Шпренгельная балка что такое

Шпренгельная балка что такое

Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано в качестве главных балок покрытий и перекрытий промышленных и гражданских зданий и сооружений, например несущих элементов путепроводов, пешеходных переходов, технологических эстакад и др.

Известна конструкция балки, подкрепленная затяжкой, которая состоит из жесткой балки постоянного сечения (верхнего пояса), стоек и затяжки (нижнего пояса). При этом затяжка очерчена по кривой, выпуклой по отношению к продольной оси балки, и соединена с ней через вертикально ориентированные стойки. /1/

Недостатком известного технического решения является сравнительно большая материалоемкость системы при действии временных распределенных нагрузок, преимущественно неравномерно распределенных нагрузок, обусловленная тем, что нижняя растянутая панель, больше верхнего пояса, при которой результирующий изгибающий момент в жесткой балке постоянного сечения, возникающий от внешней нагрузки, беспредельно увеличивается с ростом неравномерных нагрузок.

Наиболее близкой конструкцией к предлагаемой является шпренгельная балка, состоящая из балки жесткости, центральной вертикальной и наклонных стоек-шпренгелей, гибкой затяжки и узлов соединения. Стойки расположены с наклоном к центральной стойке под различными углами к горизонтальной балке жесткости, а затяжка очерчена по кривой, выпуклой по отношению к продольной оси балки, и соединена с ней через вертикально ориентированные стойки. /2/

Недостатком известной конструкции является значительная материалоемкость конструкции при действии временных неравновесных нагрузок. Это обусловлено тем, что изгибающие моменты увеличиваются с ростом неравномерной нагрузки, что приводит к потере устойчивости при предельных нагрузках, допускающих пластичную работу материала, и обуславливает повышение расхода материалов на балку жесткости, а следовательно, на всю конструкцию, и может привести к потере устойчивости в предельном расчетном состоянии, так как изгибающие моменты могут расти до бесконечности, поскольку возмущающая сила для сохранения равновесия будет совершать отрицательную работу.

Техническая задача заключается в снижении материалоемкости конструкции, повышении надежности и устойчивости против прогрессирующего разрушения под воздействием распределенных равномерных и неравномерных нагрузок.

Поставленная задача решается таким образом, что в шпренгельной балке, состоящей из балки жесткости, центральной вертикальной и наклонных стоек, затяжки и узлов соединения, согласно изобретению наклонные стойки расположены с наклоном от максимально низкой точки выпуклости под углом к балке жесткости 10÷90° с величиной расстояния в пределах смежных стоек между узлами балки жесткости, большей величины расстояния между узлами затяжки.

Предлагаемая шпренгельная балка отличается от известной тем, что наклонные стойки расположены симметрично по обе стороны с наклоном от центральной вертикальной стойки под углом к балке жесткости 10÷85° с образованием между узлами соединения участков сжатого пояса балки длиной, большей длины участков растянутой зоны затяжки, при этом узлы соединения растянутой зоны затяжки сдвинуты к центральной вертикальной стойке.

В предельном состоянии, при наличии шарниров система остается устойчивой, а изгибающие моменты в балке жесткости при повышении узловых нагрузок стабилизируются и не увеличиваются при росте нагрузок и деформаций, так как система начинает работать по принципу фермы, элементы которой испытывают только продольные усилия. При подборе соответствующих величин углов наклона стоек под острым углом к продольной оси балки жесткости в пределах 10÷90° усилия в поясах по всей длине могут иметь одинаковую величину.

Шпренгельная балка состоит из балки жесткости 1, центральной вертикальной стойки 2, наклонных стоек 3, затяжки 4, узлов соединения 5 стоек 2 и 3 с верхним сжатым поясом балки 1 и узлов соединения 6 стоек 2 и 3 с нижним растянутым поясом затяжки 4.

Конструкция работает следующим образом.

