МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПАНЕЛЬ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ЯЧЕИСТЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК E04B1/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к технологии изготовления легких металлических конструкций в форме панелей с ячеистым, в том числе сотовым заполнителем, и может быть использовано в области конструкций широкого назначения, работающих на изгиб и сжатие, в том числе строительных конструкций, например панелей перекрытий, стеновых панелей сооружений малоэтажного строительства, настилов и несущих конструкций мостов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Механические свойства трехслойных сотовых панелей, состоящих из двух несущих слоев и заполнителя между ними, хорошо изучены [1-2]. Для трехслойных сотовых панелей и конструкций, применяемых (в основном) в изделиях авиационной и космической техники, используют заполнитель, изготавливаемый, в зависимости от назначения, из алюминиевой, титановой, стальной фольги [1]. Заполнитель получают методом склеивания листов фольги с последующим вырезанием из них долек и их растяжкой в блок [3], либо путем гофрирования листов (долек) с дальнейшим соединением их между собой с помощью клея, пайки или сварки [1]. Заполнитель соединяют с несущими слоями с помощью пленочного клея [1], пайки [2] или путем нанесения клея на грани ячеек блока заполнителя [4].

В любом случае, соединение листов заполнителя между собой и заполнителя с несущими слоями в целом является относительно сложными технологическим процессами, требующими применения специальных соединительных составов (клеев) и технологических режимов соединения. Например, склеивание листов заполнителя осуществляют под давлением и повышенных температурах [1], используя специальные многокомпонентные клеи типа ВК-25, а клеевые полосы наносят на листы с помощью специальных рулонных машин глубокой печати [5-6].

Надежность соединения заполнителя (или выполняющих функцию заполнителя конструкционных элементов) с несущими слоями играет критически важную роль для обеспечения сопротивления прогибу панельных конструкций с несущими слоями. При этом, в случае трехслойных сотовых конструкций, данное соединение оказывается высоконагруженным, т.к. при изгибе верхний и нижний несущие слои деформируются, соответственно сжимаясь и растягиваясь, при этом сжимается и растягивается соединение заполнителя с несущими слоями. В этой связи любые типы соединений (клеевые, паяные, сварные) заполнителя с несущими слоями оказываются «слабым звеном» панели, определяющим ее надежность. Для высоконагруженных несущих панелей строительного назначения (типа панелей перекрытия) это играет определяющее область применения значение - клеевые сотовые конструкции малопригодны. Кроме того, панели строительного назначения должны не только выдерживать высокие механические нагрузки, но и характеризоваться высокой огнестойкостью. Это создает дополнительные ограничения для применения клеевых и паяных соединений в трехслойных конструкциях с сотовым заполнителем.

Распространенным решением, призванным повысить надежность и механические характеристики панелей перекрытий на основе легких металлических конструкций, является конструкция, в которой изгибающую нагрузку принимают на себя каркасные конструкции (на основе балок, швеллеров, двутавров, труб), а сжимающую - заполнитель, помещенный между образующими каркас элементами. В этом случае прочность соединения заполнителя с несущими слоями не играет большой роли, т.к. сопротивление изгибу оказывает каркас, а не несущие слои.

В патенте [7] дано описание конструкции панели без заполнителя, транспортируемой как в собранном виде, так и собираемой на месте эксплуатации. Конструкция состоит из горизонтальных несущих слоев и вертикальных ферм, соединенных друг с другом механическими элементами. Недостатком этой конструкции является сложная система элементов, соединяющих вертикальные и горизонтальные элементы, отсутствие элементов между горизонтальными поверхностями, способных сопротивляться сжатию под действием локальных нагрузок.

В заявке на изобретение [8] описана конструкция паллеты, состоящей из двух несущих слоев из листового металла и конструкционного элемента между ними, играющего роль заполнителя, выполненного в форме прямоугольных труб и соединенного с несущими слоями лазерной сваркой. В данном патенте, в отличие от предлагаемого технического решения, сопротивление прогибу обеспечивается на пролете только в одном направлении - вдоль прямоугольных труб, при этом используется высоконагруженное сварное соединение несущих слоев с заполнителем, снижающее надежность конструкции в целом.

В заявке на изобретение [9] дано описание конструкции настила мостов, состоящего из верхнего и нижнего несущего слоя и структурных элементов в форме швеллера, двутавра, профильной трубы, между которыми дополнительно установлен заполнитель из экструдированного материала (пластик, алюминий). Сопротивление прогибу на поперечном пролете обеспечивает рама из профиля, на которую монтируется собственно вышеописанный настил. В отличие от предлагаемого технического решения, данная конструкция содержит избыточные конструкционные элементы, что приводит к ее утяжелению.

В заявке на изобретение [10] представлена панель, состоящая из рамного прямоугольного каркаса, собранного из металлических труб квадратного или прямоугольного сечения, двух листов облицовки, соединенных с трубами каркаса и заполнителя (шестигранного) расположенного между облицовками. Данное решение предлагается для применения в качестве строительных элементов домов - стен, полов, потолков, крыш. В отличие от предлагаемого, данное решение не использует потенциал облицовок сопротивлению прогибу и содержит дополнительные (нагруженные) соединения (облицовок с рамным каркасом и облицовок с заполнителем), что снижает надежность конструкции в целом.

