Какие элементы железобетонных ферм выполняются предварительно напряженными

Расчет предварительно напряженных железобетонных ферм методом конечных элементов с учетом физической нелинейности Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Агапов В.П., Айдемиров К.Р.

Рассматривается методика расчета предварительно напряженных железобетонных ферм с учетом физической нелинейности . Предварительное напряжение моделируется за счет задания температурного воздействия на арматуру стержней. Приводятся расчетные формулы, позволяющие определить необходимое для достижения заданного уровня предварительного напряжения значение температуры. Используемый авторами алгоритм нелинейного расчета основан на разработанной ранее и внедренной в вычислительный комплекс ПРИНС методике физически нелинейного расчета железобетонных ферм без предварительного напряжения арматуры. В качестве примера рассматривается расчет предварительно напряженной фермы на двух опорах с полигональным очертанием верхнего пояса. Нагрузка прикладывается в виде сосредоточенных сил в узлах верхнего пояса. Для всех стержней принята одинаковая площадь поперечного сечения и одинаковый коэффициент армирования. Нагружение температурой осуществлялось за один шаг, а нагрузка прикладывалась частями, равными одной десятой части от номинального значения. Приводятся и анализируются результаты расчета.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Агапов В.П., Айдемиров К.Р.

Применение метода конечных элементов с учетом физической и геометрической нелинейности для расчета предварительно напряженных железобетонных ферм

Оценка разброса потерь предварительного напряжения и усилий в арматуре пролетных железобетонных конструкций

Численные и натурные эксперименты преднапряженных сталежелезобетонных балок

Напряженное состояние преднапряженных сталежелезобетонных балок от действия эксплуатационных нагрузок

Учет геометрической нелинейности при расчете железобетонных колонн прямоугольного сечения методом конечных элементов

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CALCULATION OF PRESTRESSED REINFORCED CONCRETE FARMS BY FINITE ELEMENT METHOD TAKING INTO ACCOUNT PHYSICAL NONLINEARITY

Considered is the method of calculation of prestressed reinforced concrete farms taking into account physical nonlinearity . Prestress is modeled due to the thermal effect on the core crab. Rating formulae, allowing to define the temperature value necessary for the achieving the given prestress level are given The nonlinear calculation algorithm used by the authors is based on the earlier developed and implemented into the computer system PRINS method of physically nonlinear calculation of reinforced farms without prestress of the armature. As an example is considered the calculation of prestressed farm on two supports with polygonal contour of the top belt. Load is applied in the form of concentrated forces in the top belt units. For all cores is accepted the same cross section area and the same ratio of reinforcement. Thermal loading was carried out for one step and load was applied in parts equal the one tenth of the nominal value. Calculation results are analyzed and presented.

Текст научной работы на тему «Расчет предварительно напряженных железобетонных ферм методом конечных элементов с учетом физической нелинейности»

5. The report «Seismic risk and possible effects of the predicted strong earthquakes, secondary seismic hazards and the readiness of the Republic to eliminate them». — Makhachkala, MES of Dagestan, 2001. -74 p.

6. AbakarovA.D., KurbanovI.B. Method for rapid assessment of technical condition of buildings in seismic areas. Earthquake engineering. Safetyofstructures. -2007, №2. — pp. 31-34.

7. Perelmuter A. V. Selected problems of reliability and safety of building structures. — M.: Publishing house of the DIA, 2007. — 256 p.

Агапов В. П., Айдемиров К. Р.

РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ФЕРМ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С УЧЕТОМ ФИЗИЧЕСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ

Agapov V.P., Aidemirov K.R.

CALCULATION OF PRESTRESSED REINFORCED CONCRETE FARMS BY FINITE ELEMENT METHOD TAKING INTO ACCOUNT PHYSICAL NON-LINEARITY

Аннотация. Рассматривается методика расчета предварительно напряженных железобетонных ферм с учетом физической нелинейности. Предварительное напряжение моделируется за счет задания температурного воздействия на арматуру стержней. Приводятся расчетные формулы, позволяющие определить необходимое для достижения заданного уровня предварительного напряжения значение температуры. Используемый авторами алгоритм нелинейного расчета основан на разработанной ранее и внедренной в вычислительный комплекс ПРИНС методике физически нелинейного расчета железобетонных ферм без предварительного напряжения арматуры. В качестве примера рассматривается расчет предварительно напряженной фермы на двух опорах с полигональным очертанием верхнего пояса. Нагрузка прикладывается в виде сосредоточенных сил в узлах верхнего пояса. Для всех стержней принята одинаковая площадь поперечного сечения и одинаковый коэффициент армирования. Нагружение температурой осуществлялось за один шаг, а нагрузка прикладывалась частями, равными одной десятой части от номинального значения. Приводятся и анализируются результаты расчета.

Ключевые слова: железобетонные фермы, армирование, метод конечных элементов, физическая нелинейность.

Abstract. Considered is the method of calculation of prestressed reinforced concrete farms taking into account physical nonlinearity. Prestress is modeled due to the thermal effect on the core crab. Rating formulae, allowing to define the temperature value necessary for the achieving the given prestress level are given

The nonlinear calculation algorithm used by the authors is based on the earlier developed and implemented into the computer system PRINS method of physically nonlinear calculation of reinforced farms without prestress of the armature. As an example is considered the calculation of prestressed farm on two supports with polygonal contour of the top belt. Load is applied in the form of concentrated forces in the top belt units. For all cores is accepted the same cross section area and the same ratio of reinforcement. Thermal loading was carried out for one step and load was applied in parts equal the one tenth of the nominal value. Calculation results are analyzed and presented.

Key words: reinforced farms, reinforcement, finite elements method, physical nonlinearity.

Введение. В работе [1] были рассмотрены теоретические основы расчета железобетонных ферм без предварительного напряжения арматуры методом конечных элементов с учетом физической нелинейности. Однако на практике чаще применяются предварительно напряженные фермы [2,3].

Постановка задачи. Рассмотрим методику расчета таких ферм.

Предварительное напряжение в бетоне при использовании шарнирно-стержневой модели конструкции можно создать за счет приложения температуры. На рисунке 1 изображен отдельный железобетонный стержень, закрепленный с двух сторон. Если охладить арматурный стержень на t градусов Цельсия, то в нем возникнет усилие, которое может быть найдено из формулы

следовательно n = ааtEaAa, где аа — коэффициент линейного тем-

пературного расширения арматурной стали, Еа — модуль упругости арматурной стали, Аа — площадь сечения арматурного стержня.

Рисунок 1- Железобетонный стержень, закрепленный

Это усилие будет сжимать стержень. Если освободить один из концов стержня, например, правый, то под действием силы стержень укоротится на

При этом в бетоне возникнет сжимающее усилие

Какие элементы железобетонных ферм выполняются предварительно напряженными

ЗВЕЗДОВ Андрей Иванович,
(р. 1952). Генеральный директор Научно-исследовательского института бетона и железобетона (НИИЖБ). Доктор технических наук. Действительный член Международной и Российской инженерных академий, Первый вице-Президент Российской инженерной академии, вице-Президент РНТО строителей. После окончания Кузбасского политехнического института (1974) три года работал ассистентом кафедры Строительные конструкции этого же института. С 1977 по 1980 гг. обучался в Москве в очной аспирантуре НИИЖБ Госстроя СССР. С 1980 по 1985 гг. работал старшим научным сотрудником, главным инженером, директором Сибирского филиала КТБ НИИЖБ, превратив его в один из авторитетнейших научно-инженерных центров Сибири. В 1985 г. был переведен в Москву в НИИЖБ, где работал сначала старшим научным сотрудником, а затем заведующим лабораторией. В 1994 г. избран коллективом на должность директора, в которой проработал до ликвидации института в 2005 году. С 2005 года – Генеральный директор вновь созданного Научно-исследовательского института бетона и железобетона (НИИЖБ). Являясь видным ученым, в течение многих лет он занимался исследованием и внедрением в практику строительства напрягающих бетонов и конструкций на их основе. Автор концепции бетонов с компенсированной усадкой, предназначенных для массового строительства. Им опубликовано более 60 работ, запатентовано около 20 изобретений. Под его руководством защищено несколько кандидатских диссертаций. Дважды Лауреат премии Правительства России за достижения в области науки и вклад в строительство. Заслуженный строитель Российской Федерации. Почетный транспортный строитель.

Звездов А.И., доктор техн. наук
Михайлов К.В., доктор техн. наук
Волков Ю.С., кандидат техн. наук

ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОН:
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Создание напряженного состояния в конструкции на стадии изготовления, когда знак напряжения в материале противоположен знаку напряжений от эксплуатационной нагрузки, является одним из крупнейших достижений инженерной мысли ХХ века. У истоков этой концепции в ее современном понимании стояли Эжен Фрейссине (Франция) и Виктор Васильевич Михайлов (Россия). В развитии преднапряженного железобетона важную роль сыграли Мерш, Леонгард, Финстервальдер, Витфохт (Германия), Эванс (Великобритания), Моранди, Леви (Италия), Гийон, Лакруа, Вирложе (Франция), Гервик, Лин (США), Вальтер (Швейцария), Торроха (Испания), Борджес (Португалия) и многие другие. Весомый вклад внесли и многие российские специалисты.
Предварительное напряжение развивалось непросто. Интересно отметить, что в 30-х годах при защите докторской диссертации В.В. Михайлова, посвященной развитию этого метода, два оппонента из трех выступили против. А в Германии только совсем недавно было разрешено применять в мостах напрягаемую арматуру, расположенную вне сечения. Считалось, что арматура, расположенная вне бетона, не защищена от коррозии. Сейчас запрет отменили по тем соображениям, что арматуру от коррозии можно как раз надежнее защитить, если иметь к ней свободный доступ. Сегментная сборка железобетонных мостов с помощью напрягаемой арматуры – метод, получивший широкое распространение в СССР и многих других странах – в Германии не разрешена до сих пор.
В СССР предварительное напряжение широко применялось, в основном, при изготовлении конструкций массового применения в гражданском и промышленном строительстве. Преднапряженных железобетонных конструкций из обычного и легкого бетона выпускалось около 30 млн. кубометров в год, существенно больше, чем в какой-либо другой стране. На долю предварительно напряженных конструкций приходилось более 20% общего объема сборного железобетона. Предварительно напряженные конструкции изготавливались, как правило, с натяжением арматуры на упоры, во всех регионах страны. Такая широкая география этой технологии стала возможной благодаря, прежде всего, внедрению электротермического способа натяжения стержневой арматуры повышенной прочности. Авторы этого способа были по заслугам удостоены высокого звания лауреатов престижной Ленинской премии. Для народного хозяйства были сэкономлены сотни тысяч тонн металла.
Был разработан значительный объем нормативной литературы по проектированию и технологии изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций, в том числе СНиП 2.03.01.84, который прямо указывал: «При выборе элементов должны предусматриваться преимущественно предварительно напряженные конструкции из высокопрочных бетонов…».
Более того, профессор А.А. Гвоздев рассматривал железобетон с обычной арматурой как частный случай (разновидность) предварительно напряженного железобетона. О внимании к этому материалу в тот период свидетельствует факт организации в бывшей академии строительства и архитектуры специальной комиссии по предварительно напряженному и сборному железобетону.
В настоящее время объем выпуска преднапряженных конструкций снизился в 10 раз, в то время как обычных железобетонных конструкций «только» в 6 раз.
Такое резкое снижение объемов применения предварительно напряженных конструкций в России следует однозначно квалифицировать как регресс железобетона в целом.
Не получили у нас должного изучения и применения предварительно напряженные конструкции с натяжением арматуры на бетон в результате чего эти эффективные конструкции очень редко используются при строительстве инженерных сооружений. Некоторые успехи, правда, следует отметить в области расширения применения преднапряжения в построечных условиях при возведении зданий различного назначения.
Среди областей и республик, располагающих производственными мощностями более 1 млн. кубометров сборного, в том числе предварительно напряженного железобетона в год, следует назвать г. Москва, республики Татарстан и Башкортостан, области: Челябинскую, Свердловскую, Тюменскую, Пермскую, Новосибирскую, Омскую, Московскую, Самарскую, Ленинградскую, Иркутскую, Воронежскую, Волгоградскую, Кемеровскую, Ростовскую, Приморский и Красноярский край. Практически нет областей строительства, где не мог бы найти применение предварительно напряженный железобетон. Предварительно напряженными изготавливаются элементы конструкций зданий (стены, покрытия, перекрытия), пролетные строения и опоры мостов, сваи, трубы, шпалы, градирни, опоры ЛЭП, мачты, различные ограждения, защитные оболочки, телебашни, корпуса понтонов и т. д.
В высшей степени убедительной демонстрацией эксплуатационной надежности предварительного напряжения сборного железобетона является его успешное использование для производства железобетонных шпал. Во всем мире в настоящее время их установлено более 1 миллиарда штук. Жесткие динамические нагрузки, ощутимые температурные перепады, увлажнение, замораживание, попадание смазочных и иных материалов предъявляют исключительно высокие требования к надежности и долговечности железобетонных шпал. Эти требования выполняются путем применения бетонов повышенных классов по прочности, строгим выдерживанием технологии изготовления. Есть шпалы, установленные 40 лет назад и эксплуатирующиеся до сих пор без каких-либо повреждений. Также надежно ведут себя преднапряженные забивные сваи, напорные трубы, опоры ЛЭП и т. д. Следует отметить, что объем выпуска шпал в России снизился за последние годы существенно менее, что других железобетонных конструкций.
В настоящее время в большинстве развитых стран мира из предварительно напряженного железобетона изготавливается основной объем конструкций перекрытий и покрытий для одноэтажных и многоэтажных производственных, жилых и общественных зданий, значительная часть изделий, используемых в инженерных сооружениях для всех отраслей строительства.
Из преднапряженного монолитного железобетона возводятся промышленные и жилые здания, объекты соцкульта, плотины, энергетические комплексы, телебашни и так далее. Самая высокая в мире телебашня построена из монолитного преднапряженного железобетона.
Обширной областью применения монолитного предварительно напряженного железобетона являются инженерные сооружения (градирни, трубы, резервуары, защитные оболочки АЭС и т. д.). Современные градирни достигают высоты 150 м. Резервуары для хранения воды, сжиженного газа и т. д. могут достигать объема в несколько сот тысяч кубометров.
Особенно эффективно выглядят из преднапряженного железобетона телевизионные башни, являющиеся достопримечательностями многих городов, особенно в Германии. Выдающимся сооружением явилась, построенная по проекту Н.В. Никитина, московская телебашня, при общей высоте которой 537 м, железобетонная часть составляет 380 м. На сегодня телебашня в Торонто является самым высоким в мире отдельно стоящим сооружением (555 м). Есть более высокие стальные мачты, но они раскреплены растяжками. Поперечное сечение башни в виде трилистника оказалось весьма удачным для выполнения работ в скользящей опалубке и размещения напрягаемой арматуры. Ветровой опрокидывающий момент на башню составляет почти полмиллиона тоннометров при собственном весе высотной части башни чуть более 60 тыс. тонн.
В Германии и Японии широко строятся резервуары яйцевидной формы для очистных сооружений. К настоящему времени их построено общей емкостью более 1 млн. кубометров. Единичные емкости таких резервуаров от 1000 до 12 тыс. кубометров.
За последние годы в США было построено более 100 млн. м2 монолитных перекрытий с натяжением арматуры на бетон. Значительный объем таких перекрытий возведен в Канаде.
Предварительно напряженная арматура в монолитных железобетонных конструкций (перекрытия, мосты, высотные сооружения и т. д.) в последнее время применяется без сцепления с бетоном, то есть наблюдается отказ от инъецирования каналов, как средства защиты арматуры от коррозии. Для защиты от коррозии арматурные элементы (канаты) помещаются в специальные оболочки, заполненные антикоррозионным составом.
Следует отметить, что монолитный предварительно напряженный железобетон, помимо традиционных строительных целей, нашел широкое применение для возведения корпусов реакторов и защитных оболочек АЭС. В настоящее время мощность атомных электростанций в мире превышает 150 млн. кВт, в том числе доля АЭС с применением преднапряженного железобетона для корпусов реакторов и защитных оболочек составляет более 40 млн. кВт. Защитных оболочек реакторов АЭС из преднапряженного железобетона построено уже более 100. Отсутствие защитной оболочки реактора на Чернобыльской АЭС привело к тому, что авария реактора вызвало катастрофу, последствия которой неясно когда сойдут на нет.
Ярким примером строительных возможностей преднапряженного железобетона являются морские платформы для добычи нефти высотой в несколько сот метров.
Построенная в 1995 г. в Норвегии платформа «Тролл» для добычи нефти, (а всего их построено более 20) имеет полную высоту 472 м, что в полтора раза выше Эйфелевой башни. Платформа установлена на участке моря с глубиной воды более 300 м и рассчитана на воздействие ураганного шторма с максимальной высотой волны 31,5 м. На её изготовление было израсходовано 250 тысяч кубометров высокопрочного бетона класса С80, 100 тысяч тонн обычной стали и 11 тысяч тонн напрягаемой арматурной стали. Расчетный срок эксплуатации платформы 70 лет.
Обширной областью применения предварительно напряженного железобетона является мостостроение. Только в США построено более 500 тыс. железобетонных автодорожных мостов с различными пролетами. За последнее время там построено более 20 вантовых мостов длиной 600-700 м с центральными пролетами от 192 до 400 м. Из предварительно напряженного железобетона сооружаются там не только внеклассные мосты. Мосты пролетом до 50 м в США сооружаются только в сборном варианте из железобетонных преднапряженных балок.
Достижения в мостостроении имеют не только США. В г. Брисбен (Австралия) построен балочный мост с центральным пролетом 260 м, наибольшим среди мостов этого типа. Вантовый мост «Баррнос де Луна» в Испании имеет пролет 440 м, мост «Анасис» в Канаде – 465 м, мост в Гонконге – 475 м. Арочный мост в Южной Африке – наибольший пролет 272 м и т. д. Мировой рекорд для вантовых мостов принадлежит мосту «Нормандия», где достигнут пролет 864 м, ненамного ему уступает мост «Васко да Гама» в Лиссабоне, построенный к Всемирной выставке ЭКСПО-98. Общая протяженность мостового перехода превышает 18 км. Основные несущие конструкции моста пилоны и пролетные строения были выполнены из бетона класса С45 (по старому – марка 600). Гарантированный срок службы моста 120 лет по критерию долговечности бетона. В России же в последнее время большепролетные мосты чаще строятся из стали.
Выдающийся вклад в развитие преднапряженного железобетона принадлежит российским ученым, которые создали и применили принципиально новые, эффективные самонапряженные и непрерывно армированные конструкции. Из самонапряженного железобетона выполнены различные емкости, плавательные бассейны, ледовые стадионы, плиты покрытий и многие другие. Метод непрерывного армирования позволил максимально механизировать и автоматизировать раскладку и напряжение высокопрочной проволоки и канатов в плитных конструкциях перекрытий и покрытий гражданских и промышленных зданий. Создание машины для выполнения этих работ успешно работают на заводах ЖБИ уже много лет.
Развитие преднапряженных конструкций перекрытий жилых и общественных зданий связано с увеличением их пролетов, поскольку переход к проектированию зданий с широким шагом поперечных стен и колонн будет развиваться все интенсивнее.
