PL209714B1 - Kształtownik - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kształtownik wykonany zwłaszcza z blachy stalowej i złożony ze środnika oraz przynajmniej z jednego wystającego z niego poprzecznie ramienia, zaopatrzony na swej powierzchni w podłużne fałdy, równoległe do osi kształtownika.

Kształtowniki tego rodzaju są znane i szeroko stosowane, na przykład w budownictwie, przy czym ich przekrój jest dostosowany do stawianych wymagań. Przekroje znanych dotychczas kształtowników wytwarzanych zwykle z blachy stalowej o jednakowej grubości nie zapewniają pożądanego stosunku ilości zużytego materiału do wytrzymałości wykonanego z niego kształtownika. Różne elementy przekroju są czasem zmieniane wymiarowo dla uzyskania odpowiednich właściwości wytrzymałościowych kształtownika. Na przykład powiększenie szerokości pasów powiększa wytrzymałość kształtownika, jednakże powoduje równocześnie destabilizację przekroju wskutek przemieszczenia środka geometrycznego przekroju poza środek masy. Dotyczy to zwykle przekroju podobnego do ceownika albo do greckiej litery sigma. Powstaje wówczas konieczność stosowania stężeń i elementów poprawiających wytrzymałość skrętną, jak również stosowania większego zagłębienia, zwłaszcza w kształtownikach podobnych do greckiej litery sigma albo do zetownika, co powoduje ponowną utratę zaoszczędzonego materiału, a w przypadku kształtowników o przekroju zetowym zmianę kąta osi obojętnej przekroju, co stwarza poważne trudności techniczne. Istnieje również próg, po przekroczeniu którego długi i szczupły kształtownik staje się nieporęczny i skłonny do wypaczania.

Celem poprawienia wytrzymałości kształtownika może być powiększana grubość profilu kształtownika, jednakże wzrasta wówczas koszt materiału, a wzrost kosztu nie jest proporcjonalny do uzyskanego efektu.

Natomiast korzystne efekty uzyskano przez zastosowanie w budownictwie kształtowników z blachy stalowej zaopatrzonych w fałdy równoległe do osi kształtownika, które znacząco wzmacniają sztywność kształtownika w kierunku osiowym.

Z brytyjskiego opisu patentowego nr GB 2 181 467 A znany jest kszta ł townik wykonany z blachy i spełniający funkcję belki. Kształtownik ten ma w przekroju poprzecznym kształt podobny do litery Z, złożony z pionowego środnika i wystających z jego końców poziomych ramion. Ramiona te są zaopatrzone w odgięte końce, w przybliżeniu równoległe do środnika, oraz w znajdujące się w pobliżu niego wytłoczone fałdy, mające w przekroju postać rowków. Środnik kształtownika jest natomiast zaopatrzony na swych końcach, w pobliżu połączenia z ramionami, w wytłoczenia mające w przekroju postać dwóch ramion trójkąta prostokątnego. Dzięki takiemu kształtowi przekroju kształtownika uzyskuje się znaczące powiększenie jego sztywności zarówno podłużnej, jak i poprzecznej. Kształtowniki tego rodzaju znalazły praktyczne zastosowanie w postaci belek typu wysokiego w budownictwie, przy czym stosunek wysokości środnika do grubości blachy, z której są wykonane jest większy od 100.

Z brytyjskiego opisu patentowego nr GB 2 228 752 A znane są kształtowniki wykonane z blachy stalowej i mające w przekroju kształt litery Z względnie greckiej litery sigma. Kształtowniki te znajdują zastosowanie w budownictwie jako płatwy dachowe, belki dachowe względnie odbojnice. W celu uzyskania większej sztywności blacha jest zaopatrzona we wzmacniające ją wytłoczenia, o stosunkowo niewielkiej powierzchni, rozmieszczone w szeregach i rzędach. Wynalazek przewiduje również odkształcenia powierzchni blachy w postaci fałd równoległych do osi kształtownika. Opis nie podaje jednak wartości ani wzajemnych stosunków podziałki, czyli odległości między osiami sąsiadujących fałd, do grubości blachy, ani głębokości poszczególnych fałd.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 6 092 349 A znany jest człon konstrukcyjny ramy ściennej w postaci kształtownika o przekroju w kształcie litery Z, C lub U, którego ramiona oraz środniki są wykonane z blachy stalowej i zaopatrzone w fałdy o osi równoległej do osi kształtownika. Fałdy te są rozmieszczone w jednakowym od siebie odstępie zarówno wzdłuż ramion kształtownika, jak i zbliżonych do nich części środnika. Natomiast środkowa część środnika jest płaska. W opisie podany jest jedynie promień przekroju fałdy wynoszący od 0,2 mm do 18 mm, z zaznaczeniem, że promień ten winien być mniejszy od czterokrotnej grubości blachy, z której wykonano kształtownik. Nie podano jednak zależności podziałki, czyli odległości między osiami sąsiednich fałd od tej grubości.

Z niemieckiego opisu patentowego nr DE 19 950 890 C1 znany jest kształtownik blaszany tworzący prefabrykowany słup. Kształtownik ten, wykonany z pofałdowanej blachy, tworzy poprzeczny środnik o przekroju w kształcie litery omega duże, przy czym jego obydwa końce przechodzą w sposób ciągły w płaszczyznę ramion. Dzięki takiej konstrukcji uzyskuje się zarówno zwiększoną wytrzymałość kształtownika, jak i poprawę tłumienia dźwięków i obniżenie kosztów wykonania prefabrykatu.

PL 209 714 B1

Badania, które doprowadziły do wynalazku wykazały, że w przypadku stosowania kształtowników blaszanych z pofałdowaną powierzchnią istotną rolę dla sztywności i wytrzymałości kształtownika odgrywa nie tylko rozmieszczenie fałd na jego środniku i ramionach, ale przede wszystkim stosunek wielkości podziałki, czyli odległości między osiami sąsiednich fałd do grubości blachy, z której wykonany jest kształtownik. Okazało się, że możliwy jest dobór takiego stosunku tych dwóch wielkości, przy którym uzyskany efekt wzrostu sztywności i wytrzymałości kształtownika dla zakresu grubości blach stosowanych do wyrobu kształtowników dla celów budownictwa uzyskuje swoje maksimum, zapewniając równocześnie optymalne wykorzystanie materiału. Ponadto, przy tej optymalnej wartości stosunku podziałki do grubości ścianki kształtownika, istotną rolę odgrywają również inne proporcje determinujące kształt fałd, a mianowicie stosunek głębokości fałd oraz promienia zaokrąglenia ich przekroju do grubości ścianki kształtownika.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej postaci kształtownika, a zwłaszcza stosunków ilościowych elementów geometrii jego fałd do grubości ścianki, który zapewni maksymalne wykorzystanie materiału, a zwłaszcza uzyskanie maksymalnej wytrzymałości i sztywności kształtownika przy założonej jego masie.

Cel ten realizuje kształtownik według wynalazku, który charakteryzuje się tym, że podziałka, czyli odległość między sąsiadującymi ze sobą fałdami w kierunku prostopadłym do ich osi i znajdującymi się w tych częściach kształtownika, w których występują największe wartości naprężeń, jest 2 razy do 8 razy, a korzystnie 3 razy do 7 razy większa od grubości ścianki kształtownika.

Podziałka, czyli odległość między osiami sąsiadujących ze sobą fałd wynosi od 3 mm do 8 mm, a korzystnie od 3,8 mm do 7,8 mm.

Grubość pofałdowanej części kształtownika, czyli odległość między obustronnymi stycznymi do jego powierzchni, równoległymi do osi kształtownika, jest korzystnie 1,5 razy do 3 razy większa od grubości jego ścianki.

Promień zaokrąglenia przekroju poprzecznego fałdy kształtownika jest 0,5 razy do 3 razy większy od grubości kształtownika, a korzystnie jest jej równy.

Kąt środkowy odpowiadający zaokrągleniu przekroju poprzecznego dna fałdy wynosi od 20° do 128°, a korzystnie od 70° do 100°.

Kształtownik według wynalazku składa się korzystnie ze środnika połączonego obustronnie z dwoma poprzecznymi ramionami.

Przynajmniej jedno z ramion poprzecznych kształtownika jest korzystnie zaopatrzone w układ fałd.

Przynajmniej środnik kształtownika jest korzystnie zaopatrzony w układ fałd.

Układ fałd jest usytuowany korzystnie w sąsiedztwie miejsca zetknięcia środnika oraz poprzecznych ramion.

Ramiona poprzeczne kształtownika wystają korzystnie ze środnika w tym samym kierunku.

W odmianie kształ townika wedł ug wynalazku ramiona poprzeczne kształ townika wystają korzystnie ze środnika w różnych kierunkach.

Środnik kształtownika jest korzystnie płaski.

Środnik kształtownika jest korzystnie zaopatrzony przynajmniej w jedną fałdę.

Badania eksploatacyjne kształtowników wykonanych z blachy stalowej i zaopatrzonych w fałdy o osiach równoległych do osi kształtownika i spełniających warunki geometryczne określone zastrzeżeniami wykazały, że kształtownik według wynalazku spełnia warunki maksymalnego wykorzystania materiału, uzyskując w zakresie stosowalności tego rodzaju kształtowników w budownictwie najlepsze warunki wytrzymałościowe.

Kształtownik według wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym na rysunku, na którym: fig. 1 - przedstawia kształtownik według wynalazku w postaci ceownika, w przekroju poprzecznym; fig. 1a - fałdy kształ townika w przekroju poprzecznym i w powię kszeniu; fig. 1b - pojedynczą fałdę kształtownika w przekroju poprzecznym i w powiększeniu; fig. 2 - odmianę kształtownika według wynalazku, mający w przekroju kształt greckiej litery sigma, w przekroju poprzecznym; fig. 3 - inną odmianę kształtownika według wynalazku w postaci litery Z z prostoliniowym środnikiem, w przekroju poprzecznym, a fig. 4 - inną odmianę kształtownika według wynalazku w kształcie litery Z z odsadzonym ś rodnikiem, w przekroju poprzecznym.

Rysunek przedstawia przykładowo przekroje różnych kształtowników według wynalazku, jednakże wynalazek może zostać zastosowany również do różnych innych kształtowników omawianego rodzaju.

PL 209 714 B1

Fig. 1 przedstawia kształtownik 1, którego przekrój jest podobny do ceownika i składa się ze środnika 2 usytuowanego między dwoma ramionami 3 i 4, wystającymi prostopadle ze środnika 2 w tym samym kierunku. Obszarami decydującymi o wytrzymałości kształtownika są części 5 środnika 2 i części 6 ramion 3, 4, które są usytuowane w sąsiedztwie miejsca styku środnika 2 z pasami kształtownika. W rozwiązaniu według wynalazku przedstawiony na rysunku kształtownik o stosunkowo cienkiej ściance jest zaopatrzony w tych obszarach w fałdy 10 o osiach równoległych do osi kształtownika, powodując zwiększenie zgromadzonej w nich ilości materiału, a tym samym odpowiedni wzrost ich sztywności i wytrzymałości. Fałdy 10 winny być tak rozmieszczone, aby ich podziałka była taka sama jak podziałka przyrządu mocującego okładzinę, uniemożliwiając jego ślizganie się podczas mocowania okładziny.

Podziałka p rozmieszczenia fałd jest 2 razy do 8 razy, a korzystnie 3 razy do 7 razy większa od grubości t ścianki kształtownika. Głębokość x fałd jest 1,5 razy do 3 razy większa od grubości ścianki kształtownika. Promień r zaokrąglenia fałd jest 0,5 razy do 3 razy większy od grubości t ścianki kształtownika.

Typowa podziałka przyrządu mocującego okładzinę ma wymiar 4,8 mm 6,5 mm. Podziałka p rozmieszczenia fałd powinna wynosić korzystnie od 0,8 d do 1,25 d, gdzie d jest średnicą elementu mocującego. Wobec tego podziałka p rozmieszczenia fałd powinna wynosić od 3 mm do 8 mm, korzystnie od 3,8 mm do 7,8 mm. Te parametry zapewniają, że fałdy umożliwiają zastosowanie śrub mocujących. Duża część ramion jest podczas wytwarzania kształtownika odkształcana plastycznie, podwyższając granicę plastyczności materiału kształtownika.

Każda fałda jest symetryczna względem swej osi podłużnej (fig. 1b), przy czym jej boczne części są łukowe, a kąt środkowy odpowiadający promieniowi zaokrąglenia łuku w dolnej części fałdy wynosi od 20° do 128°, a korzystnie od 70° do 100°.

W miejscu usytuowania śrub mocujących podziałka p fałd winna wynosić mniej niż 0,75 średnicy śruby, zapewniając odpowiednią wytrzymałość złącza ze względu na większą powierzchnię styku śruby z metalem kształtownika.

W miejscu mocowania kształtownika środnik jest przymocowany śrubami dociskającymi płytki mocujące.

Badania wytrzymałościowe wykazały, że kształtownik według wynalazku wykazuje poprawę modułu wytrzymałości przekroju Zxx, momentu bezwładności przekroju lxx, granicy plastyczności Ya oraz sztywności skrętnej. Właściwości, a mianowicie dopuszczalnej siły wyciągania i obracania śrub mocujących oraz zapewnia bardziej korzystny rozkład materiału w przekroju kształtownika.

