Выполнили Притчин Д.А., Гайфуллина К.В., Баглаева Т.К., Ганиева Н.К. гр. СТ-470001
Предварительно напряженными называются конструкции, в которых напряжения от расчетной нагрузки складываются с дополнительными напряжениями, искусственно созданными различными способами в период изготовления, монтажа или эксплуатации конструкции. В отличие от обычных, где напряжения возникают только от расчетной нагрузки, в сечениях предварительно напряженных конструкций принудительно создаются новые напряжения либо до работы конструкции, либо в период ее работы под нагрузкой. При этом напряжения в наиболее загруженных сечениях имеют чаще всего другой знак, чем от нагрузки.
В результате создания предварительных напряжений область упругой работы материала и его несущая способность увеличивается. Сначала погашаются предварительные напряжения, а затем прорабатывается расчетное сопротивление R материала. Усилие, воспринимаемое предварительно напряженным элементом, равное, больше усилия, воспринимаемого тем же элементом без предварительного напряжения.
при создании предварительных напряжений, обратных по знаку напряжениям от нагрузки, возможно повышение несущей способности в элементах уменьшение величины прогиба предварительное напряжение дает экономию стали в балках, рассчитанных по упругой стадии, до 15-18%, а в балках, рассчитанных с учетом развития пластических деформаций, - до 23%, опытное проектирование показало, что в предварительно напряженных фермах пролетом 40-60м можно получить экономию металла до 30-40% сложность и трудоемкость изготовления, а также использование более дорогостоящего материала для затяжек Предварительное напряжение целесообразно только в том случае, если эффект, получаемый в результате предварительного напряжения, полностью окупает затраты на его создание.
Так же, как и обычные, предварительно напряженные конструкции рассчитывают по первому и второму предельным состояниям ( по прочности и устойчивости ) а при наличии непосредственно действующих на конструкцию вибрационных нагрузок - по выносливости ( первое предельное состояние ), а также по деформациям и перемещениям ( второе предельное состояние ). Более подробно на расчетах остановимся чуть позже.
Первая группа - конструкции, в которых предварительное напряжение применяется для повышения прочности или устойчивости. При этом следует различать 2 подгруппы таких конструкций: конструкции с присоединением одной или нескольких затяжек из стали более прочной, чем основной металл ; конструкции, изготовленные из элементов одинаковой прочности, преднапряжение которых осуществляется путем выгиба элементов в сторону, противоположную прогибу от эксплуатационной нагрузки с последующей их сваркой.
Вторая группа - конструкции, в которых предварительное напряжение воздействует на 2-ое предельное состояние, увеличивая жесткость отдельных стержней или всей системы, а также их выносливость. Здесь следует различать подгруппы 1; 2 (см. выше) и 3, в которой весь материал является высокопрочным (вантовые преднапряженные конструкции). Третья группа - конструкции, объединяющие свойства первых двух групп. Четвертая группа - конструкции, в которых используется наклеп.
Обжатие отдельных растянутых, сжатых и изгибаемых стержней и целых элементов (балок, ферм, арок, рам) затяжками различного вида из высокопрочных материалов Предварительный упругий выгиб отдельных элементов с последующей сваркой их в изогнутом состоянии в цельный конструктивный элемент(балку) Предварительная вытяжка целых элементов или отдельных их стержней в целях увеличения области упругой работы материала Принудительное смещение опор конструкций (неразрезных балок, рам, арок) на монтаже с целью перераспределения моментов или получения в стержнях усилий обратного знака по отношению к усилиям от внешней нагрузки
Временная загрузка в процессе монтажа отдельных элементов конструкций (консолей или отдельных пролетов) или всей конструкции (оболочки) с последующим закреплением конструкции под нагрузкой для рационального распределения усилий и повышения ее жесткости Создание предварительного напряжения в прокатных профилях путем завальцовки в них предварительно натянутой высокопрочной проволоки Создание предварительного напряжения вантовых систем для обеспечения их жесткости и способности воспринимать сжимающие усилия Предварительное натяжение отдельных гибких стержней (тросы, пучки проволоки, арматура) с целью восприятия ими сжимающих усилий Способы создания предварительного напряжения
Рекомендуется применять конструкции с созданием предварительного напряжения на заводе-изготовителе или на монтажной площадке, но лишь при укрупненной сборке ; конструкции, установленные на место, могут подвергаться однократному или многократному напряжению ; правильность положения напрягающего элемента должна быть обеспечена конструктивными мероприятиями и тщательно выверяться; при предварительном напряжении конструкций в условиях большого перепада температуры порядка 60-50°С учитывается температурное влияние; должна исключаться возможность возникновения в конструкции значительных дополнительных усилий, не предусмотренных расчетом и ухудшающих ее работу.
Напрягающие элементы (затяжки) предварительно напряженных стальных конструкций могут изготавливаться из высокопрочной стали в виде отдельных стержней, прямолинейных, криволинейных или петлевидных пучков проволоки и канатов. Виды напрягаемых элементов: Стержневые Пучковые Канатные Затяжка
а,б ) стрежневые, в) пучковые, г,д ) канатные (двух- и трехпрядевые )
Натяжение напрягающих элементов рекомендуется производить: a) стержневых - механическим способом (динамометрическими гаечными ключами, тянущими стержневыми гидравлическими домкратами) или электротермическим способом; б) прямолинейных пучков - гидравлическими домкратами; в) коротких петлевидных пучков стальных балок - непрерывной навивкой на поворотных столах при изготовлении конструкций на заводе: г) мощных длинных петлевидных пучков – специальными установками с применением толкающих гидравлических домкратов; д) напрягающих элементов из канатов – гидравлическими тянущими или толкающими домкратами или специальными установками. Для более подробной информации можете ознакомиться с каждым видом натяжения в отдельности.
Нагрузки, действующие на предварительно напряженные конструкции, согласно СП20.133330.2016 подразделяются на постоянные, временные длительные, кратковременные и особые. Постоянные нагрузки: Собственный вес несущих и ограждающих конструкций Нагрузка от усилия предварительного напряжения Временные длительные нагрузки: Вес подвесного оборудования (в соответствии с технологическим назначением здания) Кратковременная нагрузка: Ветровая Снеговая Следует учитывать, что висячие системы (в отличие от известных традиционных конструкций), являются более деформативными, и в них кроме упругих деформаций появляются кинематические перемещения, возникающие дополнительно при асимметричных загружениях. Такие дополнительные перемещения проявляются, как правило, при действии отдельных видов кратковременных нагрузок.
Предварительно-напряженные конструкции появились в 30-е годы сначала в рамных системах, мостах и мачтах, а затем распространились на балки, фермы, вантовые и висячие системы. Мачты и башни - яркий пример предварительно напряженных конструкций, у которых оттяжки растянуты, а ствол сжат (рисунок а). Натяжение оттяжек уменьшает их провисание и дает возможность повысить жесткость мачты в горизонтальном направлении и, следовательно, снизить величину отклонения верхушки мачты от вертикали до заданной по условиям эксплуатации величины. При большой высоте мачт может быть введена дополнительная система предварительно натянутых оттяжек (рисунок б), повышающих жесткость сооружения.
Шпренгельная предварительно напряженная конструкция ствола - отдельные ярусы ствола между оттяжками состоят из трубы, укрепленной четырьмя шпренгелями из высокопрочной проволоки. оттяжки имеют предварительное натяжение, благодаря чему воспринимают сжимающие усилия при изгибе ствола от действия ветровых нагрузок и в момент потери устойчивости.
Радиобашни Высотой 150-200 м и более имеют предварительно напряженную крестовую решетку. Раскосы выполняют из круглой стали и натягиваются муфтами с двойной нарезкой, входящими в состав раскосов. в результате раскосы приобретают способность воспринимать сжимающие усилия, и при действии горизонтальной ветровой нагрузки поперечную силу воспринимают обе системы раскосов, что повышает жесткость башни. Мачты и башни
Хорошие показатели по расходу металла и эксплуатационным качества (жесткости) имеют опоры ЛЭП с предварительно напряженными оттяжками. Благодаря предварительному напряжению оттяжки могут работать не только на растяжение, но и на сжатие, что существенно повышает жесткость опор. Мачты и башни
Балки, предварительно напряженные высокопрочными затяжками, являются широко известными элементами металлических конструкций. Основная идея создания предварительного напряжения в балках с затяжками заключается в том, что создаются дополнительные линии передачи усилий растяжения в зоне, расположенной около растянутого пояса. Они играют роль дополнительных поясов. Высокопрочные затяжки могут быть расположены по всей длине балки ил и на части ее длины. Количество таких затяжек также может варьироваться в зависимости от геометрических параметров балок и условий их напряженного состояния. Затяжка
Сечения балок могут быть одностенчатыми, либо двустенчатыми. Более выгодны сечения несимметричные с меньшей площадью растянутого пояса, разгружаемого затяжкой. В таких сечениях можно добиться наиболее полного использования несущей способности материала из условия равенства краевых напряжений поясов расчетному сопротивлению материала при действующей расчетной нагрузке. Напряжение в затяжке при этом должно быть также равно расчетному сопротивлению материала затяжки. Предварительно напряженные балки с затяжками
Работа предварительно напряженных балок разбивается на два этапа. На первом из них создается предварительное напряжение, для чего в проверочных затяжках с помощью различных устройств создается начальное усилие Х. Такое усилие вызывает равномерное напряжение сжатия в сечении и напряжение изгиба с, противоположное по знаку напряжению от действия внешней нагрузки (рис. 2.15). Здесь А и J - площадь поперечного сечения и момент инерции балки соответственно. На втором этапе прикладывается внешняя нагрузка, под действием которой в затяжке возникает дополнительное усилие самонапряжения Х 1. Это усилие вызывает в сечении балки напряжения и обратные по знаку напряжениям от внешней нагрузки.
Для обеспечения несущей способности балки при работе в упругой стадии должны выполняться следующие условия: a) для сжатого (от действия внешней нагрузки) волокна б) для растянутого волокна в) для затяжки где М - изгибающий момент от действия нагрузки; и - соответственно моменты сопротивления балки для сжатого (от действия нагрузки) и растянутого волокон сечения; - площадь поперечного сечения затяжки; и - соответственно расчетные сопротивления материалов балки и высокопрочной затяжки; - коэффициент безопасности по материалу. Расчет предварительно напряженной балки по 1 группе ПС
Если балка при предварительном напряжении и под поперечной нагрузкой работает в упругой стадии, то ее прогиб и выгиб определяют обычными способами строительной механики. Так, для балок с прямолинейной затяжкой, расположенной на части длины пролета, выгиб от предварительного натяжения затяжки может быть найден по формуле где - отношение расстояния от опоры до упора затяжки к длине пролета. Точно так же определяют выгиб от усилия самонапряжения суммарного усилия в затяжке. Прогиб от нормативной нагрузки находят как для обычной балки, а затем выполняют проверку расчетного прогиба по формуле (рис. 15. 14) Индекс n здесь и на рис. 15.14 обозначает нормативное значение нагрузки. Рекомендуется также проверять и обратный выгиб балки от усилия предварительного натяжения затяжки, ограничивая его величиной предельного прогиба, установленного нормами для данного класса конструкций. Расчет предварительно напряженной балки по 2 группе ПС
В результате суммирования предварительного напряжения с напряжениями от внешней нагрузки, происходит более эффективное использование резервов несущей способности материалов. Использование предварительного напряжения позволяет снизить расход стали на 15-18% (при упругой работе) и на 19-23% (при упругопластической работе), а также сократить стоимость на 8-14% Необходимо учитывать, что в местах прикрепления затяжки на балку действует значительная сосредоточенная сила, учет которой требует выполнения усиления зоны прикрепления. Работа балок может рассматриваться в упругой стадии, а так же может допускаться ограниченное развитие упругопластических деформаций. При этом различают два случая работы балок, в первом из которых развитие пластических деформаций происходит только при работе балок под нагрузкой, во втором - развитие пластических деформаций происходит уже в стадии предварительного напряжения.
Пятипролетный мост через р. Томь у г. Новокузнецка Пятипролетный мост через р. Дон у г. Ростова
Фермы, предварительно напряженные высокопрочными затяжками, также подразделяются на две большие группы: однопролетные разрезные (рис. 2.16) и многопролетные неразрезные (рис. 2.17). В свою очередь, в однопролетных фермах предварительное напряжение может создаваться для отдельных стержней (рис. 2.16. а), для группы стержней прямолинейными затяжками на всю длину или часть нижнего пояса, а также криволинейными затяжками.
Для повышения несущей способности конструкции может быть использовано многоступенчатое предварительное напряжение, при котором предварительное напряжение и загружение конструкции производятся в несколько циклов. Линия 1 отражает работу фермы при предварительном напряжении до загружения (т. е. Работу в один цикл). Линия 2 - при предварительном напряжении после частичного загружения. Повторяя аналогичным образом ступенчатое нагружение и предварительное напряжение, можно получить наибольший эффект. После нескольких таких циклов суммарная нагрузка ( ∑P2 ) может быть в несколько раз больше нагрузки Р1, которую выдерживает конструкция без предварительного напряжения.
Фермы, напрягаемые с помощью затяжек, являются статически неопределимыми системами, для которых нельзя разделить два основных этапа расчета - статический расчет и подбор сечений. Усилия в системе зависят от соотношения жесткостей элементов, а значит, и от соотношения площадей сечений (продольная жесткость стержня есть произведение площади сечения на модуль упругости материала стержня АЕ ). Расчет можно выполнить итерационным путем, чередуя статический расчет с подбором сечений. Особенность предварительно напряженных ферм состоит в том, что для их расчета необходимо определить еще одно дополнительное неизвестное - усилие начального натяжения затяжки. Вместе с тем это же является и дополнительной возможностью регулирования усилий и деформаций в системе. «Металлические конструкции. Том 3. Специальные конструкции и сооружения» под ред.Горева В.В.
Одним из первых примеров применения крупных предварительно напряженных конструкций были фермы покрытия ангара (рис. 15.21) в Мельсброке (Бельгия). Экономия металла составила 12% и стоимости - 6%. Двухпролетный ангар в Алма-Ате перекрыт полигональными фермами пролетом 84 м с шагом 12 м. Очертание фермы близко к квадратной параболе, что приближает ферму к арке с затяжкой. Решетка фермы мало загружена. Предварительное напряжение нижнего пояса оказалось высоко эффективным: массу фермы удалось снизить на 14%.
Интересное решение найдено в проекте покрытия ангара для Чикагского аэропорта размерами в плане 127,7х60,3 м с предварительно напряженными фермами, имеющими консольный вылет на 42 м (рис. 15.23). Шаг ферм 12 м. Каждая ферма напряжена шестью затяжками, установленными надопорным узлом консоли вдоль верхнего пояса. Предварительное напряжение позволило снизить массу ферм на 12%. Примеры применения ферм
Решения шпренгельных систем позволяют уменьшить величины изгибающих моментов в сжато-изогнутом верхнем поясе и упростить технологию создания предварительного напряжения.
В рамных конструкциях можно применять предварительное напряжение натяжением затяжек, смещением опор, либо одновременно обоими способами. Наиболее эффективно предварительное напряжение большепролетных рам, несущих значительную нагрузку. В таких рамах можно разгрузить большепролетный ригель и существенно снизить общий расход металла на конструкцию.
В арках усилие распора создает разгружающий момент. Распор воспринимается опорами или затяжкой. Применение в качестве затяжек высокопрочных гибких элементов создает предпосылки для эффективного предварительного напряжения арочных систем. Предварительное напряжение увеличивает распор и позволяет полноценно включить гибкие высокопрочные затяжки с относительно малой продольной жесткостью в работу системы. Предварительно напряженные конструкции прочих видов
Предварительное напряжение пространственных конструкций типа структур и перекрестных балочных систем осуществляется также либо с помощью пространственных систем затяжек (вант), либо смещением некоторых опор. Весьма эффективен способ создания предварительного напряжения в структурных плитах- подкрепление их шпренгельными системами с заданными начальными усилиями в затяжках. Предварительно напряженные конструкции прочих видов
Однопоясные висячие покрытия включают в себя несущие гибкие стержни или тросы, на которые уложены плиты покрытия или настила с теплоизолирующими и гидроизолирующими элементами кровли. Для зданий прямоугольного плана в качестве опорной конструкции выгодно использовать рамный каркас, у которого в плоскости покрытия имеется распределительная ферма или балка-плита, предназначенная для крепления вантовых стержней и восприятия распора.
Для зданий круглых или эллипсообразных в плане круглое или эллипсообразное опорное кольцо, как правило, работает на сжатие и воспринимает распор от тросов. Различают две основные формы таких покрытий - вогнутую (рис.2. 32) и шатровую (рис. 2.33). Однопоясные висячие системы
Другим решением таких систем являются покрытия с изгибно-жесткими нитями (рисунок 2.35). Нити выполняются в виде изогнутых сварных или прокатных двутавровых профилей (рис. 2.35) или в виде изогнутых или прямолинейных ферм (рисунок 2.36). Однопоясные висячие системы
- системы, которые состоят из двух гибких нитей, расположенных друг над другом, связанных между собой распорками или растяжками и совместно работавшими на восприятие внешних нагрузок. Двухпоясные висячие системы
Принципиальные вопросы расчета предварительно напряженных конструкций всех видов решаются аналогично тем же вопросам, которые мы рассмотрели для балок и ферм. Строительство «Волгоград-арены» Расчет предварительно напряженные конструкции прочих видов Стержневые конструкции со сплошными элементами (арки, рамы) рассчитывают аналогично балкам с вынесенными за габариты конструкции затяжками. Пространственно-стержневые системы типа структур могут быть рассчитаны в общей схеме так же, как и пространственные фермы.
Киевский Национальный спортивный комплекс «Олимпийский»
Ледовый дворец «Айсберг» в г.Сочи
Международный терминал Ватерлоо, Лондон
Гайдаров Ю.В. Предварительно напряженные металлические конструкции. 1971 Михайлов В.В. Предварительно напряженные комбинированные и вантовые конструкции. 2002 Горев ВВ "Металлические конструкции" (том 3) 2002 г Беленя Е.И. Предварительно напряженные металлические несущие конструкции.