В заявке на изобретение [11] описана панель пола, содержащая продольные перфорированные балки типа двутавра или пары модифицированных швеллеров из гнутого металла, сопротивляющиеся прогибу на пролете. В отличие от предлагаемого решения, пространство между несущими профилями не заполнено заполнителем (заполнено нагревательным элементом), а в качестве элементов, сопротивляющихся поперечному прогибу, применен дополнительный гофрированный слой с гофрами, направленными поперек продольных балок. Такое решение создает дополнительное утолщение панели, утяжеляет конструкцию в целом и содержит соединения несущих элементов дополнительного гофрированного слоя с несущими элементами балок.

В заявке на изобретение [12] описана конструкция пола/перекрытия, состоящая из двух частей - собственно панели и ферменного типа балок (из двух пар сварных уголков со стержнями между ними) на которых укладывают панели. Панели состоят из трех слоев - из не несущего нагрузку слоя, из заполнителя (монтажная пена или т.п.) и несущего нагрузку слоя. Этот несущий слой выполнен в форме металлического листа с глубоким П-образным профилем и содержащего V-образные прогиби, также оказывающие дополнительное сопротивление изгибу. В данной конструкции панели несущий слой соединен с заполнителем, хотя это соединение оказывается существенно менее нагруженным по сравнению с традиционными трехслойными конструкциями (часть сдвиговой нагрузки принимают на себя вертикальные стенки П-образного профиля, образующего несущий слой).

В качестве прототипа предлагаемого решения выбрано решение, раскрытое в патенте [13], в котором описана стальная каркасная конструкция, образованная пересечением продольных и поперечных труб, при этом в продольных трубах выполнены отверстия для установки в них поперечных труб. На каркасную конструкцию устанавливают покрытие (например, из композиционного материала, в т.ч. теплоизолирующее). Покрытие усиливается, в зависимости от ожидаемых нагрузок, в т.ч. диагональными (по отношению к трубам каркаса) элементами.

Недостатком вышеописанного решения является не в полной мере использованные возможности сопротивления прогибу продольных труб каркаса (которые, при равной толщине металла, непосредственно зависят от высоты продольной трубы каркаса и ширины воспринимающей изгибающую нагрузку горизонтальной стенки поверхности продольной трубы). Это, в частности, влечет за собой повышение требований к внешнему слою конструкции (не только, например, теплоизолирующие, или противоскользящие, или иные свойства, но и сопротивление локальным сжимающим нагрузкам) и его материалоемкости (соответствующая функционалу толщина слоя) и стоимости. Кроме того, конструкция панели обладает существенно меньшим сопротивлением прогибу поперек П-образного профиля, по сравнению с предлагаемым решением. К недостаткам можно отнести и соединение поперечных и продольных элементов каркаса друг с другом гвоздями или сваркой, что приводит к дополнительным элементам, трудозатратам, уменьшению прочности и надежности элементов каркаса, что также относится и к заполняющим частям панели, которые соединяются с каркасом механически или клеем.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является разработка легкой металлической конструкции панели, пригодной для использования в качестве панели перекрытия, а также стеновых панелей, сооружений малоэтажного строительства, настилов, несущих конструкций мостов и других подобных с металлическими (сталь, алюминий и другие металлы) несущими слоями и ячеистым металлическим заполнителем (сталь, алюминий и другие металлы), без применения соединений (какого-либо типа - клея, пайки, сварки, клепки или болтов) заполнителя с несущими слоями конструкции и отдельными структурными элементами, образующими заполнитель (труба прямоугольного или квадратного сечения, образующая ячейки трубчатого заполнителя и гофрированная полоска, образующая блок гофрового заполнителя) друг с другом.

Технический результат - металлическая панель с металлическим ячеистым заполнителем, обладающая высокими прочностными характеристиками (работающая на изгиб и сжатие), низкой объемной плотностью, низкой стоимостью изготовления, высокой огнестойкостью и высокой надежностью при эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что, как и известная, предлагаемая металлическая панель с ячеистым заполнителем содержит каркас, состоящий из продольных элементов и проникающих сквозь них поперечных элементов, оказывающих сопротивление изгибу панели.

Новым является то, что продольные и поперечные элементы каркаса представлены тонкостенными прямоугольными или квадратными металлическими трубами (имеющими верхнюю и нижнюю горизонтальную стенки и вертикальные между ними), с заданными размерами сечений и толщин стенок; при этом трубы, выполняющие роль продольных элементов, - продольные трубы каркаса сопряжены в панели друг с другом вертикальными стенками, а их горизонтальные стенки образуют соответственно верхнюю и нижнюю несущие поверхности панели; трубы, выполняющие роль поперечных элементов, - поперечные трубы каркаса расположены в вырезах, выполненных в вертикальных стенках продольных труб; при этом продольные трубы каркаса зафиксированы друг с другом штифтами, установленными в поперечных трубах, при этом ячеистый металлический заполнитель расположен внутри продольных труб каркаса, причем ячейки заполнителя не соединены каким-либо образом с упомянутыми горизонтальными стенками продольных труб каркаса.

Несущие изгибающую нагрузку (сжимающаяся под нагрузкой верхняя и растягивающаяся - нижняя поверхности) горизонтальные стенки продольных труб каркаса расположены встык друг с другом, таким образом, что между ними отсутствуют щели, т.е. отдельные продольные трубы каркаса плотно прижаты друг к другу, таким образом, что все вместе они образуют верхний несущий слой панели, работающий на сжатие, а нижние - нижний несущий слой панели, работающий на растяжение, а вертикальные стенки продольных труб каркаса работают на сдвиг и сжатие.

От отделения продольных труб каркаса друг от друга предохраняют штифты, установленные в поперечных трубах каркаса.

