close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2336397

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
(19)
RU
(11)
2 336 397
(13)
C1
(51) МПК
E04C 3/00
(2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2007109356/03, 14.03.2007
(72) Автор(ы):
Коробко Виктор Иванович (RU),
Морозов Станислав Александрович (RU),
Алдушкин Роман Владимирович (RU)
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
14.03.2007
(45) Опубликовано: 20.10.2008 Бюл. № 29
2 3 3 6 3 9 7
защемлени ее концов. Балка выполнена
ступенчато-переменной
жесткости,
при
этом
участки
с
большей
изгибной
жесткостью
расположены под эпюрой изгибающих моментов с
экстремальными ординатами, а рациональные
соотношени длин участков и их изгибных
жесткостей подобраны из услови равенства
абсолютных значений допускаемых нормальных
напр жений в сечени х с наибольшим и
наименьшим значени ми изгибающих моментов. 4
з.п. ф-лы, 5 ил.
R U
(57) Реферат:
Изобретение
относитс к
области
строительства, в частности к металлическим
неразрезным балкам. Технический результат
изобретени заключаетс в
снижении
материалоемкости металлической неразрезной
балки за счет изменени ее изгибной жесткости по
длине на отдельных участках и рациональном
выборе соотношений длин и изгибных жесткостей
этих участков. Металлическа неразрезна балка
пр моугольного, коробчатого или двутаврового
сечени включает
собственно
балку,
изготовленную
из
прокатных
или
сварных
профилей, опорные устройства, изготовленные по
схеме шарнирного опирани или жесткого
Страница: 1
RU
C 1
C 1
(54) МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ НЕРАЗРЕЗНАЯ БАЛКА
2 3 3 6 3 9 7
Адрес дл переписки:
302020, г.Орел, Наугорское ш., 29, ОрелГТУ
R U
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: Файбишенко В.К. Металлические
конструкции. - М.: Стройиздат, 1984, с.57-62.
Пособие по проектированию усилени стальных
конструкций (к разделу 20 главы СНиПП-23-81).
- Киев: 1988, с.44-45, 73. RU 2004734 С1,
15.12.1993. SU 885491 А1, 30.11.1981.
(73) Патентообладатель(и):
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образовани "Орловский государственный технический
университет" (ОрелГТУ) (RU)
RUSSIAN FEDERATION
RU
(19)
(11)
2 336 397
(13)
C1
(51) Int. Cl.
E04C 3/00
(2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2007109356/03, 14.03.2007
(72) Inventor(s):
Korobko Viktor Ivanovich (RU),
Morozov Stanislav Aleksandrovich (RU),
Aldushkin Roman Vladimirovich (RU)
(24) Effective date for property rights: 14.03.2007
(45) Date of publication: 20.10.2008 Bull. 29
C 1
R U
2 3 3 6 3 9 7
condition of equality of absolute values of
allowed normal stresses in cross-sections with
maximal and minimal values of bending moments.
EFFECT: reduction of metal whole beam
materials consumption due to change of its
bending stiffness along length and bending
stiffness of there sections.
5 cl, 5 dwg
Страница: 2
EN
C 1
(57) Abstract:
FIELD: construction.
SUBSTANCE: metal whole beam of rectangular,
box or double-T cross-section includes beam
itself made of rolled or fabricated sections,
support devices manufactured according to hinge
support or rigid fixing of its ends scheme. The
beam is made stepped-variable rigid, at that
sections with higher bending rigidity are located
under epure of bending moments with extreme
ordinates and rational ratios of section lengths
and their bending stiffness are selected from
2 3 3 6 3 9 7
(54) METAL WHOLE BEAM
R U
(73) Proprietor(s):
Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie
vysshego professional'nogo obrazovanija
"Orlovskij gosudarstvennyj tekhnicheskij
universitet" (OrelGTU) (RU)
Mail address:
302020, g.Orel, Naugorskoe sh., 29, OrelGTU
RU 2 336 397 C1
5
10
15
20
25
30
Изобретение относитс к области строительства и предназначено дл использовани в
качестве несущих элементов перекрыти зданий и сооружений.
Известна металлическа однопролетна (или многопролетна ) неразрезна балка
посто нного сечени (пр моугольного, коробчатого или двутаврового), включающа собственно балку, изготовленную из прокатных или сварных профилей, опорные
устройства, выполненные по схеме шарнирного опирани или жесткого защемлени ее
концов, и промежуточные шарнирно подвижные опорные устройства в случае
многопролетной балки [1, с.114-116, 120-122].