Внецентренно сжатый верхний пояс балки жесткости 1 соединен с нижним растянутым поясом-затяжкой 4 таким образом, чтобы длина участка между узлами соединения 5 со стойками 2 и 3 сжатого пояса была больше длины участка между узлами соединения 6 со стойками 2 и 3 растянутого пояса-затяжки 4, а стойка была бы расположена под острым углом к сжатому поясу балки жесткости 1 в пределах 10÷90°, что обеспечивает устойчивость системы в целом. При появлении шарниров пластичности в предельном состоянии система превращается в конструкцию, принявшую устойчивое положение. Действительно, возмущающаяся сила при условии сохранения равновесия при перемещении будет совершать положительную работу, что говорит об устойчивости системы, перемещения стабилизируются, и моменты в поясе не растут.

При расчете шпренгельной балки длиной 2400 см участки a₁, а₂, а₃ и а₄ между узлами соединения сжатого верхнего пояса балки жесткости равны между собой и составляют 600 см. Участки между узловыми соединениями нижнего пояса затяжки b₁=b₄=710 см, b₂=b₃=502 см. Угол наклона стойки к балке жесткости 50°20′.

При воздействии нагрузки Р=10тн на узел «1» изгибающий момент составит 19 тм. Наибольшая допустимая сила на узел «1» при условии возможности параллельности поясов равна 15тн. При увеличении b₁ и b₄ до 810 см деформация уменьшается почти в два раза.

1. Патент РФ №2186913, кл. Е04С 3/08, публ. 2002.08.10.

2. Патент РФ №2184819, кл. Е04С 3/10, публ. 2002.07.10 (прототип).

Шпренгельная балка, состоящая из балки жесткости, стоек, выпуклой затяжки и узлов их соединения, отличающаяся тем, что стойки расположены с наклоном от максимально низкой точки выпуклости затяжки под углом к балке жесткости 10÷90° с величиной расстояния в пределах смежных стоек между узлами балки жесткости, большей величины расстояния между узлами затяжки.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Шпренгельная балка

Шпренгельная балка представляет собой систему статически неопределимую. За лишнее неизвестное в уравнениях деформаций принимается усилие затяжки Н, которое образуется при изгибе балки вследствие увеличения расстояния между точками АА. [2]

Шпренгельные балки второго типа являются многократно статически неопределимыми. [6]

В шпренгельных балках легко может быть осуществлено искусственное регулирование усилий соответствующим натяжением шпренгеля. Это может дать дополнительную экономию материала. [7]

В клепаных шпренгельных балках сечение верхнего пояса должно быть проверено также на прочность с учетом ослабления его заклепочными отверстиями. [8]

Для расчета шпренгельных балок первого типа необходимо отбросить один из стержней и заменить его действие на систему таким же действием силы X. [9]

Для расчета шпренгельных балок первого типа необходимо отбросить один из стержней и заменить его действие на систему действием силы X, оказывающей на систему то же действие, что и отброшенный стержень. [11]

Применение в качестве подкрановых шпренгельных балок с количеством стоек более одной не допускается ввиду малой жесткости таких балок в вертикальной плоскости при односторонней нагрузке. [12]

Прутково-шпренгельные прогоны выполняются в виде шпренгельных балок с раскосами в двух средних панелях, добавляемыми для уменьшения деформативности системы при односторонних загружениях. [14]

Источник

Шпренгельная балка

Использование: изобретение относится к строительным и мостовым конструкциям. Оно может быть использовано при перекрытии пролетов зданий и мостов, а также для усиления эксплуатируемых конструкций. Сущность изобретения: предлагаемая балка / стальная, из алюминиевых сплавов, из клееной древесины и др. / имеет стальной шпренгель, состоящий из двух растянутых элементов и одной сжатой стойки. С помощью специальной связи балка преднапряжена постоянным при температурных и других перемещениях усилием. В изобретенной балке специальная связь, создающая постоянное усилие преднапряжения в растянутых элементах шпренгеля, выполняет роль сжатой стойки. Кроме этого, в ней новое соотношение основных размеров балки и шпренгеля, которое определяется системой дифференциальных уравнений. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к строительным и мостовым конструкциям. Оно может быть использовано при перекрытии пролетов промышленных и гражданских зданий и пролетов мостов, а также для усиления эксплуатируемых конструкций.

