Научная статья на тему 'ЭЛЕМЕНТЫ ОЦЕНКИ РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ БАЛОК, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ВЫТЯЖКОЙ СТЕНКИ'

ЭЛЕМЕНТЫ ОЦЕНКИ РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ БАЛОК, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ВЫТЯЖКОЙ СТЕНКИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
0
0
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
предварительное напряжение / оптимальное проектирование / несущая способность / жесткость / ресурс. / prestressing / optimal design / load-bearing capacity / rigidity / service life.

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Е В. Кравчук, А А. Иодчик, В А. Кравчук

В статье представлены возможные пути определения ресурса стальных, однопролетых балок, предварительно напряженных вытяжкой их стенки. Приведена методика поиска коэффициентов оптимального распределения материала по поперечному сечению симметричного, монометаллического стального двутавра. На основании теории сооружений определены предельно допустимые моменты внешних нагрузок для обычных и предварительно напряженных балок. Сформулированы аналитические выражения, характеризующие первое и второе предельные состояния предварительно напряженных балок, установлен ресурс их несущей способности. Выполнен анализ и определены аналитические зависимости жесткости предварительно напряженных балок и установлен ресурс конструкций по этому критерию. Определена высота исследуемых балок и ее изменение при вариации пролета и действующей равномерно распределенной нагрузки. Установлен ресурс высоты предварительно напряженных балок по сравнению с высотой обычных изгибаемых конструкций. Несущая способность балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, выше соответствующей способности обычных балок в 1,8 раза, и их ресурс составляет 180 %. Прогибы предварительно напряженных балок меньше прогибов традиционных балок на 77,3 %, и их ресурс жесткости составляет 1,29. Высота обычной балки выше высоты предварительно напряженной конструкции в 1,847 раза. Ресурс предварительно напряженной балки составляет 187 %.

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

ELEMENTS OF RESOURCE ASSESSMENT OF STEEL BEAMS PRESTRESSTED WEB

The article presents possible ways to determine service life of steel single-span beams with prestressed web. The authors implement the method for searching coefficients of optimal distribution of material over the cross section of a symmetrical, monometallic steel I-beam. Basing on structures theory the study determines the maximum permissible moments of external loads for ordinary and prestressed beams. It formulates analytical expressions characterizing the first and second limit states of prestressed beams and establishes the resource of their bearing capacity. As a result of performed analysis, analytical dependences of prestressed beams stiffness are determined and structures resource is established according to this criterion. The study determines height of beams and its change with span variations and actual uniformly distributed load. Resource height of prestressed beams is established in comparison with height of conventional bending structures. Load-bearing capacity of beams with prestressed web is 1,8 times higher than the corresponding capacity of conventional beam and their resource is 180 %. Deflections of prestressed beams are 77,3 % less than deflections of traditional beams and stiffness resource is 1,29. Height of conventional beam is 1,847 times higher than height of prestressed structure. Service life of prestressed beam is 187%

Текст научной работы на тему «ЭЛЕМЕНТЫ ОЦЕНКИ РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ БАЛОК, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ВЫТЯЖКОЙ СТЕНКИ»

2.1.5 - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МА ТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НА УКИ)

DOI 10.53980/24131997_2024_3_41

Е.В. Кравчук1, ст. преподаватель, e-mail: ollgart@mail.ru

A.А. Иодчик2, канд. техн. наук, доц., e-mail: 001168@pnu.edu.ru

B.А. Кравчук2, д-р техн. наук, проф., e-mail: 000415@pnu.edu.ru Дальневосточный государственный университет путей сообщения

2Тихоокеанский государственный университет г. Хабаровск

УДК 624.072.14

ЭЛЕМЕНТЫ ОЦЕНКИ РЕСУРСА СТАЛЬНЫХ БАЛОК, ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ВЫТЯЖКОЙ СТЕНКИ

В статье представлены возможные пути определения ресурса стальных, однопролетых балок, предварительно напряженных вытяжкой их стенки. Приведена методика поиска коэффициентов оптимального распределения материала по поперечному сечению симметричного, монометаллического стального двутавра. На основании теории сооружений определены предельно допустимые моменты внешних нагрузок для обычных и предварительно напряженных балок. Сформулированы аналитические выражения, характеризующие первое и второе предельные состояния предварительно напряженных балок, установлен ресурс их несущей способности. Выполнен анализ и определены аналитические зависимости жесткости предварительно напряженных балок и установлен ресурс конструкций по этому критерию. Определена высота исследуемых балок и ее изменение при вариации пролета и действующей равномерно распределенной нагрузки. Установлен ресурс высоты предварительно напряженных балок по сравнению с высотой обычных изгибаемых конструкций. Несущая способность балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, выше соответствующей способности обычных балок в 1,8 раза, и их ресурс составляет 180 %. Прогибы предварительно напряженных балок меньше прогибов традиционных балок на 77,3 %, и их ресурс жесткости составляет 1,29. Высота обычной балки выше высоты предварительно напряженной конструкции в 1,847раза. Ресурс предварительно напряженной балки составляет 187 %.

Ключевые слова: предварительное напряжение, оптимальное проектирование, несущая способность, жесткость, ресурс.

E.V. Kravchuk1, Senior Lecturer.

A.A. Iodchik2, Cand. Sc. Engineering. Assoc. Prof.

V.A. Kravchuk2, Dr. Sc. Engineering, Prof.

1Far Eastern State Transport University, Khabarovsk;

2Pacific State University, Khabarovsk

ELEMENTS OF RESOURCE ASSESSMENT OF STEEL BEAMS PRESTRESSTED WEB

The article presents possible ways to determine service life of steel single-span beams with prestressed web. The authors implement the method for searching coefficients of optimal distribution of material over the cross section of a symmetrical, monometallic steel I-beam. Basing on structures theory the study determines the maximum permissible moments of external loads for ordinary and prestressed beams. It formulates analytical expressions characterizing the first and second limit states ofprestressed beams and establishes the resource of their bearing capacity. As a result of performed analysis, analytical dependences of prestressed beams stiffness are determined and structures resource is established according to this criterion. The study determines height of beams and its change with span variations and actual uniformly distributed load. Resource height of prestressed beams is established in comparison with height of conventional bending structures. Load-bearing capacity of beams with prestressed web is 1,8 times higher than the corresponding capacity of conventional beam.

41

and their resource is 180 %. Deflections of prestressed beams are 77,3 % less than deflections of traditional beams and stiffness resource is 1,29. Height of conventional beam is 1,847 times higher than height of prestressed structure. Service life of prestressed beam is 187%.

Key words: prestressing, optimal design, load-bearing capacity, rigidity, service life.

Введение

Теоретические основы оценки ресурса конструкций представлены в работах В.В. Болотина [1], А.Г. Райзера [2], А.Р. Ржаницина [3], А.В. Перельмутера [4, 5], А.А. Ройтмана [6].

Практические приемы определения ресурса конструкций зданий и сооружений разработаны ведомственными организациями [7, 8], в том числе Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации [9], РУСПРОМ (Эксперт) [10], Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору [11], в ЦНИИпро-ектстальконструкция им. Мельникова [12, 13], ЦНИИпромзданий [14], ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко [15].

Большой вклад в разработку инженерных методов расчета остаточного ресурса строительных конструкций вносят научные коллективы Волгорадского архитектурно-строительного университета [16], Пермского национального исследовательского политехнического института [17], Белгородского государственного технического университа им. В.Г. Шухова [18], Санкт-Петербургского политехнического института им. Петра Великого [19], Тамбовского государственного технического университета [20], Южно-Уральского государственного университета [21, 22].

Работу в этом направлении выполняют вузы Владивостока [23], Казани [24], Полоцка [25], Санкт-Петербурга [26], Улан-Удэ [27-30], следует отметить иностранные публикации [31].

Отметим также работы по оценке ресурса строительных конструкций [32, 33], в которых предложен метод пробной нагрузки замерами твердости металла эксплуатируемой конструкции.

Рекомендации по градостроительному планированию оптимальных сроков выхода зданий из эксплуатации и их сносу, новому строительству, капитальному ремонту, реконструкции на основе алгоритма оценки снижения остаточного ресурса надежности по параметрам цикловой усталости представлены в диссертации И.Ю. Майстренко [34].

Методом конечных элементов описаны модели оценки степени безопасности и риска разрушения металлических ферм с предложением диагностического признака предразрушаю-щего состояния конструкций описан в работе [35]. Расчет остаточного ресурса строительных конструкций с учетом коррозионного и физического износов, ресурса по статической прочности и усталости предложен в исследовании [24].

Особенность работы конструкций при случайных отклонениях и от проектных решений, а также влияние работоспособности отдельных конструктивных элементов на несущую способность здания в целом описаны в работах [36, 37].

Помимо этого, проведенный обзор литературы по исследуемой тематике выделяет ряд публикаций, которые, на наш взгляд, достаточно убедительно дают оценку ресурса строительных металлических конструкций [38, 39] и инженерного метода расчета остаточного ресурса строительных конструкций [17].

Установлено, что существующие и наиболее разработанные методики определения остаточного ресурса металлических конструкций базируются на теории вероятности и математической статистике с учетом детального анализа степени физического и морального износа конструкций.

Цель работы: предложить методику определения ресурса стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки.

На базе теории расчета стальных тонкостенных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, сделан вывод о возможности определения остаточного ресурса конструкций на

основе результатов их оптимального проектирования, обеспечивающего максимальную несущую способность, выносливость, хладостойкость, коррозионную стойкость, динамическую прочность балок, при эксплуатации их в экстремальных условиях Дальнего Востока.

Материалы и методы исследования

Для оценки несущей способности предварительно напряженной балки сравним ее с несущей способностью балки, не имеющей предварительного напряжения.

Предельный момент внешней нагрузки определим на основе теории сооружений, суть которой состоит в том, что момент внешних нагрузок Мх оЬ должен быть уравновешен моментом внутренних усилий \МоЬ ].

Задача решается на основе анализа эпюры максимальных нормальных напряжений в балке с симметричным поперечным сечением (рис.).

1 X 1 X У /л

1 "А,.. у/ 1 / - ......................

Рисунок - Нормальные напряжения в разрезной монометаллической однопролетной балке

Мх.оЬ ФоЬ ] = РЬ + Р1у ,

(1)

где Р, Р1 - внутренние усилия, действующие по центру тяжести, соответственно поясных листов и стенки балки; И,2И /3 — плечи внутренних усилий.

Площадь поперечного сечения симметричного двутавра

А = 2Ау + А . (2)

Введем коэффициенты, характеризующие распределение материала по поперечному сечению двутавра

/у = Ау / А — в поясных листах;

= Ак / А — в стенке балки.

С учетом коэффициентов:

— площадь поясного листа — Ау = /у А;

— площадь стенки — Ак = /кА.

Подстановка выражений, характеризующих соответствующие площади элементов балки, в зависимость (2) позволяет выразить коэффициент /у через коэффициент /

1 — /

/ ^

Уг 2

Усилие Р, действующее в верхнем и нижнем поясах балки,

1 — /

Р = КуА = КУГгА = *УА-

(3)

(4)

Усилие Р1, сосредоточенное в центре тяжести эпюры нормальных напряжений по стенке балки,

Л = 1х Ох.Яу = 1. ^ = (5)

1 2 2 у 2 2 4

В таком случае момент внутренних усилий в поперечном сечении балки

г т 2Н КАН 3 - 2у

\ЫоЪ ] = РН + Р1 • -3- = ---У. (6)

Сопоставляя выражение (6) с известной записью момента внешних нагрузок

М = ЯЖХ,

устанавливаем, что момент сопротивления поперечного сечения симметричной балки можно определить зависимостью

= АН х 3-2^. Х 2 3

Высота сечения балки может быть определена выражением

Н=лйл,

где пы - гибкость стенки балки.

С учетом коэффициента распределения материала по стенке балки

- Чу^Апк =уЦ24АП~к . (8)

Подставим высоту Н по зависимости (8) в выражение момента сопротивления (7)

Wx = Ах^-У^х^-у. (9)

Оптимальное распределение материала по сечению стенки балки ук определяем посредством дифференцирования зависимости (9)

тх _ а4АПм

3 6 1/2

2 •у1'1 2

/ ы

~Ум

1/1 о ' ы

=0. (10)

У 6

Выражение (10) позволяет установить, что

УГ = 0,5. (11)

С учетом у*0Р оптимальное распределение материала по поясам симметричной балки

1 -У

У г = 0,25. (12)

Момент внутренних усилий в таком случае

Моъ] = АхдАОб У^х3-^ • Яу = 0,2357хАЯуЛ[АПОб . (13)

Используя приведенный прием, В.А. Кравчук определил, что предельный момент внутренних усилий предварительно напряженной балки определяется выражением

МРГ]=0,427 X АЯу^АПр;, (14)

где прг - гибкость стенки предварительно напряженной балки; Ry - расчетное сопротивление

материала стенки балки).

Отношение предельных моментов

М 0,427 • А3'2 Яп1'2 п1'2

£ = = -- у р = 1,31^. (15)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Е Моъ 0,2354 • А ЯупОЪ ' п1Ъ2 ^ '

С учетом коэффициента Е первое предельное состояние предварительно напряженной балки следует записать

Ryfyc. (16)

Следовательно, ресурс несущей способности предварительно напряженной балки будет оцениваться коэффициентом

* = < 1,0 . (17)

Если % = 1,0, то ресурс предварительно напряженной балки по первому предельному состоянию повышается на коэффициент^ = 1,81 • n^/2 /n^2 и конструкция находится в предельном

состоянии; при %> 1,0, конструкция находится в запредельном состоянии, а при % < 1.0 предварительно напряженная балка обладает повышенным ресурсом несущей способности.

Жесткостью изгибаемого элемента можно назвать его способность противостоять прогибам, вызванным внешней нагрузкой.

Проблемой жесткости предварительно напряженных конструкций занимались многие крупные ученые в области металлостроительства.

Е.И. Беленя в работе «Предварительно напряженные металлические конструкции» отмечает: «... предварительное напряжение позволяет повысить эффективность конструкции, т. е. увеличить их несущую способность и в ряде случаев и жесткость», и далее - «... созданием предварительного напряжения обратного знака можно повысить жесткость конструкции».

Независимо от конструктивного решения балок и выбора материала для формообразования сечения модуль упругости сталей любого класса - E = 21000kH/ см2. Следовательно, жесткость сечения любой балки зависит от ее прогиба.

Прогиб балки, не имеющей предварительного напряжения, определяется известной формулой:

5 qnl4 5 1 ql2 l2

yob =-x--= — x--—x— , (18)

ob 384 EIx 48 у f 8 EI x

где qn = q /yf — нормативная равномерно распределенная нагрузка; q — расчетная равномерно

распределенная нагрузка; yf — коэффициент надежности нагрузки, уf = 0,9 (табл. 7.1,

СП 20.13330.2017).

Выше (13) установлено, что моменту внутренних усилий

2

Mob = ^ = 0,2357 x ARyjMW =0,2357x RyA3/2ni/2 , 8

где nw — гибкость стенки балки.

Следовательно, прогиб обычной балки

с 1 /2

УоЬ = -x-x 0,2357 xRyA3/2n^x — = 0,02728 xRyA312! 2nJ,/2 /EIx. (19)

48 0,9 EIx

Прогиб балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки ^ у следует определять

с учетом выгиба f0, полученного балкой на стадии ее предварительного напряжения,

Z у = у, — f0, (20)

где yg — прогиб предварительно напряженной балки от внешней, равномерно распределенной нагрузки.

5 1 l2

yg = — x — xMgx-. (21)

g 48 у f g EIx

На этом этапе уместно выявить, какую долю в предельном моменте внешней нагрузки ql2

Mg составляет M 0 =

На основании теории сооружений момент внешних нагрузок равен моменту внутренних усилий. В работе В.А. Кравчука («Стальные стержни, предварительно напряженные без затяжек», 2015) установлено, что момент внешних нагрузок предварительно напряженной балки

M„ =0,427 х R„A3/2iJ nlJ 2r.

,3/2

^ у>м,.рг- (22)

Следовательно, отношение

М0 0,2357 хЯуА3/2 0 - у =0,552. (23)

Mpr 0,427 х RyA3/2

/2

Откуда Мо =0,552Мрг, или -— = 0,552 хМ рг . Поскольку предварительно напряженная балка

8

нагружается предельно допустимой нагрузкой, то 2 2

Мпг= — х—1— = 1.8х= 1,8х0,2357хЯуА3/2ЛГп~ = 0,427хЯу А3/^Л/пГ. (24)

рг 8 0,552 8 у м ы у ч ы у 7

В таком случае прогиб предварительно напряженной балки, находящейся под воздействием внешней нагрузки, 512

Уg= х 0>427 х ЯуАЪ11^ = 0,04448 х ЯуА3'1^. • 12/Е1Х . (25)

Выгиб балки на стадии изготовления конструкции

, (26) /о 8,3Е/х/ ' }

ЯАНК2

где Мо - момент усилий предварительного напряжения, Мо =-^-; К - коэффици-

(К +1) (К + 2)

ент асимметрии поперечного сечения предварительно напряженной балки К = 1,175; 1хй - момент инерции сечения тавра, исходного элемента балки.

¡xt = ¡x х

(2К +1)_ 1х (27)

2(К +1) 1,2985 ,

С учетом коэффициента асимметрии К = 1,175 момент усилий предварительного напряжения

М0 = ЯуАН х 0,092 .

В таком случае с учетом I хЛ по зависимости (27) выгиб

0,092 х ЯуАН х 12 ЯуАН12 о =-у-х 1,2985 = 0,119462 х - у

8,3Е1Х Е1Х

Известно, что высоту поперечного сечения двутавра можно определить по формуле:

Н = д/0,496 х Апы = 0,70423 х А1/2 .

В итоге выгиб предварительно напряженной балки на стадии ее изготовления

ЯуА12 х 0,70423 х А1/2ЛГп^ ЯуА3/212

Л = 0,119462—у---У-^- = 0,0101 х-у-У-^-. (28)

о 8,3 Е1 х Е1Х

Результирующий прогиб предварительно напряженной балки, фиксируемый в середине конструкции, с учетом зависимостей (25) и (28)

у V (г\г\,|/|/|о птт\_пт/100 у V

Т у = Уг - Л = (0,04448 - 0,0101) = 0,03438 • у ^ ^ . (29)

Е1Х ЕГХ

Соотношение суммарного прогиба Т у предварительно напряженной балки, нагруженной внешней нагрузкой М &, и прогиба уг при той же нагрузке может быть характеристикой ее жесткости

= Еу = 003138 = 0,7729. (30)

Т0 у 0,04449 •

Это означает, что прогиб предварительно напряженной балки снижен в 0,7729 раза, или жесткость балки повышена в 1/0,7729 = 1,2937 раза.

Выводы, изложенные выше, относятся к конструкциям, шарнирно закрепленным в опорных узлах. Если указанные узлы балок будут жестко закреплены в опорных узлах конструкции, то появится еще выгиб уор, вызванный опорным моментом, вектор которого направлен в сторону, противоположную вектору внешней нагрузки. В этом случае результирующий прогиб предварительно напряженной балки

Яу/2Л3/2п1/2 Яу/2Л3/2п1/2

Т у = Уq - (Ло + уор ) = -((0,04448 • -(0,0101 + 0,0297) = 0,01478 х - (31)

Е1Х Е1Х

2 2л 2 1 1 12 „ А3/2 ^^ 12

В формуле (31) уор = —-(х1 -х ) = -—х —х-х— = 0,2357х-х — =

ор 24 Е1х 8 3 Е1х 4 Е1х 12

Я12 Л3'2 п112 0,0297 х у

Е1 х

Из выражения (31) следует, что при жестких опорных узлах суммарный прогиб предварительно напряженной балки дополнительно снижается еще на 42,9 %. Для того чтобы предварительно напряженная балка заняла «нулевое» положение, а затем получила классический прогиб, к ней необходимо приложить внешнюю нагрузку, многократно превышающую нагрузку для обычных балок. Отсюда следует логический вывод: ресурс жесткости балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, выше ресурса жесткости обычных балок.

Из зависимости (30) следует, что ресурс жесткости предварительно напряженных балок, шарнирно закрепленных в опорных узлах из условия обеспечения второго предельного состояния,

= !у = 003438 = 0

уг 0,04448

Изложенное дает основание для утверждения, что ресурс предварительно напряженной балки повышается, эксплуатационные нормальные напряжения можно повысить на коэффициент х, а относительные деформации снизить на коэффициент 3 . Представляется, что на стадии сопоставительного анализа предложенная методика вполне убедительно показывает уровень повышения ресурса балок, предварительно напряженных вытяжкой тонкой стенки.

При решении задач, касающихся выяснения ресурса предварительно напряженных балок, весьма показательным может быть соотношение их высот.

Для решения задачи воспользуемся выражением суммарного прогиба предварительно напряженной балки (29).

Заметим, что момент инерции балки можно определить зависимостью

, 2 АН2 К ,,2

i = -х-- = 0,16558 х АН 2.

3 (К +1)2

Учитывая (32), суммарный прогиб предварительно напряженной балки запишем:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Е у = 0,2 х-

Яу12 А1/2 п1/2

ЕН

2

(32)

(33)

Требуемая площадь поперечного сечения балки А определяется зависимостью

А = 3

М

рг

0,4272 х Я2упы

К

(1,8а 2/314/3 8-= 0,6524 х а 1

0,4272 Я 2 п

у ы

Яу2/3п1/3

А1/2 =

а2/31 а1/312/3

0,6524 ,„ =0,8077 х а 1

Я2/3 п1/3

Подставим (35) в выражение прогиба по зависимости (33)

я2/318/3а1/3п1/3

Яу/3п1/6"

Е у = 0,16154 х

ЕН

2

(34)

(35)

(36)

Введем понятие «относительный прогиб», т. е. почленно разделим выражение (36) на пролет балки I

р2/3/5/3 1/3 1/3 Е у я у1 а п Е- = 0,16154 х-у-2-

1 ' 2 • (37)

I ЕН2

Полученная зависимость позволяет определять высоту поперечного сечения предварительно напряженной балки Н при вариации пролета I и равномерно распределенной нагрузки а

Н =

0,16154 • Я2у/Ъ15/3 а1/3 п1/3

Е • Г! у 1 1

(38)

Допуская, что расчетное сопротивление материала стенки предварительно напряженной балки Яу - 23АН / см2, модуль упругости стали Е = 21000kH/ см2, гибкость стенки балки

пы = 150, а относительная гибкость балки пролетом I = 12000 мм - Е у /1 = 0,004 (см. табл. Л.1. СП 20.13330.2017), высота балки будет определена зависимостью

Н = 0,28735 х^ 15/3а1/3

(39)

Численные значения высот предварительно напряженных балок Н при вариации пролета I и внешней равномерно распределенной нагрузки а приведены в таблице.

Таблица

Высота Н предварительно напряженной балки, см

3

q, кН/см 1=6000 мм 1=9000 мм 1=12000 мм

0,02 31.0 43,4 55,1

0,04 34,7 48,7 61,8

0,06 37,1 52,1 66,2

0,08 39,0 54,7 63,4

0,18 44,6 62,6 79,4

Взаимосвязь высоты предварительно напряженной балки к и высоты балки, не имеющей предварительного напряжения коЬ, выясним из рассмотрения соотношения требуемых площадей поперечного сечения сопоставляемых конструкций.

Известно, что требуемая площадь сечения обычной балки может быть определена выражением

а предварительно напряженной

Л'г =

л;г=3

М2

0,23572 Я2у п^оь

М2

0,4272 Я2 п^рГ

(40)

(41)

При условии, что обе балки нагружены одинаковым моментом М , при гибкости стенки обычной балки п^оЬ = 80, а гибкости стенки предварительно напряженной балки п^, рг = 150, отношение площадей поперечных сечений сопоставляемых конструкций

71/3

= 0,546. (42)

ЛПГ 0,23572/3 • п!/3

Л 0 4272/3 • п1/3

На основании теории оптимального проектирования сопоставляемых балок установлено, что требуемая площадь сечения стенки предварительно напряженной балки

У™рг = ЛМ! рг /Лрг = 0,496 , т. е. ЛМ! рг = 0,496 х Лрг . Поскольку Лрг = 0,546 х Лоь , то площадь стенки предварительно напряженной балки Л^ рг = 0,496 х 0,546 х Лоь = 0,27 • Лоь .

Оптимальная площадь стенки обычной балки - Лм;.оЬ 0,5 х Ль '

Соотношение площадей стенок предварительно напряженной и обычной балок

Л- = = 0541

ЛЖоь 0,5Лоь '

Запишем соответствующие площади сечений стенок балок как произведение их высот, умноженных на толщины стенок.

к ? = 0,541 • к л ?.

рг ' оь ™.оь

При равенстве толщин сопоставляемых балок

коь = крг/0,541 = 1,848к . (43)

Таким образом, можно утверждать, что ресурс высоты предварительно напряженной балки в 1,848 раза выше ресурса высоты балки, не имеющей предварительного напряжения.

Вместе с тем нельзя не отметить, что уменьшение толщин стенок предварительно напряженной и обычной балок сопровождается уменьшением отношения высот сопоставляемых балок. Например, если толщина стенки предварительно напряженной балки в два раза меньше толщины обычной балки, то

коь = 0,5крг /0,54 = 0,926 х крг.

Следовательно, снижение толщины стенки предварительно напряженной балки ведет к снижению соотношения высот балок и снижению ресурса предварительно напряженной балки.

Заключение

Стальные однопролетные балки, предварительно напряженные вытяжкой стенки, можно рекомендовать для применения в качестве балок покрытий и перекрытий стальных каркасов жилых и общественных зданий и сооружений, а также прогонов зданий промышленного назначения.

3

Библиография

1. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. - М.: Стройиздат, 1982. - 351 с.

2. Райзер В.Д. Теория надежности сооружений. - М.: АСВ, 2010. - 156 с.

3. Ржаницын А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность. - М.: Стройиздат, 1978. - 239 с.

4. Перельмутер А.В. Избранные проблемы надежности и безопасности строительных конструкций. - М.: АСВ, 2007. - 145 с.

5. Пособие по проектированию металлических конструкций (к СНиП П.23.81*). - М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1989. - 126 с.

6. Ройтман А.Г. Надежность конструкций эксплуатируемых зданий. - М.: Стройиздат, 1985. -

280 с.

7. ВСН 53-86 (р) Правила оценки физического износа жилых зданий. - М.: Госгражданстрой, 2001. - 43 с.

8. ГОСТ 945-78. Металлы. Методы испытаний на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. - М., 2002. - 12 с.

9. Манапов А.З. Алгоритмы метода Монте-Карло для моделирования работы и ресурса строительных конструкций // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - 2010. - № 1 (13). - С. 141-146.

10. Расчет остаточного ресурса зданий и сооружений. РУСПРОМ. - URL: https://www.ruspromex-pert.ru/uslugi/raschet_ostatochnogo_resursa_zdanij_i_sooruzhenij/ (дата обращения: 18.06.2024).

11. Рекомендации к обоснованию остаточного ресурса строительных конструкций объектов использования атомной энергии. РБ-167-20. Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. - М., 2020. - 54 с.

12. Рекомендации по обследованию стальных конструкций производственных зданий. ЦНИИ-проектстальконструкция им. Мельникова. - М., 1988. - 107 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

13. Руководство по расчету стальных конструкций на хрупкую прочность. - М.: ЦНИИПСК им.Мельникова, 1986. - 12 с.

14. Рекомендации по оценке надежности строительных конструкций по внешним признакам. -М.: ЦНИИПромзданий, 2001. - 96 с.

15. Ведяков И.И., Одесский П.Д. Современные отечественные стандарты и вопросы расширения применения металлических конструкций в строительстве // Вестник НИЦ «Строительство». - 2019. -№ 3 (21) - С. 42-26.

16. Бабалич В.С., Сухин К.А., Вильгельм Ю.С. и др. Восстановление ресурса строительных кон-струкцих цехов металлургических предприятий // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. - 2022. - № 3 (88). - С. 7-16.

17. Голубев К.В. Остаточный ресурс зданий и сооружений исторической застройки как один из критериев обеспечения их надежности // Вестник ПНИПУ. - 2015. - № 2 (18). - С. 37-48.

18. Дегтярь А.Н., Серых И.Р., Панченко Л.А. и др. Остаточный ресурс конструкций зданий и сооружений // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2017. - № 10. - С 94-97.

19. Гаврильев И.М., Корольков Д.И., Гравит М.В. Модифицированная методика расчета остаточного ресурса с использованием экспоненциального распределения // Вестник Евразийской науки. - 2019. - Т. 2, № 2. - С. 5-14.

20. Козельская С.О., Котельников В.В., Акимов Д.А. и др. Экспериментальное исследование возможности оценки ресурса и эксплуатации композитных конструкций при их силовом нагружении и промышленных строительных конструкций // Вестник ТГТУ. - 2021. - № 1. - С. 132-148.

21. Байбурин А.Х., Иванов А.Е., Байбурин Д.А. Некоторые аспекты оценки остаточного ресурса строительных конструкций // Предотвращение аварий зданий и сооружений. - URL: http: //www. pa-mag.rrnsrc/aspekty-ocenki/aspekty-ocenki.pdf (дата обращения 18.06.2024).

22. Шматков С. Б. Расчет остаточного ресурса строительных конструкций зданий и сооружений // Вестник ЮУрГУ. - 2007. - № 22. - С. 56-57.

23. Будрин С.Б., Овсянников В.В. Оценка остаточного ресурса металлических конструкций перегрузочных машин по условию трещиностойкости // Вестник инженерной школы ДВФУ. - 2019. -№ 3 (40). - С. 21-28.

24. Мамин А.М., Тринкинец А.Ю. Методология оценки остаточного ресурса строительных конструкций // Синергия наук. - 2016. - № 6. - С. 477-489.

25. Лисовский А.Л. Оценка остаточного ресурса металлических конструкций грузоподьемных машин на стадии устойчивого развития трещин // Вестник Полоцкого государственного университета. Сер. F. Строительство. Прикладные науки. - 2011. - № 16. - С. 71-82.

26. Черных А.Г., Пухаренко Ю.В., Корольков Д.И. Определение коэффициента А в уравнении оценки остаточного ресурса по возрасту строительных конструкций // Вестник гражданских инженеров.

- 2020. - № 5 (82). - С. 82-86.

27. Чебровский А.А., Кравчук В.А. Касательные напряжения в балках, предварительно напряженных вытяжкой стенки // Вестник ВСГУТУ. - 2014. - № 6. - С. 49-52.

28. Чебровский А.А., Кравчук В.А., Аюшеев Т.В. Исследование касательных напряжений в прио-порной зоне стенки балки, предварительно напряженной вытяжкой стенки // Вестник ВСГУТУ. - 2015.

- № 3 (64). - С. 42-48.

29. Чебровский А.А., Кравчук В.А. Исследование локальных напряжений в средней зоне стальных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки, при действии сосредоточенной силы // Вестник ВСГУТУ. - 2017. - № 1. - С. 61-66.

30. Кравчук В.А., Аюшеев Т.В., Балхаева В.Д. Влияние сварочных напряжений и деформаций на напряженно-деформированное состояние составных балок, предварительно напряженных вытяжкой стенки // Вестник ВСГУТУ. -2018. -№ 4. - С. 55-64.

31. Fernandez-saez J., Navarro C. Fundamental frequency of cracked beams in bending vibrations: an analytical approach // Journal of Sound and Vibration. - 2002. - Vol. 256 (1). - P. 17-31. - DOI: 10.1006/jsvi.2001.4197.

32. Савицкий А.Н. Использование метода пробной нагрузки для оценки остаточного ресурса строительных конструкций // Вестник ПДБАДА. - 2013. - № 1. - С. 50-55.

33. ФридманЯ.Б. Механические свойства металлов. - М.: Машиностроение, 1974. - Т. 2. - 367 с.

34. Майстренко И.Ю. Оценка остаточного ресурса эксплуатируемых стальных конструкций: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук / И.Ю. Майстренко. - Казань, 2006. - 31 с.

35. Акопьян В.А., Кобельков А.Н., Черпаков А.В. Некоторые подходы к оценке остаточного ресурса строительных фермерных конструкций // Известие вузов. Северо-Кавказский регион. - 2009. -№ 5. - С. 89-94.

36. Корольков Д.И., Корольков Д.Д. Методика расчета остаточного ресурса строительных конструкций по их возрасту (фактическому и хронологическому) // Вестник Евразийской науки. - 2019. -Т. 11, № 3. - С. 1-14.

37. Причины снижения надежности и приближенная оценка ресурса стальных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2. -С. 12-19.

38. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Метод и алгоритм оценки снижения остаточного ресурса надежности элементов строительных конструкций зданий и сооружений // Вестник МГСУ. - 2011. -№ 2. - С. 196-201.

39. Чариков А.К. Математическая обработка результатов химического анализа. - Л.: Химия, 1977. - 120 с.

Bibliography

1. Bolotin V.V. Methods of probability theory and reliability theory in calculating structures. - M.: Stroyizdat Publishing House, 1982. - 351 p.

2. Raiser V.D. Theory of reliability of structures. - M.: ASV Publishing House, 2010. - 156 p.

3. Rzhanitsyn A.R. Theory of calculating building structures for reliability. - M.: Stroyizdat Publishing House, 1978. - 239 p.

4. PerelmuterA.V. Selected problems of reliability and safety of building structures. - M.: ASV Publishing House, 2007. - 145 p.

5. Manual for the design of metal structures (to SNiP P.23.81*). - M.: Research Center of Construction, Research Institute of Building Constructions (TSNIISK) named after V. A. Koucherenko, 1989. - 126 p.

6. RoytmanA.G. Structure reliability of operated buildings. - M.: Stroyizdat Publishing House, 1985.

- 280 p.

7. VSN 53-86 (p) Rules for assessing physical deterioration of residential buildings. - M.: Gosgra-zhdanstroy, 2001. - 43 p.

8. GOST 945-78. Metals. Impact bending test methods at low, room and elevated temperatures. - M., 2002. - 12 p.

9. ManapovA.Z. Monte Carlo method algorithms for modeling the operation and service life of building structures // News of the Kazan State University of Architecture and Engineering. - 2010. - N 1 (13). - P. 141-146.

10. Calculation of residual life of buildings and structures. RUSPROM. - URL: https://www.ruspromex-pert.ru/uslugi/raschet_ostatochnogo_resursa_zdanij_i_sooruzhenij/ (access date: 18.06.2024).

11. Recommendations for assessing residual life of nuclear facilities building structures. RB-167-20. Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision. - 2020. - 54 p.

12. Recommendations for inspection of steel structures of industrial buildings. CNIIPSK im. Melinikova AO. - 1988. - 107 p.

13. Guide to calculating brittle strength of steel structures. - M.: TsNIIPSK im. Melnikov, 1986. - 12 p.

14. Recommendations for assessing reliability of building structures based on external features. - M.: TSNIIPromzdanii, 2001. - 96 p.

15. Vedyakov I.I., Odesskiy P.D. Modern national standards and issues of expanding metal structure used in construction // Bulletin of the Scientific Research Center "Construction". - 2019. - N 3 (21) - P. 42-26.

16. Babalich V.S., Sukhin K.A., Wilgelm Yu.S. et al. Resource restoration of building structures of metallurgical enterprise workshops// Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. - 2022. - N 3 (88). - P. 7-16.

17. Golubev K.V. Residual resource of historical buildings and structures as criteria for ensuring their reliability // PNRPU Bulletin. - 2015. - N 2 (18). - P. 37-48.

18. Degtyar A.N., Serykh I.R., Panchenko L.A., et al. Residual life of building and structure structures // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. - 2017. - N 10. - P. 94-97.

19. GavrilyevI.M., KorolkovD.I., GravitM.V. Modified methodology for calculating residual life using exponential distribution // The Eurasian Scientific Journal. - 2019. - Vol. 2, N 2. - P. 5-14.

20. Kozelskaya S.O., Kotelnikov V.V., Akimov D.A., et al. Experimental study of assessing possibility of composite structures resource and operation under their force loading and industrial building structures // Transactions of the TSTU. - 2021. - N 1. - P. 132-148.

21. Baiburin A.Kh., Ivanov A.E., Baiburin D.A. Some aspects of building structure residual life assessing. // Prevention of accidents in buildings and structures. - URL: http: //www. pamag.ru>src/aspekty-ocenki/aspekty-ocenki.pdf (access date 18.06.2024).

22. Shmatkov S.B. Calculation of building structures residual life // South Ural State University Bulletin.

- 2007. - N 22. - P. 56-57.

23. BudrinS.B., Ovsyannikov V.V. Residual life assessment of handling machines metal structures based on crack resistance // FEFU: School of Engineering Bulletin. - 2019. - N 3 (40). - P. 21-28.

24.MaminA.M., TrinkinetsA.Yu. Assessing methodology for building structure residual life // Synergy of Science. - 2016. - N 6. - P. 477-489.

25. Lisovsky A.L. Residual life assessment of lifting machines metal structures at the stage of stable crack development // Bulletin of the Polotsk State University. Ser. F. Construction. Applied sciences. - 2011. -N 16. - P. 71-82.

26. Chernykh A.G., Pukharenko Yu.V., Korolkov D.I. Definition of coefficient A in equation for assessing the residual life of building structures // Bulletin of civil engineers. - 2020. - N 5 (82). - P. 82-86.

27. Chebrovsky A.A., Kravchuk V.A. Tangential stresses in beams pre-stressed by stretching wall // ESSUTM Bulletin. - 2014. - N 6. - P. 49-52.

28. Chebrovsky A.A., Kravchuk V.A., Ayusheev T.V. The research of tangential stresses in the support zone of the steel beam, prestressed by the wall stretching // ESSUTM Bulletin. - 2015. - N 3 (64). - P.42-48.

29. Chebrovsky A. A., Kravchuk V. A. The research of local tension in the average zone of the previously stressed steel beam, at action of the concentrated force// ESSUTM Bulletin. - 2017. - N 1. - P.61-66.

30. Kravchuk V. A., Ayushev T. V., Balkhaeva V. D. / The influence of welding stresses and strains on the stress-strain state of composite beams, prestressed by thin wall drawing / ESSUTM Bulletin. - 2018. - N 4.

- P.55-64.

31. Fernandez-saez J., Navarro C. Fundamental frequency of cracked beams in bending vibrations: an analytical approach // Journal of Sound and Vibration. - 2002. - Vol. 256 (1). - P. 17-31. - DOI: 10.1006/jsvi.2001.4197.

32. SavitskyA.N. Use of test load method for assessment of building structures residual life of // Bulletin of PDBADA. - 2013. - N 1. - P. 50-55.

33. Friedman Ya.B. Mechanical properties of metals. - M.: Mashinostroyeniye Publishing House, 1974. - Vol. 2. - 367 p.

34. Maistrenko I.Yu. Evaluation of the residual life of operated steel structures: abstract of diss. for ... Cand. Sc. Engeneering. - Kazan, 2006. - 31 p.

35. Akopyan V.A., KobelkovA.N., CherpakovA.V. Some approaches to residual life assessing of building truss structures // Bulletin of higher education institutes. North Caucasian region. - 2009. - N 5. - P. 89-94.

36. KorolkovD.I., KorolkovD.D. Methodology for calculating residual life of building structures based on their age (actual and chronological) // The Eurasian Scientific Journal. - 2019. - Vol. 11, N 3. - P. 1-14.

37. Causes of reliability reduction and approximate service life estimation of operated buildings steel structures // Modern Problems of Science and Education. - 2012. - N 2. - P. 12-19.

38. KhlystunovM.S., MogilyukZh.G. Method and algorithm for estimating the decrease in residual reliability of building structures elements// Vestnik MGSU. - 2011. - N 2. - P. 196-201.

39. Charikov A.K. Mathematical processing of chemical analysis results. - L.: Chemistry Publishing House, 1977. - 120 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.