Kształtownik wykonany z blachy stalowej i przedstawiony na fig. 1 ma w przekroju kształt ceownika złożonego ze środnika 2 oraz z prostopadłych do niego ramion poprzecznych 3 i 4, przy czym końce tych ramion są odgięte w kierunku do środka. Część środkowa 6 obydwu ramion poprzecznych 3 i 4 jest zaopatrzona w fałdy o osiach równoległych do osi kształtownika. Również części końcowe 5 środnika 2 są zaopatrzone w układ takich fałd. Obszary sfałdowane przejmują przy tym największe obciążenia działające na kształtownik.

Kształtownik 20 przedstawiony na fig. 2 ma w przekroju kształt greckiej litery sigma i różni się od wyżej opisanego tym, że jego środnik 2 jest zaopatrzony w swej części środkowej 2L w odgięcie skierowane do środka, przy czym odgięcie to jest pozbawione fałd 10.

Na fig. 3 jest przedstawiony kształtownik 30, mający w przekroju kształt litery Z, przy czym pionowy środnik 2 kształtownika jest zaopatrzony w środkową część płaską oraz w końcowe części z układem fałd 10 o osiach równoległych do osi kształtownika. Również obydwa prostopadłe do środnika 2 ramiona 3 i 4 kształtownika są niemal na całej swej długości zaopatrzone w układy fałd 10, zaś końcówki tych ramion są odgięte w kierunku nachylonym pod kątem ostrym względem środnika 2.

Na fig. 4 przedstawiony jest kształtownik, którego przekrój różni się od kształtownika według fig. 3 tym, że jego środnik 2 jest zaopatrzony w swej środkowej, niepofałdowanej części w odsadzenie 4' zbliżające do siebie te końce ramion kształtownika, które stykają się ze środnikiem 2.

Kształtowniki przedstawione na rysunku stanowią jedynie przykładowe rozwiązania konstrukcyjne ilustrujące wynalazek, nie ograniczając możliwości innych kształtów jego przekroju.

Claims (13)

1. Kształ townik wykonany zwł aszcza z blachy stalowej i zł o ż ony ze ś rodnika oraz przynajmniej z jednego wystającego z niego poprzecznie ramienia, zaopatrzony na swej powierzchni w podł u ż ne fałdy, równoległe do osi kształtownika, znamienny tym, że podziałka (p), czyli odległość między sąsiadującymi ze sobą fałdami w kierunku prostopadłym do ich osi i znajdującymi się w tych częściach kształtownika, w których występują największe wartości naprężeń, jest 2 razy do 8 razy, a korzystnie 3 razy do 7 razy większa od grubości (t) ścianki kształtownika.

2. Kształtownik według zastrz. 1, znamienny tym, że podziałka (p), czyli odległość między osiami sąsiadujących ze sobą fałd wynosi od 3 mm do 8 mm, a korzystnie od 3,8 mm do 7,8 mm.

3. Kształtownik według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość (t) jego pofałdowanej części czyli odległość między obustronnymi stycznymi do jego powierzchni, równoległymi do osi kształtownika, jest 1,5 razy do 3 razy większa od grubości (t) jego ścianki.

4. Kształtownik według zastrz. 1, znamienny tym, że promień zaokrąglenia (R) przekroju poprzecznego jego fałdy (10) jest 0,5 razy do 3 razy większy od grubości (t) kształtownika, a korzystnie jest jej równy.

5. Kształtownik według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt środkowy odpowiadający zaokrągleniu przekroju poprzecznego dna fałdy (10) wynosi od 20° do 128°, a korzystnie od 70° do 100°.

6. Kształtownik według zastrz. 1, znamienny tym, że składa się ze środnika (2) połączonego obustronnie z dwoma poprzecznymi ramionami (3, 4).

7. Kształtownik według zastrz. 6, znamienny tym, że przynajmniej jedno z jego ramion poprzecznych (3, 4) jest zaopatrzone w układ fałd (10).

8. Kształtownik według zastrz. 6, znamienny tym, że przynajmniej jego środnik (2) jest zaopatrzony w układ fałd (10).

9. Kształtownik według zastrz. 6, znamienny tym, że układ fałd (10) jest usytuowany w sąsiedztwie miejsca zetknięcia środnika (2) oraz poprzecznych ramion (3, 4).

10. Kształtownik według zastrz. 6, znamienny tym, że jego ramiona poprzeczne (3, 4) wystają ze środnika (2) w tym samym kierunku.

11. Kształtownik według zastrz. 6, znamienny tym, że jego ramiona poprzeczne (3, 4) wystają ze środnika (2) w różnych kierunkach.

12. Kształtownik według zastrz. 6, znamienny tym, że jego środnik (2) jest płaski.

13. Kształtownik według zastrz. 6, znamienny tym, że jego środnik (2) jest zaopatrzony przynajmniej w jedną fałdę (10).