RU2232125C2 - Beam - Google Patents

Abstract

FIELD: metal structures, particularly girders, or track-supporting structures, specially adapted for cranes.

SUBSTANCE: rolled-steel beam comprises wall and two belts. Beam is formed of four members. Two profiled members are dissymmetrical to each other relative y and x axes. Each profiled member comprises vertical wall, which smoothly passes into horizontal bends along arc radius from top and bottom thereof and then passes into horizontal bends. Tubular member is made as a tube quarter. Walls of symmetric profiled members are connected one to another by hollow rivets with cores inserted into rivets. Bends are connected one to another from top and bottom by tier members of sheet material which in turn are fastened by hollow rivets with cores inserted into rivets. Tube quarters form trays closed from top and bottom by tier members.

EFFECT: reduced material consumption.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к металлическим конструкциям.The present invention relates to metal structures.

Известны двутавровые прокатные балки [1, с.260]. Недостаток этого технического решения - значительная материалоемкость. Известна балка, содержащая два зеркально расположенных профильных элемента, соединенных сверху и снизу затяжками из листа и имеющими вертикально ориентированные стенки [ЕР 0293789 А1, 12.07.1988, фиг.4,5]. Примем это решение за аналог.Known I-beam rolling beams [1, p. 260]. The disadvantage of this technical solution is significant material consumption. Known beam containing two mirror-mounted profile elements connected from above and below by puffs from a sheet and having vertically oriented walls [EP 0293789 A1, 07/12/1988, Fig. 4,5]. We will take this decision as an analog.

Технический результат изобретения - снижение материалоемкости балки.The technical result of the invention is the reduction of material consumption of the beam.

Технический результат достигнут тем, что балка содержит два зеркально расположенных профильных элемента, соединенных сверху и снизу затяжками из листов и имеющих вертикально ориентированные стенки.The technical result is achieved in that the beam contains two mirror-mounted profile elements connected from above and below by puffs of sheets and having vertically oriented walls.

Отличие состоит в том, что каждый из профильных элементов выполнен с профилями, в которые плавно по кривой сверху и снизу переходит вертикально ориентированная стенка этого элемента, выполненными в виде четвертей трубы каждый.The difference is that each of the profile elements is made with profiles, into which the vertically oriented wall of this element smoothly along the curve from above and from below is made in the form of pipe quarters each.

Упомянутые профили профильных элементов в виде четвертей труб переходят в горизонтальные отгибы и в зонах выполнения их в виде четвертей труб образуют форму лотков, замкнутых сверху и снизу затяжками из листов, соединенными с горизонтальными отгибами полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником. Стенки профильных элементов соединены друг с другом также полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником.The mentioned profiles of profile elements in the form of quarters of pipes go into horizontal bends and in the areas of their execution in the form of quarters of pipes form the shape of trays, closed from above and below by puffs of sheets connected to horizontal bends by hollow rivets with a core embedded in each. The walls of the profile elements are also connected to each other by hollow rivets with a core embedded in each.

Площадь сечения двух соединенных стенок составляет 38%, двух лотков - 15%, а четырех горизонтальных отгибов и двух затяжек - 47% от всей площади сечения балки.The cross-sectional area of two connected walls is 38%, two trays - 15%, and four horizontal bends and two puffs - 47% of the entire cross-sectional area of the beam.

Сопоставление с аналогом показывает существующие отличия разработанного профиля:Comparison with the analogue shows the existing differences of the developed profile:

- зеркальные профильные элементы симметричны относительно осей x и y, прокатаны на прокатном стане и имеют плавные по кривой переходы от стенки к четвертям трубы и затем к горизонтальным отгибам;- mirror profile elements are symmetrical about the x and y axes, rolled on a rolling mill and have smooth transitions from the wall to the quarters of the pipe and then to the horizontal bends;

- эффективные коэффициенты концентрации напряжений сведены к минимуму, то есть близки к единице, и поэтому выносливость зеркальных профильных элементов наивысшая [3];- effective stress concentration factors are minimized, that is, close to unity, and therefore the endurance of mirror profile elements is highest [3];

- соединения зеркальных профильных элементов друг с другом и с затяжками выполнены посредством полых заклепок с внедренным в каждую сердечником [4];- the connection of the mirror profile elements with each other and with puffs is made by means of hollow rivets with a core embedded in each [4];

