясами в пропорции 0,6 - 0,75 на стенку и 0,4 - 0,25 на два пояса. Стенка соединяется с поясами под острым углом и наклонена по отношению к вертикали под углом θ , который определяется зависимостью между высотой, толщиной, шириной стенки и поясов. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Зетобразный профиль, содержащий стенку и два параллельных друг другу горизонтальных пояса, отличающийся тем, что площадь сечения стенки выполнена равной 60 - 75% от всей площади сечения профиля, при этом между стенкой и поясами образован острый угол, а стенка наклонена к вертикали под углом, определяемым из соотношения

где h - высота сечения профиля;
t_п - толщина пояса;
b - ширина пояса;
t_с т - толщина стенки;
А_п - площадь сечения каждого пояса. 2. Способ изготовления зетообразного профиля, заключающийся в том, что формируют сечение профиля, прокатывая его на прокатном стане, отличающийся тем, что при прокатывании профиля деформируют его сечение, перераспределяя площадь между стенкой и поясами в пропорции 0,6 - 0,75 на стенку и 0,40 - 0,25 на пояса, и наклоняют стенку по отношению к вертикали под острым углом.