Металеві конструкції

ПОПЕРЕДНЬО НАПРУЖЕНІ БАЛКИ

Попереднє напруження є одним з найефектив­ніших способів зниження матеріаломісткості ба­лок. При цьому часто знижується і вартість. Найчастіше економія металу становить 10...20 %, вартість знижується на 5... 12 %. Напружені балки мають підвищену жорсткість, що дає змогу сут­тєво зменшити їхню висоту і відповідно об'єм будівлі.

Зазначеної ефективності найчастіше досяга­ють шляхом:

1) створення у перерізі балки напруженого стану, протилежного за знаком станові від зов­нішнього навантаження. Таким чином, при заван­таженні у балці спочатку компенсуються зусилля від попереднього напруження і лише після цього вона працює як звичайна. Це подовжує ділянку її пружної роботи;

2) використання високоміцних сталей у вигляді затяжок з пучків, тросів, канатів. Правильно діб­ране значення попереднього натягу зятяжок та­кож дає змогу зменшити прогин балки, тобто підвищити її жорсткість.

Методи попереднього напруження балок. 1. Вигин частин перерізу балки у напрямку, про­тилежному її прогину від зовнішнього наванта­ження, з подальшим з'єднанням цих частин в один переріз (рис. 5.21).

Після попереднього вигину і зварювання за­микального шва частини балки залишаються де­формованими, а в їхніх перерізах діють взаємно зрівноважені залишкові напруження, епюри яких зображені на рис. 5.21, в. Накладаючи на цей за­лишковий деформований стан напруження від зовнішнього навантаження (рис. 5.21, г), отри-

3. Високоміцні затяжки встановлюють у зонах, де діють найбільші напруження (рис. 5.23, а). Нижній пояс проектують значно меншим від верхнього, оскільки його частково замінює затяж­ка (рис. 5.23, б). При натягу затяжки зусиллям Nq на балку діє згинальний момент М = N0 • е, який зумовлює у перерізах балки нормальні на­пруження (рис. 5.23, е), протилежні напруженням від зовнішнього навантаження. Таким чином, до­сягають не лише розвантаження балки, а й змен­шення нормальних напружень у її перерізах. Балка має зайвий зв'язок (затяжку) і тому є ста­тично невизначеною. Розраховуючи таку балку, доцільно за невідоме приймати зусилля у затяжці. При обчисленні прогинів враховують вигин балки від попереднього натягу затяжки.

У багатопролітних нерозрізних балках, врахо­вуючи, що поблизу опор діють також значні зги­нальні моменти, затяжки встановлюють не тільки у прольотах, але й над опорами відповідно до ха­рактеру епюри згинальних моментів.

Муємо у перерізах такий розподіл напружень, який відповідає шарніру пластичності (рис. 5.21, б). Тобто міцність матеріалу всього перерізу вико­ристовується повністю, без його пластичного де­формування, яке супроводжується надмірними прогинами. Таким чином вдається не лише зеконо­мити матеріал, а й підвищити жорсткість перерізу.

2. Метод попереднього напруження перемі­щенням опор найчастіше використовують у не­розрізних конструкціях мостів. Переміщують опо­ри (на рис. 5.22 опускають крайні) таким чином, щоб у зонах дії максимальних згинальних момен­тів від зовнішнього навантаження створити про­тилежні за знаком зусилля. При додаванні зги­нальних моментів від зовнішнього навантаження (рис. 5.22, а) і від переміщення опор (рис. 5.22, б) відбувається вирівнювання значень згинального моменту по довжині балки (рис. 5.22, е), що спро­щує конструювання і дає змогу зменшити висоту перерізу.

5.8.3. БАЛКИ З АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ

Передумовою ефективного використання алюмі­нієвих сплавів є зменшення маси конструкцій та витрат, зумовлених транспортуванням і монта­жем. їм властива майже утричі нижча густина порівняно зі сталлю. Водночас для цих сплавів

WT

---------------------- *----

Mn

Мл

Wg+Мд

'чищи*

^м

Рис. 5.22. Напруження балки переміщенням опор: а — розрахункова схема балки та епюра згинальних моментів від зовнішнього навантаження; б — схема переміщення опор та епюра згинальних моментів, зумовлених переміщеннями; в — сумарна епюра.

Характерний значно нижчий (майже утричі) мо­дуль пружності. Як наслідок балки з алюмінієвих сплавів більше деформуються. Втрата стійкості як загальної (всієї балки), так і місцевої (окремих елементів перерізу) відбувається також при нижчих рівнях напружень.

Сортамент пресованих профілів з алюмінієвих сплавів має обмежену висоту (найчастіше до 400 мм). Тому доводиться раніше переходити на складені перерізи. Водночас алюмінієві сплави об­робляються значно легше, ніж сталь, що спрощує виготовлення балок.

Окремі елементи перерізу з'єднують між со­бою шляхом зварювання, а також болтами і за­клепками. Зварювання алюмінієвих сплавів по­требує менших енерговитрат, що пояснюється нижчою температурою плавлення. Але не всі сплави можуть бути зварені. Добре зварюються такі сплави, як алюмінієво-магнієві, алюмінієво - марганцеві, високоміцні марок В, 1915 та інші. Сплав 1915 має також здатність гартуватися після зварювання при охолодженні на повітрі, що за­безпечує високу міцність зварних з'єднань без до­даткової термообробки.

Сплави, які не зварюються, з'єднують за до­помогою болтів і заклепок, виготовлених також з алюмінієвих сплавів. Використовують і сталеві болти. Але вони обов'язково мають бути захищені від корозії (наприклад, цинкуванням), оскільки у місці контакту залізо—алюміній спостерігається інтенсивна електрохімічна корозія.

Мінімальну та оптимальну висоту визначають так, як для сталевих балок. Тільки у (5.23) прий­мають значення коефіцієнта к = 1,6, а товщину стінки збільшують на 1...12 мм порівняно зі зна­ченнями, отриманими за формулою (5.24). Мето­дика перевірки міцності, стійкості та деформацій подібна прийнятій для сталевих балок.

Як ми зазначали, алюмінієві сплави мають ви­соку вартість та енергомісткість. Водночас вели­чезні запаси алюмінію у природі порівняно з за­лізом визначають перспективність його викорис­тання.

Приклад 1. Розрахунок металевих кон­струкцій балкової клітки робочого майданчика. Настил: варіант 1 — плоский металевий; варіант 2 — залізобетонний.

Вибір схеми балкової клітки з металевим настилом (варіант 1). Вихідні дані: крок колони у поздовжньому напрямку А = 18 м, у попереч­ному напрямку В = 6 м. Розмір майданчика в плані ЗАхЗВ = 3-18x3-6 = 54x18 м. Корисне тимчасове нормативне рівномірно розподілене на­вантаження рп = 22 кПа. Коефіцієнт надійності для тимчасового навантаження уу = 1,2. Матеріал конструкцій: настил — листова сталь С235 марки ВСтЗкп2 ГОСТ 380—71, балки настилу та до­поміжні балки — прокатні профілі зі сталі С235 марки ВСтЗкп2—1 ГОСТ 380—71, головні бал-
ки — листова сталь С255 марки 18Гпс, ГОСТ 23570—79.

Раціональну схему балкової клітки визначаємо шляхом техніко-економічного порівняння двох типів (нормального та ускладненого).

Розрахунок варіанта 1.1 (нормальний тип балкової клітки). Нормативне навантаження на 1 м2 настилу.

Дп = V„ + вп = 22 + 0,72 = 22,72 кПа,

Задане корисне тимчасове

Навантаження; дп = 0,04 ■ 1800 ■ Ю-2 = 0,72 кН/м2 — постійне нормативне навантаження від асфаль­тобетонної підлоги (0,04 м — товщина підлоги, 1800 кг/м3 — густина асфальтобетону).

Приймаємо, що граничне відношення прольоту настилу до прогину дорівнює 150.

Максимальне допустиме відношення прольоту сталевого настилу до його товщини з умови жорсткості за (5 1)

L,/t„ = (4 • 150/16) • (1 + (72 • 2,06 • 105/1504 х

Х (1 - 0,32) • 22,72 - 10~3) = 90,6.

Приймемо крок балок настилу а = 1 м (рис. 5.24, а). Прийнявши попередньо, що ширина поясів балок bf = 10 см, отримуємо розрахунковий проліт на­стилу lH = а — bf = 100 — 10 = 90 см.

Мінімальна товщина настилу

L

90

= 0,993 см = 9,93 мм.

90,6 90,6

Приймаємо t„ = 10 мм.

Оскільки настил працює на розтяг зі згином

К, "і

— = 90 < 300 , його приєднання до балок у

Місці стиків листів треба розрахувати на передачу зусиль розтягу, що припадають на одиницю дов­жини:

■ (1 - v2) • e ■ t

H-Y/-1 1 V2

MH

•(1 - 0,3^) • 2,06 • 10э - 10- 10

150

Де уf = 1,2 — коефіцієнт надійності для корис­ного навантаження.