В структуре сборных конструкций в США из общего объема производства сборных железобетонных конструкций (26 млн. м3) объем производства плит Т и 2Т превышает 25%, а всего преднапряженных конструкций к этому объему выпускается 40%. Плиты «на пролет» широко производятся также в Великобритании, ФРГ, ВНР, ПНР и других странах. Значительная часть конструкций стропильных и подстропильных балок, ферм, ригелей, стеновых панелей изготовляются предварительно напряженными с применением высокопрочной проволочной и стержневой арматуры и бетонов классов до В50.
Возможности повышения эффективности сборных железобетонных конструкций через применение предварительного напряжения можно показать на примере производства покрытий и перекрытий. Увеличение пролетов плитных конструкций до 9-12 м при ограничении их толщины может быть достигнуто при создании неразрезности плит средствами предварительного напряжения без использования сварки для соединения конструкций между собой. В России на долю этих изделий приходится более трети общего производства сборных элементов. В последние годы, правда, имеются случаи отказа от предварительного напряжения арматуры при изготовлении плит перекрытия, (старое оборудование устарело, нового нет, электроэнергия дорожает) и перехода на выпуск плит с обычной арматурой, с повышенным ее расходом. Плиты перекрытий, производятся в России, главным образом, по агрегатно-поточной технологии, высотой 22 см и пролетом до 7 м.
Следует сказать несколько слов об изготовлении плит перекрытий методом безопалубочного формования на длинных стендах. За рубежом безопалубочное производство плит на длинных стендах получило значительное распространение. Обычной практикой является производство плит пролетом до 17 м, высотой сечения 40 см под нагрузку до 5 KN/m2 (500 кгс/м2). В Финляндии железобетонные многопустотные плиты под такую же нагрузку выпускаются высотой сечения даже 50 см при пролете до 21 м, то есть применение предварительного напряжения позволяет выпускать сборные элементы качественно иного уровня. Натяжение канатной арматуры на таких стендах, как правило, — групповое при мощности домкратов 300-600 т. Разработаны различные системы безопалубочного формования на длинных стендах «Спайрол», «Спэнкрит», «Спандек», «Макс Рот», «Партек» и др., отличающиеся производительностью, применяемой арматурой, технологическими требованиями к бетону, формой поперечного сечения панелей и другими параметрами. На стендах длиной до 250 м изготавливают плиту со скоростью до 4 м/мин; по высоте в пакете можно бетонировать 6 плит. Ширина плит достигает 2,4 м, максимальный пролет при разрезке может достигать 21 м. Только плит «Спэнкрит» применяют в США более 15 млн. м2 ежегодно. В свое время, бывая на заводах сборного железобетона за рубежом, отечественные специалисты познакомились с технологией изготовления плит перекрытий по этой технологии. Появились длинные стенды для безопалубочного формования и в России (технология «Мах-Рот»). Однако эта технология не получила дальнейшего распространения. В широко используемых у нас конструктивных системах зданий соединения элементов осуществляется через закладные детали. В плитах, изготавливаемых на длинных стендах методом экструзии, возможности размещения закладных деталей ограничены. Однако для сборно-монолитных зданий плиты без закладных деталей могут найти самое широкое распространение, что и имеет место за рубежом, особенно в скандинавских странах и в США. В последние годы в России появились линии «Партек» (Москва, 17-ый завод ЖБК, Санкт-Петербург, Барнаул), что свидетельствует о появлении спроса на такие плиты. Совершенствование конструктивных систем зданий даст толчок к развитию технологии производства плитных изделий.
Для заводской технологии весьма эффективным может быть применение арматурно-намоточных агрегатов, разработанных в НИИЖБ.
Арматурно-намоточные агрегаты разработаны трех типов:
— стационарный арматурно-намоточный агрегат для работы в составе конвейерных или агрегатно-поточных технологических линий по производству плитных железобетонных конструкций;
— самоходный арматурно-намоточный агрегат для изготовления железобетонных конструкций с одноосным и двухосным армированием, включая такие сложные, как фермы с криволинейным верхним поясом и напряженным армированием на стендах, в том числе фермы с напряженным армированием всех элементов решетки и обоих поясов;
— арматурно-намоточный агрегат с вращающейся платформой для навивки каркасов преимущественно для объемных или криволинейных элементов емкостей, тоннелей, водоводов и т. п.
С применением таких агрегатов можно изготавливать обширную номенклатуру конструкций различного назначения.
Следует иметь в виду, что разработка непрерывно армированной конструкции, даже имеющей аналог среди других конструкций, не может быть сведена к простой замене одного вида арматуры на другой.
Непрерывное армирование конструкции обладает рядом особенностей, обусловленных методом изготовления, которые необходимо учитывать при проектировании.
Важное значение имеет расширение областей применения предварительного напряжения в резервуаростроении, особенно в емкостях для хранения нефти и нефтепродуктов, в центрифугированных конструкциях (колоннах, пролетных строениях, сваях, трубах и др.), в несущих конструкциях каркасных и крупнопанельных зданиях. Зарубежный опыт показывает значительную эффективность применения предварительного напряжения в монолитных плитных фундаментных большой протяженности, безбалочных монолитных перекрытиях, опорных устройствах и постаментах под тяжелое оборудование, несущих монолитных конструкциях подземных сооружений, в том числе многоэтажных. Имеются интересные примеры применения предварительного напряжения при реставрации памятников старины.
Исключительно плодотворной является идея двух и трехосного напряжения конструкций. Обширные исследования подобных конструкций были проделаны профессором В.В. Михайловым и его учениками. В.В. Михайлов разработал даже проект башни высотой 2 км, смонтированной из трехосно предварительно напряженных элементов заводского изготовления.
Расчетные сопротивления сжатию в стойках башни составляли 150 МПа. Такие элементы изготавливаются из бетонов, по нынешним понятиям, средних классов (В40-В50). В реальных испытаниях элементов, имеющих спиральную предварительно напряженную обойму, напряжения в бетоне достигали 300 МПа при сохранении линейной зависимости между приростом напряжения и приростом деформаций до 150 МПа.
В объемно-напряженных архитравах гидравлических прессов с железобетонными станинами бетон работал упруго при напряжениях втрое превышающих его кубиковую прочность.
Иными словами, предварительное напряжение в трех направлениях позволяет создавать качественно иной железобетон. Причем повышение несущей способности материала достигается конструктивными, а не технологическими приемами.
Напряжение в конструкции может создаваться и путем применения напрягающего цемента, о чем говорилось выше. Напрягающий цемент в затвердевшем состоянии обладает особой фиброобразной структурой, отличающейся практически полной водонепроницаемостью, высокой прочностью при растяжении, трещиностойкостью и долговечностью. Такими же свойствами обладают и изготавливаемые на его основе напрягающие бетоны (НБ).
Напрягающие цементы могут с большим эффектом использоваться вместо равнопрочных портландцементов практически в любых сборных конструкциях и монолитных сооружениях притом, что расход НЦ на единицу прочности бетона в среднем на 10% меньше, чем портландцемента той же активности.
Предварительное напряжение бетона в конструкции демонстрирует новые возможности и определяет перспективу развития железобетона в качестве материала для возведения современных зданий и сооружений.
Идея применения предварительного напряжения в железобетоне в свое время оказалась настолько плодотворной, что в 1953 году была основана Международная федерация по предварительно напряженному железобетону – ФИП. Первым президентом ФИП стал Эжен Фрейссине. За почти полвека своего существования федерация получила значительное развитие. В последнем, XIII конгрессе ФИП в Амстердаме приняли участие более полутора тысяч человек. На этом конгрессе ФИП объединилась с Европейским комитетом по бетону – ЕКБ и ныне называется теперь ЕКБ-ФИП или просто ФИБ. Членами ФИБ являются национальные ассоциации по железобетону многих стран, в том числе и России, что свидетельствует о широкой географии распространения преднапряженного железобетона. Основанная Фрейссине же одноименная компания, осуществляет свою работу через 50 своих филиалов на всех пяти континентах. Компания построила в разных странах более 80 вантовых мостов. Среди крупнейших проектов последнего времени, осуществленных компанией «Фрейссине интернейшнл», является расширение стамбульского аэропорта, где площадь монолитных перекрытий с предварительным напряжением составила 140 тыс. м2. Перечень выдающихся объектов, выполненных с применением предварительного напряжения железобетона, можно продолжить. Некоторые проекты, осуществленные этой компанией, будут показаны по окончании настоящего доклада.
Поступательному развитию преднапряженного железобетона способствует дальнейшее улучшение прочностных и технологических свойств применяемых материалов. Конец ХХ века ознаменовался разработкой особопрочных бетонов и неметаллической арматуры на основе углепластиков, открывающих новые возможности совершенствования конструктивно-технологических решений зданий и сооружений и методов предварительного напряжения.
Этому должно способствовать расширение исследований этих материалов высоких технологий, разработка конструктивных и проектных решений принципиально нового уровня.
Основными областями применения предварительно напряженных железобетонных конструкций в ближайшие годы в России будут: жилищное строительство (плиты перекрытий и покрытий), мостостроение (мосты, эстакады) и спецжелезобетон (шпалы, опоры ЛЭП и освещения, трубы и сваи).
В ХХ? столетии по всей стране должно развернуться массовое строительство автомобильных дорог, что потребует возведения большого количества мостов малых, средних и больших пролетов; международный опыт говорит, что автодорожные мосты целесообразно строить из преднапряженного железобетона.
Увеличение этажности и размера сеток колонн многоэтажных производственных зданий потребует более широкого использования предварительного напряжения в конструкциях колонн, ригелей, узлах связевых рам, диафрагм и большепролетных плитах перекрытий.
В производстве конструкций для зданий различного назначения необходимо существенно увеличить долю механического натяжения арматуры, расширить выпуск непрерывно армированных и самонапряженных конструкций, увеличить применение зданий с натяжением арматуры в построечных условиях.
Необходимо больше внимания уделить разработке различных предсамонапряженных железобетонных конструкций, в которых комплексно используются механическое натяжение высокопрочной арматуры и преимущества напрягающего бетона.
Для крупных инженерных сооружений следует применять предварительно напряженные железобетонные конструкции с натяжением арматуры на бетон; для напрягаемой арматуры использовать канаты и высокопрочную стержневую арматуру больших диаметров, производство которых должно быть освоено металлургической промышленностью.
Широкое использование преднапряженного железобетона открывает значительные возможности для снижения расхода стали, главным образом, путем уменьшения металлоемкости ряда железобетонных несущих и ограждающих конструкций, а также путем вытеснения металлических конструкций из различных отраслей строительства.
Нет сомнения, что развитие предварительно напряженного железобетона необходимо для дальнейшего совершенствования отечественного капитального строительства. В прошлом году в экономике России произошел некоторый позитивный сдвиг. Надо полагать, что и предварительно напряженный железобетон в России также откроет новую страницу в своей истории.