Известна шпренгельная балка, шпренгель которой имеет растянутый элемент и одну, две или большее количество сжатых стоек.

Недостатком известной шпренгельной балки, преднапряженной постоянным усилием с помощью специальной связи, включенной в растянутый элемент шпренгеля, является то, что в ней усилие преднапряжения используется недостаточно полно для создания отрицательных изгибающих моментов в балке (отрицательных по знаку).

Целью настоящего изобретения является создание такой шпренгельой балки, преднапряженной постоянным усилием с помощью специальной связи, в которой постоянно усилие преднапряжения использовалось бы более полно для создания отрицательных изгибающих моментов в балке. Иначе говоря, в которой бы он одного и того же усилия преднапряжения, создаваемого специальной связью, и при прочих равных условиях, отрицательные изгибающие моменты в балке имели бы большую величину.

Поставленная цель достигается постановкой связи, создающей постоянное усилие преднапряжения шпренгеля в сжатую стойку и за счет нового соотношения основных размеров балки и шпренгеля.

На фиг. 1 схематично изображена шпренгельная балка; на фиг. 2 показаны силы, с который действуют на балку элементы шпренгеля, преднапряженного постоянным усилием с помощью специальной связи.

Элементы шпренгеля 0-3 и 2-3 (см. фиг. 1) растянуты, стойка шпренгеля 1-3 сжата. Растянутые элементы шпренгеля наклонены к нижнему поясу балки под углом и под углом к стойке 1-3.

Предлагаемая балка отличается от прототипа тем, что связь, создающая постоянное усилие преднапряжения в растянутых элементах шпренгеля, переставлена из растянутого элемента шпренгеля 0-3 или 3-3 в сжатую стойку 1-3, а также новым соотношением основных размеров балки и шпренгеля.

Изменение угла при температурах удлинениях и сокращениях растянутых элементов шпренгеля и балки не будут оказывать влияния на усилие S, если в стойку поставить связь, создающую усилие Nс, находящееся в такой же функциональной зависимости от угла , как в формуле (2).

Допустим, что связь в прототипе и связь в предлагаемой балке создает одинаковое по абсолютной величине усилие, равное Р (это значит, что стоимость связей примерно одинаково). Перестановка связи из растянутого элемента шпренгеля в сжатую стойку приводит к увеличению силы Nc от Nc’ = 2Pcos = 2Psin до Nc» = Р и к увеличению силы Нш от Нш1 = Pcos до Нш’ = 0,5сtg P. При этом отрицательный изгибающий момент в середине балки увеличивается на M= P[0,5l(0,5-sin)+Z(0,5ctg-cos)] Увеличение отрицательных изгибающих моментов снижает положительные изгибающие моменты, возникающие в балке от действия на нее нагрузки. Это приводит к повышению несущей способности балки.

В растянутых элементах шпренгеля связь может создавать усилие преднапряжения S, большее усилия Х1. Обозначим степень преднапряжения шпренгеля через . Она равна = .

Связь, сохраняющая постоянное усилие Х1 при температурных перемещениях, сохраняет его постоянным и при перемещениях теневой геометрической нелинейности. Исходя из этого, записано уравнение (4).

Перестановка связи, создающей постоянное усилие преднапряжения, из растянутого элемента шпренгеля в сжатую стойку дает новый результат. Только за счет такой перестановки (прочие условия равны) отрицательный изгибающий момент в балке увеличивается. А это дает возможность повысить экономичность балки, сохранив ее прочность и жесткость. Кроме этого, перестановка связи приводит к упрощению конструкции. Включение связи, создающей постоянное усилие преднапряжения, в сжатую стойку практически означает замену стойки связью. Отпадает необходимость делать стойку. Шпренгель получается экономичнее и проще. Что касается нового соотношения основных размеров балки и шпренгеля, то оно дает дополнительную экономию материала.

