ШПАНГОУТ ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ Российский патент 2014 года по МПК B64C1/10 E04C3/04 

Изобретение относится к несущим конструкциям, применяемым преимущественно в промышленном строительстве в качестве элементов жесткости трубопроводов, резервуаров, газгольдеров и других инженерных сооружений. Кроме того, возможно применение в других отраслях (например, в авиации), где рационально использование несущих преимущественно кольцеобразных элементов замкнутого и незамкнутого типов, обладающих повышенной изгибной и крутильной жесткостью.

Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения по технической сущности и достигаемому эффекту является известный из уровня техники шпангоут каркаса фюзеляжа летательного аппарата (патент на изобретение RU 2357892 C2, дата начала отсчета срока действия патента: 07.11.2005; опубликовано: 10.06.2009, Бюл. №16). Шпангоут содержит нижнюю дугу, поперечную балку и решетчатую ферму, соединяющую нижнюю дугу и поперечную балку. Недостатком известной конструкции шпангоута является наличие в ней сквозной решетчатой фермы, изготовление которой приводит к сравнительно большим трудозатратам и многоэлементной сборке с весьма трудной организацией автоматизированного производства и контроля соединений. Ввиду высокой ответственности конструкции требуется особо тщательное выполнение крепления раскосов фермы к нижней дуге и поперечной балке с обязательным контролем таких креплений как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации конструкции. Кроме того, наличие в известной конструкции шпангоута поперечной балки ограничивает применения такого решения в других отраслях, например, в качестве элемента жесткости трубопроводов. Многоэлементность известной конструкции шпангоута негативно сказывается на его деформативности (за счет реализации многочисленных допусков и так называемой «осадки» конструкции под нагрузкой) и повышает вероятность отказа, по сравнению с предлагаемой конструкцией, содержащей меньшее количество элементов.

Технический результат от применения предлагаемого изобретения заключается в снижении деформативности и увеличении несущей способности шпангоута, возможности организации его автоматизированного производства и контрольных измерений ввиду минимизации количества ребер жесткости, а также раскосов и/или стоек или полного отказа от них.

Указанный технический результат является решением актуальной задачи эффективного использования материала в несущих конструкциях. Отмеченный технический результат достигается за счет того, что:

конструкция шпангоута включает в себя наружный пояс и внутренний пояс и стенку, причем стенка, по крайней мере на некоторых участках, гофрирована преимущественно радиально направленными гофрами, увеличивающими местную устойчивость поясов и стенки шпангоута, фактически выполняя функцию ребер жесткости (раскосов и/или стоек) при меньших затратах материала и упрощенном производстве работ;

стенка шпангоута состоит из гладких и гофрированных участков, либо из гладких участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров, либо из гладких участков, гофрированных участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров, либо из гофрированных участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров;

вокруг наружного пояса и/или внутреннего пояса шпангоута предусмотрен бандаж.

Данный бандаж представляет собой один или несколько витков напряженного механическим или электромеханическим способом троса. Ввиду выполнения троса из высокопрочной стали эффективно его применение и с точки зрения экономии металла, и с точки зрения снижения площади поперечного сечения пояса/поясов. За счет варьирования как геометрических сечений элементов, так и геометрических параметров гофров обеспечивается максимальное соответствие несущей способности шпангоута и действующих на него нагрузок и воздействий: материал концентрируется в соответствии с интенсивностью действующих усилий. Применение гофрированных элементов позволяет отказаться от использования сквозной ферменной конструкции ближайшего аналога, что влечет за собой сокращение числа элементов, увеличение жесткости, снижение вероятности отказа и повышение несущей способности, а также автоматизацию процесса изготовления: гофрирование заготовки, приварку стенки к поясам (в случае исполнения конструкции из металлов), вырезание в элементах шпангоута технологических отверстий, контроль соединения элементов, организацию бандажа из троса.

Сочетание различных участков стенки приводит к тому, что за счет сплошностенчатости предлагаемая конструкция шпангоута лучше, чем ближайший аналог, адаптируется к начальным несовершенствам материала и геометрической формы, ввиду отсутствия в конструкции решетчатой фермы. Внутренние усилия от остаточных сварочных деформаций в предлагаемой конструкции оказывают меньшее воздействие за счет малой жесткости гофрированных участков поперек гофров (конструктивная ортотропия стенки).

Отмеченные выше сочетания гофрированных и гладких участков стенки, наряду с применением гофрированных участков с изменяемыми амплитудой и периодом гофров позволяют в ряде случаев сохранить постоянство высоты поперечного сечения шпангоута (высоту стенки), что значительно упрощает производство конструкции при сохранении оптимального распределения жесткости.

Принцип оптимального распределения жесткости рассматриваемой конструкции шпангоута - концентрация материала в направлении преобладающих усилий. Цель применения принципа - проектирование шпангоута с требуемыми показателями надежности, устойчивости, прочности, деформативности, трещиностойкости и эксплуатационных характеристик при минимальном расходе материала, то есть создание шпангоута с необходимым набором свойств с гарантированной (заданной) обеспеченностью.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 - шпангоут переменной жесткости, содержащий стенку с технологическими отверстиями, гладкими и гофрированными участками;

на фиг.2 - вид сбоку на шпангоут на фиг.1;

на фиг.3 - шпангоут переменной жесткости, овальной формы с изменяемым радиусом кривизны;

на фиг.4 - укрупненное аксонометрическое изображение участка А шпангоута на фиг.4;

на фиг.5 - шпангоут переменной жесткости с верхним затвором и нижней стойкой;

на фиг.6 - аксонометрическое изображение нижней части кругового шпангоута с проушинами для крепления верхнего затвора;

на фиг.7 - аксонометрическое изображение шпангоута открытого типа двутаврово-коробчатого поперечного сечения с устройством бетонного сердечника в полости;

на фиг.8 - разрез Б-Б (поперченное сечение шпангоута) на фиг.7.

Шпангоут переменной жесткости состоит из наружного пояса 1, внутреннего пояса 2, соединенных стенкой 3. Стенка 3 состоит из различных комбинаций гофрированных участков, гладких участков, а также гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров.

Изменяемыми геометрическими характеристиками гофров могут быть их период и/или амплитуда, а также форма профиля. Предусмотрен вариант шпангоута, в котором стенка 3 содержит как участки с изменяемыми, так и участки с постоянными параметрами гофров. Сами гофры могут быть односторонними либо двусторонними относительно срединной плоскости стенки 3. Стенка 3 по толщине может состоять из пакета листов, скрепленных между собой с помощью клеевого, сварного, болтового, заклепочного либо иного соединения. Контур поперечного сечения шпангоута переменной жесткости по крайней мере на некоторых его участках может быть коробчатым либо двутаврово-коробчатым, то есть сформированным поясами 1 и 2 и двойной стенкой 3 (фиг.8). Коробчатое и двутаврово-коробчатое сечения лучше сопротивляются кручению и обладают существенной устойчивостью формы и положения, что особенно актуально при восприятии монтажных нагрузок.

Объемом изобретения предусмотрен вариант шпангоута, в котором стенка 3 располагается не ортогонально к поясам 1, 2, а под некоторым углом. Обе стенки 3 коробчатого либо двутаврово-коробчатого поперечного сечения могут быть установлены клиновидно по отношению друг к другу (фиг.8).