Предварительно напряженные железобетонные фермы

Подстропильные фермы. Первый опыт проектирования и производства подстропильных ферм с электротермическим натяжением стержневой арматуры относился к ферме типа ПФЭ-ЗА, конструкция которой разработана Промстройпроектом с участием ВНИИЖелезобетона. Силовая форма спроектирована ВНИИЖелезобетоном, выполнившим также испытания ферм. Впервые производство подстропильных ферм ПФЭ-3А было освоено на Московском заводе ЖБИ № 6 в 1959 г.
Подстропильная ферма ПФЭ-3А номинальной длиной 12 м (рис. 5.1,а) относится к предварительно напряженным железобетонным конструкциям третьей категории трещи постой кости, т. е. при нормативной нагрузке в бетоне допускаются трещины с шириной раскрытия не более 0,3 мм.
По условиям опирания стропильных ферм полная ширина их стоек и верхнего пояса принята 550 мм. Для удобства формования все элементы фермы сделаны такой же ширины (рис. 5.1 ,а). Расчет фермы выполнен для различных вариантов предварительного напряжения — от 0 до 6000 кГ/см2 и для бетона марок 300 и 400.

К подстропильной ферме стропильные примыкают таким образом, что на средний узел подстропильной фермы передаются полностью опорные давления двух стропильных ферм, а на крайние узлы — по половине этих сил. На рис. 5.1,б приведена схема фермы с указанием действующих на нее нагрузок и осевых длин элементов фермы. На рис. 5.1,б показаны усилия в элементах фермы при нагрузке на центральный узел P=1. Соответствующие усилия в элементах фермы приведены в табл. 5.1. Собственный вес подстропильной фермы также учтен в этих нагрузках и усилиях.