1. ШПРЕНГЕЛЬНАЯ БАЛКА, содержащая сжатую стойку, отличающаяся тем, что она снабжена включенной в стойку связью для создания при температурных и других перемещениях постоянного усилия предварительного напряжения в растянутых элементах шпренгеля.

Источник

ШПРЕНГЕЛЬНЫЕ БАЛКИ С ЗАТЯЖКОЙ

Фермы применимы на пролетах в 18–48 м, отдельные промышленные фермы с параллельными поясами выполнялись пролетом 60 м. Двутавровая балка же рациональна без дополнительных ребер и стабилизирующих мероприятий на пролетах в 3–9 м, далее она становится слишком тяжелой. Ферма же на полетах менее 15 м ока-зывается чересчур трудоемкой. Поэтому нишу пролетов в 10–18 м занимает шпренгельная балка с затяжкой. Принцип работы шпренгеля основан на том, что при превышении пролета балка начинает испытывать недопустимые прогибы, при этом не разрушаясь. Таким образом, снижение прогибов и повышение жесткости становится центральной проблемой для однопролетных балок. Выполнение оттяжек или подпорок балок не всегда возможно, поэтому простейший метод — установить снизу в центре пролета распорку с V-образной затяжкой к опорам (рис. 13). Такая простейшая шпренгельная система заставляет вытолкнуть центр пролета наверх и снизить прогиб балки, однако при этом верхний пояс подвергается не только изгибу, но и сжатию вследствие работы затяжки на растяжение.

Отличие работы фермы от шпренгельной балки состоит в следующем:

· верхний пояс, т. е. сама балка, работает на сжатие с изгибом, в ферме верхний пояс — на чистое сжатие;

· в ферме поперечная сила воспринимается целиком поясами с решеткой как единым целым, в шпренгеле большая часть поперечной силы воспринимается балкой, а затяжка лишь частично разгру жает балку (подсказкой к этому является то, что у шпренгелей нет решетки, а есть только вертикальные стойки);

· в балке нагрузка — распределенная и сосредоточенная, а в ферме — только сосредоточенная.

Шпренгельная затяжка ни в коем случае не повышает прочность балки, а лишь повышает ее жесткость. Взглянув на простейший одностоечный шпренгель, можно увидеть, что конфигурация троса рациональнее, если она имеет не две, а три и более граней, что приближает его конфигурацию к балочной эпюре изгибающих моментов.

ФЕРМА ПАУЛИ

Первой оптимальной конструкцией на пути к облегчению является шпренгельная балка с затяжкой, у которой нижний пояс выполнен по эпюре изгибающих моментов. При этом стойки сжаты, а поперечную силу воспринимает сама балка. Полнее идею реализует ферма с поясами, повторяющими траектории главных напряжений (рис. 16).

ФЕРМЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ

В фермах при возрастании пролетов необходимо сохранение рационального соотношения пролета к высоте, равное 8–12. При этом гибкость верхнего пояса становится слишком велика, поэтому в фермах пролетом 36–60 м применяют шпренгельную решетку, которая раскрепляет стойки и верхний пояс в плоскости фермы. При этом верхний пояс из плоскости раскреплен прогонами, которые рационально укладывать с шагом в 3 м (Рис. 14).

БАЛОЧНАЯ АНАЛОГИЯ

Балка, ферма, арка, гибкая нить или рама по природе своей при равной нагрузке и одном и том же пролете L воспринимают абсолютно постоянный балочный момент — Mб = qL²/8, который заключается в самой природе однопролетной разрезной конструкции заданных постоянных параметров. Однако каждая из названных конструкций воспринимает этот момент по-разному и реализует через это преимущества своей топологии. Поэтому каждая из этих конструкций может быть рассчитана по балочной аналогии.

Балка воспринимает его за счет сечения (активность по сечению), внутренних нормальных напряжений σx и парных касательных напряжений τx = τz, возникающих под вертикальной нагрузкой q на пролете L. Арка воспримет его парой сил, образуемых сжимающей силой в сечении в центре пролета арки Na и опорами, воспринимающими сжимающий распор арки На на плече этой пары сил, равной стреле подъема арки f:

Гибкая висячая нить воспримет балочный момент тоже парой сил, возникающих между усилием Nн в центре пролета свободно висящей нити и опорами, воспринимающими распор Т на плече, равном стреле провисания f. При этом на основании статического уравнения распор T равен усилию в нити Nн:

Т = Nн = Мб/f = qL²/8f,где: f — стрела провисания нити, м.

Из указанных простых зависимостей видна полная зеркальная симметрия работы арки и нити под действием гравитационного поля. Однако, если арка воспринимает пролетный момент за счет чистого сжатия, то растянутая нить работает на чистое растяжение. Усилия же в арке и нити при равных условиях равны и обратные по знаку.

Дата добавления: 2020-01-07 ; просмотров: 571 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Шпренгелъная система и висячая система стропил

В шренгельных стропильных крышах нагрузки, передаваемые от стропильных ног на стойки, передаются через угловые подкосы на несущие стены. С помощью двойной шпренгельной системы нагрузки передаются только на наружные стены (рис. 11). Стойки, на которые передается нагрузка от стропильных ног, подвешены у их оголовков в местах их соединения между угловыми подкосами и напрягаемым ригелем. Нижние концы стоек, например, присоединяются с помощью подвысных цапф таким образом, чтобы через них не могли передаваться усилия сжатия.

Рис. 11. Двойная шпренгельная крыша

Висячими стропильными системами крыш называются несущие системы крыш, которые наряду с нагрузками на кровлю еще несут часть нагрузки от деревянного чердачного перекрытия (рис. 12). Различают простые и двойные висячие системы.

У простых висячих систем пара угловых подкосов поддерживает висячую стойку от опор балки чердачного перекрытия. Верхний конец этой стойки, как правило, несет коньковый продольный брус. На ее нижнем конце подвешивается продольный лежень, проходящий вдоль здания снизу или поверх балки подвешенного чердачного перекрытия (рис. 12). Так как этот лежень на расстоянии около 4 м поддерживается такой подвесной системой, он образует подвесную промежуточную опору для балок чердачного перекрытия.

Рис. 12. Висячая крыша

Двойная подвесная система состоит из пары угловых подкосов и двух подвесных стоек. Подкосы подпирают друг друга, как и у двойной шпренгельной системы, через напрягаемый ригель. Стойки, на которые передается нагрузка от продольных брусьев, также подвешиваются между подкосами и напрягаемым ригелем. Однако за счет подвешенного через продольные лежни чердачного перекрытия двойная подвесная система гораздо больше нагружена, чем двойная шпренгельная система, которая несет нагрузку только от кровли.

Свободно опертые фермы

Свободно опертыми фермами называют предварительно изготовленные конструкции покрытия, которые опираются только на продольные стороны здания. Они подходят особенно для крыш с большими пролетами. Свободно опертые фермы преимущественно выполняются в виде шпренгельных балок, в виде решетчатых ферм и в виде клееных рам.

Для свободно опертых крыш пролетом 10 м, но не более 15 м могут применяться раскосные фермы с поясами из хвойной древесины, или с клеефанерными поясами и с раскосами из плитных деревосодержащих материалов, или из гнутых стальных профилей с огневой оцинковкой.

