CC BY
167
ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНОРЯДНО и МНОГОРЯДНО ПЕРФОРИРОВАННЫХ БАЛОК
А.И. Притыкин
КГТУ
В настоящее время в практике строительства широко распространены балки с однорядной перфорацией шестиугольными выфезами [1], а в последние годы стали появляться и балки с двухрядной перфорацией [2]. Всех их отличает одна особенность - ширина перемычки всегда равна горизонтальной стороне выреза, что обусловлено принятой технологией их изготовления.
В то же время, как показывает практика зарубежного строительства (рис.1), потенциальные резервы облегчения веса таких балок использованы далеко не полностью.
В работе излагаются разработанные автором технологии изготовления балок с однорядной и многорядной перфорацией, обеспечивающей максимальное использование резервов избыточной устойчивости стенок, и анализируются преимущества и недостатки различных конструктивных форм.
Рис. 1. Конструкция корпуса сборочного цеха завода (США)
Для получения облегченной перфорированной балки с широким диапазоном варьирования изгибной жесткости при заданной высоте вырезов предлагается следующая технология изготовления однорядно перфорированных балок с шестиугольными вырезами, расположенными на любом заранее заданном расстоянии друг от друга.
Две исходные идентичные двутавровые балки разрезают одинаковыми зигзагообразными резами (рис.2,а), получая две пары пилообразных полубалок. При этом длина горизонтального реза, соответствующая горизонтальной стороне шестиугольного выреза (рис.2,а, нижняя кромка), выполняется большей длины, чем длина горизонтального реза, определяющая ширину перемычки между вырезами (рис.2,а, верхняя кромка). Затем с помощью сварки соединяют нижние одинаковые полубалки по выступам зубьев, получая перфорированную балку с заданным размером вырезов и шириной перемычек (рис.2,Ь). В отличие от традиционной безотходной технологии в предлагаемом спо-
собе получения перфорированной балки связь между размерами перемычек и горизонтальной стороной выфеза отсутствует. Это позволяет получать балку с шестиугольными выфезами как правильной, так и неправильной (удлиненной) формы с произвольной, но одинаковой шириной перемыгаек между ними.
В оставшихся двух верхних полубалках, которые при их непосредственной сварке дали бы балку, показанную на рис.2,с, предварительно горизонтальными резами удаляют зубья через один и последующей сваркой оставшихся зубьев получают балку с аналогичным предыщущей балке типом выфезов (рис.2,Ь). Правда, в этом случае шестиугольные выфезы1 получаются несколько длиннее, чем в первой балке, но и ширина перемыгаек оказывается значительно больше.
Рис.2. Предлагаемая технология роспуска балки (a) и варианты перфорации: (Ь)-сварка нижних половинок; (с)-сварка верхних половинок
Благодаря такому способу изготовления можно получить балку с любой длиной шестиугольных выфезов, причем ширина перемыгаек между выфезами не связана с размером горизонтальной стороны выфеза, как это имеет место при традиционном способе изготовления перфорированных балок.
Альтернативно предлагается способ изготовления, основанный на вставках Х-об-разной формы, устанавливаемых между двумя половинами горизонтально разрезанной (или по оси симметрии, или со смещением на некоторое расстояние по вертикали) двутавровой балки. Хотя вариант с Х-образными вставками менее технологичен, он кажется довольно привлекательным, поскольку почти полностью безотходный и к тому же подобная технология апробирована на балках с восьмиугольными вырезами (при установке прямоугольных вставок).
Двухрядная шахматная перфорация стенки шестиугольными выфезами как правильной, так и неправильной формы приводит к более равномерному распределению металла по длине балки, при этом площадь стенки в любом сечении остается постоянной.
Одна из известных технологий, разработанная Заборским А.А. и Песковым В.А. [2], получения перфорированной балки с двумя рядами шестиугольных выфезов (рис.3,а) состоит в разрезании стенки двутавра по зигзагообразной линии, напоминающей «застежку-молнию», последующего вертикального смещения нижней половины на величину высоты выфеза d и сварки по боковым сторонам выступов верхней и нижней частей. Стремление уменьшить удаление выфезов от нейтральной оси балки при данной технологии приводит к искажению формы вырезов, делая их более приплюснутыми [3].
По японской технологии [4] путем двойного зигзагообразного реза (рис.3,Ь) и последующего поворота средней (заштрихованной) вставки на 1800 относительно горизонтальной оси приходим к двухрядной перфорации, где в отличие от предыдущего варианта можно варьировать расстоянием между рядами вырезов, сводя его к минимуму, необходимому лишь для обеспечения прочности срединного слоя на срез. Например, в схеме на рис.3,Ь расстояние между ближайшими кромками рядов вырезов равно нулю. При указанной технологии независимо от расстояния между рядами вырезы сохраняют форму правильных шестиугольников.
а) Ъ)
Рис.3. Существующие технологии изготовления балки с двухрядной перфорацией: (а)- при одинарном резе по [2]; (Ь)- при двойном резе по [4]
Как показали исследования, в некоторых случаях, касающихся устойчивости, более предпочтительной может оказаться перфорация стенки двумя рядами неодинаковых по величине вырезов.