- трудоемкость изготовления сведена к минимуму, так как сечение балки состоит из прокатных элементов, и их соединяют автоматизированно на поточной линии с использованием пиротехнических установок, выполняющих пробитие в пакетах соединяемых элементов с автоматизированной постановкой полых заклепок;- the complexity of manufacturing is minimized, since the cross section of the beam consists of rolling elements, and they are connected automatically on the production line using pyrotechnic installations that break through packets of connected elements with automated setting of hollow rivets;

- балка обладает амортизирующими свойствами из-за лотков сверху и снизу сечения.- the beam has cushioning properties due to trays at the top and bottom of the section.

- распределение материала по сечению обеспечивает максимальный момент сопротивление и, следовательно, минимальную материалоемкость.- the distribution of the material over the cross section provides maximum resistance moment and, therefore, minimal material consumption.

На чертеже показан профиль сечения балки.The drawing shows a sectional profile of the beam.

Балка содержит два зеркальных относительно осей х и у профильных элемента 1 и две затяжки 2 сверху и снизу. Элементы соединены друг с другом полыми заклепками 3 с внедренным в каждую сердечником.The beam contains two mirror relative to the x-axis and the profile element 1 and two puffs 2 above and below. Elements are connected to each other by hollow rivets 3 with a core embedded in each.

Каждый из зеркальных профильных элементов состоит из стенки а, переходящей в элемент трубчатого профиля, составляющий четверть b трубы. Четверть b плавно переходит в отгиб с.Each of the mirror profile elements consists of a wall a, passing into the element of the tubular profile, comprising a quarter b of the pipe. Quarter b smoothly goes into limb c.

Зеркальные профильные элементы соединены друг с другом полыми заклепками и образуют в сборке двутавровую балку.Mirrored profile elements are connected to each other by hollow rivets and form an I-beam in the assembly.

Четверти b образуют лотки сверху и снизу. Каждый из лотков соединен посредством затяжки 2 и полых заклепок 3 с отгибами с зеркальных профильных элементов 1.Quarters b form trays at the top and bottom. Each of the trays is connected by tightening 2 and hollow rivets 3 with bends from the mirror profile elements 1.

Распределим материал по сечению балки так, чтобы из заготовки с площадью сечения А получить балку, обладающую наибольшим моментом сопротивления W_max или обладающую наибольшей прочностью.We distribute the material over the beam section so that from the workpiece with the cross-sectional area A we get the beam with the greatest moment of resistance W _max or with the greatest strength.

Для удобства проката зеркальных профильных элементов 1 примем, что толщина листа заготовки везде одинакова, то есть толщина стенки равна толщине четверти и равна толщине отгиба t. Толщину затяжки примем равной t_з=1,2t.For the convenience of rolling the mirror profile elements 1, we assume that the thickness of the billet sheet is the same everywhere, that is, the wall thickness is equal to the thickness of a quarter and equal to the limb thickness t. We take the tightening thickness equal to t _s = 1,2t.

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

The wall height h _article is 0.8 of the height h of the beam, h _article = 0.8 h. The diameter of the tray D is 0.2 of the height of the beam D = 0.2h. That is, in comparison with the analogue, we reduce the wall height by 20%, which leads to the same decrease in the flexibility of the wall

Для максимального снижения материалоемкости площадь сечения необходимо распределить между элементами сечения таким образом, чтобы профиль получил максимальный момент сопротивления W_x. Вся площадь сечения А должна распределятся в определенной пропорции между стенкой А_ст, лотками 2А_л и свисающими частями стенки 2А_св, включая две затяжки. Введем коэффициент материалоемкости стенки балки К. Тогда:To minimize material consumption, the cross-sectional area must be distributed between the cross-sectional elements so that the profile receives the maximum resistance moment W _x . The entire cross-sectional area A should be distributed in a certain proportion between the wall A _st , trays 2A _l and the hanging parts of the wall 2A _sv , including two puffs. We introduce the coefficient of material consumption of the wall of the beam K. Then:

КА - материалоемкость стенки балки.KA - material intensity of the beam wall.