Шпренгельные балки

Балки из полнотелой древесины или клееные дощатые балки прямоугольного сечения и небольшой строительной высоты работают на изгиб. Они поэтому подходят только для небольших пролетов. За счет устройства шпренгельной системы снизу таких балок и одного или нескольких брусьев, которые подпирают балку, можно экономично выполнить свободно опертые балки больших пролетов с хорошей несущей способностью (рис. 13). Растянутый пояс может быть, как и сама балка и стойки, выполнен из дерева. Но решение узловых точек и монтаж будут более простыми, если растянутый пояс выполнен из стали.

Рис. 13. Шпренгельная балка

Кроме того, растянутые пояса из стали могут достаточно просто предварительно напрягаться с помощью специальных натяжных замков (рис. 14).

Рис. 14. Растянутый пояс с натяжным замком в шпренгельной балке

Решетчатые фермы

Решетчатые фермы различают по их форме в основном на треугольные, трапецеидальные и фермы с параллельными поясами (рис. 16). Они делаются в основном симметричными, однако могут быть и односкатными (рис. 15). Решетчатые фермы состоят из верхнего и нижнего поясов, стоек и раскосов(рис. 16).

Рис. 15. Односкатная крыша с решетчатыми фермами

Рис. 16. Формы и названия решетчатых ферм

Стержни ферм устроены таким образом, что их оси пересекаются в одной узловой точке.

Пояса, стойки и раскосы решетчатых ферм образуют треугольники и нагружены преимущественно в продольном направлении. Расположение стержней определяет то, какработают эти стержни, на сжатие или на растяжение. Это необходимо учитывать при выборе формы поперечного сечения стержней и при устройстве узловых соединений. В случае треугольных ферм, например, верхние пояса вместе с нижними поясами можно рассматривать как шпренгельные системы (рис. 17). В них верхний пояс работает на сжатие, а нижний пояс работает на растяжение. Если между коньком верхнего пояса и нижним поясом расположена стойка, то возникает простая висячая конструкция. От места подвески верхние пояса, несущие нагрузку, подпираются диагональными стержнями. В этом случае вертикальный стержень работает на растяжение, а диагональные стержни — на сжатие.

Рис. 17. Устройство треугольной фермы

Решетчатые фермы могут быть изготовлены из брусьев, клееных дощатых конструкций, клеефанерных элементов или из досок. Соединение стержней может происходить с помощью гвоздей, нагельных стальных листовых накладок, нагельных плит, стержневых дюбелей, дюбелей специального типа или с помощью соединений на клею.

Отдельные фермы, также, как и другие конструкции покрытий, должны раскрепляться в продольном направлении. Обеспечение продольной жесткости и жесткости против ветровых нагрузок достигается с помощью диагональных связей. Кроме того, фермы для восприятия ветрового отсоса (ветровой отрывающей нагрузки) должны быть закреплены на опорах.

Рамы

Несущие конструкции покрытия называют рамами, когда вертикальные опоры и несущая конструкция покрытия соединены в единую конструкцию (рис. 18). Работающие как стойки и балки части рамы должны быть жестко связаны между собой или входить друг в друга. Поэтому рамы в местах угловых соединений имеют сравнительно большую высоту сечения. Рамы подразделяются по своему строению на двухшарнирные рамы и трехшарнирные рамы. Они в основном изготавливаются из дощатой клееной древесины. Однако строятся также и решетчатые рамы из клеефанерных элементов или из брусьев. Обычные пролеты рам составляют от 12 до 50 м.

Рис. 18. Рамы

Двухшарнирные рамы имеют ригель, проходящей по всей ширине рамы. Высота его сечения не уменьшается к середине. Двухшарнирные рамы подходят преимущественно для покрытий с очень малым уклоном.

Трехшарнирные рамы состоят из двух половинок, которые подпирают друг друга в коньке. Высота поперечного сечения элементов рамы у конька, как правило, уменьшается. Трехшарнирные рамы могут также устраиваться при более крутоуклонных кровлях.

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 577 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник