Главнаяа) Методика определения технико-экономических показателей
Общие положения. Как уже указывалось выше, стоимость конструкций складывается из стоимости основных материалов и стоимости изготовления. Ввиду того что в предварительно напряженных металлических конструкциях затяжка представляет особый конструктивный элемент, для которой стоимость основных материалов Cо.м з и стоимость изготовления Cи з значительно отличается от напрягаемой конструкции, целесообразно выделить эти величины в отдельную группу.
Кроме того, в предварительно напряженных конструкциях при их изготовлении (или монтаже) появляется процесс, совершенно отсутствующий для обычных металлоконструкций, — натяжения затяжки, которая требует больших трудовых затрат. Стоимость натяжения обозначим Cнапр.
Таким образом, стоимость изготовленной предварительно напряженной конструкции можно представить формулой
Поскольку, напрягаемая часть мало отлична от конструктивной формы обычной металлоконструкции, то для определения Cо.м и Cи применимы формулы (V.26) и (V.28).
Введение затяжки в конструкцию требует дополнительных деталей, необходимых для закрепления и опирания анкеров, обеспечения устойчивости сжатых в процессе предварительного напряжения элементов и в местах приложения больших нагрузок от затяжек. Увеличение веса конструктивных деталей в предварительно напряженных конструкциях в зависимости от пролета показано на рис. VII.10.
За счет предварительного напряжения конструкций очевидно снижается вес основных деталей. Оба эти фактора увеличивают значение строительного коэффициента веса по сравнению с обычными ненапряженными конструкциями. Величины строительного коэффициента веса для предварительно напряженных подкрановых балок представлены на рис. VII.11.
Для ферм значение ψвн может быть определено по формуле
Значения ψвн для ферм, подсчитанные по формуле (VII.2), приведены в табл. VII.5.
По тем же причинам, которые влияют на увеличение строительного коэффициента веса, в предварительно напряженных конструкциях возрастает и значение строительных коэффициентов трудоемкости. Их величины можно принимать равными:
Трудоемкость изготовления. Трудоемкость изготовления напрягаемой части конструкции определяется по обычной методике (гл. V) с учетом повышения строительных коэффициентов трудоемкости, как отмечено выше.
Трудоемкость изготовления затяжки складывается из трудоемкости изготовления стержня затяжки Tз, анкеров Tа и вспомогательных деталей, необходимых для прикрепления затяжки Тв.
Таким образом:
Трудоемкость изготовления стержня затяжки определяется суммированием трудозатрат по операциям:
Трудоемкость изготовления 1 т анкеров может быть принята равной:
При анкерах типа «колодка с пробкой» tа = 400 чел.-час/т, при анкерах гильзо-стержневого типа и стаканных с забивкой клиньев ta =280/300 чел.-час/т, при анкерах стаканного типа с заливкой сплава ЦАМ tф =250 чел.-час/т.
Трудоемкость изготовления вспомогательных деталей затяжки определяется, как
В полной трудоемкости необходимо учесть, кроме того, затраты труда на натяжение Tнапр, зависящие от условий производства и конструкции затяжки. Если натяжение происходит на монтажной площадке и затяжка поступает без анкеров, то в трудоемкость натяжения входит раскладка затяжки на жесткой части конструкции, сборка затяжки с анкерами и контроль напряжения. Тнапр В этом случае равно 12 чел.-час. для пучка высокопрочной проволоки длиной до 60 м и 15 чел.-час. для пучка длиной до 120 м.
При натяжении затяжки из каната в условиях монтажа в трудоемкость натяжения входят затраты на раскладку затяжки, натяжение и контроль напряжений. В этом случае Тнапр = 6 чел.-час. При натяжении затяжек в заводских условиях Тнапр = 1,6 чел.-час/затяжка.
При применении электротермического способа натяжения Tнanp =18/20 чел.-час/г затяжки (при затяжке длиной до 30 м).
Стоимость конструкции. Стоимость основных материалов и изготовления напрягаемой части конструкции определяется как для обычных конструкций.
Стоимость основных материалов затяжки может быть определена по формуле
Стоимость изготовления затяжки определяется по известной формуле
Аналогично определяется стоимость натяжения
При производстве натяжения в заводских условиях а и Kн принимаются по формуле (VII.9). При натяжении в монтажных условиях
Область рационального применения. Условием рационального применения предварительного напряжения является снижение стоимости предварительно напряженной конструкции по сравнению с обычной.
Экономия стоимости при применении предварительно напряженных конструкций может быть выражена формулой
Из определения рациональной границы применения предварительного напряжения следует, что оно рационально при соблюдении неравенства
Определение величин, необходимых для проверки условия (VII.12), приводится ниже.
б) Предварительно напряженные балки
Определение оптимальных парам разрезных балок (соотношение площадей полок и стенки, площади и длины затяжки, асимметрии и усилий предварительного напряжения) детально рассмотрено в работах. Здесь приводится методика оценки весовых показателей балок на стадии проектирования.
Экономия веса. Вес обычных балок может быть определен по формуле
Вес предварительно напряженной балки (без учета затяжки) выражается формулой
Вес затяжки:
Общий вес предварительно напряженных однопролетных балок, таким образом, может быть определен по формуле
В формуле (VII.16) в квадратные скобки заключена характеристика, называемая характеристикой выгодности сечения балки Ф, определяющая снижение веса основных деталей предварительно напряженных ферм в зависимости от пролета, нагрузки, вида загружения, коэффициента самонапряжения, соотношения прочности материалов напряженной части и затяжки. Для обычных балок оптимальной формы Ф = 2,62 [см. формулу (VI1.13)]. Изменение величины Ф в зависимости от перечисленных факторов для стальных и алюминиевых балок представлено на рис. VII. 14.
Отношения R/Rз для стальных балок находятся в пределах 0,187—0,57 (нижний предел при балке из стали марки Ст. 3 и затяжке из высокопрочной проволоки диаметром 2,5 мм, верхний — при балке из стали марки 10Г2С и затяжке из стали класса A-IV). Для алюминиевых балок R/Rз колеблется от 0,125 до 0,57.
Снижение веса от применения предварительного напряжения балок по отношению к эталону (обычная балка оптимальных парам) можно определить по формуле
Экономию веса по этой формуле можно определить по отношению к различным эталонам. По сравнению с обычной балкой из стали марки Ст. 3 снижение веса от предварительного напряжения характеризуется данными, указанными в табл. VII.7.
Из табл. VII.8 видно, что применение сталей повышенной прочности ведет к снижению эффекта предварительного напряжения на 1—3%. С увеличением пролета экономия металла от предварительного напряжения увеличивается. Величина экономии металла в балках в значительной степени зависит от соотношения R/Rз. Наибольшая экономия получается при минимальном соотношении этих величин.
Трудоемкость изготовления предварительно напряженных балок из-за наличия сложных элементов (затяжка, анкер и пр.) оказывается значительно выше трудоемкости изготовления обычных балок, хотя изготовление напрягаемой части в связи со снижением ее веса требует меньших затрат труда.
Рост трудоемкости предварительно напряженных балок в значительной мере определяется несовершенной конструкцией анкеров. Особенно трудоемки точеные анкеры типа «колодка с пробкой». Замена таких анкеров литыми стаканного типа значительно снижает трудозатраты. Таким образом, совершенствование конструкции анкеров для снижения трудозатрат на их изготовление является важной задачей.
Удельные трудозатраты на изготовление предварительно напряженных балок значительно выше удельных трудозатрат на обычные балки (рис. VII.15) и с увеличением пролета уменьшается.
При определении стоимости изготовления по формулам (VII.8) — (VII.10) можно принимать соотношение R/Rз = 0,22.
Стоимость 1 г предварительно напряженных балок выше, чем эталонных, при пролетах 6, 12, 18, 24 м соответственно на 55, 27, 10 и 5%. Это вызвано введением трудоемких и дорогих материалов и операций (затяжка, анкер, процесс натяжения и пр.), несмотря на общее снижение веса конструкции.
При анализе стоимости конструкции особенно очевидна необходимость совершенствования конструкции анкеров.
Границы рационального применения предварительно напряженных балок могут быть определены из табл. VII.8, в которой приведены величины снижения (повышения) стоимости их по сравнению с эталоном, определенные по формуле (VII.11).
