Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


14.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017


13.12.2017





Яндекс.Метрика
         » » Экспериментальные исследования ферм

Экспериментальные исследования ферм

20.12.2015

Первые испытания опытной предварительно напряженной металлической фермы провел Г. Маньель.
Испытывалась ферма с параллельными поясами со стержнями из штампованных профилей и с затяжкой, расположенной вдоль нижнего пояса (рис. 20). Испытания подтвердили расчетные предположения и, в прямолинейной затяжки вдоль нижнего пояса предварительное напряжен не передастся только на нижний пояс, а на остальные стержни фермы не оказывает влияния.
При изготовлении ферм покрытия завода в Харлоу (Англия) на строительной площадке были испытаны в натуральную величину две фермы. В стадии предварительного напряжения деформативность ферм в горизонтальном и вертикальном направлениях была значительно больше расчетной. Это объяснено авторами податливостью болтовых соединений. Деформации ферм под нагрузкой были несколько меньше расчетных. Совпадение опытных напряжений с расчетными было удовлетворительным.
Экспериментальные исследования ферм

В России экспериментальные исследования предварительно напряженных ферм проводились Уральским политехническим институтом имени С.М. Кирова совместно с НИИ промсооружений (Свердловск), МИСИ имени В.В. Куйбышева совместно с ЦНИИ строительных конструкций (Москва) и Белорусским политехническим институтом (Минск). Фермы испытывались на однократное и многоступенчатое предварительное напряжение. Наибольшее количество испытаний проведено в лабораторных условиях на опытных фермах, но испытывались фермы, близкие по величине к натуральным.
Цель испытаний — сопоставление действительной работы ферм с теоретическими предположениями, выяснение особенностей работы фермы в целом и отдельных ее узлов, установление надежности работы ферм под нагрузкой, проверка различных конструктивных решений, отработка на практике методики предварительного напряжения.
В табл. 3 приведены основные характеристики опытных ферм, испытанных в последние годы в России.
Экспериментальные исследования ферм

Перед постановкой экспериментальных работ были проанализированы возможные конструктивные схемы ферм, что позволило установить наиболее эффективную схему. Такой схемой является ферма арочного типа с прямолинейной затяжкой. Поэтому все опытные фермы, испытанные в России, имели арочную схему.
Наиболее обширные испытания опытных ферм проведены в Свердловске.
Фермы пролетом 10,5 м имели стержни двухстенчатого сечения из прокатных уголков. Затяжки из стальных канатов подвергались предварительной вытяжке усилием, на 20% превышающим расчетную несущую способность.
Затяжки имели по концам анкерные стаканы, залитые баббитом. Натяжение производилось гидравлическими домкратами. Промежуток между стаканом и упорной частью фермы заполнялся закладными шайбами.
Фермы испытывались в перевернутом положении и нагружались с помощью гидравлических домкратов.
Первая ферма (Ф1У) испытывалась без предварительного напряжения и без затяжки и должна была служить эталоном для трех предварительно напряженных ферм. Однако эта ферма работала как статически определимая система, имеющая совсем иные условия работы, чем фермы с затяжками. Конструктивные поправки первой фермы близки к обычно получаемым при испытании однопролетных ферм. Все конструктивные поправки меньше единицы, причем совпадение опытных напряжений с расчетными в нижнем поясе лучше, чем в верхнем. Исчерпание несущей способности произошло от развития пластических деформаций в средней панели нижнего пояса.
Испытания, проведенные в белорусском политехническом институте, в основном имели целью проверить работу системы ферм с продольными балками, совместно напрягаемыми петлевидными затяжками, имеющими в плане вид многоветвевой восьмерки.
Экспериментальные исследования ферм

Установка для испытания состояла из двух ферм пролетом 12 м, соединенных на расстоянии 2 м в пространственный блок системой связей и двумя балками, подвешенными к нижнему поясу на уровне затяжки (рис. 21). Балки имели консольные выступы длиной 0,5 м за наружные грани блока. Затяжки выполнялись из стального каната диаметром 23,5 мм; концы их стыковались стяжными муфтами для образования непрерывной петли. Усилие от затяжки передавалось на ферму через специальные упоры, прикрепленные к фасонкам (рис. 22). В упорах имелись криволинейные «ручьи», в которые закладывалась затяжка.
Фермы Ф1Б и Ф2Б представляли собой натуральные конструкции для запроектированного покрытия здания, и одна из них после испытания была поставлена на здание.
Экспериментальные исследования ферм

Обе фермы испытывали на многоступенчатое предварительное напряжение, причем в отличие от ферм Ф1У—Ф4У первый цикл начинался с приложения нагрузки, и давалось не две, а три ступени предварительного напряжения. Фермы загружались чугунными чушками с помощью рычажной установки.
Основной целью испытаний фермы МИСИ—ЦНИИСК являлось изучение особенностей работы конструкции при многоступенчатом предварительном напряжении и апробирование способа создания предварительного напряжения во второй и третьей стадиях путем удлинения средней стойки.
Затяжка трубчатого сечения диаметром 5 мм выполнялась из пучка высокопрочной проволоки и анкеровалась пробкой с колодкой; натяжение и запрессовка пробки производились домкратом двойного действия (рис. 23).
Экспериментальные исследования ферм

Ферма Ф1М загружалась с помощью гидравлических домкратов. Однако при многоступенчатом предварительном напряжении, когда вертикальные перемещения фермы в каждом цикле меняли свое направление, загружение домкратами не обеспечивало четкой работы конструкции. Поэтому ферма Ф2М загружалась штучными грузами с помощью рычажной установки. Первым этапом испытания было натяжение затяжки домкратом. После натяжения затяжка закреплялась анкером, домкрат убирался и ферма загружалась вертикальной нагрузкой.
Вторая и третья ступени предварительного напряжения давались при помощи винтовой муфты с двойной нарезкой, вставленной в среднюю стойку фермы (рис. 24). Для этой цели средняя стойка, соединяющая затяжку с нижним поясом, выполнялась из трубы. При раскручивании муфты стойка удлинялась и создавала распор между затяжкой и фермой. Затяжка получала перегиб и дополнительное усилие растяжения; кроме того, ферма получала в среднем узле нижнего пояса разгружающее усилие, направленное снизу вверх. Средняя стойка выполняла роль промежуточной опоры фермы, значительно облегчающей ее работу и повышающей жесткость.
Общий вид испытательной установки показан на рис. 25.
Экспериментальные исследования ферм

Усилия в элементах фермы определялись для каждой ступени предварительного напряжения и загружения по различным расчетным схемам.
При первом натяжении пучка ферма работает как статически определимая система. При первом загружении и повторных натяжениях посредством удлинения средней стойки ферма работает как один раз статически неопределимая система. При повторных загружениях вертикальной нагрузкой средняя стойка вступает в работу, затяжка в месте сопряжения со стойкой имеет перегиб, и ферма становится дважды статически неопределимой системой.
Экспериментальные исследования ферм

Все способы создания предварительного напряжения, применяемые в опытных фермах, в том числе многоступенчатое предварительное напряжение, оказались практически выполнимыми.
В целом результаты испытаний подтвердили расчетные предложения и возможность расчета предварительно напряженных ферм по разработанной методике. Вместе с тем испытания выявили некоторые особенности работы предварительно напряженных ферм.
Расхождения между расчетными и фактическими напряжениями и прогибами ферм оказались больше, чем при испытании обычных однопролетных ферм.
В основном это можно объяснить тем, что предварительно напряженные фермы являются более сложными системами, чем обычные однопролетные фермы: они статически неопределимы, состоят из двух материалов с различными механическими характеристиками, на их работу влияет податливость анкерных креплений затяжек, напряженное состояние ферм слагается из двух разнородных воздействий (предварительного напряжения и загружения внешней нагрузкой). Влияние перечисленных факторов еще недостаточно изучено, и поэтому не учитывается в должной мере в расчете.
Испытания показали, что в предварительно напряженных фермах с затяжками, запроектированных равнопрочными во всех своих частях, разрушение происходит в результате потери устойчивости сжатыми стержнями. Ферма не может потерять несущую способность в результате обрыва затяжки, так как при напряжениях в затяжках выше расчетных сопротивлений модуль упругости в затяжках снижается, напряжение о них падает, и усилия перераспределяются на пояса фермы. Нарушается линейный закон работы конструкции, сжатые стержни, получив большее приращение усилий, теряют устойчивость. Это особенно ярко проявляется в фермах с затяжками из канатов, получивших до постановки в конструкцию вытяжку усилием, превышающим расчетное на 10—15%. Как только усилие в затяжке при загружении фермы превзойдет усилие вытяжки каната, приращение напряжений в затяжке резко падает, а в стержнях фермы возрастает. Хотя предварительно напряженная ферма является статически неопределимой системой, и достижение предельного состояния одним стержнем не обязательно сопряжено с потерей несущей способности всей системы, тем не менее после потери устойчивости сжатым стержнем усилие в нем резко падает, происходит мгновенное перераспределение усилий на другие стержни, которые также получают усилия, превышающие их несущую способность, ферма теряет неизменяемость и разрушается.
Аналогичное явление было выявлено при испытании шесть раз статически неопределимых ферм без предварительного напряжения, входящих в систему двухпролетных рам производственных зданий.
Совпадение расчетных и фактических прогибов было лучшим, чем совпадение напряжений. Как правило, прогибы были меньше расчетных, конструктивные поправки в упругой стадии работы равны 0,85—0,95.
Разрушающая нагрузка в фермах серии У была на 5—9% меньше теоретической, вычисленной по фактическим характеристикам материала с модулем упругости затяжки из каната, равным Е=1,6*10в6 кг/см2. Некоторое снижение фактической величины разрушающей нагрузки объясняется податливостью затяжки на последних этапах загружения и перераспределением вследствие этого усилий на стержни фермы. Сечение стержней ферм было подобрано так, что по расчету предельные усилия в верхнем поясе и затяжке должны были -наступить одновременно.
На рис. 26 сопоставлены прогибы фермы Ф1У без затяжки с прогибами фермы Ф2У предварительно напряженной затяжкой. На графиках видно хорошее совпадение расчетных прогибов с опытными в упругой стадии работы и значительное увеличение несущей способности фермы Ф2У. При создании предварительного напряжения после первого загружения несущая способность фермы не увеличилась, но прогибы при предельной нагрузке уменьшились на 20% (рис. 27).
В фермах серии М, у которых затяжки имели дополнительные запасы прочности, были выполнены из прямолинейного пучка высокопрочной проволоки и работали с постоянным модулем упругости до разрушения, фактическая несущая способность была несколько выше теоретической.
Экспериментальные исследования ферм

Испытания выявили некоторые особенности работы ферм в процессе предварительного напряжения. При напряжении фермы, установленной на место, необходимо обеспечить свободу деформации всей фермы, и в том числе свободное перемещение опорных узлов в горизонтальном направлении. Если на опорах возникают значительные силы трения, то часть усилия предварительного натяжения теряется. В ферме серии Б, возможно по этим причинам, часть усилия, приложенного к затяжке, терялась, раскос, подходящий к узлу закрепления затяжки, не получал разгружающего усилия, определяемого расчетом, и в одном из испытаний преждевременно потеря устойчивость. Из-за потери усилия натяжения в затяжке фактические усилия при загружении фермы в раскосе и в поясах были на 20—25% больше расчетных.
Как и в балках, узел прикрепления затяжки, особенно если он совпадает с опорным узлом фермы, воспринимает большие усилия и должен быть тщательно законструирован.
Фермы ФТМ и Ф1Б разрушились в опорном узле (рис. 28, а, б).
Многоступенчатое предварительное напряжение, примененное в испытаниях большинства опытных ферм, оказалось весьма эффективным и практически выполнимым.
Экспериментальные исследования ферм

На рис. 29 и 30 показано уменьшение прогибов и усилий в стержнях верхнего и нижнего поясов фермы Ф2М в результате многоступенчатого предварительного напряжения. Совпадение опытных данных с расчетными в целом хорошее. Прогибы на последнем этапе загружения на 15% меньше расчетных (рис. 29). Совпадение величин опытных напряжений с расчетными в верхнем поясе, который определяет несущую способность фермы, лучше, чем в нижнем (рис. 30). Наибольшая разница опытных данных с расчетными получилась на втором этапе предварительного напряжения. Очевидно, особенности предварительного напряжения, создаваемого удлинением средней стойки, не отражены полностью в принятой расчетной схеме.
Экспериментальные исследования ферм

Действительные усилия в затяжке при загружении фермы были меньше расчетных. Это можно объяснить некоторой податливостью затяжки в анкерном креплении, обусловленной недостаточным усилием запрессозки пробки. В конце испытания было зафиксировано вытягивание затяжки из анкерной колодки на 10—12 мм.
Учет в расчетной схеме податливости затяжки и жесткости узлов фермы позволил значительно сблизить опытные данные с расчетными.
Экспериментальные исследования ферм

Из сопоставления работы затяжки (рис. 31) с работой поясов (см. рис. 30) или с прогибом фермы (см. рис. 29) можно увидеть, что путем сравнительно небольшого напряжения затяжки (Х=2,5 г, второе натяжение) достигаются существенная разгрузка верхнего пояса (около 18 т) и уменьшение прогиба. Усиление самонапряжения в затяжке значительно больше суммарных усилий предварительного напряжения.
Ферма Ф2М выдержала нагрузку на 16% больше предельной расчетной, что показывает большие запасы несущей способности данной схемы.
Испытание ферм Ф1Б и Ф2Б на трехкратное предварительное напряжение также подтвердило практическую возможность
и высокую эффективность многоступенчатого предварительного напряжения (рис. 32). Последовательное натяжение петлевидных затяжек выполнялось без затруднений. Характер прогибов и напряжений в стержнях был такой же, как и у ферм серии М. Предельная нагрузка была близка к расчетной.
Экспериментальные исследования ферм

Из натурных испытаний предварительно напряженных ферм можно прежде всего отметить испытание двухпролетной фермы ангара, проведенное проф. Маньелем. Ферма загружалась вертикальной нагрузкой, вызывавшей сравнительно небольшие напряжения (110—280 кг/см2), при которых на результаты отсчетов по приборам сильно влияют точность измерения и другие побочные факторы. Все же результаты испытания позволили сделать вывод о приемлемости принятых в расчете предпосылок.
И.Л. Хаютин (Белорусский политехнический институт) испытывал в натурных условиях ферму с петлевидной затяжкой. При натяжении затяжки отмечено значительное (на 25—30%) отставание напряжений в верхнем поясе и в раскосе, примыкающем к узлу крепления затяжки (до 50%), от расчетных. По-видимому, это объяснялось отсутствием катковой опоры, в результате чего ферма не имела свободы деформации, и часть усилия натяжения затяжки передавалась на стены. При загружении вертикальной нагрузкой совпадение опытных данных с расчетными было хорошим.
Полезные данные получены при опытных натяжениях затяжки нижнего пояса фермы покрытия ангара. При натяжении нижнего пояса вся ферма деформировалась вверх (рис. 33). Значительная часть усилия натяжения троса передавалась на верхний пояс, а нижний пояс оказывался сжат меньшим усилием. Эти явления, по-видимому, являются специфическими для данной схемы фермы. Из-за значительного искривления нижнего пояса фермы ветви затяжки упирались в диафрагмы и планки, соединяющие швеллеры нижнего пояса. В местах опирания возникали большие силы трения. При натяжении затяжки домкратами с одной стороны фермы потери на трение достигали весьма значительной величины, и растягивающее усилие но длине затяжки было резко неравномерным. В одной из ферм в процессе натяжения затяжки была сорвана соединяющая планка, и нижний пояс потерял устойчивость (рис. 34).
Экспериментальные исследования ферм