РОЗДІЛ 2
ОСНОВНІ ПРИНЦИПИ ФОРМОУТВОРЕННЯ ЕФЕКТИВНОЇ СТАЛЬНОЇ АРКИ
2.1. Обгрунтування ефективності конструктивної та розрахункової схем арки
Ефективність нової конструктивної форми підтверджується тільки порівняльним
аналізом її з іншими подібними існуючими конструкціями за низкою показників,
основними з яких є критерій маси. Запропонована схема повинна забезпечувати не
тільки сприйняття певного виду і величини навантаження, а i мати експлуатаційну
надійність і довговічність не меншу, ніж у аналогічних конструкціях. Попередні
розрахунки показують, що застосування розробленої автором нової конструктивної
схеми арки [92, 95, 106] дозволяє зменшити її массу на 10…30 % залежно від
конкретних умов.
Розробка нової конструктивної форми арки проводилась за такими основними
напрямками:
- використання вихідних систем з мінімальною кількістю елементів, переважно
застосовуючи ті, що працюють на центральний розтяг;
- концентрація матеріалу в основних несучих елементах;
- застосування високоефективних видів профілів;
- використання прокату з підвищеними механічними характеристиками;
- використання додаткових резервів несучої здатності за рахунок
попереднього напруження.
Забезпечення першого напрямку можливе за рахунок зведення до мінімуму кількості
неосновних несучих елементів системи, а саме елементів решітки, окремих деталей
тощо. Це дозволяє суттєво зменшити загальні витрати на виготовлення конструкції
і, крім того, підвищити надійність під час її експлуатації, оскільки менша
кількість елементів піддається більш якісному контролю. Але зменшення кількості
елементів, наприклад, розкосів або стояків, призводить до необхідності
проектування більш потужних поясів і, взагалі, до якісної зміни конструкції в
цілому.
Концентрація матеріалу відбувається, як правило, в найбільш напружених та
відповідальних елементах конструкції. В крокв’яних конструкціях, до яких
належить двосхила арка, такими елементами є верхні пояси, які безпосередньо
сприймають зовнішнє навантаження. Оскільки верхній пояс є стиснуто-згинальним,
то в ньому і зосереджується основна частина матеріалу даної конструкції (до
80%).
Робота верхнього поясу на стиск із згином викликає необхідність виконувати його
із елементів, що мають велику згинальну жорсткість. До таких у першу чергу
належать двотаврові балки, швелери складені у двотавровий переріз, рівно – і
нерівполицеві кутики складені в таври, круглі і холодногнуті профілі замкнутого
коробчатого перерізу та інші (табл. 2.1). За їх застосування верхній пояс
представляє собою стержень з постійною згинальною жорсткістю.
Таблиця 2.1
Маса конструкції арки залежно від прольоту і перерізу верхнього поясу
Переріз
Прольот, м
Навантаження,
кН/м
Маса поясів,
кг
Загальна маса арки, кг
12
272
329
12
12
684
763
15
12
1241
1364
18
12
1915
2050
21
12
2527
2706
24
12
3699
4159
12
221
278
12
12
483
562
15
12
910
1033
18
12
1580
1715
21
12
2343
2523
24
12
3312
3772
Закінчення таблиці 2.1
9
12
173
230
12
12
330
409
15
12
547
669
18
12
848
984
21
12
1127
1307
24
12
1487
1947
12
153
210
12
12
286
364
15
12
647
770
18
12
879
1014
21
12
1592
1772
24
12
2051
2511
12
135
192
12
12
250
328
15
12
444
564
18
12
798
933
21
12
1108
1288
24
12
1679
2139
12
138
195
12
12
247
325
15
12
403
525
18
12
636
772
21
12
857
1037
24
12
1133
1593
12
116
173
12
12
213
292
15
12
352
475
18
12
552
687
21
12
740
920
24
12
980
1440
На сьогодні одним із найбільш ефективних елементів для сприйняття сумісної дії
порівняно невеликих за значеннями стискуючих і згинаючих зусиль є перфоровані
двотаврові балки (рис. 2.1), які і використовуються як пояси арки і особливості
конструктивної форми і виготовлення яких наведено в п. 1.1. Для сприйняття
розтягуючих зусиль у затяжці найбільш доцільними для використання є спарені
елементи з круглої арматурної сталі, канатної арматури тощо.
Рис. 2.1. Показники витрат сталі на конструкцію залежно від прольоту і перерізу
верхнього поясу
Використання матеріалів з підвищеними механічними характеристиками дозволяє
сприймати більше навантаження за незмінного перерізу або зменшити переріз
відповідно до зростання міцності матеріалу (табл. 2.2).
На графіку (рис. 2.2) представлені показники витрат матеріалу на арку залежно
від величини навантаження та міцності матеріалу, з яких видно, що застосування
матеріалів з підвищеними механічними характеристиками за незмінного
навантаження дозволяє зменшити вагу арки на 10–40%. Тобто, маючи величину
зовнішнього навантаження, є можливість підібрати оптимальний варіант
співвідношення маси конструкції і міцності матеріалу, або ж, маючи конструкцію,
можливо встановити навантаження, яке вона здатна витримати.
Таблиця 2.2
Маса арки прольотом L=18 м залежно від величини навантаження і міцності
матеріалу
Міцність матеріалу (розрахунковий опір Ry, МПа)
Переріз
Навантаження,
кН/м
Маса поясів
Загальна маса арки
230
424
559
10
485
620
12
552
687
14
636
771
16
737
872
250
372
507
10
424
559
12
485
620
14
552
687
16
636
771
270
321
451
10
372
502
12
424
554
14
485
615
16
552
682
280
277
407
10
321
451
12
372
502
14
424
554
16
485
615
Закінчення таблиці 2.2
3
315
232
357
10
277
402
12
321
446
14
372
497
16
424
549
335