При этом в вертикальных стенках продольных труб каркаса выполнены вырезы двух типов: одни для снижения массы конструкции и другие - для установки в них поперечных труб каркаса.

При этом заполнитель размещается внутри продольных труб каркаса, в промежутках между поперечными трубами каркаса.

При этом заполнитель может состоять из отдельных вертикально стоящих отрезков труб прямоугольного, квадратного или круглого сечения.

При этом заполнитель может состоять из прямоугольных блоков, образованных из отдельных гофрированных металлических полосок из листового металла, образующих в собранном виде ячейки шестигранной, прямоугольной или иной формы.

При этом фиксированное положение ячеек заполнителя обеспечивается для упомянутого блока - контактом с внутренними поверхностями (вертикальных и горизонтальных) стенок продольных труб, а для заполнителя с ячейками из отрезков отдельных труб - обеспечивается штырями из проволоки, проходящими параллельно горизонтальным стенкам продольных труб каркаса через отверстия, выполненные в вертикальных стенках продольных труб каркаса.

При этом количество ячеек структурного заполнителя на единицу несущей поверхности продольной трубы каркаса вычисляется путем расчета на заданную прочность панели по отношению к сжимающим нагрузкам.

Кроме того, ячейки заполнителя могут быть заполнены материалом с низкой теплопроводностью.

Дополнительно, несущие (верхняя и, при необходимости - нижняя) поверхности горизонтальных стенок продольных труб каркаса могут быть покрыты декоративным или функциональным полимерным, резиновым, деревянным или иным покрытием с заданными свойствами.

Дополнительно поверхности продольных и поперечных труб каркаса и заполнителя, в случае если они изготовлены из подверженного коррозии металла, например, из углеродистой и низколегированной стали, могут быть покрыты антикоррозионным покрытием, либо продольные и/или поперечные трубы каркаса и заполнитель могут быть выполнены из оцинкованной стали.

Как и в патенте [13], каркас образован взаимопроникающими (продольными и поперечными) трубами (поперечные трубы являются проникающими элементами по патенту [13]), однако в предлагаемом изобретении продольные трубы каркаса расположены встык друг с другом, образуя таким образом из горизонтальных (верхней и нижней) стенок труб несущие (верхнюю и нижнюю) поверхности панели без зазоров, а заполнитель размещается внутри продольных труб каркаса. Это обеспечивает значительно большее сопротивление панели прогибу по сравнению с известным, т.к. увеличивает изгибную жесткость панели.

Еще одним отличием предлагаемого изобретения от прототипа является то, что продольные и поперечные элементы, образующие каркас, соединены друг с другом зажимными штифтами, в решении же по прототипу предусмотрено соединение элементов каркаса друг с другом гвоздями или сваркой, что приводит к дополнительным элементам, трудозатратам, уменьшению прочности и надежности элементов каркаса.

По патенту [13] заполняющие части панели соединяются с каркасом механически или клеем, тогда как в настоящем изобретении соединение отсутствует. Так же, как и в патенте [13], в предлагаемом изобретении заполнитель находится по обе стороны от поперечной трубы каркаса («сквозной детали» по терминологии патента [13]), однако, в настоящем изобретении всю область между вертикальными стенками продольных и поперечных труб каркаса предлагается наполнить (трубчатым или гофровым) заполнителем полностью, тогда как в патенте [13] полное заполнение усиливающими элементами не является обязательным (определяется нагрузкой).

В отличие от патента [13], в котором предлагается использование крестообразных усилителей, в настоящем изобретении предлагается использовать заполнитель гофровой или трубчатой формы (работающий на сжатие).

Причем в настоящем изобретении заполнитель устанавливается между нижней и верхней поверхностями труб каркаса «внатяг» и не соединен с ними ни сваркой, ни болтами, ни заклепками, тогда как в патенте [13] диагональные усиливающие элементы соединены с элементами каркаса сваркой или винтовым соединением.

Поставленная задача изобретения решается также тем, что способ изготовления вышеописанной панели заключается в установке в предварительно заполненные ячеистым заполнителем заданное количество продольных труб каркаса поперечных труб каркаса, которые устанавливают в вырезы, предварительно выполненные в вертикальных стенках продольных труб, при этом используют тонкостенные металлические трубы прямоугольного или квадратного сечения двух типоразмеров, одни трубы большего сечения используют как продольные трубы каркаса, вторые - меньшего сечения используют как поперечные трубы каркаса, при этом положение продольных труб каркаса относительно поперечных труб каркаса фиксируется штифтом, установленным в специальные отверстия, выполненные в поперечных трубах каркаса (по два штифта на каждую поперечную трубу, по одному с каждой стороны поперечной трубы).

При этом заданное количество поперечных труб определяется исходя из прочностных требований к панели, максимальное количество поперечных труб равно количеству вырезов в вертикальных стенках продольных труб каркаса, а минимальное количество поперечных труб равно двум.

При этом количество вырезов в вертикальных стенках продольных труб каркаса и размер этих вырезов вычисляется исходя из требуемой сдвиговой жесткости панели - чем больше площадь вырезов, тем меньше приведенный модуль сдвига и, соответственно, тем больше вклад в прогиб за счет сдвига несущих поверхностей друг относительно друга, возникающий при изгибе. Минимальное количество вырезов и минимальная площадь (размеры) каждого выреза равно количеству поперечных труб каркаса и их площади (размерам сечения) соответственно.

При этом установка гофрового и/или трубчатого заполнителя в продольные трубы каркаса выполняется с помощью специальных приспособлений, обеспечивающих перемещение элементов заполнителя (гофровых полосок или ячеек трубчатого заполнителя) внутри труб.

