Конструкторське бюро "Топінженер" - Попередньо-напружені балки
Навіщо потрібні попередньо-напружені балки? Відповідь проста: за рахунок їх попередньої напруги зменшуються витрати металу на виготовлення балки в середньому на 10 - 20 відсотків, та й вартість самої установки стає дешевшою на 12 відсотків. Додамо до цього зниження висоти будівельних опор та кращий розподіл матеріалу по довжині балки. Результативність попередньої напруги полягає в тому, що при складанні конструкції в ній створюються напруги, зворотні за знаком напруги від навантаження. Тобто під час експлуатації конструкції ця напруга буде задіяна в першу чергу, і тільки після того, як вони досягнуть ліміту сприйняття навантаження, навантаження почне сприймати матеріал. Попередня напруга збільшує тривалість пружної роботи матеріалу, з якого виконана основна частина конструкції, і зменшує вартість попередньо-напружених балок, так як високоміцні матеріали для них частково можуть замінити основний матеріал конструкції і вони дешевші за конструкційну сталь.
Вартість однієї тонни сталі (питома вартість) зменшується із підвищенням міцності сталі.
Створення попередньої напруги у балках
Існує кілька методів створення попередньої напруги в опорних брусах. По-перше, попередня напруга з'являється за рахунок вигину окремих елементів у межах їх роботи на пружність, у спрямованості, зворотній їх прогину під вантажем з подальшим зчленуванням вигнутих компонентів між собою поздовжніми швами. Коли брус звільняється від вимушеного зламу, у ньому залишається попередня напруга, протилежна напрузі від навантаження.
Що стосується нерозрізних балок, то їхню напругу отримують за рахунок примусового вертикального переміщення точок їхопори. Такий спосіб добрий при зведенні балкових мостів. Він зменшує розрахунковий момент у середині відстані між сусідніми опорами та збільшує моменти на середніх опорах, за рахунок чого матеріал перерозподіляється по довжині прольоту.
У більшості випадків попередня напруга здійснюється за допомогою міцного стягування, яке знаходиться поблизу розтягнутого пояса опорних брусів. Якщо це розрізна балка, то затяжку розташовують у середній частині нижнього пояса, у нерозрізних балках – у прольотах біля нижнього пояса та у зонах верхнього пояса біля проміжних опор.
Високотривале стягування робить балку найбільш стійкою. При зовнішньому навантаженні несуча здатність опорних брусів збільшуєтеся з двох причин. По-перше, спочатку вичерпується попередня напруга, за рахунок цього підвищується площа пружної роботи матеріалу опорних брусів. По-друге, опорні бруси із затяжкою працюють як стійка статична система, збільшують напругу в затяжці (воно складається з попереднього натягу і самонапруги під вантажем), врівноважуються натугами від напруги, що стискають в балці. Це збільшує момент внутрішніх сил, що врівноважують частину зовнішнього моменту, що згинається. Сумарне зусилля, що розтягує, в затяжці дозволяє виготовляти затяжку з дуже міцних матеріалів, будь то сталеві канати або дріт. Як проходить попередня напруга однопрогонових балок, що використовують високоміцну затяжку? Як правило, в опорних брусах використовують несиметричний розріз із зменшеним нижнім поясом, тому що затягування наполовину замінює його роботу. Нижній пояс виконується з листа або профільного металу, за рахунок чого покращується стиснення пояса під час попередньої напруги.
Затягування скріплюють анкерними кріпленнями на кінцях у виглядіколодки з пробкою, склянок, що заповнюються легкоплавким матеріалом, склянок з клинами. Затяжки розміщують поруч із нижнім поясом. Їх легко можна пропустити через пристрої, які приварені до пояса балки на відстані одного-двох метрів один від одного. У результаті створюються умови для скріплення стисненого внаслідок попередньої напруги нижнього пояса для збереження його стійкості. Довжину затяжки роблять менше довжини балки і розташовують її під зонами, де розріз балки без попередньої напруги не може сприймати розрахунковий момент, що діє в цих зонах, від зовнішнього навантаження. У місця анкерного з'єднання затягування подаються чималі сили, які викликають велику напругу в стінці та поясі балок. Додатково поставлені ребра жорсткості і спеціальні упорні пластини посилюють стінку опорних брусів.
Розрахунок попередньо-напружених балок
Розрахунок балки в найнапруженішому розрізі (зазвичай у половині відстані між сусідніми опорами) здійснюється у два етапи. Прикладаємо зусилля до балки X від затягування, потім піддаємо балку стиску поза центром, при цьому напруженим виявляється її нижній пояс. Сила напруги X буде обмежена стійкістю цього пояса. Коли балка перебуватиме під навантаженням, то попередня напруга в ній буде вичерпана, а в добре підібраній балці зусилля в поясах і затяжці прагнутимуть своїх розрахункових опорів. Як дізнатися, що вибір перерізу балки обрано правильно? Це буде залежати від можливості приймати великий момент, що згинається при заданій площі перерізу. Прогин балки в середині прольоту вираховують, виходячи з дій нормативних навантажень та згідно з інструкцією з проектування попередньо-напружених конструкцій. Відлік прогину починається від хорди, що з'єднує стійки балки.Також слід враховувати зворотний вигин балки від зусиль попереднього натягу і від самонатягу затяжки. Необхідно при цьому перевірити стінки попередньо напружених балок; в окремих випадках – пластичні зміни у самій балці. Деформації в затяжці не допускаються, а в попередньо напружених опорних брусах деформації обмежені умовами звичайних балок.
Попередня напруга балок з алюмінієвих сплавів сталевими затяжками дає більший результат, ніж у сталевих балках, через більший модуль пружності і меншу ціну сталевої затяжки. Щоправда, є й істотний недолік – менша стійкість балки та її зусиль температур, що виникають внаслідок коефіцієнтів лінійного розширення алюмінію та сталі.