Из всех нагрузок, действующих на ферму, кратковременной является только снеговая: нормативная 100 кГ/м2 и расчетная 140 кГ/м2, составляющая 26,4% суммарной нормативной и 32% расчетной нагрузки.
Для растянутого нижнего пояса принята рабочая напрягаемая арматура из стали класса A-IV с расчетным сопротивлением Rа=5100 кГ/см2.
Необходимая по условиям прочности площадь поперечного сечения рабочей арматуры нижнего пояса фермы

Fa = 178000/5100 = 34,9 cм2.

Принимаем 10 ? 22 A-IV площадью Fa=38 см2, что на 8,9% больше требуемой площади. Сечение подкосов 55 X 26 см с арматурой 8 0 20 A-III площадью Fa=25,2 см2.
Результаты расчета фермы приведены в табл. 5.2 и 5.3

Из табл. 5.2 и 5.3 видно, что, несмотря на относительно большую высоту фермы (1:9 пролета), без предварительного напряжения прогиб ее недопустимо велик (1:253 пролета), ширина раскрытия трещин более 0,2 мм. Поэтому здесь предварительное напряжение следует считать обязательным. В то же время можно ограничиться относительно небольшим начальным предварительным напряжением арматуры. Уже при минимальном предварительном напряжении ?0 = 3000 кГ/см2 прогиб в середине пролета составляет 1:367, что меньше 1:300 пролета, а ширина раскрытия трещин в нижнем поясе 0,12 мм, при марке бетона 300. При ?0=5000 кГ/см2 обеспечивается полная трещиностойкость нижнего пояса. На рис. 5.2, а приведена зависимость ширины раскрытия трещин, а на рис. 5.2,б — зависимость прогибов от величины предварительных напряжений арматуры.
По местным условиям для первых партий ферм прочность бетона была принята 350 кГ/см2, а при передаче предварительных напряжений на бетон — 250 кГ/см2. Заданное начальное предварительное напряжение арматуры ?0 = 4500 кГ/см2 с допустимыми предельными отклонениями P = ±750 кГ/см2. При этом прогиб в середине пролета получается менее 1:500 пролета, а ширина раскрытия трещин — меньше 0,06 мм.

Высота нижнего пояса фермы 200 мм, верхних раскосов 260 мм. Сначала в течение нескольких лет для ферм применялась напрягаемая арматура класса A-IV марки 30ХГ2С, а в последнее время 80С. Общий расход стали на ферму 815 кг, в том числе напрягаемой арматуры 358 кг.
Силовая форма для изготовления подстропильных ферм ПФЭ-3А предназначена для стендового производства и применяется в двух модификациях: в виде парной формы для одновременного изготовления двух подстропильных ферм и в виде одиночной формы. Обе эти формы состоят из одинаковых деталей. В табл. 5.4 приведены показатели стальных силовых форм.

Отношение веса формы к весу изделия получилось 0,69 и 0,9.
На силовом элементе-распорке смонтирована установка для электронагрева напрягаемой арматуры.
Установка для электронагрева имеет неподвижный контакт на одном конце распорки, подвижный контакт с конечным выключателем на другом конце и промежуточные поддерживающие ролики. Одновременно на установке нагреваются два стержня.
Так как борт формы, образующий нижнюю часть нижнего пояса фермы (распорка), сделан неподвижным, то для возможности кантования готовой подстропильной фермы из положения «плашмя» в рабочее положение необходимо, чтобы наружный борт, образующий верхнюю поверхность подкосов фермы, а также борта для образования крайних стоек перемещались, освобождая изделия перед кантованием.
При перемещении борта по наклонной плоскости он несколько прижимается к поддону при установке в проектное положение.
Порядок изготовления ферм до известной степени вытекает из конструкции силовой формы. В начале смены снимают крышку с камеры, когда достигнута прочность бетона 250 кГ/см2. Затем открывают торцовые борта, освобождают фиксаторы закладных деталей, отодвигают ломаный борт при помощи винтов (рис. 5.3) и снимают торцовые гребенки. Все эти операции продолжаются 25—30 мин. Когда ферма освобождена от деталей формы и может свободно перемещаться, перерезают электродом напряженные стержни, сделав предварительно засечки электродом в трех нижних (при формовании) рядах стержней на глубину 3—4 мм. Потом перерезают последовательно верхние два ряда арматуры. При этом нижние ряды натянутой арматуры так перегружаются, что они могут порваться. Сделанные ранее насечки обеспечивают разрыв стержней в определенных местах вне габаритов изделия. Рекомендуется отрезать стержни с двух сторон поочередно; это уменьшает перегрузку оставшейся натянутой арматуры.

Стержни двух ферм перерезают два сварщика в течение 20—25 мин. В это время остальные рабочие бригады подготовляют ферму к кантованию и арматуру к следующей зарядке.
Ферму стропят за верхний средний узел и кантуют с небольшим перемещением крана в сторону нижнего пояса. Ферму, поставленную в рабочее положение, транспортируют на выкатную тележку или на пост ОТК. Хранятся фермы на двух деревянных подкладках и, благодаря большой ширине, не нуждаются в дополнительных креплениях.
После освобождения формы ее очищают и заряжают арматурой, т. е. нагревают и укладывают напрягаемую арматуру, устанавливают ненапрягаемую арматуру и закладные детали и собирают форму.
Заряженную форму принимает ОТК, который дает разрешение на бетонирование, что фиксируется в журнале работ. Бетонную смесь укладывают при помощи координатного бетоноукладчика и уплотняют подвешенными к нему глубинными вибраторами. Через 1—2 ч после окончания формования извлекают краном треугольные вкладыши и ставят стопкой в камеру или рядом с пей.
Работы на парной форме продолжаются 6—7 ч, а на одиночной форме 3—3,5 ч. В обоих случаях обеспечивается суточный технологический цикл.
Две подстропильные фермы марки ПФЭ-3А в начале освоения производства были испытаны по схеме, изображенной на рис. 5.4.

Фермы устанавливались на две опоры: шарнирно неподвижную и шарнирно подвижную с расстоянием между ними 11,7 м.
Учитывая, что в здании крайние стойки фермы закреплены вверху приваркой закладных деталей опирающихся на них стропильных ферм, при испытаниях верх стоек сварной петлей и тягой соединили с анкером, закрепленным в силовой плите. Тяга была сделана в виде полиспаста, и на крайнем витке ее троса были установлены стяжная муфта и динамометр.
Нагрузка на ферму осуществлялась двумя домкратами ДГ-200, передающими давление на верхний узел через каток. При загружении центрального узла фермы крайние ее стойки наклонялись к середине фермы. Горизонтальные перемещения верха стоек замерялись прогибомерами, после чего стяжными муфтами подтягивали полиспасты и возвращали стойки в первоначальное вертикальное положение. Каждая из крайних стоек нагружалась одним домкратом ДГ-100.
В приведенном ниже описании опытов без скобок указаны данные для первой из испытанных ферм, а в скобках — для второй.
Каждую ферму нагружали дважды. Сначала до нормативной нагрузки, чему соответствовала сила, приложенная к среднему верхнему узлу 104 Т. Такая нагрузка выдерживалась в течение 16 (13) ч, после чего форму разгружали и выдерживали без нагрузки 5 (8) ч. Нагрузка на крайние стойки при нормативной на среднем узле доводилась до 30 Т.
Прочность бетона при передаче предварительных напряжений была 256 (243) кГ/см2, а при испытаниях — 356 (298) кГ/см2.
При нормативной нагрузке прогиб фермы в середине пролета был 10,4 (11) мм, или 1:1130 (1:1068) пролета. После выдержки под нормативной нагрузкой прогиб увеличился на 1,5 (0,5) мм; таким образом, суммарный прогиб составил 11,9 (11,5) мм. После разгрузки остаточный прогиб был 1,2 (2) мм, после выдержки без нагрузки он уменьшился до 1 (0,8) мм.
Затем фермы вновь загружали. Во время вторичного загружения прогиб при нормативной нагрузке был равен 10,6 (12,2) мм, что вместе с остаточным прогибом составляет 11,6 (13) мм. Зависимость прогиба в середине пролета фермы от приложенной испытательной нагрузки иллюстрируется графиком рис. 5.5.