Предлагаемый автором вариант перфорированной балки с двумя рядами разных по величине шестиугольных вырезов изготавливают следующим образом. Из исходной заготовки вырезают двумя эквидистантными резами (рис.4,а) зигзагообразную полосу, причем верхние горизонтальные резы делают одной длины, а нижние горизонтальные резы - другой. Затем верхнюю и нижнюю заготовки раздвигают, зигзагообразную полосу поворачивают относительно горизонтальной оси на 1800 и стыкуют полученные элементы с помощью сварки, образуя балку с двухрядной перфорацией.
Указанная технология отличается от описанной выше японской [4] тем, что горизонтальные верхние и нижние резы делаются разной длины. Получаемые при этом вырезы в обоих рядах имеют одинаковую высоту, и горизонтальная сторона выреза в одном ряду равна ширине перемычки во втором.
На рис.4,Ь изображен вариант перфорации с разной шириной вырезов и перемычек. Следует заметить, что при одинаковой высоте вырезов суммарная площадь их как в классическом варианте, так и в варианте рис.4,Ь оказывается одинаковой, просто по-разному перераспределяется металл. Однако устойчивость стенки в варианте перфорации, соответствующем рис.4,Ь, оказывается значительно выше, чем при одинаковых вырезах.
/У\ДЛ/1 «.«'.»мм
а) Ъ)
Рис.4. Балка с несимметричной двухрядной перфорацией: (а)- технология получения; (Ь)-
вариант перфорированной балки
Описанная выше технология позволяет варьировать как расстояния между рядами вырезов (за счет изменения ширины зигзагообразных полос), так и расстояния между выфезами в рядах (при этом можно изменять и горизонтальные размеры самих вьфезов), как показано на рис.4.
Результаты расчетов МКЭ устойчивости балок показали, что несимметричная перфорация с разными выфезами в рядах (рис.5,а) повышает критическую нагрузку на 19% по сравнению с перфорацией одинаковыми выфезами в рядах (рис.5,Ь). Рассматривался случай свободно опертой балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой.
Рис. 5. Критические нагрузки балки: (а)- с несимметричной и (Ь)- с симметричной двухрядной
перфорацией
Дальнейшим развитием перфорированных балок является многорядная перфорация стенки, приводящая к еще более равномерному распределению выфезов по ее площади.
Технология получения перфорированной балки с тремя (рис.6,а) и четыфьмя (рис.6,Ь) рядами шестиугольных выфезов по существу такая же, как и для балки с двумя рядами (рис.4,а). Отличие заключается лишь в том, что число зигзагообразных резов должно соответствовать числу рядов перфорации.
а) Ь)
Рис. 6. Варианты балки: (а)- с трехрядной; (Ь)- с четырехрядной перфорацией
При трех резах получаются две зигзагообразных полосы, одна из которых поворачивается относительно горизонтальной оси на 1800, вторая остается без смещения, зато смещается по горизонтали на величину выступа нижняя тавровая часть балки, как это делается при изготовлении однорядно перфорированной балки.
При четырехрядной перфорации стенка двутавра разрезается по четырем зигзагообразным линиям с получением трех полос, из которых первая и третья поворачиваются относительно горизонтальной оси, а вторая остается без изменения. Затем все полосы свариваются по выступам. Получаемые варианты перфораций показаны на рис.6.
Сопоставлять достоинства балок с разным числом к рядов выфезов целесообразно при одинаковой суммарной площади последних. Поэтому у балок с многорядной перфорацией должны соблюдаться следующие соотношения между габаритными размера-
ми ak и числом вырезов nk в ряду (при ширине перемычки равной стороне выреза) ak =
a1 /k; nk = n1 / k.
Расчет МКЭ критических нагрузок 0к^балок-стенок с шестиугольными вырезами при разном числе рядов показал, что с увеличением рядности перфорации величины Qkp возрастают. Так, для балок-стенок с одним, двумя и тремя рядами вырезов отношения Qkp составляют 1:1.15:1.29. В качестве базовой была принята свободно опертая балка-стенка с одним рядом вырезов высотой h=0.5H при распределенной нагрузке.
Все балки-стенки имели размеры Ь*И*1=640*64*1см. При однорядной перфорации число вырезов равнялось n=11, при двухрядной - h=0.25H, число вырезов n=43, при трехрядной - h=0.167H, число вырезов n=98.
Предложенные варианты технологий изготовления облегченных перфорированных балок позволяют получить широкий спектр жесткостей балок с вырезами и тем самым полнее использовать резервы устойчивости, заложенные в двутавровых балках прокатного профиля.
Список литературы
1. Бирюлев В.В. Проектирование металлических конструкций/ В.В. Бирюлев, И.И. Кошин, И.И. Крылов, А.В. Сильвестров - Л., 1990. - 432с.
2. Заборский А.А. Сквозные двутавры с шахматной перфорацией стенки / А.А.Заборский, В.А.Песков //Строительство и архитектура. - 1987. - № 6. - С.4-7.
3. Ильина А.А. Прочность и устойчивость стальных изгибаемых балок с регулярной и нерегулярной шахматной перфорацией стенки: автореф. дисс... канд. техн. наук: 05.23.01 - Строительные конструкции, .../ НГАСУ; А.А. Ильина. -Нижний Новгород., 2004. - 24 с.
4. Патент Японии № 43-18556.
Ключевые слова: перфорированные балки, технологии изготовления, конечные элементы, критическая нагрузка
Рецензент: Захаров Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор, Калининградский государственный технический университет, профессор кафедры промышленного и гражданского строительства