Установка гофрового заполнителя в виде блоков из гофрированных полосок в продольные трубы каркаса выполняется перемещением гофрированной полоски в точку установки через открытый конец продольной трубы каркаса с последующим выравниванием гофрированных полосок перпендикулярно несущим (верхней и нижней) поверхностям продольной трубы каркаса.

Установка трубчатого заполнителя в виде блоков из отдельных отрезков труб, например, квадратного сечения выполняется перемещением труб квадратного сечения в точку установки через открытый конец продольной трубы, при этом нижняя и верхняя горизонтальные стенки продольной трубы каркаса раздвигаются путем незначительной деформации сечения продольной трубы каркаса в зоне размещения трубы квадратного сечения. После установки в заданное положение напряжение, раздвигающее горизонтальные стенки продольной трубы, сбрасывается и труба квадратного сечения зажимается между нижней и верхней горизонтальными стенками продольной трубы каркаса.

При этом продольные и поперечные трубы каркаса выполняют из листового металла соединением электросварным или лазерным способом.

При этом трубы квадратного сечения трубчатого заполнителя могут быть не замкнутыми, а блоки гофрового заполнителя могут состоять из не соединенных друг с другом отдельных гофрированных металлических полосок, образующих при сборке в блок множество прямоугольных, квадратных или шестигранных ячеек.

Величина прогиба панели состоит из двух компонент [2], определяемых соответственно осевым моментом инерции и сдвиговой жесткостью продольных труб каркаса панели. Модуль сдвига продольной трубы остается очень высоким даже после выполнения вырезов в вертикальных стенках продольных труб каркаса, поэтому сдвиговой вклад в прогиб панели не превышает 10% от вклада в прогиб, обусловленный моментом инерции. Высота продольных труб каркаса, толщина металла определяются таким образом, чтобы обеспечивать необходимую величину прогиба продольной трубы при заданных величинах нагрузки.

При оценке прогиба на пролете вдоль поперечных труб каркаса необходимо учитывать, что сопротивление прогибу оказывают не только поперечные трубы, но и продольные трубы каркаса. Поэтому фактический поперечный прогиб на пролете вдоль поперечных труб каркаса оказывается меньше расчетного для поперечных труб.

Сопротивление заполнителя сжатию [2] определяется толщиной металла (заполнителя и вертикальных стенок труб продольных каркаса) и количеством ячеек заполнителя на единицу площади панели (размером ячейки).

Крутильные деформации панели приводят к смещению и наклону друг относительно друга несущих (верхней и нижней) горизонтальных стенок продольных труб каркаса. Параллельность несущих поверхностей (горизонтальных стенок) соседних продольных труб каркаса обеспечивается поперечными трубами каркаса, продетыми без зазора (с минимальным зазором) в продольные трубы каркаса.

Для придания поверхности панели необходимого, в зависимости от назначения, «чистового» качества (плоскостности, фрикционных свойств) могут быть использованы дополнительные покрытия несущих слоев: полимерные, тонкий (гладкий или рифленый) листовой металл, фанера или шпон, резиновые покрытия и т.д.

Для повышения теплоизоляционных свойств ячейки заполнителя могут быть заполнены теплоизолирующим материалом, например, минеральной ватой или т.п.

Дополнительным преимуществом описанной в настоящем изобретении панели является возможность ее сборки вручную непосредственно в месте монтажа, с применением несложной (доступной) оснастки, например, при сборке временных переправ в полевых условиях.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение раскрыто далее по тексту более подробно с привлечением графических материалов на фиг.1-19, на которых представлены:

фиг. 1 - Панель с покрытием и гофровым заполнителем

фиг. 2 - Панель без покрытия и трубчатым заполнителем

фиг. 3 - Панель без покрытия (вид сверху)

фиг. 4 - Панель без покрытия и c трубчатым заполнителем (вид сбоку)

фиг. 5 - Панель без покрытия и гофровым заполнителем (вид сбоку)

фиг. 6 - Труба поперечная с зажимным штифтом

фиг. 7 - Труба продольная с гофровым заполнителем

фиг. 8 - Сборка блоков гофрового заполнителя внутри трубы продольной каркаса

фиг. 9 - Труба продольная с трубчатым заполнителем

фиг. 10 - Сборка блоков трубчатого заполнителя внутри трубы продольной каркаса

фиг. 11 - Сборка блоков гофрового заполнителя внутри трубы продольной каркаса в зоне поперечной трубы

фиг. 12 - Сборка блоков трубчатого заполнителя внутри трубы продольной в зоне поперечной трубы каркаса

фиг. 13 - Блок трубчатого заполнителя в зоне между несущими (верхней и нижней) поверхностями продольной трубы каркаса

фиг. 14 - Штырь, фиксирующий положение труб квадратного сечения в сборке блока трубчатого заполнителя

фиг. 15 - Блок трубчатого заполнителя в зоне трубы поперечной

фиг. 16 - Блок гофрового заполнителя с 6-гранной формой ячейки

фиг. 17 - Блок гофрового заполнителя с прямоугольной формой ячейки

фиг. 18 - Труба квадратного сечения, образующая ячейку трубчатого заполнителя в зоне между несущими (верхней и нижней) поверхностью трубы продольной каркаса

фиг. 19 - Труба квадратного сечения, образующая ячейку трубчатого заполнителя в зоне трубы поперечной.

На рисунках обозначены: 1 - труба продольная; 2 - труба поперечная; 3 - структурный (трубчатый или гофровый) заполнитель; 4 - штифт зажимной; 5 - вертикальная стенка трубы продольной; 6 - вырезы в вертикальной стенке трубы продольной каркаса; 7 - верхняя горизонтальная стенка трубы продольной каркаса; 8 - нижняя горизонтальная стенка трубы продольной каркаса; 9 - отверстия в вертикальных стенках трубы продольной под штыри для фиксации ячеек, образованных отрезками труб квадратного сечения (трубчатый заполнитель); 10 - штырь фиксирующий положение труб квадратного сечения, образующих ячейки блока трубчатого заполнителя, 11 - блок трубчатого заполнителя в зоне между несущими (верхней и нижней) горизонтальными стенками продольной трубы каркаса, 12 - блок трубчатого заполнителя в зоне трубы поперечной; 13 - труба квадратного сечения, образующая ячейку трубчатого заполнителя в зоне между несущими (верхней и нижней) поверхностями (горизонтальными стенками) продольной трубы каркаса; 14 - отверстия для штыря фиксирующего положение ячеек в блоке трубчатого заполнителя, 15 - канавки под кольца ограничительные; 16 - кольца ограничительные, 17 - отрезок трубы квадратного сечения, образующий ячейки трубчатого заполнителя в зоне трубы поперечной; 18 - блок гофрового заполнителя в зоне между верхней и нижней горизонтальными стенками трубы продольной; 19 - блок гофрового заполнителя в зоне трубы поперечной каркаса; 20 - гофрированная полоска образующая блок гофрового заполнителя с шестигранной формой ячейки; 21 - гофрированная полоска, образующая блок гофрового заполнителя с прямоугольной формой ячейки; 22 - покрытие.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемая металлическая панель с металлическим ячеистым заполнителем (фиг. 1-5) содержит каркас, выполненный из тонкостенных металлических труб прямоугольного сечения: продольных труб 1 и поперечных труб 2 и ячеистого заполнителя (гофрового или трубчатого) 3, размещенного внутри продольных труб 1, при этом каждая поперечная труба снабжена зажимным штифтом 4, предназначенным для фиксации сопряженных друг с другом вертикальными стенками 5 продольных труб 1 для образования каркаса, при этом поперечные трубы 2 расположены в вырезах 6, выполненных в вертикальных стенках 5 продольных труб 1, имеющих верхнюю горизонтальную стенку 7 и нижнюю горизонтальную стенку 8. В вертикальных стенках 5 продольных труб 1 как с гофровым заполнителем (фиг. 7), так и с трубчатым заполнителем (фиг. 9), выполнены вырезы 6 с сечением, равным сечению поперечных труб 2. В вертикальных стенках 5 продольных труб с трубчатым заполнителем (фиг. 9) выполнены дополнительно отверстия 9 под штыри 10 для фиксации трубчатого заполнителя.

Сборка блоков трубчатого заполнителя внутри продольной трубы 1 каркаса представлена на фиг. 10 и фиг. 12. Сборка состоит (фиг. 12) из двух типов: блоков 11 первого типа трубчатого заполнителя для размещения в зоне между несущими (верхней и нижней) поверхностями 7 и 8 и соседними поперечными трубами каркаса либо крайней трубой каркаса и ближайшей торцевой поверхностью панели и блоков 12 для размещения трубчатого заполнителя в зоне трубы поперечной каркаса (по два блока в каждой зоне поперечной трубы между ближайшими параллельными поверхностями поперечной трубы и несущей поверхности продольной трубы).

Блок 11 трубчатого заполнителя в зоне между несущими (верхней и нижней) поверхностями трубы продольной каркаса собирают (фиг. 13) из отдельных труб квадратного сечения (фиг. 18) непосредственно в трубе продольной каркаса. Положение труб квадратного сечения 13 внутри трубы продольной каркаса фиксируют с помощью штыря 10 (фиг. 15) продеваемого насквозь через отверстия 14 (фиг. 18 и 19). На поверхности штыря 10 выполнены (Фиг. 14) канавки 15 под кольца ограничительные 16, которые исключают перемещение труб квадратного сечения 13 вдоль штыря 10. Перемещение штыря 10, продеваемого сквозь отверстия 9 в вертикальных стенках трубы продольной под штыри 10 для фиксации трубчатого заполнителя исключается также кольцами ограничительными 16, устанавливаемыми вблизи торцов штыря 10. Блок 12 трубчатого заполнителя, предназначенный для размещения в зоне трубы поперечной 2 каркаса собирают (Фиг. 15) из отдельных труб квадратного сечения (Фиг. 19) непосредственно в трубе продольной 1 каркаса. Положение труб квадратного сечения 17 внутри трубы продольной 1 каркаса фиксируют также с помощью штыря 10 продеваемого насквозь через отверстия 14. В отличие от трубчатого заполнителя, размещаемого между горизонтальными стенками 7 и 8 (т.е. в пространстве трубы продольной, свободном от поперечных труб) в зоне труб поперечных трубчатый заполнитель имеет меньшую высоту и его положение относительно вертикальных стенок труб продольных фиксируется одним (а не двумя) штырем 10. Кроме того, в зоне трубы поперечной заполнитель размещается как в зоне между верхней горизонтальной стенкой продольной трубы и поперечной трубой (над поперечной трубой), так и между нижней горизонтальной стенкой продольной трубы и поперечной трубой (под поперечной трубой).

Перемещение труб квадратного сечения 17 вдоль штыря 10 относительно вертикальных стенок трубы продольной также исключается кольцами ограничительными 16.

