Важное уведомление по техническим вопросам и безопасности: Это архивный учебный текст, а не структурный проект, статический расчет, применимый стандарт, детали соединений или инструкции по строительству, сварке, бетонированию, креплению, предварительному напряжению или восстановлению. Все оригинальные формулы, маркировка, размеры, материалы, процедуры и претензии передаются без проверки в соответствии с действующими правилами. Проектирование и изготовление совмещенных железобетонных конструкций принадлежит исключительно уполномоченным инженерам-строителям, проектировщикам конструкций, подрядчикам и надзору в зависимости от конкретного объекта, нагрузки, почвы, материала и применимых стандартов.
Связные конструкции не являются специальной услугой в актуальном публичном предложении Саво Кусича. В настоящее время основное внимание уделяется деревянным окнам, дерево-алюминиевым окнам и дверям по индивидуальному заказу. Для проекта окна или двери вы можете отправить запрос цен.
Введение
В некоторых конструкциях применяются железобетонные плиты на стальных опорах, например плиты тротуаров мостов на двутавровых продольных и поперечных балках или перекрытия в зданиях на двутавровых балках. Раньше такие системы рассчитывались исходя из предположения, что эти два элемента могут перемещаться друг с другом и что моменты в направлении основного пролета воспринимаются только стальными опорами. Бетонная плита передала нагрузку на стальные балки, но не участвовала в получении соответствующих статических значений (рис. 1).
Рисунок 1 — Спаренный держатель, система
Для этого метода строительства в бетонной плите предусмотрены поперечные швы через равные промежутки, чтобы обеспечить усадку железобетона и избежать нежелательных трещин, то есть дополнительных напряжений. Однако опыт показал, что реальные силы в такой системе существенно отличаются от расчетных. При контакте между железобетонной плитой и стальной опорой возникает большое трение (напряжение сцепления), поэтому оба элемента всегда взаимодействуют.
Недостатком непредвиденного эффекта сцепления является появление эффекта зазубрин на стыках бетонной плиты. Касательные напряжения вдоль примыкающей поверхности вблизи стыка резко возрастают, подобно напряжениям сдвига на концах боковых швов. Поскольку положение нулевой линии в месте соединения практически не меняется, нормальные напряжения в стальной опоре могут быть значительно выше, чем рассчитанные для равномерного сцепления. Начиная с этой выемки может произойти освоение адгезии, которая распространяется дальше. Поэтому стыки в тротуарной плитке не выполняют свою роль и не эффективны.
Связанные несущие
В случае спаренных опор предполагается, что силы сдвига на поверхности контакта между стальной опорой и бетонной плитой могут безопасно передаваться (силы в балках). Правило таково, что бетонная плита опирается непосредственно на верхний пояс стальной опоры и относительных перемещений нет. При этом так называемая жесткая связь использует специальные средства соединения (стержни, хомуты, анкеры), которые заделываются в бетон.
Рассмотрим случай спаренной балки с бетонной плитой без поперечных стыков. Если определенная нагрузка (например, изгибающий момент) действует только в течение короткого времени, соответствующие напряжения и деформации Δσ, соотв. Δε по элементарной науке прочности, аналогично железобетону. Напряжения в стали и бетоне при определенном удлинении зависят от их модуля упругости: σst/σb = Est/Eb = n. Если нагрузка длительная, возникают деформации бетона за счет усадки и течения. Если ε0 = σ/E0 обозначить деформацию от кратковременной нагрузки в момент t = 0,, то под постоянной нагрузкой за счет трения деформация возрастает до момента t до значения εt = ε0 (t + φt). При тех же условиях деформации текучести рассчитываются так, как если бы они были пропорциональны напряжениям. Вот почему говорят, что закон Гука применим к деформациям, вызванным потоком. Коэффициент текучести φt зависит от времени, класса бетона, внешней температуры, влажности воздуха, момента нагрузки элемента и т. д.
Вместо изгиба по Бернулли\ и Навье\ появляются дифференциальные зависимости, т.е. распределение напряжений следует определять из дифференциального уравнения течения. В результате течения напряжения в бетоне уменьшаются, а в стали возрастают. Эти изменения напряжений зависят, помимо размеров поперечного сечения, от упругих размеров и момента нагрузки. Аналогичные последствия, что и от течения, возникают и при усадке бетона. Величина усадочных мероприятий εs зависит от бетона, способа его производства, а также от климатических условий. Усадка бетона не зависит от нагрузки, приложенной к элементу.
Муфты
Средства соединения должны безопасно передавать все срезающие усилия на контактирующих бетонных и стальных поверхностях вследствие возникающих нагрузок и, таким образом, предотвращать скольжение. Кроме того, они должны воспринимать косые основные силы натяжения, если из-за их размеров сам бетонный участок не может их воспринять. Величина сил определяется согласно элементарной теории изгиба. В качестве средств связи рассматриваются:
- Соединительные анкеры: это круглые или плоские железные пластины, приваренные к верхнему поясу стальной опоры, которые действуют аналогично изогнутой арматуре железобетонных балок. Они изготавливаются в виде крючков или стремян, расположенных по диагонали или вертикально. Эти анкеры действуют только в одном направлении и неэффективны, если поперечная сила меняет знак.
- Кронштейны: они крепятся к верхней поверхности стальной опоры и могут воспринимать сдвиговые усилия в обоих направлениях. Следует проводить различие между мягким и жестким мозгом по направлению силы сдвига. Мягкие клетки мозга подвергаются значительным деформациям и неравномерно распределяют силы сдвига по своей поверхности. Жесткие мозги дают лучшее распределение сил при меньших деформациях.
Изображение 2 — Мост через реку Рур возле Хердеке
- Спиральная арматура: опирается на стальную опору и приваривается в точках контакта. Спирали не подходят для значительных сил сцепления. То же самое относится и к гофрированной круглой стали. В качестве примера средства сцепления на мостах на рис.2показаны мозги моста через реку Рур возле Хердеке (мозги60х40с вертикальными хомутами φ12, которые привариваются к самим мозгам, во избежание дальнейших порезов от сварки); на рис.3средствами соединения поперечных балок одного моста в зависимости от величины поперечной силы применялись для балок поперечно-приварные хомуты, а также прямоприварные хомуты верхнего пояса со специальными ригелями. В случае длинных хомутов, хомуты можно также приварить с противоположных сторон, рис.4а. На рис.4б показано решение с наклонными стременами.
Картина3— Поперечина одного моста
Картина4— Мозги со стременами
В строительстве применяют также жесткие хомуты со хомутами или просто хомуты, но встречаются и решения с мягкими хомутами, например, заклепанные уголки. По экономическим соображениям чаще применяют соединительные анкеры, привариваемые к стальной опоре встык (рис.5а) или опираться на опору одним загнутым концом (рис.5б). На рис.5в показано соответствующее решение со смещенными крючками. На рис.6показано обычное решение потолочных опор в строительстве зданий, а именно а) спаренная опора из двутавров, б) из тавровых балок, которая создается путем разрезания двутавров. На концах опор всегда должны быть предусмотрены особо прочные концевые раскосы (рис.7). Наклонные анкеры служат для создания в плите напряжений от усадки и температуры.
Изображение 5 — Соединительные анкеры
Изображение 6 — Поддержка мезонинной структуры
Размер средств соединения осуществляется по элементарным принципам. Отдельные средства должны воспринимать силу сдвига, соответствующую их расстоянию. При определении размеров сварного соединения ствола мозга следует учитывать опрокидывающий момент.
Изображение 7 — а) Концевой мозг с якорем; б) крепление
Эластичная муфта
Предыдущие презентации были связаны с жестким соединением, где относительное смещение между стальной опорой и пластиной равно нулю, а средства соединения действуют непрерывно. Деформацией средств сцепления, местной деформацией бетона и стальной опоры пренебрегают.
Изображение 8 — Кронштейн с эластичной муфтой
При условии жесткой связи силы, передаваемые отдельными средствами связи, пропорциональны поперечной силе и расстоянию до мозга. Если на определенных участках происходят значительные относительные перемещения между стальной опорой и бетонной плитой, это вызывает заметную перегруппировку сил. Бетон может частично перестать действовать как прижимная плита спаренной балки, в результате чего максимальные значения поперечных усилий существенно уменьшаются. На рис. 8 — пример конструкции с упругой связью, аналогичной мосту через Рейн, Кельн-Роденкирхен. На рис. 9 показывает влияние упругой связи на неразрезную опору при сосредоточенной силе и полностью равномерно распределенной нагрузке. Смещение ψ, которое является мерой жесткости муфты при восприятии сдвига, определено на рис. 8. Таким образом, влияние упругой связи очень велико, если свойства муфты специально выбраны так, чтобы воспринимать сдвиг.
Рисунок 9 — Пример моста с упругой муфтой
Расчет связанных конструкций
В принципе экономически выгодно, чтобы толщина бетонной плиты была как можно меньшей, при этом следует соблюдать минимальные толщины, определенные нормативами.
Статически определенные конструкции
Для статически определенных конструкций (например, простых балок) статические воздействия в общем сечении для определенной нагрузки постоянны, соотв. независимая от времени. Из-за эффекта течения и усадки изменяются только изгибающие моменты и нормальные силы в определенных частях сечения.
Эффект усадки можно представить как соответствующую разницу температур между стальной балкой и бетонной плитой. В результате усадки бетона в сопряженном сечении возникают внутренние напряжения, а именно растягивающие напряжения от усадки в бетоне, усадка которого предотвращается влиянием стальной опоры (а также самой арматуры), а в стальном сечении возникают соответствующие сжимающие напряжения (рис.10). Усадка увеличивается со временем до конечного значения по единой показательной функции. Поскольку с усадочными деформациями также возрастают напряжения усадки, это приводит к так называемому усадочному течению.
Картина10— а) Усадка свободной пластины без муфты; б) напряжения от усадки в спаренных опорах
В зависимости от статической системы, принимающей на себя собственный вес бетонной плиты, она различается: сцепка только для подвижной нагрузки (собственный вес воспринимает только стальная опора, а спаренная система принимает только те нагрузки, которые действуют на готовую конструкцию), сцепка для собственного веса и подвижной нагрузки (на спаренную систему действует весь собственный вес и подвижная нагрузка).
Первый случай имеет место, когда стальные балки служат балками опалубки, не имея опоры, и при бетонировании могут прогибаться в полевых условиях (рис.11а). В этом случае стальная опора сама принимает на себя вес бетона и опалубки. Склеивание происходит только тогда, когда бетон достаточно твердый (рис.11б), причем опору нельзя нагружать сразу после бетонирования во избежание повреждений или чрезмерного растекания бетона.
Во втором случае, когда собственный вес бетонной плиты воспринимается также спаренной системой (рис. 11c), предполагается, что стальная опора во время бетонирования опирается в достаточных местах, чтобы не воспринимать значительные изгибающие моменты. Распределение напряжения после снятия строительных лесов показано на рис. 11d.
Рисунок 11 — Муфта для подвижной и статической нагрузки с распределением напряжения до и после снятия строительных лесов
Предварительная загрузка
В случае простых балок меньшие растягивающие напряжения возникают в бетоне только за счет усадки и разницы температур. В навесных балках, неразрезных балках и других конструкциях возникают значительные растягивающие напряжения, которые могут вызвать появление трещин в бетоне. Если в области отрицательных моментов появляются трещины, эффект сцепления теряется. Поэтому полезно заранее создать небольшие сжимающие напряжения в бетонной плите, чтобы безопасно избежать образования трещин из-за усадки бетона. Растягивающие напряжения в бетонной плите из спаренных балок можно уменьшить:
1. Путем соответствующей отрицательной предварительной нагрузки на стальную балку (предварительное натяжение верхней кромки). Последовательность бетонирования должна быть тщательно изучена.
2. Путем поднятия и опускания средних опор сплошных опор. при этом при соблюдении соответствующей процедуры в бетонной плите соединенной опоры могут возникнуть сжимающие напряжения.
3. Путем предварительного напряжения. Простейший случай — когда свободная бетонная плита предварительно напряжена и лишь впоследствии соединяется со стальной опорой. Преимуществом этой процедуры является относительно небольшая сила предварительного напряжения, поскольку сжатый пояс стальной опоры не подвергается предварительному напряжению. Эта балка воспринимает изгибающие моменты только за счет течения и усадки бетонной плиты, поэтому за счет силы предварительного напряжения она остается прямой. На рис. 12a показано распределение напряжений для этого случая предварительного напряжения (t=0), а на рис. 12b конечное состояние в конце потока (t=tE) и на рис. 12c напряжения изгиба из-за кратковременной моментной нагрузки (t=a). На рис. 12d показывает распределение напряжений для t=0 в случае предварительного напряжения связанной бетонной плиты.
Рисунок 12 — Предварительное напряжение отдельно стоящей бетонной плиты с последующим соединением
Статически неопределимые конструкции
Непрерывные балки и подобные конструкции испытывают отрицательные изгибающие моменты, что часто вызывает высокие растягивающие напряжения в железобетонной плите. Трещины нежелательны, особенно в мостах, учитывая срок службы спаренных балок и влияние насечек на трещины. Статически неопределимые системы рассчитываются на кратковременные нагрузки (подвижные нагрузки) по обычным методам статики для неизмененной системы. Соответствующие статические величины и деформации такие же, как и в идеально упругой системе. Под действием постоянной нагрузки, особенно высокого предварительного напряжения, всегда возникает большой поток. При определении силы предварительного напряжения следует учитывать трение изогнутых элементов предварительного напряжения. При строительстве следует тщательно выбирать свес спаренных мостов. Готовые спаренные опоры очень жесткие, поэтому произвести последующую корректировку положения по высоте практически невозможно. Окончательный уровень достигается только через несколько лет с учетом стока. Это выравнивание в некоторой степени неопределенно, поскольку эффекты усадки и текучести варьируются в зависимости от климатических условий, которые невозможно предсказать.
Заключение
Применение муфты не ограничивается балками из листового металла, но может также включать в себя опоры для придания жесткости балкам Лангера, подвесным мостам и т. д., а также решетчатые балки с проезжей частью вверх или вниз. Решетчатые мосты - высокие растягивающие напряжения возникают в дорожных плитах вблизи проезжей части внизу, так как этим плитам приходится в большей или меньшей степени следовать удлинению натянутого пояса главной балки. Во избежание образования трещин требуется соответствующее продольное предварительное напряжение. На рис.13существует пограничный случай, когда стальная решетка вообще не имеет нижнего пояса, а его роль полностью берет на себя железобетонная плита, предварительно напряженная в обоих направлениях. На рис.13б видны каналы разреза60х180мм в самой опоре.
Картина13— Мост Гале: а) секция; б) перекресток нижнего пояса, слева на главной станции, справа на Вешальке