При появлении первых трещин в нижнем поясе фермы нагрузка на ее верхний центральный узел составляла 126 (104) Т, т. е. 1,15 (0,95) нормативной нагрузки, чему соответствует усилие растяжения в нижнем поясе 170 (148) Т.
По усилию в нижнем поясе, вызвавшему появление первых трещин, можно приближенно определить величину предварительных напряжений в арматуре, пользуясь формулой

Nт= FбRр + Fн(?0+300),
?0=1/Fн(Nт-FбRр-300Fн).

Полученные таким образом предварительные напряжения арматуры с учетом проявления части потерь оказались равными ?0 = 3580 (3000) кГ/см2.
Расстояние между трещинами в нижнем поясе фермы в конце испытаний было от 9 (5) до 24 (26) см, в среднем 15,2 (13,2).
При нагрузке 160 (120) T появились первые косые трещины на опорных участках, после чего повысилась интенсивность нарастания прогибов фермы.
Первая ферма разрушилась при нагрузке на верхний средний узел 270 Т. Отношение разрушающей нагрузки к расчетной с учетом собственного веса фермы

и отношение этой нагрузки к нормативной

На второй ферме центральная нагрузка была доведена до 274 Т, причем ферма не была разрушена. Следовательно, для второй фермы

Первые трещины в нижней части крайних стоек появились со стороны, обращенной к ферме, при нагрузке на средний узел 58 (80) Т, т. е. меньше нормативной. При этом горизонтальное усилие вверху стойки было 4,3 (4,2) Г и в дальнейшем почти не увеличивалось.
Удовлетворительные результаты испытаний подстропильных ферм марки ПФЭ-3А послужили основанием для организации их массового производства.
Стропильные фермы. В качестве характерного примера рассмотрим стропильную ферму ФАЭ-6-24 для скатной кровли пролетом 24 м и условия изготовления таких ферм на московском заводе ЖБИ № 18, на котором фермы Обходятся дешевле, чем на других аналогичных предприятиях.
Конструкция фермы показана на рис. 5.6. Толщина всех элементов, т. е. размер, перпендикулярный плоскости фермы (высота при формовании), одинакова и равна 220 мм. Верхний пояс и решетка фермы армированы пространственными сварными каркасами с продольными стержнями из стали класса A-III и поперечными — класса A-I.

Длина каркасов верхнего пояса около 7 м. Каждый узел фермы дополнительно армирован двумя сварными отогнутыми П-образными сетками, из которых одна укладывается в форму раскрытой стороной вверх, а другая накрывает ее, образуя замкнутый контур. В предшествующих конструктивных решениях ферм в большом количестве использовались отдельные «шпильки». Переход на пространственные каркасы и согнутые сварные сетки в узлах значительно сократил длительность работы на форме и трудоемкость изготовления ферм.
Напрягаемая арматура 10 0 18 A-IV с предварительным напряжением ?0 = 5000+500 кГ/см2. Нa концы напрягаемых стержней надеты проволочные спирали для предохранения бетона от раскалывания при передаче на него предварительных напряжений.
Большая часть узлов фермы имеет прямоугольную форму по фасаду, что позволило сделать в них сварные сетки относительно простой формы. Объем бетона фермы 4,28 м3, вес 10,7 т.
Силовая форма (рис. 5.7) предназначена для изготовления ферм в положении «плашмя» по гибкой стендовой схеме. Она состоит из поддона, повторяющего очертания фермы, с приваренным к нему продольным бортом нижнего пояса, откидных наружных бортов верхнего пояса, двух съемных торцовых бортов и семи вкладышей, образующих решетку фермы.

Силовой частью формы является элемент поддона, расположенный непосредственно под нижним поясом фермы. На форму передается усилие от натяжения арматуры порядка 200 Т.
Нижний силовой элемент формы представляет собой предварительно напряженную конструкцию. Под его сварной коробкой расположены два стержня, натянутых с усилием 80 Т. Сварная коробка силового элемента выполнена из двутавров № 30, вертикальных листов и бортового швеллера № 30. Снизу выступают ребра жесткости с прорезями для напрягаемых тяжей. Остальная часть поддона имеет сверху лист толщиной 6 мм, прикрепленный к ребрам из швеллеров № 16 и вертикальных 10-мм листов.
Решетка фермы образуется семью вкладышами с очертанием в плане, близким к треугольнику.
Вкладыш представляет собой цельную жесткую конструкцию. Это намного сокращает работы по сборке и разборке формы по сравнению с контуром из шести отдельных элементов, применяемых в конструкциях форм на длинных стендах.
С нижней стороны треугольного вкладыша к поперечным швеллерам приварены три трубки, которыми вкладыш надевается на соответствующие три штыря поддона. В форме было вначале предусмотрено, кроме того, болтовое крепление вкладыша к поддону, препятствующее его всплыванию. Однако опыт показал, что и без крепления вкладыши не всплывают. В последующем от крепления отказались.
Вкладыши при подъеме стропят за петли, сделанные впотай, вытягивая их из внутренней полости вкладыша. Во время бетонирования петли утоплены и закрыты сверху задвижкой.
На участках глухого борта нижнего пояса, находящихся вблизи концов фермы, предусмотрены окна для установки опорных закладных деталей после укладки напрягаемой арматуры. Элементы откидного борта верхнего пояса закрепляются нормализованными винтовыми замками па шарнирах.
Упоры на форме сделаны так, что технологические отходы напрягаемой арматуры, выступающей за габариты фермы, не превышают 4%.
Вес формы 18,3 т, в том числе поддон весит 13,8 т. Отношение веса формы к весу изготовляемой в пей фермы 18,3:11,5=1,59.
Рассмотрим данные об изготовлении ферм, полученные в результате хронометража, проведенного в 1966 г.
Бригада в составе четырех человек изготовляет в течение одной семичасовой смены две стропильные фермы длиной по 24 м, причем каждая силовая форма технологически независима и находится в отдельной секции ямной пропарочной камеры с верхними крышками. Обслуживание мостового крана также входит в обязанности бригады: один из рабочих имеет квалификацию крановщика, выполняя при необходимости и другие работы.
В начале смены снимают крышки с одной из камер, открывают наружные и торцовые борта формы, расположенной в камере, отрезают электродами напрягаемую арматуру, кантуют ферму и крапом доставляют ее на пост OTK или непосредственно на тележку для отправки на склад. Для строповки при кантовании в двух местах под верхним поясом выдвигают задвижки и в образовавшиеся пустоты просовывают тросовую петлю, охватывающую верхний пояс фермы, в которую вставляют крюк траверсы.
После этого двое рабочих начинают указанные операции во второй секции камеры, а двое других чистят форму, смазывают ее и вкладыши, находящиеся в камере рядом с формой, собирают форму и ставят вкладыши на свои места. Затем устанавливают каркасы ненапрягаемой арматуры, приваривая их в стыках, нагревают и укладывают напрягаемую арматуру. Для нагрева напрягаемой арматуры используют контейнер — нагревательную установку, описанную ранее. На второй силовой форме выполняются те же операции с отставанием примерно на 1,5 ч. Заряженную форму, подготовленную к бетонированию, принимает мастер ОТК, делая отметку в журнале о том, что разрешено бетонирование.
Бетонную смесь укладывает портальный бетоноукладчик, перемещающийся по рельсам на продольных стенках камеры. Бункер бетоноукладчика может перемещаться и поперек камеры (формы). Таким образом, можно так координировать движения рамы бетоноукладчика вдоль формы и бункера поперек формы, что лоток, подающий бетонную смесь, будет перемещаться строго вдоль бетонируемого элемента фермы.
На бетоноукладчике закреплены глубинные вибраторы, наконечниками которых на гибком шланге уплотняют бетон. Затем заглаживают его верхнюю поверхность. После окончания бетонирования извлекают треугольные вкладыши и складывают их возле формы в камере.
Когда вкладыши вынуты, оправляют обнаженные боковые поверхности свежего бетона, закрывают крышки камер и начинается ускоренное твердение бетона, продолжающееся 14—18 ч. Затем приносят арматурные сетки для работы следующего дня, заготовляют смазку и чистят бункер бетоноукладчика. График работы бригады приведен на рис. 5.8.

