В строительстве широко применяются т. н. предварительно напряженные конструкции.
Например, практически все современные плиты перекрытий зданий из сборного железобетона имеют предварительно натянутые арматурные стрежни в своей нижней части. Преднатяжение этих стержней создается различными способами перед формованием бетона. Например, стержни можно нагреть пропусканием через них электротока и уложить между концевыми упорами на формовочном стенде. После остывания стержни оказываются натянутыми расчетным усилием. После затвердевания бетона и освобождения стержней от упоров, бетон в нижней части плиты оказывается сжатым, и плита нагружается изгибающим моментом, выгибающим ее вверх. Этот предварительно созданный момент частично компенсирует изгибающие моменты от собственного веса плиты и от полезной нагрузки, появляющейся на плите при ее работе в составе здания. Особое место занимают т. н. самонапряженные железобетонные конструкции, получаемые с помощью напрягающего бетона, но здесь речь не о них.
В своих арочных конструкциях строители часто используют прием смещения опорных точек. Опоры располагаются так, чтобы их реакции создавали в теле конструкции изгибающий момент, частично компенсирующий момент от собственного веса конструкции.
Этой же цели служат и т. н. шпренгельные конструкции (рис. 1).
Шпренгель может состоять из стальных стержней или канатов. На его горизонтальной стяжке имеется талреп, с помощью которого задается усилие предварительной затяжки и, следовательно, величина компенсирующего изгибающего момента, обеспечиваемого шпренгелем.
Очевидно, что суммарный изгибающий момент на плите существенно меньше, чем он был бы без шпренгеля. Путем оптимизации формы шпренгеля и точного расчета нагрузок, в принципе, можно свести суммарный изгибающий момент практически к нулю. Тогда преднапряженную конструкцию можно сделать очень легкой. Однако это можно реализовать (с некоторыми оговорками), когда нагрузка на конструкцию постоянна. И это практически никогда не удается сделать, если нагрузка переменная. Это может быть, например, снеговая нагрузка кровельного перекрытия или нагрузка железнодорожного моста от проходящих по нему составов.
Можно рассчитать шпренгель и усилие его предварительной затяжки так, чтобы он сводил практически к нулю изгибающий момент в несущей конструкции при приложении максимальной нагрузки. Но тогда конструкция рискует потерять устойчивость и выгнуться вверх при уменьшении или полном снятии полезной нагрузки.
Следует еще учитывать, что вместе с компенсирующим изгибающим моментом шпренгель создает в конструкции сжимающую осевую силу. Но в подавляющем большинстве случаев влияние этой дополнительной силы сжатия не существенно и далее упоминать ее не будем. Можно только дать общую рекомендацию: высоту стоек шпренгеля следует делать как можно большей, чтобы свести сжимающую силу к минимуму.
Очень заманчиво сделать систему компенсации изгибающего момента такой, чтобы она вступала в действие только с появлением дополнительной нагрузки, да еще чтобы ее компенсирующий эффект был бы пропорционален величине этой нагрузки. Иными словами, хорошо бы иметь самонапрягаемую конструкцию.
И такие конструкции существуют. Например, в этой области многое сделал ученый из Красноярска, профессор Н.П.Абовский. Он разработал различные управляемые строительные конструкции, снабженные системой датчиков и электромеханических исполнительных механизмов. Но, на мой взгляд, такие системы вряд ли могут получить сколько-нибудь широкое применение, поскольку требуют абсолютной надежности своих компонентов. Любой отказ датчика или сбой в работе исполнительного механизма может привести не просто к нарушениям в работе конструкции, а к ее разрушению.
Наряду с этим, непонятно, почему до сих пор не получили распространения самонапрягаемые конструкции, основанные на простейшей рычажной системе, имеющей практически абсолютную надежность. Во всяком случае, эта надежность не ниже, чем у обычных шпренгельных конструкций. Схематично подобная система показана на рис. 2.
Рис. 2
Здесь шпренгель затягивается не талрепом, а двуплечим рычагом на правой опоре. В такой системе усилие затяжки шпренгеля автоматически изменяется с изменением реакции правой опоры и пропорционально изменению этой реакции. Следовательно, компенсирующий эффект шпренгеля пропорционален изменению полезной нагрузки. При работе правый конец конструкции слегка приподнимается и опускается, что в подавляющем большинстве случаев вполне допустимо.
Мне кажется, это очень эффективная система, но даже не знаю, была ли она когда-либо реализована на практике. Мне довелось ее видеть только в описаниях к двум старым испанским патентам.
Предварительно напряженные конструкции в машиностроении встречаются гораздо реже, чем в строительстве. Вернее, они были некогда распространены довольно широко, а теперь практически забыты. Например, многие старые железнодорожные платформы и вагоны были снабжены шпренгелями (Рис. 3).
Рис. 3
Что до автоматически напрягаемых систем, то в машиностроении мне известна лишь одна такая, но зато это совершенно реальная самонапрягаемая конструкция, успешно прошедшая проверку временем. Это остроумная конструкция механизма изменения вылета стрелы советского башенного крана КБ-100 (Рис. 4).
Рис. 4
Канат стреловой лебедки огибает несколько блоков, закрепленных на платформе крана и на консоли в верхней части его башни, и только затем, через головной блок башни проходит к своему закреплению на стреле. Стреловая лебедка с ее канатом и с блоками на платформе и на консоли образуют компенсирующий полиспаст, сводящий к минимуму изгибающий момент, приложенный к башне со стороны нагрузки на крюке крана и изменяющийся как с изменением этой нагрузки, так и с изменением вылета стрелы.
На рисунке схематично показаны только компоненты этого механизма и показаны они условно. На самом деле блоки компенсирующего полиспаста сгруппированы в две компактные обоймы.
На мой взгляд, в машиностроении есть широкое поле для применения преднапряженных и самонапрягаемых конструкций. Наряду с железнододоржными вагонами и платформами, они могут использоваться для автомобильного подвижного состава (длинномерные прицепы, полуприцепы и т. п.). Интересно, что в отличие от строительства, где такие конструкции дают только «разовый» эффект от снижения массы, их применение на транспорте, помимо такого же «разового» эффекта дают существенное снижение расхода энергии, так как речь идет о снижении «возимой» массы. Такой же эффект может дать, например, применение принципа самонапряжения в конструкции телескопических стрел автомобильных кранов.
Еще одна потенциальная область применения – гидравлические одноковшовые экскаваторы. Здесь самонапрягаемые металлоконструкции рабочего оборудования (стрела и рукоять) обеспечат снижение расхода топлива, за счет уменьшения массы, которая в каждом рабочем цикле поднимается на значительную высоту, а затем опускается «бесплатно» (без рекуперации энергии, затраченной на подъем рабочего оборудования).
Видимо и в других областях машиностроения подобные конструкции могут показать высокую эффективность.
29.12.2014 Д.Д.