Направление гофров стенки 3 преимущественно радиальное в соответствии с направлением действующих усилий при учете технологических возможностей производственных мощностей. Профиль гофров стенки 3 может быть сложного или простого очертания. Под простым очертанием профиля подразумевается симметричный (относительно плоскости, проходящей через вершину гофра и нормальной к плоскости стенки 3) криволинейный либо симметричный/несимметричный ломаный профиль с одной или двумя гранями (точками перегиба) на половину гофра: треугольный, трапецеидальный и др. Соответственно сложный профиль - это несимметричный профиль криволинейного очертания, а также симметричный либо несимметричный профиль ломаного очертания с более чем двумя гранями на половину гофра (сегментный, полигональный и др.) и профиль, содержащий криволинейные и сегментные участки. Предлагаемое изобретение предусматривает вариант шпангоута, в котором возможно применение гофров, выходящих на обе кромки стенки 3 (то есть до поясов 1 и 2), а также гофров, не выходящих на кромки стенки 3 либо выходящих только на одну кромку (глухие).

Объемом изобретения предусмотрен вариант шпангоута, в котором стенка 3 имеет переменную толщину, а также вариант, в котором поперечное сечение шпангоута на некоторых участках (например, в нижней опорной зоне) коробчатое, а в других - двутавровое или иное в соответствии с распределением усилий, нагрузок и воздействий, а также особенностей конструктивного решения.

Шпангоут переменной жесткости может быть открытого, замкнутого либо запорного типов. Открытый тип шпангоута (фиг.7) предусматривает незамкнутость наружного контура (поясов 1 и 2 и стенки 3) шпангоута, хотя допускает устройство промежуточных распорок (в частности, бимсов) в плоскости шпангоута (например, шпангоут переменной жесткости в наборе силовых элементов корабля или судна). Замкнутый тип шпангоута (фиг.1-3) предусматривает наличие завершенного наружного контура. Запорный тип шпангоута (фиг.5, 6) допускает размыкание/замыкание наружного контура для монтажа конструкций, проведения ремонтных, диагностических, реконструктивных и других мероприятий, удобства транспортирования и других целей. В качестве запорных устройств могут выступать части контура шпангоута, балки-распорки 4 (фиг.5). Сопряжение запорных устройств с остальными частями шпангоута осуществляется с помощью петель 5, шарниров различного вида, салазок и направляющих. Данные элементы могут устраиваться непосредственно в поясах 1 и/или 2, стенке 3, на платформах 6 либо другим способом. Возможно применение гидравлических, электрических либо других механизмов, осуществляющих непосредственно подъем, поворот либо сдвижку запорного устройства относительно неподвижной части шпангоута.

Переменная жесткость шпангоута может достигаться в том числе и с помощью перфорации (организации технологических отверстий 7) стенки 3 (фиг.1-3, 5) и/или одного либо всех поясов 1 и 2. В стенке 3 предпочтительно предусматривать технологические отверстия 7 на участках с преобладанием изгибающих моментов над другими силовыми компонентами (например, радиальными силами). Устройство технологических отверстий 7 в элементах шпангоута, прежде всего в стенке 3, позволяет снизить расход материалов и осуществить пропуск коммуникаций и/или элементов силового набора, например стрингеров 8 (фиг.4), через конструкцию.

Перечисленные выше конструктивные особенности предлагаемого изобретения обосновывают эффективное использование тонкостенных элементов (стенка 3, пояса 1 и 2). Высокая гибкость таких элементов, достигающая для стенки 3 значений 500 и более, увеличивает вероятность начальных погибей - геометрических несовершенств, негативное влияние которых наиболее сказывается в опорной зоне шпангоута. Данное обстоятельство, а также то, что влияние опорных реакций при определенных конструктивных решениях близко к сосредоточенному воздействию внешней силы, вызывает необходимость устройства в некоторых случаях опорных ребер жесткости преимущественно радиального (применительно к контуру шпангоута) либо нормального (применительно к опорной поверхности) направления.

В общем случае конструктивное решение шпангоута переменной жесткости допускает применение в плоскости стенки 3 преимущественно радиально направленных ребер жесткости и/или стоек, укрепляющих стенку 3 и установленных не только в опорной зоне. Ребра жесткости могут примыкать к стенке 3 и к поясам 1 и 2 или только к поясам 1 и 2. В последнем случае они фактически являются стойками. Предусмотрен вариант шпангоута с использованием в конструкции не только стоек, но и раскосов. Относительно стенки 3 ребра жесткости, стойки и раскосы могут быть как односторонними, так и двусторонними. Устройство (в случае необходимости) ребер жесткости, и/или раскосов, и/или стоек, а также гофрирование стенки 3 повышает устойчивость стенки 3. Возможен вариант предлагаемого изобретения с использованием выштампованных ребер жесткости (по сути - дополнительных гофров 9). Дополнительные гофры 9 могут не выходить на края стенки 3 или выходить хотя бы на один ее край. По причине эффективного использования технологии штамповки листовых деталей рассматриваемой конструкции дополнительные гофры 9 целесообразно выполнять односторонними и симметричными.

Предусмотрен вариант шпангоута, в котором расстояние между поясами 1 и 2 шпангоута переменной жесткости - взаимное сближение поясов 1 и 2 - переменно за счет изменения высоты поперечного сечения стенки 3. При этом представляется рациональным в подавляющем большинстве случаев использовать наибольшую высоту поперечного сечения стенки 3 в опорной части шпангоута, а наименьшую - в диаметрально противоположной части шпангоута (фиг.3), что объясняется преимущественным сопротивлением стенки 3 воздействию поперечных сил.

Шпангоут может иметь различную форму. Форма шпангоута определяется по очертанию пояса 1. Технологически наиболее простой формой шпангоута, имеющей наибольшее практическое применение, является кольцевая. Допустимы криволинейные и ломаные (сегментные) очертания шпангоута, а также очертания, совмещающие в себе и криволинейные, и сегментные участки. В общем случае форма шпангоута может иметь несколько радиусов кривизны (фиг.3), а центры кривизны могут располагаться по обе стороны от контура шпангоута, то есть контур шпангоута по крайне мере на некоторых участках может иметь вогнутую форму. В строительстве в подавляющем большинстве случаев применима кольцевая форма шпангоута, в то время как в самолетостроении, в кораблестроении и судостроении наряду с кольцевой формой весьма эффективны другие описанные выше формы шпангоута. В общем случае очертание пояса 1 может отличаться от очертания пояса 2.

Пояса 1 и 2 шпангоута переменной жесткости могут выполняться с различным поперечным сечением и/или из различного материала, также возможно изменение сечения поясов 1 и 2 по их длине (например, увеличенная ширина в опорной зоне, и наоборот, наименьшая ширина в диаметрально противоположной части шпангоута).

Контур поперечного сечения шпангоута, образованный поясами 1 и 2 и стенкой 3, может быть швеллерным, двутавровым, коробчатым (двойная стенка 3), двутаврово-коробчатым (фиг.8) - по сути - коробчатое со свесами поясов 1 и/или 2.

Объемом изобретения предусмотрен вариант шпангоута, в котором по крайней мере в опорной части применяется двойная стенка 3 (коробчатое сечение), а образованная поясами 1 и 2 и двойной стенкой 3 полость заполняется бетоном с формированием бетонного сердечника 10 или иным составом, обладающим в процессе эксплуатации сопоставимыми физико-механическими характеристиками и способного воспринимать значительную долю усилий от внешних нагрузок и воздействий (фиг.8). Нагнетание в полость указанных составов - растворов осуществляется преимущественно через отверстия в поясе 1 и/или 2. Для бетонного сердечника 10 эффективно использование бетонов на безусадочном или расширяющемся цементе для исключения образования внутри шпангоута каверн и полостей, являющихся источниками концентрации напряжений и возникновения коррозии.

При использовании шпангоута в качестве элемента конструкции термоизолированных отсеков, предлагается вариант шпангоута с двойной стенкой 3, не имеющей перфорированных участков с заполнением полости, образованной поясами 1 и 2 и стенкой 3, инертным газом с малой теплопроводностью либо иным термоизоляционным материалом.