Режим твердения бетона: выдержка — 3 ч при температуре цеха, подъем температуры до 80—85° С в течение 3—4 ч, выдержка при этой температуре 7—8 ч и остывание 3 ч.
Высокая производительность труда при изготовлении ферм и небольшая длительность технологического цикла привели к сравнительно небольшой себестоимости изделий 68 р. 37 к. за 1 м3. Направления затрат видны из отчетной калькуляции себестоимости за 1965 г., приведенной в табл. 5.5. Такая себестоимость получена при высокой стоимости привозного гранитного щебня — 13 р. 17 к. за 1 м3.
Рассмотрим результаты испытаний одной из стропильных ферм ФАЭ-6-24 пролетом 24 м по серии Е-818, изготовленной по описанной выше технологии.
Опытную ферму изготовили 10 октября 1962 г. и испытали 18 октября 1962 г. Прочность бетона при передаче предварительных напряжений была 303 кГ/см2 и ко времени испытаний — 396 кГ/см2.
Испытания фермы проводились в рабочем положении на силовой плите при пролете между неподвижной и подвижной шарнирными опорами 23,7 м (рис. 5.9).

Нагрузка осуществлялась домкратами и прикладывалась в пяти местах: в трех верхних узлах и в серединах приопорных панелей верхнего пояса. Каждые две крайние силы создавались одним домкратом ДГ-200 через траверсу, а над средним верхним узлом был установлен домкрат ДГ-100.
Напрягаемая арматура состояла из 16 ? 14 A-IV марки 30ХГ2С. Средняя величина начальных предварительных напряжений по замерам на 13 стержнях была 4760 кГ/см2.
Вначале ферму загрузили до 12-го этапа, затем разгрузили и вновь загрузили. После вторичного приложения нормативной нагрузки ее выдерживали в течение 12 ч, после чего ферму разгрузили и снова нагрузили до разрушения.
Первые трещины появились в растянутых раскосах на третьем этапе нагрузки, т. е. при суммарной нагрузке, включая собственный вес фермы, 49,4 + 11,7 = 61,1 Т. Ширина раскрытия этих трещин при нормативной нагрузке составляла 0,1 мм, одна трещина раскрылась до 0,15 мм.
В нижнем поясе фермы при нормативной нагрузке не было трещин от растягивающего усилия. В элементах U1 и U3 были обнаружены незначительные трещины вблизи средних узлов, проходящие на одну треть высоты нижнего пояса, появившиеся, вероятно, под воздействием местных изгибающих моментов. После 18-го этапа нагрузки наблюдения за трещинами не велись. До этой нагрузки трещин в нижнем поясе не было. По расчету, выполненному с учетом фактических данных испытанной фермы, трещины в нижнем поясе должны были появиться в элементе U2 на 18-м, 19-м этапах, а в U1 и U3 на 21-м, 22-м этапах.

Прогиб фермы в середине пролета при нормативной нагрузке (8-й этап) с учетом прогиба от Собственного веса фермы составил 28 мм, т. е. 1:850 пролета. После разгрузки остался прогиб 2 мм. Наибольший замеренный прогиб перед разрушением был 59 мм. При этом усилие в нижнем поясе было 1,63 N». На рис. 5.9.б приведен график зависимости прогиба в середине пролета фермы от нагрузки.
Разрушение фермы произошло между 22-м и 23-м этапами нагрузки вследствие разрушения верхнего сжатого пояса вблизи среднего узла. Суммарная приложенная нагрузка на ферму при ее разрушении была 131,5 Т, чему соответствует усилие в верхнем поясе в месте разрушения 165,2 Т, а с учетом собственного веса фермы — 175,8 Т. Отношение фактического суммарного усилия в верхнем поясе к нормативному усилию Сн = 174,8/94,5=1,86 и отношение его к расчетному усилию С = 175,8/111,6 = 1,6.
В момент разрушения фермы растягивающее усилие в нижнем поясе было 163,35 Т. При этом разрушения нижнего пояса не произошло, следовательно, для нижнего пояса С?163,35/117,2?1,4. Соответственно для растянутого раскоса С?22,9/15,9?1,44.
В течение всего испытания не было зарегистрировано перемещения арматуры относительно торца фермы.
Результаты испытания свидетельствуют о том, что принятые конструкция и технология изготовления фермы обеспечивают соответствие изделий техническим требованиям.
Положительный опыт работы московского завода ЖБИ № 18 в течение нескольких лет по изготовлению стропильных ферм позволил рекомендовать для широкого применения, в том числе на типовых заводах, более совершенную конструкцию силовой формы, универсальной по типу изготовляемых ферм, по напрягаемой арматуре и по методу натяжения.
Фермы для девяти разных нагрузок по типовой серии ПК-01-129 можно изготовлять в формах двух типов: для нагрузок 3; 4 и 5 и для нагрузок 6, 7, 8, 9, 10 и 11. В первой форме использован один дополнительный комплект вкладышей и откидных бортов приопорных участков верхнего пояса, а во второй — два комплекта. При этом унифицированы внешние размеры ферм.
Универсальность формы по виду напрягаемой арматуры достигается размещением всех видов напрягаемых элементов в сечении нижнего пояса на одинаковых расстояниях между вертикальными рядами, являющимися горизонтальными при формовании. В качестве арматурного элемента приняты: один арматурный стержень, пара прядей или пакет из 12—16 проволок.
Универсальность формы по методам натяжения получается благодаря тому, что один из торцовых упоров силовой формы сделан неподвижным, а другой при электротермическом натяжении неподвижен, а при натяжении домкратами подвижен.
Силовая форма состоит из поддона с неподвижным бортом нижнего пояса и торцовыми упорами, откидных бортов верхнего пояса, вкладышей для образования решетки фермы и торцовых бортов (рис. 5.10).

Усилия натяжения арматуры воспринимаются частью поддона, находящейся вблизи нижнего пояса. В нее входит сварной коробчатый борт нижнего пояса, который через стальной лист и решетку связан с другим продольным элементом, расположенным под листом так, что линия, соединяющая его центр тяжести с центром тяжести сечения неподвижного борта, проходит через точку приложения равнодействующей усилий натяжения, т. е. через центр тяжести напрягаемой арматуры. С этой точкой совмещается ось захвата, что обеспечивает работу силовой части формы на преимущественное сжатие. Поэтому упорные траверсы располагаются под некоторым углом к горизонту.
Подвижное захватное устройство включает захват для установки в нем технологических анкеров арматурных элементов, винтовую тягу и три гайки, одна из которых закрепляет тягу на подвижной траверсе, другая — на неподвижной траверсе, а третья используется для возврата поршней домкратов в исходное положение после натяжения.
Откидные борта верхнего пояса сделаны из сравнительно крупных звеньев. Шарниры откидных бортов ломаного очертания располагают па одной прямой. Торцовые борта — гребенки из листов с прорезями для выхода напрягаемой арматуры — различны для разных видов арматуры.
Вкладыши для образования решетки фермы по конструкции аналогичны описанным выше.
Для строповки готовой фермы в целях ее кантования из положения «плашмя» в рабочее положение предусмотрены щели со вставными планками под верхним поясом в двух местах.
В проекте форма сделана на 10 мм больше проектной длины фермы, что должно компенсировать укорочение нижнего пояса фермы под влиянием предварительного напряжения.
Конструкция формы обеспечивает сближение противоположных ее упоров не более чем на 25 мм.

Другие новости по теме:

• Особенности расчета предварительно напряженных железобетонных конструкций
• Конструирование предварительно напряженных железобетонных конструкций
• Центр и запад столицы лидеры по предложению вторичного жилья
• Электронагрев арматуры для ее натяжения
• Заготовка напрягаемой арматуры
• Точность натяжения арматуры электротермическим методом

14.3. Фермы покрытий

Железобетонные фермы применяют при пролетах 18, 24 и 30м, при шаге 6 или 12 м. В железобетонных фермах в сравнении со стальными расход металла почти вдвое меньше, но трудоемкость и стоимость изготовления не­много выше. При пролетах 36 м и больше, как правило, применяют стальные фермы. Однако технически возмож­ны железобетонные фермы и при пролетах порядка 60 м и более.