Недостатком такой балки вл етс неэкономичность из-за перерасхода металла,
поскольку больша ее часть остаетс недонапр женной из-за неравномерного
распределени изгибающих моментов вдоль пролета (пролетов) балки.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в снижении
материалоемкости металлической неразрезной балки за счет изменени ее изгибной
жесткости по длине на отдельных участках и рациональном выборе соотношений длин и
изгибных жесткостей этих участков.
Это достигаетс тем, что металлическа неразрезна балка пр моугольного,
коробчатого или двутаврового сечений, включающа собственно балку, изготовленную из
прокатных или сварных профилей, опорные устройства, изготовленные по схеме
шарнирного опирани или жесткого защемлени ее концов, выполнена ступенчатопеременной жесткости, при этом участки с большей изгибной жесткостью расположены под
эпюрой изгибающих моментов с экстремальными ординатами, а рациональные
соотношени длин участков и их изгибных жесткостей подобраны из услови равенства
абсолютных значений допускаемых нормальных напр жений в сечени х с наибольшим и
наименьшим значени ми изгибающих моментов.
В случае равной высоты и симметрии всех сечений металлической неразрезной балки
относительно их нейтральной оси отношение изгибных жесткостей смежных участков балки
где Мmax и Мmin - экстремальные значени n определ ют по формуле
изгибающих моментов в наиболее опасных сечени х балки. При этом в случае действи по
всей длине балки равномерно распределенной нагрузки рациональные соотношени длин
участков k и их изгибных жесткостей n определ ют с помощью аппроксимирующих
функций, построенных по результатам точного аналитического расчета:
- дл однопролетной балки, один конец которой жестко защемлен, а другой шарнирно
оперт, по формуле
35
- дл жестко защемленной по концам однопролетной балки по формуле
40
45
50
- дл двухпролетной балки с равными пролетами и шарнирным опиранием концевых и
промежуточных опор по формуле
n(k)=-7,9788?k 3+5,3285?k 2-0,6077?k+0,5816.
Сущность изобретени по сн етс чертежами, представленными на фиг.1...5.
На фиг.1 изображена однопролетна неразрезна балка посто нной изгибной жесткости,
один конец которой жестко защемлен, а другой шарнирно оперт, с возможными вариантами
поперечных сечений.
На фиг.2 изображены варианты неразрезных балок ступенчато-переменной жесткости:
на схеме а) - балка, один конец которой жестко защемлен, а другой шарнирно оперт; на
схеме б) - балка с двум жестко защемленными концами; на схеме в) - шарнирно оперта двухпролетна балка с равными пролетами. На всех схемах указаны соотношени длин
участков с разными изгибными жесткост ми и соотношени этих жесткостей.
На фиг.3 графически представлены этапы точного решени задачи по определению
изгибающих моментов в однопролетной балке ступенчато-переменной жесткости, один
Страница: 3
DE
RU 2 336 397 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
конец которой жестко защемлен, а другой шарнирно оперт.
На фиг.4 изображены окончательные эпюры изгибающих моментов в трех неразрезных
балках ступенчато-переменной жесткости: на схеме а) - балка, один конец которой
жестко защемлен, а другой шарнирно оперт; на схеме б) - балка с обоими жестко
защемленными концами; на схеме в) - двухпролетна шарнирно оперта балка с равными
пролетами.
На фиг.5 представлены графики аппроксимирующих функций n(k) дл подбора
оптимальных соотношений длин участков k и их изгибных жесткостей n дл всех трех
рассматриваемых схем балок.
Неразрезна металлическа балка (фиг.1) включает в себ собственно балку 1,
изготовленную из прокатных или сварных профилей, опорные устройства 2 и 3,
выполненные по схеме шарнирного опирани 3 или жесткого защемлени 2 ее концов.
Предлагаема конструкци неразрезной балки ступенчато-переменной жесткости
отличаетс от балки посто нного сечени тем, что имеет два участка с разными
изгибными жесткост ми. На участке с наибольшими изгибающими моментами площадь
поперечного сечени принимают большей, чем на участке с меньшими изгибающими
моментами. Реализаци указанных конструктивных особенностей неразрезных балок
приводит к более экономичному расходу материала. Необходимо лишь подобрать
рациональные соотношени длин участков с различными изгибными жесткост ми k и
соотношени этих жесткостей n.
Рассмотрим теоретическое решение задачи подбора оптимальных соотношений n и k на
примере неразрезной балки ступенчато-переменной жесткости, один конец которой жестко
защемлен, а другой шарнирно оперт, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой
интенсивности q.
Разделим балку на два характерных участка (фиг.3, схема а). Изгибную жесткость
участка со стороны жесткой заделки обозначим через EI (Е - модуль упругости
материала, I - момент инерции сечени ), а другого участка - nEI, где n - переменный
параметр, определ емый расчетом. Длину участка со стороны жесткой заделки обозначим
kl, где k - параметр, также определ емый расчетом.
Дл решени этой задачи воспользуемс методом перемещений [2] и запишем систему
канонических уравнений дл основной системы, представленной на фиг.3 (схема б)
Здесь и далее использованы общеприн тые в строительной механике [2] обозначени .
Дл определени коэффициентов и свободных членов этих уравнений построим эпюры
изгибающих моментов единичных и грузового состо ний (фиг.3, схемы в, г, д). Выреза соответствующие узлы балки из эпюр изгибающих моментов единичных и грузового
состо ний, из условий равновеси этих узлов (фиг.3, схема е) найдем коэффициенты и
свободные члены в уравнени х (1):
45
Подставим эти выражени в уравнени (1):
50
Страница: 4
RU 2 336 397 C1
5
10
Реша полученную систему уравнений, найдем:
15
20
Дл построени окончательной эпюры изгибающих моментов (фиг.3, схема ж) следует
вычислить изгибающие моменты в характерных сечени х балки по формуле:
Экстремальные ординаты в этой эпюре моментов будут в сечени х 1-1 и 5-5:
25
30
Запишем условие оптимального проектировани балки в виде равенства наибольших
нормальных напр жений в сечени х 1-1 и 5-5:
35
Учитыва , что ?=М/W и W=2I/h, где W - момент сопротивлени сечени , h - его высота,
это условие примет следующий вид:
40
При неизменной высоте сечени h и прин том соотношении жесткостей дл характерных
участков выражение (8) можно переписать в виде равенства
Подставив это равенство в соответствующие выражени дл изгибающих моментов в
сечени х 1-1 и 5-5 после преобразований, получим:
45
50
Этой формулой пользоватьс неудобно, поэтому по точным значени м n и k,
полученным по формуле (10), построена аппроксимирующа функци Страница: 5
RU 2 336 397 C1
5
10
на области определений n?(0,3; 0,55), котора с погрешностью до 1,5%
удовлетвор ет точному решению по формуле (10).
График функции (11) построен на фиг.5. Физический смысл этого графика заключаетс в
том, что дл каждой его точки с абсциссой k и ординатой n напр жени в сечени х с
максимальным и минимальным значени ми изгибающих моментов с соответствующими
соотношени ми изгибных жесткостей и длин участков будут равными.
По формуле (11) или по графику, изображенному на фиг.5, задавшись значением
параметра k, можно найти значение параметра n и, наоборот, по параметру n - найти
параметр k. Эти соотношени будут наиболее рациональными, поскольку следуют из
точного аналитического решени рассматриваемой задачи.
Такие же расчеты были проведены дл однопролетной балки с жестко защемленными
концами и дл двухпролетной шарнирно опертой балки с равными пролетами. При этом
были получены следующие результаты
- дл однопролетной балки:
15
20
- дл двухпролетной балки с равными пролетами:
25
30
35
40
45
Аналитическое выражение изгибающего момента M5 в обоих случа х находилось путем
минимизации функции М, записанной в общем виде на рассматриваемом участке.
Пример реализации изобретени . Поскольку дл всех трех рассматриваемых схем балок
пор док подбора рациональных соотношений параметров n и k одинаков, рассмотрим
только один пример реализации изобретени дл однопролетной металлической балки,
один конец которой жестко защемлен, а другой шарнирно оперт (фиг.3, схема а).
Дл металлической балки, изготовленной из Ст.3, прин ты следующие исходные
данные: основное сечение балки выполнено из двух швеллеров №30С по ГОСТ 8240-97 (I=
2?6045=12090 см 4=1,209?10 -4 м 4, W=2?403=806 см 3=8,06?10 -4 м 3), длина балки l=6 м,
модуль упругости материала Е=2?10 5 МПа; допускаемое напр жение [?]=30 МПа. Полки
швеллеров расположены наружу (фиг.2, сечение 2-2), рассто ние между стенками
швеллеров - 250 мм. На усиливаемом участке балки вверху и внизу между швеллерами
приварены металлические полосы толщиной 28 мм и шириной 250 мм (фиг.2, сечение 1-1).
Момент инерции полученного составного сечени находитс по формуле:
I=2I1+2I2=2I10+2I20+2A2?a 2,
где 2I10=1,209?10 -4 м 4 - момент инерции двух швеллеров №30С (вз т из сортамента); 2I20
- момент инерции двух полос относительно их горизонтальной центральной оси:
50
A2 - площадь сечени полосы; а - рассто ние межу горизонтальными центральными
ос ми всего сечени и полосы:
2А 2?а 2=2?0,25?0,028?0,136 2=2,589?10 -4 м 4;
Страница: 6
RU 2 336 397 C1
I=1,209?10 -4+0,0092?10 -4+2,589?10 -4=3,8072?10 -4 м 4.