Таким образом, по крайней мере часть полостей либо по крайней мере часть одной полости коробчатого поперечного сечения шпангоута заполнены бетонным раствором или веществом, увеличивающим в эксплуатационной стадии прочностные и/или теплозащитные свойства конструкции.

С целью обеспечения лучшего сцепления закачанного в указанную полость раствора и конструкций шпангоута (поясов 1 и 2 и стенки 3) эффективно использование стягивающих болтов и анкерующих устройств 11 в виде, например, гнутых стержней, приваренных/приклеенных к конструкциям шпангоута. Также возможно использование на листовых элементах шпангоута засечек.

В шпангоуте с коробчатым поперечным сечением (двойной стенкой 3) для обеспечения совместной работы листов двойной стенки 3 возможно устройство поперечных внутренних, то есть установленных в полости поперечного сечения, диафрагм либо применение стягивающих болтов.

В шпангоуте переменной жесткости вокруг наружного пояса 1 и/или внутреннего пояса 2 предусмотрен бандаж, представляющий собой один или несколько витков напряженного механическим или электромеханическим способом троса. Данное решение увеличивает несущую способность и общую жесткость шпангоута, обеспечивает плотное прилегание пояса 2 к расположенным внутри шпангоута элементам. Для устройства указанного бандажа пояса 1 и/или 2 могут иметь желоба - по сути продольные гофры.

Профиль гофров стенки 3 и/или пояса 1 и/или 2 может изменяться: например, в опорном участке профиль гофров стенки 3 - трапецеидальный, а на других - треугольный либо волнистый, при этом профиль гофра пояса 1 на нижней половине шпангоута - прямоугольный, а на остальной части - волнистый для удобства устройства бандажа.

Характер работы шпангоута переменной жесткости заключается в следующем: при загружении шпангоута внешней в общем случае несимметричной нагрузки, действующей на один или два пояса 1 и 2 и направленной в плоскости стенки 3, наблюдается изгиб конструкции. В шпангоуте возникают усилия в основном от поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов, а также линейных сжимающих либо растягивающих сил. Линейные силы могут быть вызваны, например, вследствие температурных перепадов, применения преднапряженного бандажа, внутреннего или внешнего относительно контура шпангоута давления среды и/или вакуумного воздействия. Поперечные силы воспринимаются практически полностью стенкой 3, а изгибающие моменты - практически полностью поясами 1 и 2. Усилия от крутящих моментов воспринимаются и поясами 1, 2, и стенкой 3. Линейные сжимающие силы воспринимаются поясами 1 и 2 ввиду их относительно высокой жесткости по сравнению со стенкой 3, обладающей малой жесткостью в направлении поперек гофров. Линейные растягивающие силы воспринимаются поясами 1 и 2 и бандажом из напряженного троса. Ребра жесткости и гофры стенки 3 работают преимущественно в условиях внецентренного сжатия. Гладкие участки стенки 3, расположенные в зонах интенсивных изгибающих моментов, включаются в работу поясов 1, 2 на изгиб. В случае устройства бетонного сердечника 10, он работает в стесненных условиях на восприятие преимущественно сжимающих усилий, поперечных сил и крутящих моментов, повышая устойчивость стенки 3. Опорная реакция от шпангоута передается на нижерасположенные несущие элементы сооружения:

- стойки, колонны 12, пилоны и далее - на фундаменты в случае применения в строительстве;

- на флор в случае применения шпангоута в конструкции корабля, судна;

- на стрингеры 8 и другие элементы силового набора в случае применения в конструкции самолета.

В случае использования шпангоута только лишь в качестве бандажного элемента либо своеобразного ребра жесткости (как, например, в резервуарах, газгольдерах, трубопроводах и т.п.), то есть без передачи реакционных сил на опорные конструкции, опорная реакция исключается из параметров силового взаимодействия.

Нагрузка, действующая на шпангоут, может иметь различное направление: радиальное, тангенциальное, совпадающее по направлению с силой тяжести и не совпадающее с ней и др. Возможно знакопеременное воздействие нагрузок, а также воздействие температурных перепадов и крутящих моментов, действующих как в плоскости, так и из плоскости шпангоута.

В случае применения в конструкции шпангоута тонкостенных элементов, в расчетах следует учитывать специфические для такого вида элементов особенности, которые в общем случае описываются теорией В.З. Власова и выкладками С.П. Тимошенко. К таким особенностям следует отнести депланацию сечений, необходимость оценки и учета влияния бимоментов, а ввиду применения гофрированных элементов и бимоментов второго порядка, согласно работам А.Н. Степаненко. Влияние бимоментов и бимоментов второго порядка на напряженно-деформированное состояние конструкции шпангоута может быть различным: догружающим/разгружающим. Представляется, что вычисленные по их значениям напряжения могут находиться в диапазоне от нескольких процентов до нескольких десятков процентов от расчетной прочности материала шпангоута. Конкретная величина определяется расчетами и зависит от геометрических параметров шпангоута и входящих в его состав элементов, условий их закрепления, а также вида нагрузок и воздействий. Для бимоментов и бимоментов второго порядка остается справедлив принцип: усилия распределяются между элементами в соответствии с отношением их погонных жесткостей. Наибольшую опасность бимоменты могут представлять для участков шпангоута, испытывающих сжатие, ввиду увеличения вероятности потери их устойчивости.

Для учета описанных выше особенностей силового сопротивления конструкции и характера ее работы рекомендуется проводить расчеты несущей способности и эксплуатационных качеств численными методами теории упругости, в частности методом конечных элементов (МКЭ).

Натурную конструкцию шпангоута, испытывающего статические либо динамические нагрузки и воздействия, следует подвергать испытаниям на расчетную нагрузку в расчетных условиях эксплуатации.

Важнейшими критериями адекватности расчетной схемы шпангоута переменной жесткости при использовании МКЭ в компьютерной реализации являются:

- подобие геометрической формы расчетной модели элементов и натурной конструкции;

- аналогия между фактическими и расчетными жесткостными характеристиками элементов, условиями их закрепления и сопряжения с другими конструкциями;

- соответствие фактических и расчетных загружений.

В расчетах рекомендуется учитывать физическую и геометрическую нелинейности работы материала и конструкции, конструктивную нелинейность, жесткостные и демпфирующие характеристики сопрягаемых элементов (стрингеров 8, прогонов, обшивки, опорных элементов и др.).

Конструктивные параметры конкретного шпангоута (сечения и материал элементов, форма профиля шпангоута и входящих в его состав элементов, параметры гофров и т.д.) обосновываются условиями эксплуатации и результатами расчетов несущей способности и эксплуатационных характеристик.

Устойчивость сжатого пояса/поясов 1 и/или 2 (в зависимости от внешнего воздействия и внешних нагрузок сжатым может быть любой из поясов 1 или 2 либо оба пояса 1 и 2) улучшается в местах его/их примыкания к гофрированным участкам стенки 3, за счет опирания на условную полосу шириной, равной высоте гофров.

Устойчивость шпангоута из плоскости обеспечивается раскреплением его элементами продольного набора в виде стрингеров 8, распорок и прогонов, сплошным настилом (например, корпус фюзеляжа или бортовая обшивка).

Шпангоут переменной жесткости может изготавливаться из металлов, сплавов, металлопластов, пластиков, деревянных элементов, композитов, а также различных комбинаций указанных материалов. Преимущественными материалами являются стали всех групп прочности, сплавы, композиты. Возможен вариант шпангоута, изготовленного из одного материала, но с различными физико-механическими характеристиками на различных участках конструкции, например бистальное решение шпангоута: пояса 1 и/или 2 выполняются из стали одной марки, а стенка 3 - из стали другой марки.