Кріплення листів здійснюємо за допомогою ручного електродугового зварювання електрода­ми Е42 (rWf = 180 МПа, rwz = 0,45Run = 0,45 х х 350 = 157,5 МПа). Положення швів при зва­рюванні: нижнє fif = 0,7; рг = 1; ywf = ушг = 1. Розрахунковий катет швів, обчислений за наплав­леним металом:

= 1,95 • 10

0,246 F ~ 0,7 • 180 та межею сплавлення: 0,246 1 ~ 1,0-157,5

Приймаємо конструктивно з умови зварюва­ності

6 мм.

Розрахунок балки настилу. Рівномірно роз­поділене навантаження на один метр балки збирається зі смуга, ширина якої дорівнює кро­кові а балок настилу (рис. 5.24, а, позначена пунк­тиром площа).

Нормативне навантаження на 1 м довжини балки

Чп = (Рп + 9п + д„„) • а = (22 + 0,72 + 0,785) х

Х 1 = 23,5 кН/м,

Де 9„н = 0,01 ■ 7850 • 10~2 = 0,785 кПа — норма­тивне постійне навантаження від маси метале­вого настилу; 0,01 м — товщина настилу;

Густина сталі.

Балки настилу

________ q=28.09

Н Н М Н ♦ t Htf Гм Н < II t

А ________________________ В

^^ L 1=6000

Yb

L-18000

Рис. 5.24. До розрахунку балок настилу (варіант 1): а — схема балкової клітки (фрагмент); б — розрахункова схема балки настилу.

5.9. ЦЕНТРОВО-СТИСНЕНІ КОЛОНИ ТА СТОЯКИ

Колона складається з трьох елементів: оголовника -— конструктивного елемента, на який безпосередньо передаються опорні реакції конструкцій, що спираються на колону;

Бази — елемента, який передає зусилля ко­лони на бетон фундамента;

Стержня — основного конструктивного еле­мента, який передає навантаження з оголовника на базу.

Матеріалом металевих колон найчастіше є сталь. У минулому були поширені чавунні колони. Але маса таких колон велика. Окрім цього, з'єд­нання чавунних колон з іншими конструкціями складне. Алюмінієві сплави застосовують рідко через високу вартість матеріалу і низьку загальну та місцеву стійкість. За конструкцією колони мо­жуть бути суцільного перерізу та наскрізні.

5.9.1. СУЦІЛЬНІ КОЛОНИ

Найдешевшими є колони з прокатних широко - поличкових двотаврів (рис. 5.35, а), ширина пе­рерізу яких наближена до висоти. Звичайні дво­таври невигідні, тому що мала ширина перерізу спричинює їх низьку стійкість у площині, пара­лельній поличкам.

При великих навантаженнях (5000 кН і біль­ше) доцільні складені суцільні перерізи. Найпрос­тіші й економічніші зварні двотаври (рис. 5.35, б), які виготовляють на потокових високомеханізо - ваних та автоматизованих лініях.

Колони, як і балки,— найбільш поширені кон­струкції. Вони призначені для підтримання еле­ментів робочих майданчиків, перекрить, покрі­вель, трубопроводів, естакад, шляхопроводів то­що. Навантаженням для колон є опорні реакції конструкцій, що на них спираються. Далі ці зу­силля найчастіше передаються на фундаменти або, в окремих випадках, на нижче розміщені конструкції.

Кі. х - йа.' ' їх, кі. у - Vy'ly> (5.108) - геометричні довжини колони або її

0) ■Q

О)

XI

Tf HH

Рис. 5.36. Розрахунковий переріз двотаврової колони.

Менш економічно вигідними за витратами ме­талу, але простішими у виготовленні (особливо в умовах будівельного майданчика) є колони з про­катних профілів (рис. 5,35, е). Але через обме­женість сортаменту вони мають відносно невели­ку несучу здатність. З прокатних профілів мо­жуть компонуватися як відкриті, так і замкнені перерізи. Колони замкненого перерізу мають кра­щий зовнішній вигляд і близьку чи рівну загальну стійкість у всіх напрямках. Але їхні внутрішні поверхні недоступні для огляду і захисту від ко­розії. Тому при підвищеній агресивності зовніш­нього середовища внутрішній об'єм таких колон треба герметизувати, що найпростіше виконати у колонах з труб (рис. 5.35, г), але приєднання до них інших конструкцій є складним.

При великих навантаженнях і малих розра­хункових довжинах і розмірах перерізу (напри­клад, колони багатоповерхових висотних буді­вель) застосовують суцільні прямокутні перерізи, набрані з окремих листів, зварених між собою (рис. 5.35, д).

Легкі колони під невеликі навантаження мо­жуть бути виконані з гнутих профілів (рис. 5.35, е).

Добираючи суцільний переріз колони, заван­таженої осьовою силою N, у першу чергу виз­начають потрібну площу:

N

(5.106) Ф ' Ry ■ Yc

Для знаходження коефіцієнта поздовжнього зги­ну ф попередньо задаються гнучкістю X. Як свідчить досвід проектування, у першому набли­женні доцільно приймати X = 50...100 (що більше навантаження, то меншу гнучкість обирають).

Крім площі, обчислюють також потрібні ра­діуси інерції перерізу: ділянок між точками закріплення конструкціями перекрить, покрівлі або між зв'язками у відпо­відних площинах; |іх, р^ -— коефіцієнти зведення довжини, які приймають залежно від способу за­кріплення колони у відповідних площинах.

Найчастіше колону приймають защемленою у фундаменті та шарнірно з'єднаною з конструк­ціями перекриття. При шарнірному кріпленні обох кінців передбачають зв'язки, які забезпечу­вали б незмінність положення колони.

Знаючи потрібні значення площі та радіусів інерції перерізу, за сортаментом знаходять номер прокатного широкополичкового двотавра чи іншо­го профілю. Коли ж наявні у сортаменті профілі недостатні, переходять до складених перерізів. При цьому додатково обчислюють найменші зна­чення генеральних розмірів перерізу (рис. 5.3й):

H = h.. b = liL

А, а2

Де коефіцієнти а] і а2 відображають залежність між радіусами інерції та відповідними йому ге­неральними розмірами перерізу.

Значення коефіцієнтів а! і а2 кожного з видів перерізу змінюються у відносно вузьких межах. Так, для найпоширенішого двотаврового перерізу можна приймати а! = 0,43, а2 = 0,24; для труб аі = а2 = 0,35. Для інших профілів ці коефіцієнти приймають згідно з довідковою літературою.

За отриманими величинами А, Ъ і h компо­нують переріз. Для складеного двотаврового та подібних до нього перерізів з міркувань забез­печення технологічності з'єднань приймають h = b за більшою з величин.

Нормативні документи (СНиП Н-23-81[4]). Компо­нуючи переріз, доцільно основну масу металу зо­
середжувати у поличках. Це поліпшує загальну стійкість колони.

Запроектувавши переріз, перевіряють його з урахуванням фактичних геометричних характе­ристик А, іг, іу та гнучкостей X,., Ху.

Перевірка загальної стійкості описується фор­мулою

~ < , (5-113)

Де ф менше зі значень фх чи фу, отриманих відповідно за Л,. чи 'ку.

За наявності у перерізі значних ослаблень перевіряють також міцність колони:

^<Ryу, (5.114)

Коли ж умови не задовольняються, переріз збільшують. Доцільно збільшувати генеральні розміри перерізу. Порівняно з нарощуванням тов­щини поличок і стінки при незмінних основних розмірах це сприяє економії металу

Значні запаси стійкості (5.113) та міцності (5.114) свідчать про перевитрати металу і потребу зменшити переріз. Будь-яка зміна перерізу по­винна завершуватися перевіркою його міцності та стійкості.

Розміри поясних швів приймають конструк­тивно найменшими з умови зварюваності. У ко­лоні, яка працює на центральний стиск, усі час­тини перерізу напружені рівномірно і зусилля зсуву між окремими частинами перерізу відсутні. Невеликі зусилля зсуву з'являються при випад­кових ексцентриситетах прикладення осьової си­ли, деякій непрямолінійності осі колони, незнач­них поперечних навантаженнях. Саме тому поясні шви і приймають якнайменшими.

Рекомендуються односторонні шви. Лише у місцях приєднання балок, розпірок та інших еле­ментів у зоні передачі зусиль передбачають дво­сторонні шви, які виступають за контур при­кріплюваного елемента на 30/су з обох боків. Не допускається використання односторонніх швів у конструкціях групи І, експлуатованих у середньо - та сильноагресивних середовищах, і тих, що зво­дяться у кліматичних районах Іь І2, ІІ2, ІІз - hw

Гнучкі стінки з — > 2,2 необхідно підкріплю­єш

Вати поперечними ребрами, розміщеними на від­стані, не меншій за 2,5h одне від одного. В усіх випадках незалежно від гнучкості стінки в тре­тинах висоти колони чи її окремого відправного елемента конструктивно встановлюють ребра, що підвищують жорсткість колони проти випадкового скручування під час виготовлення, транспорту­вання чи монтажу

При використанні тонких широких поличок доцільно робити відгини, які є поздовжніми реб­рами жорсткості і забезпечують місцеву стійкість поличок (див. рис. 5.35, е).