РЕГУЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И УСИЛИЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ БАЛКАХ

В настоящее время аварийное состояние конструкций может возникнуть на любом этапе их возведения и эксплуатации.

Своевременное обследование конструкций и работы по их усилению, предотвращают множественное число аварий. Причинами этих аварий могут являться несовершенства технических знаний в тот момент, когда конструкции возводится и эксплуатируется. Наиболее действенными средствами продления срока нормальной эксплуатации конструкций и предотвращения их аварий, а также повышения несущей способности конструкций при изменившихся условиях работы, является регулирование напряжений и усиление элементов конструкций. В большинстве случаев регулированием напряжений можно достигнуть необходимой работы конструкции под изначально заданную нагрузку. Усиление и регулирование напряжений может быть выполнено как на начальной  стадии существования конструкций, так и на завершающей.

Существует большое количество способов предварительного напряжения и регулирования напряжений в балочных конструкциях. Применяют различные приемы по регулированию усилий, такие как:

1. установкой накладок и ребер;
2. установкой шпренгелей, изменением опорного сопряжения;
3. установкой затяжек вдоль нижнего пояса, при которой несущая способность балки может быть увеличена до 80 % при минимальных затратах материала.

Рисунок 1. Усиление ферм изменением статической схемы

1-усиливаемая ферма; 2-шпренгель; 3-затяжка; 4-натяжное устройство;5- еголок шпренгеля усиления;6-лист, уширяющий фасонку; 7, 8-стыковой и угловой сварные швы.

При усилении конструкций, находящихся под нагрузкой и изменяя напряженное состояние конструкции в различных диапазонах, можно добиться высокого эффекта от преднапряжения. В элементах крайние волокна сечения необходимо разгружать до нуля, а затем загружать до напряжений обратного знака, которые равны расчетному сопротивлению. В новых конструкциях такого эффекта не достигается. Однако при сравнении вариантов усиления конструкций необходимо учитывать, что на предварительное напряжение конструкций затрачивается дополнительная энергия и требуется контроль величин натяжения затяжек.

Рисунок 2. Усиление конструкций, находящихся под нагрузкой

При разработке проектов усиления изгибаемых элементов следует учитывать следующие требования:

· перед усилением временной нагрузки и части постоянных нагрузок, необходимо предусматривать максимальную разгрузку балок;

· в тех случаях, в которых требуется усиление по расчету, необходимо ограничивать объем работ по усилению участками;

· использовать такое усиление, при котором подобранные минимальные сечения дополнительных деталей позволяют максимально увеличить геометрические характеристики усиливаемых сечений;

· предусматривать незначительный объем сварки в потолочном положении;

· во избежание сварочных деформаций, увеличивающих прогиб необходимо производить усиление определенной последовательности.

Предварительно напряженными конструкциями называются, те конструкции, в которых напряжения от расчетной нагрузки суммируются с дополнительными напряжениями, искусственно созданными различными способами в период изготовления, монтажа или эксплуатации конструкции. Необходимо учитывать, что неточности изготовления монтажа не напряженных конструкций вызывают дополнительные напряжения, которые  не учитываются расчетом, и могут повысить, а в некоторых случаях и понизить несущую способность. Таким образом, создается ненамеренное предварительное напряжение конструкций, что отражается и на несущей способности.

Способы создания предварительного напряжения конструкций подразделяют на группы:

-упругое деформирование (растяжением, сжатием, выгибом) отдельных частей конструкций с последующим их соединением в общую конструкцию большей жесткости, чем суммарная жесткость отдельных частей;

-установка затяжек из канатов, арматуры и других элементов из высокопрочных сталей;

-установка шпренгелей из стержневой арматуры;

-введение распорных систем.

Рисунок 3 Распорные системы

При реконструкции зданий широко используется усиление систем предварительно напряженными затяжками. Положительным моментом при установке затяжек является то, что практически не уменьшается полезный объем помещения, и монтаж ведется без остановки производственного цикла. Затяжки используют шпренгельные, горизонтальные и комбинированные.

В рабочей арматуре усиливаемой балки напряжения увеличиваются пропорционально и достигают расчетного сопротивления одновременно, также как при неполном преднапряжении, так и надежной заанкеровке затяжки. В этом случае балка, усиленная затяжкой, превращается из изгибаемого элемента во внецентренно сжатую комбинированную систему, напряженное состояние которой является функцией нескольких параметров, в том числе и усилия предварительного обжатия затяжкой.

Рисунок 4. Балка, усиленная затяжкой

1-усиливаемая балка, 2-затяжка

Работа по усилению может производиться в следующей последовательности:

1) заготовка деталей усиления: стальные стержни, натягивающие гайки, анкерные устройства;

2) максимальная разгрузка перекрытия в зоне усиления балки;

3) монтаж элементов конструкции усиления, т.е. производится натяжение затяжки механическим или электромеханическим способом;

4) покраска элементов конструкции усиления защитными покрытиями: эмалью, перхлорвиниловым лаком и др.

