Способ изготовления предварительно напряженной деревянной балки
METHOD FOR MANUFACTURING A PRESTRESSED WOODEN BEAM

Изобретение относится к способам изготовления строительных конструкций, а именно, к несущим деревянным балкам, и может быть использовано при новом строительстве, при усилении в покрытиях и перекрытиях зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения, а также при строительстве мостов.
Известны способы изготовления несущих деревянных балок повышенной прочности, раскрытых: в патентах России №№2095528, 2225924, 2645026, 2022109, 2109893, 2215858, 171490,193462; в авт. свид. СССР на изобретение №687208; патенте РСТ WO 98/07933, заявка ФРГ OS 2350339 и в специальной литературе: Щуко В.Ю., Рощина С.И. Клееные армированные деревянные конструкции: учебное пособие, Владимирский гос. ун-т, г. Владимир, 2007, с. 68; Проектирование и расчет деревянных конструкций, справочник под редакцией И.М. Гриня, - г. Киев.: БУДИВЭЛЬНИК, 1988. - С.31-40, 68-87; Кощеев А.А. Разработка конструктивных и технологических решений деревянных балок с криволинейным тросовым армированием. Дис. на соиск. уч. ст.канд. тех. наук. г. Владимир, 2021. С.253.
Общим недостатком известных технических решений является сложность изготовления таких конструкций, основанных на оснащении деревянной балки армирующими элементами в виде металлических или композитных гладких или зубчатых пластин, стержней, канатов и т.п. При этом достижение повышения несущей способности армированной балки происходит именно за счет влияния армирующих элементов, но без повышения несущей способности основы конструкции - деревянной балки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ изготовления предварительно напряженной деревянной балки, заключающийся в установке по концам балки торцевых обойм, в которых смонтированы дерелаксационые узлы в виде протяженной арматуры, расположенной в нижнем пазу балки по всей ее длине и натянутой пружинами дерелаксационных узлов, что приводит к возникновению в балке напряжений, противоположных по знаку напряжениям от внешней нагрузки. Дерелаксационые узлы компенсируют постепенное уменьшение начальных напряжений в предварительно напряженной арматуре, и тем самым обеспечивают долговременный эффект предварительного напряжения (Патент SU 1244259 А1, Б.В. Накашидзе, Предварительно напряженная деревянная балка. Опуб. 15. 07. 1986, Бюл. №26) - прототип.
Недостатками прототипа является способ создания предварительно напряженной балки только за счет натяжения арматуры дерелаксационного узла. При этом не используется возможность создания дополнительных напряжений за счет упругих свойств тела деревянной балки. Способ не обеспечивает возможность на практике численно определить величину возникающих в балке напряжений, а, значит, не обеспечивает определение конкретной величины несущей способности конструкции в целом. К недостаткам прототипа относиться сложность монтажа дерелаксационного узла.
Технической задачей предлагаемого изобретения является:
- создание нового способа изготовления предварительно напряженной балки с повышением ее несущей способности по отношению к несущей способности балки, изготовленной способом, раскрытым в описании прототипа;
- обеспечение численного, уже на стадии проектирования, определения величины несущей способности конструкции в зависимости от геометрических параметров деревянной балки, физико-механических свойств древесины балки и параметров элементов конструкции дерелаксационного узла;
- повышение несущей способности деревянной балки за счет операции ее центрального изгиба в направлении, противоположном внешней нагрузке, и осуществляемой перед операцией оснащения балки элементами дерелаксационного узла и натяжения арматуры указанного узла;
- упрощение операции монтажа дерелаксационного узла и натяжения его арматуры.
Технический результат достигается тем, что на механически обработанную балку предварительно устанавливают торцевые обоймы, балку с обоймами размещают горизонтально эксплуатационной гранью вниз на двух одинаковых по высоте максимально разнесенных опорах и изгибают вертикальной нагрузкой с обеспечением центрального прогиба балки на величину высоты опор, затем осуществляют монтаж дерелаксационного узла и последующее натяжение арматуры указанного узла, после чего снимают вертикальную нагрузку и поворачивает балку эксплуатационной гранью вверх.
Способ имеет следующие отличия от способа изготовления предварительно напряженной балки, изложенного в описании прототипа:
- на механически обработанную балку предварительно устанавливают торцевые обоймы;
- балку с обоймами размещают горизонтально эксплуатационной гранью вниз на двух одинаковых по высоте максимально разнесенных опорах и изгибают вертикальной нагрузкой с обеспечением центрального прогиба балки на величину высоты опор;
- монтаж дерелаксационного узла и последующее натяжение арматуры указанного узла осуществляют после проведения операции изгиба балки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг. 1 Схема осуществления способа;
фиг. 2 Пример использования предварительно напряженной балки при сооружении моста.
На схеме (фиг. 1) изображены основание 1, на котором жестко установлены опоры 2 высотой h, деревянная балка 3 с торцевыми обоймами 4 и дерелаксационный узел в составе арматуры, выполненной в виде стального каната 5 с бобышкой 6 и натяжного устройства 7.
Способ осуществляется следующим образом.
Деревянную балку 3 механически обрабатывают с образованием на торцах шипов и на грани, противоположной эксплуатационной грани - продольных пазов.
На механически обработанную балку устанавливают торцевые обоймы 4 и размещают ее горизонтально эксплуатационной гранью вниз на опорах 2. Указанное положение балки 3 на фиг. 1 изображено пунктиром.
Затем вертикальной нагрузкой F (например, вилочным пуансоном), приложенной в центре балки 3, изгибают балку с обеспечением ее прогиба на величину, равную высоте h опор 4. Удерживая балку нагрузкой F в изогнутом состоянии, через отверстия обойм 4 и по продольным пазам балки 3 пропускают канат 5, монтируют на канате натяжное устройство 7 и натягивают канат. Затем снимают вертикальную нагрузку F, переворачивают балку эксплуатационной гранью вверх и транспортируют к месту установки, например, к мостовой переправе, изображенной на фиг. 2.
Обеспечение численного, уже на стадии проектирования, определения величины несущей способности конструкции в зависимости от геометрических параметров деревянной балки, физико-механических свойств древесины балки и параметров элементов конструкции дерелаксационного узла в предлагаемом способе объясняется, что тем, что расчетная величина допускаемого прогиба балки [f], равная высоте h опор 4, определяется по известной формуле:
где L - длина балки; Е - средний модуль упругости древесины; J - момент инерции поперечного сечения балки.
Численные значения членов приведенной формулы определяют и учитывают как геометрические параметры балки, так и физико-механические свойства используемой древесины, а именно: длину балки, размеры и форму ее поперечного сечения, упругие характеристики материала балки (в данном случае - использование то или иной породы древесины, ее влажность).
Повышение несущей способности балки обеспечивается наличием натянутого каната 5 дерелаксационного узла, предотвращающего возможность деформации формы изогнутой балки при вертикальной нагрузке. Выбор типа и диаметра каната проводится, с учетом коэффициента запаса, по величине расчетного растягивающего усилия, возникающего в натянутом канате.
Способ изготовления предварительно напряженной деревянной балки может быть использован для производства перекрытий зданий, строительства мостов, а также небольших переправ через дренажные каналы в садоводствах и садово-парковых хозяйствах.