Сборка блоков гофрового заполнителя внутри продольной трубы каркаса представлена на фиг. 8 и фиг. 11. Сборка состоит (Фиг. 11) из блоков 18 гофрового заполнителя в зоне между несущими (верхней и нижней) горизонтальными стенками трубы продольной каркаса и блоков 19 гофрового заполнителя в зоне трубы поперечной каркаса.

Блок 18 гофрового заполнителя в зоне между несущими (верхней и нижней) горизонтальными стенками трубы продольной каркаса собирают (Фиг. 16) из отдельных гофрированных полосок 20 непосредственно в трубе продольной каркаса. Перемещение блоков 18 внутри трубы продольной каркаса исключается вертикальными стенками продольных труб и поперечными трубами каркаса.

Блок 19 гофрового заполнителя в зоне поперечных труб каркаса собирают (Фиг. 17) из отдельных гофрированных полосок 21 непосредственно в трубе продольной каркаса. Перемещение блоков 19 внутри трубы продольной каркаса исключается вертикальными стенками продольных труб, несущими (верхними и нижними) горизонтальными стенками продольных труб, стенками поперечных труб и блоками 18 гофрового заполнителя в зоне между несущими (верхней и нижней) горизонтальными стенками трубы продольной каркаса.

Продольные трубы 1 каркаса с установленным в них гофровым или трубчатым заполнителем соединяют поперечными трубами 2 каркаса (Фиг. 6), устанавливая их в вырезы 6 в вертикальных стенках 5 продольных труб каркаса. Соединение продольных труб каркаса фиксируют штифтами зажимными 4, вставленными в отверстия в поперечных трубах каркаса 2. Перед установкой штифтов 4 сборку продольных труб каркаса сжимают струбцинами или иным доступным способом.

Для придания поверхности панели необходимого, в зависимости от назначения, «чистового» качества (плоскостности, фрикционных свойств) могут быть использованы дополнительные покрытия 22 (Фиг. 1): полимерные, тонкий (гладкий или рифленый) листовой металл, фанера или шпон, резиновые покрытия и т.д.

Панель со структурным заполнителем, применяемая как панель перекрытия, функционирует следующим образом. Под действием изгибающей нагрузки верхняя и нижняя горизонтальные стенки продольных труб каркаса соответственно сжимаются и растягиваются. При этом на величину прогиба влияет не только модуль упругости материала продольных труб каркаса, но и осевой момент инерции сечения продольных труб каркаса. Кроме того, на величину прогиба также влияет сдвиг верхней и нижней горизонтальных стенок продольных труб каркаса, которому сопротивляются в основном - вертикальные стенки продольных труб каркаса. Также под действием нагрузки нижняя и верхняя горизонтальные стенки продольных труб каркаса стремятся приблизиться друг к другу (потерять устойчивость при сжатии), уменьшая тем самым осевой момент инерции и тем самым увеличивая вклад в прогиб. Сопротивление сжатию оказывает заполнитель, расположенный внутри продольных труб каркаса.

Настоящее изобретение реализовано на примере изготовления панели перекрытия с заполнителем в форме квадратной трубы сечением 60×60 мм из холонокатаной стали (Ст08пс) толщиной 0,7 мм. Каркас образован 5-ю продольными и 5-ю поперечными трубами. Продольные трубы каркаса длиной 5220 мм высотой 170 и шириной 300 мм сварены из горячекатаной стали (Ст1пс) толщиной 1,7 мм. Поперечные трубы каркаса длиной 1540 мм высотой 80 и шириной 40 мм сварены из г/к стали толщиной 1,5 мм. В вертикальных стенках продольных труб каркаса симметрично срединной линии трубы выполнены вырезы высотой 80 и шириной 40 мм с шагом 80 мм (между центрами соседних вырезов). Ячейки заполнителя зафиксированы парой стальных штырей диаметром 3 мм.

Изготавливают панель следующим образом. Для изготовления продольных 1 и поперечных труб 2 каркаса используют электросварные трубы длиной 5220 мм, высотой 170 мм, шириной 300 мм, толщиной стенки 1,7 мм (продольные трубы) и длиной 1540 мм, высотой 80 мм, шириной 40 мм, толщиной стенки 1,5 мм (поперечные трубы) из г/к стали. В каждой из пяти продольных труб в вертикальных стенках 5 плазменным способом выполняют вырезы 6 размером 80×40 мм с шагом 80 мм по всей длине труб. В нижней части вертикальных стенок трубы плазменным резаком выполняют отверстия 9 диаметром 3,1 мм для фиксации заполнителя поперечными штырями 4.

Каждую продольную трубу «заряжали» ячейками заполнителя, изготовленными из электросварных квадратных труб длиной 166,6 мм, сечением 60×60 мм, толщиной стенки 0,7 мм, располагая их вдоль длинной стороны продольной трубы с шагом 120 мм друг относительно друга, а вдоль короткой стороны продольной трубы так, чтобы расстояние между стенками соседних ячеек и вертикальными стенками продольных труб каркаса составляло 60 мм. Всего в одной продольной трубе каркаса длиной 5220, высотой 170 мм, шириной 300 мм, толщиной стенки 1,7 мм с 5-ю вырезами для установки поперечных труб каркаса устанавливают 86 ячеек заполнителя в форме квадратных труб 11 высотой 166,6 мм, сечением 60×60 мм, толщиной стенки 0,7 мм и 20 ячеек заполнителя в форме квадратных труб 12, длиной 43,3 мм, сечением 60×60 мм, толщиной стенки 0,7 мм. В стенках труб заполнителя выполняют 2 пары отверстий диаметром 3,1 мм для фиксации положения ячейки внутри продольной трубы каркаса штырями 10. Сквозь вырезы 6 в вертикальных стенках 5 продольных труб 1 каркаса продевают штыри 10, фиксирующие ячейки в заданном положении внутри продольной трубы каркаса. После установки фиксирующих штырей 10, в канавки 15 на штырях устанавливают кольца ограничительные 16.