Площадь сечения двух лотков равна 2A_л=π Dt_л,The cross-sectional area of two trays is 2A _l = π Dt _l ,

где D=0,2h - диаметр лотка; D=0,25h_ст;where D = 0.2h is the diameter of the tray; D = 0.25h _st ;

h=1,25h_ст - высота балки;h = 1.25h _st - beam height;

t_л=0,5t_ст - толщина лотка равна толщине стенки;t _l = 0,5t _st - the thickness of the tray is equal to the wall thickness;

Площадь сечения свесов, включая две затяжки, равнаThe cross-sectional area of the overhangs, including two puffs, is

Собственные моменты инерции двух лотков запишем, используя справочник по сопротивления материалов [2, с.62]We write down the proper moments of inertia of two trays using the reference book on the resistance of materials [2, p.62]

Расстояние от главной оси х до центра тяжести каждого из лотков равноThe distance from the main x-axis to the center of gravity of each of the trays is

Гибкость стенки

Wall flexibility

Высота стенки равна

Wall height is

Высота всей балки

The height of the entire beam

Тогда собственные моменты инерции двух лотковThen own moments of inertia of two trays

Запишем главный момент инерции балки, пренебрегая в запас прочности собственными моментами инерции свеков затяжекWe write the main moment of inertia of the beam, neglecting the intrinsic moments of inertia of the beetroot puffs in the margin of safety

Заменим А_ст, А_св, А_л, h_ст.Replace A _st , A _St , A _l , h _Art .

ПолучимWe get

или

or

Поделив на

, получим момент сопротивления профиляDividing by

we get the moment of profile resistance

Взяв производную по К, найдем экстремум W_x Taking the derivative with respect to K, we find the extremum W _x

Отсюда коэффициент материалоемкости равен K=0,38022, то есть для максимального снижения материалоемкости на стенку необходимо истратить 38,02% стали от всей площади сечения.Hence, the coefficient of material consumption is equal to K = 0.38022, that is, to minimize material consumption on the wall, it is necessary to spend 38.02% of steel from the entire cross-sectional area.

Подставив К в полученные формулы, имеем:Substituting K into the obtained formulas, we have:

Площади сечения:Cross-sectional area:

стенки: A_cт=0,38022A;wall: A _CT = 0,38022A;

двух лотков: 2А_л=0,149314;two trays: 2A _l = 0.149314;

свесов и затяжек: 2А_св=0,47047А (в том числе площадь сечения двух затяжек).overhangs and puffs: 2A _sv = 0.47047A (including the cross-sectional area of two puffs).

Главный момент инерции J_х=0,09902А²λ .The main moment of inertia J _x = 0,09902A ² λ.

Момент сопротивления

Moment of resistance

Минимальная площадь сечения в зависимости от момента сопротивленияMinimum cross-sectional area depending on the moment of resistance

Толщина стенки балки

Beam Wall Thickness

Высота стенки h_ст=0,8h.Wall height h _article = 0.8h.

Момент сопротивления двух лотков

The moment of resistance of two trays

Пример конкретной реализацииConcrete implementation example

Сравним разработанный новый профиль с аналогом, например двутавром I100Б4 [1, с.261]Compare the developed new profile with an analog, for example, the I100B4 I-beam [1, p. 261]

А=397 см²; J_x=662170 см⁴; W_x=13060 см²; i_x=40,8 см; i_y=6,85 см; h=101,4 см;A = 397 cm ² ; J _x = 662170 cm ⁴ ; W _x = 13060 cm ² ; i _x = 40.8 cm; i _y = 6.85 cm; h = 101.4 cm;

h_ст=101,4-23,3=94,8 см; λ _ст=94,8/1,86=51; t_ст=1,86.h _article = 101.4-23.3 = 94.8 cm; λ _st = 94.8 / 1.86 = 51; t _article = 1.86.

В соответствии с действующими нормами назначаем гибкость стенки, при которой не требуется проверка ее устойчивости [3, с.27, п.7.3]In accordance with the applicable standards, we assign the flexibility of the wall, at which the verification of its stability is not required [3, p.27, clause 7.3]

R_y=230 МПа; Е=206000 МПа.R _y = 230 MPa; E = 206000 MPa.

Тогда

Then

Принимаем гибкость стенки 74,8.We accept wall flexibility of 74.8.

Площадь сечения оставляем без изменения А=397 см². Эту площадь распределяем по сечению следующим образом:The cross-sectional area is left unchanged A = 397 cm ² . This area is distributed over the section as follows:

Площади сечения:Cross-sectional area:

стенки: 0,3802397=150,95 см^2, walls: 0.3802397 = 150.95 cm ^2,

Момент сопротивления нового двутавра будет равен

The moment of resistance of the new I-beam will be equal to

Толщина стенки

Wall thickness

Высота балки

Beam height

Высота стенки h_ст=0,8h=106,26 см.Wall height h _article = 0.8h = 106.26 cm.

Момент инерции J_x=0,09902A²λ =0,09902 397² 74,8=1167362 см⁴.Moment of inertia J _x = 0.09902A ² λ = 0.09902 397 ² 74.8 = 1167362 cm ⁴ .

Сопоставление с аналогом показывает, что:Comparison with the analogue shows that:

момент сопротивления увеличился в

раза;moment of resistance increased in

times;

момент инерции увеличился в

раза.moment of inertia increased in

times.

Если принять толщину свеса t_св=0,71 см, то ширина двух свесов равнаIf we take the thickness of the overhang t _St = 0.71 cm, then the width of the two overhangs is

Диаметр лотка D=0,2h=0,2132,82=26,56 см.The diameter of the tray D = 0.2h = 0.2132.82 = 26.56 cm.

Ширина балки b_max=D+2b_св=26,56+131,52=158,08 см.Beam width b _max = D + 2b _{communication} = 26.56 + 131.52 = 158.08 cm.

Для уменьшения ширины балки площадь сечения свесов распределяем по сечению свеса и затяжки толщиной t_зат=1,2t_св To reduce the beam width of the sectional area of the eaves overhang distribute over the cross section and tightening the _tightening t = 1,2t thickness _{communication}

Ширина балки

Beam width

Момент инерции относительно вертикальной оси yMoment of inertia about the vertical axis y

где d - внутренний диаметр лотка;where d is the inner diameter of the tray;

d=D-2t_ст=26,56-2· 1,42=23,72 см;d = D-2t _st = 26.56-2 · 1.42 = 23.72 cm;

У аналога было J_y=18620 см⁴ (100%).The analogue had J _y = 18620 cm ⁴ (100%).

То есть момент инерции J_y увеличился в 12,97 раза!That is, the moment of inertia J _y increased by 12.97 times!

У аналога было W_y=1150 см³ (100%).The analogue had W _y = 1150 cm ³ (100%).

Момент сопротивления W_y увеличился в 2,65 раза.The moment of resistance W _y increased by 2.65 times.

Эффективность нового балочного профиля высокая.The efficiency of the new beam profile is high.

Примем равные с аналогом моменты сопротивления, то есть W_x=13060 см³.We take equal moments of resistance with the analog, that is, W _x = 13060 cm ³ .

Находим минимальную площадь сеченияWe find the minimum cross-sectional area

Распределяем площадь по сечению.We distribute the area over the cross section.

Площади сечения:Cross-sectional area:

Толщина стенки

Wall thickness

Высота балки

Beam height

Высота стенки h_ст=0,8h=84,45 см.Wall height h _article = 0.8h = 84.45 cm.

Момент инерции J_x=0,09902A²λ =0,09902 250,8² 74,8=465885,9 см⁴.Moment of inertia J _x = 0.09902A ² λ = 0.09902 250.8 ² 74.8 = 465885.9 cm ⁴ .

Момент сопротивленияMoment of resistance

Произошло снижение материалоемкости.There was a decrease in material consumption.

Материалоемкость новой балки по сравнению с первой составляет

, то есть материалоемкость снижена на 36,8%.The material consumption of the new beam compared to the first is

, that is, material consumption is reduced by 36.8%.

Экономический эффект достигнут за счет применения рационального профиля балки. Показатели материалоемкости в большей степени зависят от толщины стенки t_ст и гибкости стенки λ _ст. В нашем случае стенка сопряжена с полками посредством лотков и это позволило уменьшить высоту стенки на 20% и, следовательно, и гибкость стенки на 20%. Полученный коэффициент материалоемкости стенки K=0,38022 позволил достигнуть максимального момента сопротивления при заданной площади сечения или достигнуть минимальной материалоемкости при заданном моменте сопротивления.The economic effect is achieved through the use of a rational beam profile. The indicators of material consumption are more dependent on the wall thickness t _st and the flexibility of the wall λ _st . In our case, the wall is interfaced with the shelves by means of trays, and this has reduced the wall height by 20% and, consequently, the wall flexibility by 20%. The obtained coefficient of material consumption of the wall K = 0.38022 made it possible to achieve the maximum moment of resistance at a given cross-sectional area or to achieve the minimum material consumption at a given moment of resistance.

Таким образом, новый профиль снижает материалоемкость до 36% по сравнению с аналогом при одинаковом моменте сопротивления.Thus, the new profile reduces material consumption up to 36% compared with the analogue at the same moment of resistance.

Если же делать балку с такой же площадью сечения, как аналог, то моменты сопротивления W_x повышаются на 25... 28%, момент W_y - на 25... 30%.If you make a beam with the same cross-sectional area as an analog, then the moments of resistance W _x increase by 25 ... 28%, the moment W _y - by 25 ... 30%.

Моменты инерции повышаются значительно больше J_x на 55... 59%, a J_y - на 50... 55%.The moments of inertia increase significantly more than J _x by 55 ... 59%, and J _y - by 50 ... 55%.

Особенно эффективен новый профиль для подкрановых балок и колонн промышленных и гражданских зданий, так как у профиля сильно увеличен момент инерции J_y и момент сопротивления W_y.The new profile is especially effective for crane beams and columns of industrial and civil buildings, since the profile of moment of inertia J _y and the moment of resistance W _{y are} greatly increased.

ЛитератураLiterature

1. Васильченко В.Т. и др. Справочник конструктора металлических конструкций. Киев, “Будiвельник”, 1980, 288 с.1. Vasilchenko V.T. and others. The reference designer of metal structures. Kiev, Budivelnik, 1980, 288 pp.

2. Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. Киев, “Наукова думка”, 1975, 704 с.2. Pisarenko G.S. et al. Handbook of resistance to materials. Kiev, “Naukova Dumka”, 1975, 704 p.

3. СНиП II-23-81* Стальные конструкции, Госстрой СССР, Москва, 1999, 96 с.3. SNiP II-23-81 * Steel structures, Gosstroy of the USSR, Moscow, 1999, 96 pp.

4. Нежданов К.К., Васильев А.В., Колмыков В.А., Нежданов А.К. Способ и устройство для неподвижного соединения. Патент России №2114328. Бюл. №18, зарегистрирован 27.06.1998.4. Nezhdanov K.K., Vasiliev A.V., Kolmykov V.A., Nezhdanov A.K. Method and device for fixed connection. Patent of Russia No. 2114328. Bull. No. 18, registered on June 27, 1998.

Claims (1)

Балка, содержащая два зеркально расположенных профильных элемента, соединенных сверху и снизу затяжками из листов и имеющих вертикально ориентированные стенки, отличающаяся тем, что каждый профильный элемент выполнен с профилями, в которые плавно по кривой сверху и снизу переходит вертикально ориентированная стенка этого элемента, выполненными в виде четверти трубы каждый, упомянутые профили профильных элементов в виде четвертей труб переходят в горизонтальные отгибы и в зонах выполнения их в виде четвертей труб образуют форму лотков, замкнутых сверху и снизу затяжками из листов, соединенными с горизонтальными отгибами полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником, при этом стенки профильных элементов соединены друг с другом также полыми заклепками с внедренным в каждую сердечником.A beam containing two mirror-shaped profile elements connected by top and bottom by puffs of sheets and having vertically oriented walls, characterized in that each profile element is made with profiles into which a vertically oriented wall of this element smoothly passes along the top and bottom, made in each is in the form of a quarter of the pipe, the said profiles of profile elements in the form of quarters of pipes go into horizontal bends and in the areas of their execution in the form of quarters of pipes form the shape of trays closed from the top and bottom by puffs of sheets connected to horizontal bends by hollow rivets with a core embedded in each, while the walls of the profile elements are also connected with each other by hollow rivets with a core embedded in each.