Задачей ниже описанного исследования является изучение аварийного состояния конструкций, при котором необходимо произвести регулирование деформаций и усилий в металлических балках. Рассмотрен конкретный пример усилия металлической балки предварительно напряженной затяжкой.

Рисунок 5. Однопролетная двухопорная балка.

Исследуем напряженное состояние однопролетной двухопорной балки без учета ее усиления. Балка загружена равномерно распределенной нагрузкой, в которой наибольшее значение изгибающего момента будет возникать в середине пролета. Наибольшее напряжение вычисляется как отношение наибольшего изгибающего момента к осевому моменту сопротивления по оси у:

Рисунок 6. Эпюры напряжений балки

В работе для усиления и регулирование усилий балки устанавливаем затяжку вдоль нижнего пояса. Длина затяжки составляет расстояние между опорами балки и затяжки , где  пролет балки.

Рисунок 7. Балка, усиленная затяжкой

Из построенной эпюры внутренних усилий видно, что изгибающий момент в середине пролета будет много меньше, чем изгибающий момент в месте установки затяжки.

Рисунок 8. Эпюры внутренних усилий в балке усиленной затяжкой

Исследуя напряженное состояние балки усиленной предварительно напряженной затяжкой, добиваемся того, чтобы напряжения в середине в местах установки затяжки были практически одинаковыми. Рассчитываем напряжение по условиям прочности:

где  – равномерно распределенная нагрузка, ;

 – пролет балки, м;

 – расстояние от конца балки до затяжек, м;

 – расстояние от оси до оси затяжек (вертикальное расстояние), м;

 – нормальное усилие, кН;

 – площадь поперечного сечения балки, м²;

 – осевой момент сопротивления по оси , м³.

Из условия выравнивания напряжений в сечениях  и  определяем нормальное усилие , которое обеспечивает равенство:

 обеспечивает

Так как система с установленной затяжкой статический неопределима, то усилия  (усилия в затяжках до натяжения) определяются с помощью частного случая систем канонических уравнений метода сил:

где  – «единичный» коэффициент, т.е. перемещение в направлении отброшенной связи, созданное усилием , направленным вдоль связи;

 – грузовой коэффициент, т.е. перемещение в направлении отброшенной связи, созданной нагрузкой

Рисунок 9. Эпюры момента и нормальных усилий в балке и в затяжке

Определяем «» единичный коэффициент, т.е. перемещение в направлении отброшенной связи и грузовой коэффициент «». После вычисления определяем преднапряжения затяжки и строим график зависимости между  и коэффициентами  и .

Задаемся численными значениями геометрических параметров:

Проведен численный анализ при следующих данных:

•  от  до  кН;
•  от  до ;
•  от  до .

Рисунок 10. График зависимости ,  и

Как следует из графика зависимости ,  и : наилучшее расположение уголков с затяжкой при наименьшей силе натяжения, т.е. при  и

Проведя анализ и расчет двух состояний, с усилением и без усиления, металлической балки, мы выявили, что напряжение в балке и в затяжках практически одинаковы. Балка превращается из изгибаемого элемента во внецентренно сжатую комбинированную систему, напряженное состояние которой является функцией нескольких параметров, в том числе и усилия предварительного обжатия затяжкой.

Список литературы:

1. Пособие по проектированию усиления стальных конструкций (к СНиП II-23-81*) Стройиздат, 1989.
2. СНиП II-23-81. Стальные конструкции
3. А.Г. Тахтамышев Металлические конструкции: Учебник для техникумов по специальности "Промышленное и гражданское строительство", Москва: Высшая школа,1963.
4. Ребров. Усиление стержневых металлических конструкций, 1988.
5. Кикин А.И., Васильев А.А., Повышение долговечности металлических конструкций промышленных зданий, Стройиздат, 1984.
6. Бельский М.Р. Усиление металлических конструкций под нагрузкой, Киев, 1975.
7. Веденикова Г.С. Металлические конструкции: Общий курс: Учебник для вузов / М.: Стройиздат, 1998.
8. Кудишин Ю.И., Беленя Е.И. Металлические конструкции, Академия, 2007.
9. Москалев Н.С., Пронозин Я.А. Металлические конструкции: Учебник. – М.: Ассоциации строительных вузов, 2008.
10. Митюгов Е.А. Курс металлических конструкций: Учебник. – М.: Ассоциации строительных вузов, 2008.
11. Гвоздов В.Т. Усиление строительных конструкций при реставрации зданий и сооружений, 2005.
12. Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций,1991
13. Хило, Е. Р., Попович Б. С. Усиление строительных конструкций, Львов, 1985
14. Бадьин Г. М., Таничева Н. В. Усиление строительных конструкций при реконструкции и капитальном ремонте зданий, Ассоциации строительных вузов,2013.