Из табл. VII.8 следует, что предварительные напряжения балок при существующих методах конструирования рационально применять лишь начиная с пролета 15—18 м, а при улучшенных анкерах — с 12 м, так как при меньших пролетах конструкции имеют большую стоимость.
в) Предварительно напряженные фермы
Так же, как и в балках, в предварительно напряженных фермах вес зависит от того, насколько удачно выбрана величина предварительного напряжения. Минимальный вес ферм будет в том случае, если усилие в затяжке на стадии загружения будет равно (при единичной внешней нагрузке):
Экономия веса. Для определения веса предварительно напряженных ферм также применим метод характеристик веса, предложенный проф. Н. С. Стрелецким.
В элементах предварительно напряженных ферм напряжение от внешней нагрузки уменьшается на величину SxiS. Ho вес фермы увеличивается на величину, равную весу затяжки, анкеров и креплений. Если при предварительном напряжении усилия в элементах ферм не меняют знак на противоположный, то исходя из вышеизложенного теоретическая характеристика будет вычисляться по формуле
Ho приведенная формула не может быть применима, когда в некоторых стержнях предварительно напряженных ферм SxiS≥Sqiq и усилия в них на стадии загружения меняют знак на противоположный.
В общем случае для определения теоретической характеристики предварительно напряженных ферм необходимо использовать формулу
Так же, как и в обычных фермах, теоретические характеристики предварительно напряженных ферм разделены на характеристики поясов и решетки и представлены в табл. VII.9.
Теоретический вес предварительно напряженной фермы определяется по формуле
Из табл. VII.9 видно, что в предварительно напряженных фермах (так же, как и в обычных) с увеличением пролета характеристика поясов имеет тенденцию к увеличению (за исключением ферм типа II, у которых при больших пролетах геометрическая схема подобна фермам при меньших пролетах, вследствие чего и характеристики получаются одинаковыми).
Характеристика затяжки во всех случаях с увеличением пролета увеличивается. При одних и тех же пролетах с увеличением высоты напрягаемой части характеристика поясов уменьшается, а решетки — увеличивается (при снижении общей характеристики фермы).
Для определения фактического веса предварительно напряженных ферм через практические характеристики необходимо пользоваться формулой
Изменение практических характеристик для предварительно напряженных ферм в зависимости от нагрузок представлено на рис. VII.16, VII.17.
Фермы типа III ввиду большого конструктивного коэффициента оказываются тяжелее ферм типа IV и не могут быть рекомендованы для применения. Анализ влияния высоты напрягаемой части ферм посредине пролета на вес показывает, что для ферм типа «арка с затяжкой» наиболее оптимальной высотой является h = 1/10 L.
Экономия металла от применения предварительного напряжения в фермах, подсчитанная по формуле
Из приведенных графиков видно, что экономия металла при предварительном напряжении ферм типа I и II c увеличением пролета возрастает во всех случаях и достигает в фермах из стали Ст. 3 типа I при пролетах 42— 60 м 10—12%, а с поясами из низколегированной стали 5—8%. В других типах ферм эффект от предварительного напряжения при повышении прочности материала напрягаемой части конструкции также снижается.
Фермы «арка с затяжкой» экономичнее в трапециевидных фермах при напряжении одного нижнего пояса начиная лишь с 24 м h/L=1/10. Однако при пролете 42 м фермы «арка с затяжкой» при значительной (до 16%) экономии металла оказываются нетранспортабельными. В этом случае лучше применять фермы "арка с затяжкой" с h/L=1/10, хотя экономия металла от их применения почти такая же, как и в фермах типа I.
Обращает на себя внимание тот факт, что фермы типа II дают большую экономию (при малых и средних пролетах) при меньших нагрузках. Это объясняется тем, что конструктивный коэффициент этих ферм при различных нагрузках изменяется в незначительных пределах, в то время как в фермах типа I наблюдается значительное увеличение этого коэффициента при уменьшении внешней нагрузки. При малых пролетах и нагрузках в фермах «арка с затяжкой» конструктивный коэффициент оказывается ниже, чем у обычных, и поэтому экономия металла в них увеличивается.
В фермах под легкую кровлю (см. рис. VII.19) подтверждается отмеченная выше закономерность изменения конструктивного коэффициента обычных и предварительно напряженных ферм: при малых нагрузках эффективность предварительного напряжения с увеличением пролета снижается. Лишь при нагрузке 370 кг/см2, когда сечение элементов нижнего пояса подбирается не по предельной гибкости, а по прочности, экономия металла при напряжении с увеличением пролета возрастает.
Затяжка в общем весе предварительно напряженных ферм занимает 2,5—6,5% (рис. VII.20). При этом в фермах типа I и IV наблюдается монотонное возрастание доли затяжки при увеличении пролета, а в фермах типа II — доля затяжки вначале возрастает с 3—4% при пролете 18 м до 4,5—5% при пролетах 24—30 м, а затем уменьшается до 2,5—3%. При увеличении высоты напрягаемой части конструкции доля затяжки в общем весе фермы уменьшается.
Трудоемкость изготовления предварительно напряженных ферм, определенная по методике, изложенной в п. а настоящего параграфа, при всех нагрузках и пролетах оказывается выше, чем у обычных. Однако при увеличении пролетов трудоемкость изготовления ферм типа II оказывается ниже, чем ферм типа I, приближаясь к трудоемкости обычных конструкций, при пролете 44,4 м разница не превышает 10%. Это объясняется тем, что решетка ферм в системе «арка с затяжкой» имеет меньшее количество элементов. На снижение трудозатрат в фермах «арка с затяжкой» большое влияние также оказывают одинаковые размеры элементов решетки. При пролетах 30 м и выше затраты труда на изготовление затяжек из-за меньшего их веса в фермах типа II ниже, чем в фермах типа I.
Трудоемкость изготовления ферм с поясами из низколегированной стали при пролетах 30—36 м на 10—15% выше трудоемкости изготовления таких же ферм целиком из стали марки Ст. 3. Ho при пролете 44,4 м их трудоемкость оказывается ниже, чем в фермах из стали Ст. 3.
В фермах под легкие кровли удельные трудозатраты в 1,5—2,2 раза выше, чем в таких же фермах под тяжелые кровли. Это еще раз подтверждает тот факт, что шаг несущих конструкций здания 12 м является наиболее оптимальным не только по весу, но и по затратам труда.
Таким образом, при малых пролетах предварительно напряженные фермы дают незначительную экономию металла при большом возрастании трудоемкости и нижняя граница рационального применения предварительно напряженных ферм может быть установлена только по стоимости конструкции.
Кроме работ по натяжению затяжки монтаж предварительно напряженных ферм фактически ничем не отличается от монтажа обычных ферм. Предварительное напряжение стальных ферм может производиться после укрупнительной сборки в условиях монтажа.
Стоимость предварительно напряженных ферм оказывается не всегда ниже стоимости обычных. Значительное (на 10—15%) повышение удельной стоимости при пролетах 18—24 м дают фермы типа «арка с затяжкой». С увеличением нагрузок и пролета экономия по стоимости от применения предварительного напряжения увеличивается.
Предварительное напряжение в фермах под легкую кровлю при пролетах 18—36 м приводит к повышению стоимости соответственно на 25—10%.
Удельная стоимость ферм при шаге 6 м выше удельной стоимости ферм при шаге 12 м.
Рациональная область применения предварительно напряженных ферм определяется по табл. VII.10, из которой видно, что нагрузка не оказывает существенного влияния на изменение границ рационального применения предварительного напряжения. Фермы из стали Ст. 3 с напряжением одного нижнего пояса оказываются дешевле обычных начиная с 30 м; при этом экономия по стоимости получается незначительной при одновременном возрастании трудозатрат на их изготовление.
Фермы «арка с затяжкой» при h/L=1/10 оказываются значительно дешевле эталона, в то время как при h/L=1/10 они оказываются дешевле начиная лишь с 42 м.
Фермы с поясами из низколегированной стали типа I оказываются всегда дороже обычных (за исключением нагрузки 550 кг/м2 при пролете 44,4 м).
В фермах под легкую кровлю предварительное напряжение во всех случаях нерационально.