При скатных, малоуклонных и плоских покрытиях применяют железобетонные фермы, отличающиеся очер­танием поясов и решетки. Различают следующие основ­ные типы ферм: сегментные с верхним поясом ломаного очертания и прямолинейными участками между узлами (рис. 14.17,а); арочные раскосные с редкой решеткой и верхним поясом плавного криволинейного очертания (рис. 14.17,б); арочные безраскосные с жесткими узлами в примыкании стоек к поясам и верхним поясам криволинейного очертания (14.17,в); полигональные с параллельными поясами или с малым уклоном верхнего пояса трапециевидного очертания (14.17,г); полиго­нальные с ломаным нижним поясом (14.17,(д).

Рис.14.17. Схемы стропильных ферм

Рис. 14.18. Эпюры моментов в верхнем поясе арочной фермы

Высоту ферм всех типов в середине пролета обычно принимают равной 1/7—1/9 пролета. Панели верхнего поя­са ферм, за исключением арочных раскосных, проектиру­ет размером 3 м с тем, чтобы нагрузка от плиты покры­тия передавалась в узлы ферм и не возникал местный изгиб. Нижний растянутый пояс ферм всех типов и рас­тянутые раскосы ферм некоторых типов проектируют предварительно напряженными с натяжением арматуры, как правило, на упоры.

Наиболее благоприятное очертание по статической работе имеют сегментные и арочные фермы, так как очер­тание их верхнего пояса приближается к кривой давле­ния. Решетка этих ферм слабоработающая (испытывающая незначительные усилия), а высота на опорах срав- нительно небольшая, что приводит к снижению массы фермы и уменьшению высоты наружных стен. В арочных раскосных фермах изгибающие моменты от внеузлового загружения верхнего пояса уменьшаются благодаря эк­сцентриситету продольной силы, вызывающему момент обратного знака, что позволяет увеличить длину панели верхнего пояса и сделать решетку более редкой (рис 14.18). В арочных безраскосных фермах возникают до­вольно большие изгибающие моменты в стойках, поясах и для обеспечения прочности и трещиностойкости появля­ется необходимость в дополнительном армировании, од­нако эти фермы несколько проще в изготовлении, удоб­нее в зданиях с малоуклонной или плоской кровлей и при использовании межферменного пространства для техно­логических коммуникаций (при устройстве дополнитель­ных стоечек над верхним поясом). Полигональные фер­мы с ломаным очертанием нижнего пояса более устойчи­вы на монтаже и не требуют специальных креплений, так как их центр тяжести расположен ниже уровня опор.

Полигональные фермы с параллельными поясами или с малым уклоном верхнего пояса имеют некоторое эконо­мическое преимущество в том отношении, что при пло­ской кровле создается возможность широко применять средства механизации кровельных работ.

Для ферм всех типов уменьшение размеров сечений и снижение общей массы достигается применением бетонов высоких классов (С25/30—С45/50) и установлением высоких процентов армирования сечений поясов.

Фермы рационально изготовлять цельными. Членение их на полуфермы с последующей укрупнительной сбор­кой на монтаже повышает стоимость. Фермы пролетом 18 м изготовляют цельными; пролетом 24 м — цельными или из двух полуферм; пролетом 30 м — из двух полу­ферм. Решетку полуфермы следует разбивать так, чтобы стык нижнего пояса для удобства монтажного соедине­ния был выносным, т. е. расположенным между узлами. Чтобы обеспечить монтажную проч­ность участка нижнего пояса, у стыка устраивают кон­структивные дополнительные подкосы (не учитываемых в расчете).

Решетка ферм может быть закладной из заранее изготовленных железобетонных элементов с выпусками арматуры, которые устанавливают пред бетонированием поясов и втапливают в узлы на 30…50 мм, или изготовляемой одновременно с бетонированием поясов. Последний вариант получил большее распространение. Ширина сечения закладной решетки должна быть менее ширины сечения поясов, а ширина сечения решетки, бетонируемой одновременно с поясами, должна быть равна ширине се­чения последних.

Ширину сечения верхнего и нижнего поясов ферм из условий удобства изготовления принимают одинаковой, ширину сечения поясов при шаге ферм 6 м принимают 200—250 мм, а при шаге ферм 12 м — 300—350 мм.

Армирование нижнего растянутого пояса должно вы­полняться с соблюдением расстояний в свету между напрягаемыми стержнями, канатами, спаренной проволо­кой, что обеспечивает удобство укладки и уплотнения бетонной смеси. Вся растянутая арматура должна охваты­ваться замкнутыми конструктивными хомутами, устанав­ливаемыми с шагом 500 мм.

Верхний сжатый пояс и решетки армируют ненапрягаемой арматурой в виде сварных каркасов. Растянутые элементы решетки при значительных усилиях выполняют предварительно напряженными.

В узлах железобетонных ферм для надежной переда­чи усилий от одного элемента к другому создают спе­циальные уширения — вуты, позволяющие лучше размес­тить и заанкерить арматуру решетки (рис. 14.19). Уз­лы армируют окаймляющими цельногнутыми стержнями диаметром 10—18 мм и вертикальными поперечными стержнями диаметром 6—10 мм с шагом 100 мм, объеди­ненными в сварные каркасы. Арматуру элементов решет­ки заводят в узлы, а растянутые стержни усиливают на конце анкерами в виде коротышей, петель, высаженных головок. Надежность заделки проверяют расчетом.

Рис. 14.19. Армирование промежуточных узлов ферм

а — в — верхнего пояса; г — нижнего пояса

Опорные узлы ферм армируют дополнительной продольной ненапрягаемой арматурой и поперечными стержнями, обеспечивающими надежность анкеровки растяну­той арматуры нижнего пояса и прочность опорного узла по наклонному сечению. Кроме того, чтобы предотвра­тить появление продольных трещин при отпуске натяже­ния арматуры, ставят специальные поперечные стержни, приваренные к закладным опорным листам, и сетки.

Пример армирования сегментной фермы пролетом 24 м приведен на рис.14.20. Напрягаемую арматуру нижнего пояса фермы предусматривают нескольких видов: из канатов класса, стержней из стали класса S800 и S1200, высокопрочной проволоки. Арматуру натягивают на упоры. Хомуты нижнего пояса выполняют в виде встречно поставленных П-образных сеток, окай­мляющих напрягаемую арматуру. В опорном узле по­ставлены дополнительные продольные ненапрягаемые стержни диаметром 12 мм, заведенные в приопорную па­нель нижнего пояса, и поперечные стержни 10мм (рис. 14.21).

Рис.14.20. Конструкция поясов сегментной фермы

Рис.14.21. Конструкция узлов сегментной фермы

Расчет ферм выполняют на действие постоянных и временных нагрузок — от покрытия, массы фермы, подвесного транспорта. Нагрузки от массы покрытия считаются приложенными к узлам верхнего пояса, а нагрузки от подвесного транспорта — к узлам нижнего пояса. В расчете учитывают неравномерное загружение снего­вой нагрузкой у фонарей и по покрытию здания. Учитывают также невыгодное для элементов решетки загруже­ние одной половины фермы снегом и подвесным транс­портом.

В расчетной схеме раскосной фермы при определении усилий принимают шарнирное соединение элементов поясов и решетки в узлах. В расчетах прочности влиянием жесткости узлов фермы на усилия в элементах поясов и решетки в виду малости можно пренебречь. При определении изгибающих моментов от внеузловой нагрузки верхний пояс рассматривается как неразрезная балка, опорами которой являются узлы.

Прочность сечений поясов и решетки рассчитывают по формулам для сжатых и растянутых элементов. Расчетная длина сжатых элементов в плоскости фермы и из плоскости фермы различна (табл. 14.3).

Расчетная длинна l₀ сжатых элементов фермы

Сжатый верхний пояс в плоскости фермы: