Шпренгельная балка
SHRENGEL BEAM

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.
На фиг. 1 представлен общий вид шпренгельной балки; фиг. 2 - схема расчета шпренгельной балки.
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.
1
2
3
4
1
4
2
3
При расчете шпренгельной балки длиной 2400 см участки a, а, а и а между узлами соединения сжатого верхнего пояса балки жесткости равны между собой и составляют 600 см. Участки между узловыми соединениями нижнего пояса затяжки b=b=710 см, b=b=502 см. Угол наклона стойки к балке жесткости 50°20′.
1
4
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 b и b до 810 см деформация уменьшается почти в два раза.
Источники информации
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).