После установки в продольные трубы 1 каркаса заполнителя 11, в вырезы 6 в вертикальных стенках продольных труб вставляют поочередно 5 поперечных труб 2 каркаса. Сборку каркаса сжимают струбцинами и с каждой стороны панели в отверстия в поперечных трубах каркаса (в вертикальных стенках поперечных труб, центр отверстия на расстоянии 15 мм от торцевой поверхности поперечных труб и посредине горизонтальных стенок поперечных труб) вставляют штифты 4 длиной 60 и диаметром 10 мм. После чего струбцины разжимают и снимают.

Максимальный прогиб панели с ячеистым заполнителем размером 5,22×1,5 м при сосредоточенной нагрузке 3,5 т приложенной посредине шарнирно закрепленной по коротким сторонам панели составляет 13 мм. Прочность при сжатии панели составила 40 т/кв.м. Масса панели с заполнителем составила 410 кг.

Источники информации

1. Панин В.Ф., Гладков Ю.А. Конструкции с заполнителем: Справочник. - М.: Машиностроение, 1991. - 272 с.

2. Расчет трехслойных конструкций: Справочник / В.Н. Кобелев, Л.М. Коварский, С.И. Тимофеев - М.: Машиностроение - 1984 - 304 с.

3. ГОСТ 1 00728-75 Заполнители сотовые клееные. Технические условия.

4. А.П. Щудро, М.Г. Добрушина, А.С. Кулик Сверхлегкие панели солнечных батарей // Космическая техника. Ракетное вооружение. 2015. Вып. 2 (109) - с. 46-55.

5. В.В. Пергат, В.И. Сливинский, Г.В. Борщев, В.М. Макеев, С.В. Котляров, Е.М. Песошников, С.Л. Шульдинер, И.В. Хазанов. Машина для изготовления сотопакетов. Авторское свидетельство 977198 приоритет от 30.11.82

6. В.А. Мурзинов. Способ изготовления сотового заполнителя. Авторское свидетельство №1142304, заявл. от 24.03.83.

7. P.T. Day, JR, Building construction system and components therefor. Патент US 3,344,571 - 03.10.1967.

8. Tsuzuki Takayuki, Iharaki Mikinari Metal pallet and production of metal pallet. Патентная заявка JPH 09285885 (A) - 1997.11.04 - Mitsubishi Heavy Ind Ltd.

9. Kennedy S J Bridge deck panels and production method, and bridge including deck panels. Патентная заявка CN 1478168 (A) - 2004.02.25 - Intelligent Engineering Ltd Bs.

10. Matsuda Taeko Prefabricated houses. Патентная заявка на изобретение JPS 51116011 (A) - 1976.10.13 - Nippon Steel Corp; Takenaka Komuten Co.

11. Collins Arlan, Woerman Mark Floor and ceiling panel for use in buildings. Патентная заявка KR 20170083027 (A) - 2017.07.17 - Innovative Building Tech Llc [US].

12. Record Grant C Frameless building system. Патентная заявка US 2003033769 (A1) - 2003.02.20 - Leading Edge Earth Products, Inc.

13. Xu Gang, Dou Xiaolin High - efficient lightweight steel construction. Патент CN 204781313 (U) приоритет 2015-11-18, Beijing Dayun Longteng Technology Co Ltd.

Изобретение относится к способам изготовления легких металлических панелей с ячеистым заполнителем и может быть использовано в области конструкций широкого назначения, работающих на изгиб и сжатие, например строительных конструкций, в том числе панелей перекрытий, стеновых панелей сооружений малоэтажного строительства, настилов и несущих конструкций мостов. Изобретение представляет очень простое, дешевое и эффективное решение для изготовления, в том числе в полевых условиях, строительных конструкций в форме панелей с ячеистым заполнителем, без применения технологий склеивания, пайки, сварки, болтовых, винтовых или заклепочных соединений. Панель и способ ее изготовления обеспечивают минимальную материалоемкость, высокую технологичность, позволяя получать панельного типа конструкции, характеризующиеся высокой жесткостью при работе на изгиб и прочностью при сжатии, обладающие низкой объемной плотностью. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Металлическая панель с металлическим ячеистым заполнителем, содержащая каркас, выполненный из продольных элементов и проникающих сквозь них поперечных элементов, отличающаяся тем, что в качестве продольных и поперечных элементов использованы тонкостенные металлические трубы прямоугольного или квадратного сечения, имеющие верхнюю и нижнюю горизонтальные стенки и вертикальные стенки между ними; при этом трубы, выполняющие роль продольных элементов - продольные трубы каркаса, сопряжены в панели друг с другом вертикальными стенками, а их горизонтальные стенки образуют соответственно верхнюю и нижнюю несущие поверхности панели; трубы, выполняющие роль поперечных элементов - поперечные трубы каркаса, расположены в вырезах, выполненных в вертикальных стенках продольных труб, при этом продольные трубы каркаса зафиксированы друг с другом штифтами, установленными в поперечных трубах, при этом внутри продольных труб каркаса расположен ячеистый металлический заполнитель, причем ячейки заполнителя не соединены с упомянутыми горизонтальными стенками продольных труб каркаса.

2. Металлическая панель по п. 1, отличающаяся тем, что ячеистый заполнитель выполнен из прямоугольных блоков, образованных из отдельных металлических полосок из листового металла, гофрированных в зависимости от заданной формы ячейки, например, шестигранной, таким образом, чтобы каждая цельная ячейка была образована сопряжением двух гофрированных полосок, при этом соседние полоски не обязательно должны быть соединены друг с другом.

3. Металлическая панель по п. 1, отличающаяся тем, что ячеистый заполнитель выполнен из отдельных вертикально стоящих отрезков металлических труб прямоугольного, квадратного или круглого сечения, высота которых равна внутренней высоте вертикальной стенки продольных труб каркаса, при этом положение ячейки относительно внутренних поверхностей горизонтальных стенок продольной трубы фиксируется штырями, устанавливаемыми в вертикальные стенки продольных труб каркаса, при этом ячейка может иметь форму незамкнутого профиля.

4. Металлическая панель по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что ячеистый заполнитель размещен внутри продольных труб каркаса в промежутках между поперечными трубами каркаса.

5. Металлическая панель по п. 1, отличающаяся тем, что ячейки заполнителя дополнительно заполнены материалом с низкой теплопроводностью.

6. Металлическая панель по п. 1, отличающаяся тем, что в вертикальных стенках продольных труб каркаса дополнительно выполнены вырезы для снижения массы конструкции.

7. Металлическая панель по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно несущие поверхности одной и/или обеих сторон панели покрыты декоративным или функциональным полимерным, резиновым или деревянным покрытием с заданными свойствами.

8. Способ изготовления металлической панели с металлическим ячеистым заполнителем по пп. 1-7, характеризующийся тем, что сначала для формирования каркаса панели из продольных элементов и проникающих сквозь них поперечных элементов выбирают тонкостенные металлические трубы прямоугольного или квадратного сечения двух типоразмеров, при этом одни трубы большего сечения - продольные трубы используют как продольные элементы каркаса, вторые меньшего сечения - поперечные трубы каркаса используют как поперечные элементы каркаса, при этом в вертикальных стенках продольных труб выполняют множество вырезов, имеющих размер, соответствующий размеру поперечной трубы каркаса, и внутри продольной трубы осуществляют монтаж блоков ячеистого заполнителя, а затем заданное количество продольных труб соединяют друг с другом при помощи поперечных труб, заданное количество которых размещают в упомянутых вырезах продольных труб между блоками ячеистого заполнителя, и окончательно для формирования панели продольные трубы каркаса сжимают друг с другом и фиксируют в таком положении штифтами, которые устанавливают в отверстия, выполненные в поперечных трубах каркаса.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что монтаж блока ячеистого заполнителя внутри продольной трубы, образующей продольный элемент панели, осуществляют путем размещения между горизонтальными стенками трубы множества отдельных отрезков труб прямоугольного, квадратного или круглого сечения, исключая при этом какие-либо нагруженные соединения ячеек заполнителя с поверхностями трубы, образующими несущие поверхности панели, а также друг с другом.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что фиксированное положение ячеек заполнителя для блока с ячейками из отрезков отдельных труб обеспечивают штырями из проволоки, которые пропускают параллельно горизонтальным стенкам продольных труб каркаса через отверстия, выполненные в вертикальных стенках продольных труб каркаса.

11. Способ по п. 8, отличающийся тем, что монтаж блока ячеистого заполнителя внутри продольной трубы, образующей продольный элемент панели, осуществляют путем размещения множества предварительно гофрированных металлических полосок между горизонтальными верхними и нижними стенками трубы, таким образом, чтобы каждая цельная ячейка была образована сопряжением двух гофрированных полосок, при этом соседние полоски не обязательно соединяют друг с другом.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что полоски гофрируют или изгибают таким образом, чтобы при сопряжении друг с другом они образовывали ячейку заданной формы, например, шестигранной.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что фиксированное положение ячеек заполнителя для блока из гофрированных металлических полосок обеспечивают контактом с внутренними поверхностями вертикальных и горизонтальных стенок продольных труб каркаса.

14. Способ по п. 8, отличающийся тем, что количество ячеек заполнителя на единицу несущей поверхности продольной трубы каркаса вычисляют путем расчета на заданную прочность панели по отношению к сжимающим нагрузкам.

15. Способ по п. 8, отличающийся тем, что дополнительно ячейки заполнителя заполняют материалом с низкой теплопроводностью.

16. Способ по п. 8, отличающийся тем, что дополнительно несущие, верхнюю и при необходимости нижнюю, поверхности продольных труб каркаса покрывают декоративным или функциональным полимерным, резиновым или деревянным покрытием с заданными свойствами.

17. Способ по п. 8, отличающийся тем, что дополнительно поверхности продольных и поперечных труб каркаса и заполнителя, в случае, если они изготовлены из подверженного коррозии металла, например из углеродистой и низколегированной стали, либо покрывают антикоррозионным покрытием, либо продольные и/или поперечные трубы каркаса и заполнитель выполняют из оцинкованной стали.

18. Способ по п. 8, отличающийся тем, что продольные и поперечные трубы каркаса выполняют из листового металла соединением электросварным или лазерным способом.

19. Способ по п. 8, отличающийся тем, что панель из продольных и поперечных труб каркаса собирают вручную непосредственно в месте ее монтажа.