Конструирование и расчет стабилизирующих устройств

При наличии сквозных широко раскрытых трещин кирпичные стены усиливают автономно. Для этого на усиливаемой стене с внешней и внутренней сторон устанавливают стальные тяжи, которые посредством поперечных балок-швеллеров замыкают в пояс. Тяжи натягивают с помощью гаек или стягивающих муфт. Следует отметить, что при усилении стен неотапливаемых зданий использование стального пояса оказывается неэффективным из-за больших температурных деформаций металла, в результате которых изменяется усилие натяжения пояса и трещины "дышат". Для стабилизации натяжения пояса разработано специальное пружинное устройство (стабилизатор), размещаемое под поперечной балкой (рис.4.11). Оно состоит из распределительной плиты 2, упорного уголка 3 и изогнутой стальной пластины-рессоры 4. Стабилизация усилия натяжения при температурных деформациях пояса достигается за счет упругой работы рессоры. Расчет рессоры, обеспечивающей стабилизацию натяжения пояса, рассмотрим на примере.

Рис.4.11. Усиление кирпичной стены поясом

со стабилизирующим устройством:

1 - поперечная балка (швеллер); 2 - распределительная плита;

3 - упорный уголок; 4 - рессора; 5 - тяж (стержень)

Пример 4.5. Требуется проверить расчетом стабилизирующее устройство, обеспечивающее усилие натяжения пояса от 20 до 40 кН.

Исходные данные

Длина стального пояса l = 30 м, максимальные значения температур наружного воздуха: июль +30°С, январь -30°С; коэффициенты температурного расширения: стали - а_ts = 120·10^-7, кирпичной кладки - а_tk = 50·10^-7. Стабилизирующее устройство состоит из одной изогнутой пластины-рессоры. Длина рессоры l_р = 0,5 м, ширина - b_р = 0,4 м, толщина δ = 8 мм, выгиб f_b = 35 мм, Е_s = 2,1·10⁵ МПа. Расчетная схема рессоры дана на рис. 4.12.

Решение

Находим относительное удлинение стальных тяжей при изменении температуры наружного воздуха на 30°С:

∆l = (а_ts - а_tk)∆t·l·10³ = (120 - 50)10^-7·30·30·10³ = 6,3 мм.

Определяем момент инерции сечения рессоры:

м⁴.

Находим перемещение центра рессоры при натяжении пояса P₀ = 30 кН (температура воздуха 0°С):

= 0,021 = 21 м.

Рис. 4.12. Расчетная схема рессоры

Находим перемещение центра рессоры и усилие в поясе при = +30°С:

∆f₍₊₃₀⁰₎ = ∆f₀-∆l = 21 - 6,3 = 14,7 мм;

кН.

Находим перемещение центра рессоры и усилие в поясе при = -30°С:

∆f_(-30⁰₎ = ∆f₀+∆l = 21 + 6,3 =27,3 мм < f_b = 35 мм;

кН

Для стабилизации напряжений стального пояса, расположенного по контуру здания, целесообразно использовать стабилизаторы, состоящие из спиральных пружин. При этом пружины включаются в цепь пояса и располагаются по торцам здания (рис. 4.13). Способ подбора пружин рассмотрим на примере.

Рис.4.13. Стабилизация напряжений в поясе:

а - план здания; б - фрагмент фасада; 1 - стальной пояс;

2 - монтажный столик; 3 - пружинный стабилизатор (в сборе);

4 - пружина сжатая; 5 - стальной цилиндр

Пример 4.6. Требуется подобрать пружину для стабилизатора, обеспечивающего усилие натяжения пояса в пределах от 15 до 20 кН (∆Р = 20-15 = 5 кН).

Исходные данные

Максимальная длина тяжей пояса l = 30 м. Удлинение тяжа относительно кирпичной стены при изменении температуры наружного воздуха на 40°С ∆l = 8,4 мм.

Решение

Задаемся наружным диаметром пружины Ø = 100 мм с максимальным усилием сжатия в пределах 20...25 кН.

Пользуясь справочником [43, табл.2.7], выбираем пружину II класса №5417 со следующими геометрическими и рабочими характеристиками: диаметр заготовки (проволоки) а = 20 мм, шаг пружины t = 27,3 мм, максимальная деформация пружины F₃ = 84 мм, рабочая деформация F₂ = 63 мм; сила пружины при деформации: максимальной – P₃ = 22,4 кН; рабочей P₂ = 16,8 кН; высота пружины H₀ = 334 мм.

Определяем падение усилия в сжатой пружине при удлинении тяжа ∆l₁=8,4 мм по формуле

= 2,24 кН <5 кН,

то есть условие выполняется.

Для стабилизации значительных (70-80 кН) усилий натяжения пояса эффективно применение стабилизатора, состоящего из двух пружин "одна в другой". Например, пружины №7108 (диаметр 170 мм) и №5417 (диаметр 100 мм) обеспечивают стабилизацию усилия порядка 76 кН. Важным требованием при выборе пары пружин является их одинаковая высота.

При отсутствии стандартных могут использоваться и нестандартные пружины, рассчитываемые на работу в паре по условию совместности деформаций.

Пример 4.7. Требуется определить усилие и осадку каждой из пары пружин стабилизирующего устройства при усилии натяжения тяжей Р=80кН.

Исходные данные

Пружины свиты из проволоки одного диаметра Ø = 20 мм, имеющие одинаковое число витков n = 10. Высота наружной и внутренней пружин в свободном состоянии одинаковая. Радиус осевой линии витка наружной пружины R₁ = 0,08 м, внутренней R₂ = 0,05 м. Модуль упругости при сдвиге G = 8·10⁴ МПа.

Решение

Обозначим через Р₁ и Р₂ усилия, приходящиеся на каждую из пружин. Составим уравнение равновесия:

Р₁ + Р₂ = Р или Р₁ + Р₂ = 80 кН.

Обозначим через λ₁ и λ₂ величины осадки соответственно наружной и внутренней пружин. Составим условие совместности деформаций:

λ₁ = λ₂.

Запишем выражения для определения деформаций:

После упрощения получим

5·12·10^-4·P₁=1.25·10^-4·P₂,

откуда Р₂ = 4.1Р₁.

Подставим значение Р₂ в уравнение равновесия:

Р₁ + 4.1Р₁ = 80кН,

откуда P₁ = 15,69 кН, Р₂ = 80-15,69 = 64,31 кН.

Определяем осадку пружин.

Для наружной пружины

м.

Для внутренней пружины

м.

то есть условие совместности деформации выполняется.

Находим касательные напряжения, возникающие в витках наружной и внутренней пружин:

= 16986 кН/м² (16,986 МПа),

= 45058 кН/м² (45,058 МПа),

τ₁ < [τ]; τ₂ < [τ].