Соединение стенки 3 с поясами 1 и 2 выполняется, как правило, с помощью сварного либо клеевого соединения в зависимости от материала элементов шпангоута. В случае применения сварного соединения рекомендуется использовать непрерывные, односторонние или двусторонние сварные швы, что требует учета показателей свариваемости и условий эксплуатации.

Криволинейная форма поясов 1 и 2 придается линейным заготовкам с помощью известной технологии гибки элементов по радиусу. Гофрирование стенки 3 осуществляется с помощью технологии штамповки - прессования заготовок между двумя матрицами, прокатки на профилирующих станах, гибки профилегибочными машинами, а также комбинированием данных способов. При этом, меняя параметры гофра по его высоте (например, придание гофру формы половины усеченного конуса), заготовка стенки 3 искривляется по соответствующему радиусу, так как период гофров на внутренней стороне стенки 3 меньше периода гофров на внешней стороне (фиг.6). Наибольший экономический эффект приносит производство с максимальной степенью автоматизации. Устройство ребер жесткости, опорных ребер, раскосов и стоек существенно осложняет, а в ряде случаев нарушает полную автоматизацию производства шпангоута.

При относительно малых габаритах шпангоута и сравнительно низком уровне действующих в нем усилий от внешних нагрузок и воздействий возможно изготовление всего шпангоута с помощью штамповки листового материала, исключая или минимизируя тем самым количество соединений между элементами. Указанное изготовление представляется особенно эффективным при швеллерном контуре поперечного сечения шпангоута и использовании в качестве материала конструкции композитов, сплавов, пластиков.

Гофрированные и гладкие участки стенки 3 соединяются между собой и с поясами 1 и 2 с помощью сварки (в случае изготовления из металлов) либо на клею. Возможен вариант соединения участков стенки 3 между собой с помощью заклепок или болтов. Снижение деформативности шпангоута и повышение его несущей способности достигается за счет того, что гладкие участки увеличивают жесткость шпангоута на изгиб в его плоскости, включаясь в работу поясов 1 и 2, а гофрированные участки воспринимают значительную долю поперечных сил и усилий от крутящих моментов. В связи с этим рационально устраивать гладкие участки стенки 3 в зонах преобладания изгибающих моментов, а гофрированные участки - в зонах преобладания поперечных сил и/или крутящих моментов.

Гладкие участки стенки 3 соединяются с гофрированными участками с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров аналогично с описанным выше способом. При этом за счет возможности варьирования параметров гофров несущая способность шпангоута и его жесткость возрастают по сравнению с предыдущим вариантом компоновки при одинаковом расходе материала.

Гофрированные участки стенки 3, гладкие участки и гофрированные участки с изменяемыми параметрами гофров соединяются между собой по описанному принципу. Снижение деформативности и повышение несущей способности шпангоута достигается применением описанных участков стенки 3 в соответствии со следующим принципом:

в зонах концентрации крутящих моментов и/или эксцентричного приложения нагрузок, направленных в плоскости шпангоута, эффективно располагать гофрированные участки;

в зонах со средней интенсивностью поперечных сил и/или крутящих моментов следует располагать гофрированные участки с изменяемыми параметрами гофров;

а в зонах преобладания изгибающих моментов следует применять гладкие участки стенки 3.

Комбинация гофрированных участков и гофрированных участков с изменяемыми параметрами гофров позволяет получить увеличение жесткости и несущей способности при расположении гофрированных участков (с максимальной жесткостью вдоль гофров) в зонах интенсивных поперечных сил и/или крутящих моментов и расположении гофрированных участков с изменяемыми параметрами гофров в остальных зонах, причем с возрастанием интенсивности изгибающих моментов возрастает жесткость участка поперек гофров, т.е. увеличивается шаг гофров и/или снижается их высота.

Описанное выполнение шпангоута предполагает первоначально раздельную подготовку соответствующих участков-заготовок, их гофрирование, с последующим объединением по описанным принципам. Возможен вариант, когда стенка 3 шпангоута представляет собой листовую заготовку, в которой выполнение гофрированных участков (с изменяемыми либо неизменяемыми параметрами гофров) осуществляется, например, штамповкой без предварительной нарезки на участки.

Указанные принципы формирования конструкции шпангоута переменной жесткости позволяют получить отмеченный технический результат при наименьшем расходе материала.

Организация бандажа из напряженного троса осуществляется по двум вариантам:

1) после изготовления остальной конструкции шпангоута и до его установки в проектное положение с помощью, например, специальных устройств, применяемых при бандажировании резервуаров;

2) после установки в проектное положение и, возможно, установки поддерживаемой конструкции, например трубопровода.

В обоих вариантах осуществления устройство бандажа шпангоута повышает его несущую способность и снижает деформативность.

Описанная в настоящем изобретении конструкция шпангоута переменной жесткости предназначена для восприятия как статических, так и динамических нагрузок и воздействий и не имеет ограничений по снеговым, ветровым и сейсмическим районам.

Изобретение относится к несущим конструкциям объектов. Шпангоут переменной жесткости содержит наружный пояс, внутренний пояс и стенку. Стенка состоит из гофрированных и гладких участков, либо из гладких участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров, либо из гофрированных участков, гладких участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров, либо из гофрированных участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров. Вокруг наружного пояса и/или внутреннего пояса предусмотрен бандаж, представляющий собой один или несколько витков напряженного механическим или электромеханическим способом троса. Изобретение направлено на увеличение несущей способности. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Шпангоут переменной жесткости, содержащий наружный пояс, внутренний пояс и стенку, отличающийся тем, что стенка состоит из гофрированных и гладких участков, либо из гладких участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров, либо из гофрированных участков, гладких участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров, либо из гофрированных участков и гофрированных участков с изменяемыми геометрическими характеристиками гофров, причем вокруг наружного пояса и/или внутреннего пояса предусмотрен бандаж, представляющий собой один или несколько витков напряженного механическим или электромеханическим способом троса.

2. Шпангоут переменной жесткости по п.1, отличающийся тем, что контур поперечного сечения шпангоута по крайней мере на некоторых его участках коробчатый либо двутаврово-коробчатый, т.е. сформированный поясами и двумя стенками.

3. Шпангоут переменной жесткости по п.2, отличающийся тем, что по крайней мере часть полостей либо по крайней мере часть одной полости коробчатого поперечного сечения шпангоута заполнены бетонным раствором или веществом, увеличивающим в эксплуатационной стадии прочностные и/или теплозащитные свойства конструкции.

4. Шпангоут переменной жесткости по п.3, отличающийся тем, что профиль гофров стенки и/или пояса/поясов изменяется.

5. Шпангоут переменной жесткости по п.4, отличающийся тем, что пояса выполняются с различным поперечным сечением и/или из различного материала.

6. Шпангоут переменной жесткости по п.5, отличающийся тем, что в плоскости стенки предусмотрена постановка ребер жесткости, и/или стоек, и/или раскосов.

7. Шпангоут переменной жесткости по п.6, отличающийся тем, что в стенке и/или поясе/поясах предусмотрены технологические отверстия.

8. Шпангоут переменной жесткости по п.7, отличающийся тем, что толщина стенки переменна.

9. Шпангоут переменной жесткости по п.8, отличающийся тем, что расстояние между поясами - взаимное сближение поясов - переменно за счет изменения высоты поперечного сечения стенки.

10. Шпангоут переменной жесткости по п.9, отличающийся тем, что обе стенки коробчатого либо двутаврово-коробчатого поперечного сечения установлены клиновидно по отношению друг к другу.