Найдем отношение моментов инерции основного и составного сечений:
5
По этому значению параметра n с помощью графика на фиг.5 (схема а) находим
значение параметра k=0,26. С учетом этих параметров по формулам (5), (6) находим
значени экстремальных изгибающих моментов:
10
15
20
25
Подставл полученные значени М1 и M5 в выражение (9) провер ем равенство
нормальных напр жений в соответствующих сечени х:
Максимальное нормальное напр жение в сечении 5-5 должно удовлетвор ть условию
прочности ?=М5/W5?[?], где W5 - момент сопротивлени двух швеллеров №30С, найденный
выше. Тогда допускаемый изгибающий момент найдем из неравенства М5?[?]?W5. Выразив
M5 из выражени (6) путем подстановки в него параметров n и k и приравн в его к
допускаемому значению, найдем интенсивность равномерно распределенной нагрузки q:
Дл дальнейших вычислений примем q=12,36 кН/м.
Сравним материалоемкость балки переменной жесткости с балкой посто нной
жесткости, воспринимающей нагрузку q=12,36 кН/м.
Максимальный изгибающий момент в балке посто нного сечени определ етс по
формуле
30
а требуемый момент сопротивлени сечени - по формуле
35
40
По ГОСТ 8239-89 принимаем два двутавра №40, W=1906 см 3, погонна масса m=57 кг.
Сравниваем материалоемкость вариантов:
- масса сечени составленного из двух швеллеров №30С и двух полос длиной 0,26?l=
0,26?6=1,56 м, шириной 0,25 м и толщиной 0,028 м
m=2?6?34,44+2?1,56?54,95=584,73 кг;
- масса двух двутавров №40
m=2?6?57=684 кг.
Экономи материала составл ет
45
50
Таким образом, технический результат - сокращение материалоемкости металлических
балок - достигаетс за счет их усилени в наиболее опасных сечени х. При этом
рациональные соотношени изгибных жесткостей балок на смежных участках и длин этих
участков определ ютс по аналитическим зависимост м, полученным в предлагаемом
изобретении.
Источники информации
1. Васильев А.А. Металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1975. - 424 с.
2. Снитко Н.К. Строительна механика. - М.: Высша школа, 1972. - 488 с.
Страница: 7
RU 2 336 397 C1
5
10
15
Формула изобретени 1. Металлическа неразрезна балка пр моугольного, коробчатого или двутаврового
сечени , включающа собственно балку, изготовленную из прокатных или сварных
профилей, опорные устройства, изготовленные по схеме шарнирного опирани или
жесткого защемлени ее концов, отличающа с тем, что балка выполнена ступенчатопеременной жесткости, при этом участки с большей изгибной жесткостью расположены под
эпюрой изгибающих моментов с экстремальными ординатами, а рациональные
соотношени длин участков и их изгибных жесткостей подобраны из услови равенства
абсолютных значений допускаемых нормальных напр жений в сечени х с наибольшим и
наименьшим значени ми изгибающих моментов.
2. Металлическа неразрезна балка по п.1, отличающа с тем, что при равной высоте
и симметрии всех сечений балки относительно их нейтральной оси отношение изгибных
жесткостей участков определ ют по формуле n=Mmax/|Mmin|, где Мmax и Мmin экстремальные значени изгибающих моментов в наиболее опасных сечени х балки.
3. Металлическа неразрезна балка по п.2, отличающа с тем, что в случае жесткого
защемлени одного конца балки и шарнирного опирани другого и действи равномерно
распределенной по всей ее длине нагрузки рациональные соотношени длин участков и их
изгибных жесткостей определ ют по формуле
20
25
30
35
где k - отношение длин смежных участков балки.
4. Металлическа неразрезна балка по п.2, отличающа с тем, что в случае жесткого
защемлени обоих концов балки и действи равномерно распределенной по всей ее длине
нагрузки рациональные соотношени длин участков и их изгибных жесткостей определ ют
по формуле
где k - отношение длин смежных участков балки.
5. Металлическа неразрезна балка по п.2, отличающа с тем, что в случае шарнирно
опертой двухпролетной балки с равными пролетами и действи равномерно
распределенной по всей ее длине нагрузки рациональные соотношени длин участков и их
изгибных жесткостей определ ют по формуле
n(k)=-7,9788?k 3+5,3285?k 2-0,6077?k+0,5816,
где k - отношение длин смежных участков балки.
40
45
50
Страница: 8
CL
RU 2 336 397 C1
Страница: 9
DR
RU 2 336 397 C1
Страница: 10
RU 2 336 397 C1
Страница: 11
RU 2 336 397 C1
Страница: 12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
382 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа