Стоманените въжета като конструктивен елементособености и приложение Използването на конструктивни елементи, работещи на опън, датира от векове. Първоначално това са въжетата от естествени растителни или животински продукти, по-късно желязни вериги и така, след дълъг период на развитие, до съвременния вид на стоманените въжета.
Въжетата, като конструктивен елемент, може да имат съществена роля в поемане на основното натоварване върху конструкцията, или казано по друг начин – въжетата (кабелите) са основен носещ конструктивен елемент.
Ще разгледаме някои от особеностите им като основен носещ елемент в конструкции на сгради и съоръжения.
текст инж. Милена Чолакова
Стоманените въжета имат широко приложение в строителството. Характерно за тях е, че имат много високи якостни показатели и издържат на голямо натоварване, поемат големи опънни усилия при това с много малки напречни сечения, отнесени към сеченията на другите носещи елементи в конструкцията. Поради тази причина се използват като носещ елемент в редица конструкции и съоръжения – висящи покривни конструкции, висящи и вантови мостове и др.
Кратък исторически преглед
До достигането на съвременния вид на стоманеното въже е извървян дълъг път на развитие през вековете. За най-близък до съвременния вариант се счита изобретението на германския минен инженер Вилхелм Алберт - стоманено въже, което тогава – 30-те години на 19 век, е намирало основно приложение в мините. Той забелязал, че добрите якостни характеристики на масово използваното тогава конопено въже се дължат на паралелно разположените съставни елементи. Направило му впечатление също така и добрите показатели на якост, които имали железните вериги. Желанието му да обедини предимствата на двата използвани материала се счита за начало на развитието на стоманеното въже, използвано днес.
Той изобретява първото стоманено въже, което е било с диаметър 18mm и се е състояло от три снопа, всеки от четири тела, а сноповете били спирално усукани на ръка.
С годините, с индустриалния и технологичен напредък и нуждата от поемането на все по-големи натоварвания, се поставя началото на въжетата със сърцевина и снопчета от повече телове.
Същинска революция в производството на въжета се постига към края на 19 век, а периодът се свързва с фабриката на Джон Рьоблинг, където се произвеждат и първите стоманени въжета, използвани за строителството на висящ мост – висящият мост над Ийст Ривър в Ню Йорк (Бруклинският мост), отворен за движение през 1883 г.
Напречно сечение на стоманеното въже и якостни характеристики
В основата на добрите якостни характеристики е специфичната структура - оплетка от телове, на стоманеното въже.
Стоманените въжета се състоят от отделни снопове. В структурата на всеки сноп са метални телове. Първоначално са били използвани телове от ковано желязо, докато в днешно време те са изцяло стоманени.
Съставящите въжето снопове може да са спирално усукани около ядро (сърцевина) или успоредно разположение по дължина на въжето. В зависимост начина на разположение на сноповете, стоманените въжета се делят на:
Spiral Strand – спирално усукани – напречното сечение на въжето е съставено от отделни снопчета, всяко от които е от спирално усукани телове, Locked Coil Strand – спирално усукани въжета от затворен профил, Parallel Wire Strand – въжета с успоредни телове – от успоредни телове. В повечето случаи въжето се състои от 6 или 8 снопчета от телове.
Теловете са изработени от високоякостна стомана и имат съпротивление 1600-1800 Mpa. Това съпротивление се постига с повишено съдържание на силиций, манган и други добавки, както и уякчаване чрез студено изтегляне. Спирално усуканите въжета от закрит тип се състоят от поцинковани телове с кръгло и профилно сечение. Профилните телове (със Z-образно сечение) са разположени по периферията на въжето и създават по-добра водоплътност. Тя, заедно с поцинковането на елементите, осигурява по-добра корозионна устойчивост. Начинът, по който са усукани теловете, влияе върху механичните показатели на въжето и модула на еластичност.
Като недостатък на спирално усуканите въжета може да се посочи ниския, а също и променлив модул на еластичност. Приема се, че той е относително стабилен в границите E = (160 000÷170 000) МPa, достигнат при неколкократно предварително опъване на стенд с усилие 20-40% от разкъсващото усилие. По-добри механични показатели имат въжетата с успоредни снопове. Модулът на еластичност при тях е с постоянна стойност в интервала E = (200 000 – 205 000) MPa. И се запазва до високи стойности на напреженията, достигащи 70-80% от временната якост. Недостатък на въжетата с успоредни снопове, в сравнение със спирално усуканите, е по-голямата им огъвна коравина. Те трябва да се транспортират навити на барабани с неудобни за транспорт дебели диаметри. Този недостатък може да се избегне при слабо засукване на нишките. Това засукване трябва да е в рамките на ъгъл 4 градуса, който отделните снопове сключват с оста на въжето. Тогава механичните показатели на въжето не се различават от тези, когато то е от успоредни снопове, но коравината е по-малка и те могат да бъдат транспортирани на барабани с по-малък диаметър.
Реалният еластичен модул на въжетата по време на монтаж е по-малък от теоретичния. Това се дължи на факта, че при транспортиране и обработка на въжетата плътността на оплетката се нарушава. Поради тази причина се препоръчва преди монтажа въжетата предварително да се опъват до усилия 10-15% по-високи от изчислителните.
Приложение
Стоманените въжета имат редица приложения. Ще разгледаме някои от тях, които имат пряко отношение към сградите и съоръженията.
Покривни конструкции
Покривни конструкции, чиито основни носещи елементи са стоманените въжета, започват своето развитие през средата на миналия век. Впечатляват със своята визия и ефирна конструкция. Характерните обеми за тези конструкции се дължат на естественото провисване на стоманеното въже, оттам и съответната кривина, която придобива покривната конструкция – изпъкнали, вдлъбнати или конструкции с двойна кривина.
Висящите покриви, в които въжета имат носеща роля, биват еднослойни и двуслойни. При еднослойните в най-общия случай стоманени въжета са окачени на мощни колони или опорен пръстен и върху тях се разполага покривното покритие. В план въжетата може да са успоредно или радиално разположени.
Има и висящи покривни конструкции, при които покривната конструкция се състои от два слоя - две системи от главни кабели (едните вдлъбнати, другите - изпъкнали), свързани с окачвачи.
Интересни от архитектурна, а и конструктивна гледна точка, са т. нар. седловидни покривни конструкции, които се състоят от въжета, ортогонално разположени, като в едната посока въжетата са вдлъбнати, а перпендикулярните на тях въжета – изпъкнали. Получава се интересна повърхнина във формата на седло (хиперболоид).
Висящи мостове
Когато трябва да се преодоляват големи отвори (над 1000m, например), висящите мостове са най-ефективната конструкция сред конструкции за мостове. Връхната конструкция е лека, в резултат на употребата на високоякостни въжета – носещи кабели. Конструктивните елементи са: пилон, главна (закоравяваща) греда, носещ (главен) кабел и окачвачи. Главният носещ кабел е конструктивният елемент, който поема почти всички товари и ги пренася в пилоните. Окачвачите са връзката между гредата и носещия кабел. Поемат натоварването от гредата, предизвикано от постоянни и подвижни товари и предават усилията на главния кабел. Обикновено главният носещ кабел се състои от снопове успоредни нишки (телове), с диаметър 5-5,5mm. Един от начините за оформяне на сноповете е чрез насноваване на нишките на място (Air Spinning Method), а другият – да се оформят в завода (Prefabricated Parallel Wire Strands Method). При първия метод може да се правят снопове от 300-400 нишки, докато при втория, предвид ограничението, наложено от транспорт и монтаж, броят на нишките е почти четири пъти по-малко. Сноповете се подреждат по определен начин в напречното сечение на въжето, обикновено във формата на правилен шестоъгълник.
Вантови мостове
Вантовите мостове са едни от най-съвременните и модерни мостови конструкции, чието развитие започва през средата на миналия век. Носещата конструкция на вантовите мостове основно може да бъде представена от пилони и окачените на тях стоманени въжета – ванти, които поемат усилията от пътната плоча и съответното мостово натоварне. Вантите се разполагат по няколко схеми: радиална (ветрилообразна); полуветрилообразно и успоредни ванти в равнината на окачване. Една ванта се състои от едно или няколко въжета, всяко от които от успоредни или спирално усукани телове.
Свързващи елементи и анкерни чаши
За да се осъществи връзка между стоманените кабели и други конструктивни елементи, трябва да има междинен свързващ елемент.
В общия случай краищата на въжетата се закрепват към опорната конструкция посредством специални анкерни устройства. Най-разпространените са т. нар. анкерни чаши (познати още и като „котви”).
Анкерната чаша е сравнително скъп елемент, понеже се произвежда чрез леене и механична обработка. Вътрешността й е конична. Отворът за въжето е откъм тясната й част. В разширяващата част на анкерната чаша въжето се разплита на отделните съставящи го телове. Разперени, нишките първо се почистват с киселина, след което се заливат с разтопен цинк, цинк и манган или цинк и мед. Така разперени теловете и свързани със сплави осигуряват по-здраво анкериране на въжето.
При по-малко натоварени въжета и по-малки усилия, могат да се използват специални накрайници – „ухо”, разположени в края на въжето, и с които то се прикрепва към други конструктивни елементи.
При висящи мостове, характерен момент е връзката между главния кабел и пилона. При пилона кабелът може да минава непрекъснат (над пилона), като сменя направлението си чрез специално устройство – т. нар. седловиден лагер. Кабелът може и да прекъсва, като се анкерира в анкерни чаши.
Превантивни мерки срещу корозия
Един от най-сериозните проблеми, който може да възникне, е в резултат корозията на стоманеното въже. Корозионната защита на стоманените въжета се счита за особено важна. Още повече, че въжетата са с най-голяма повърхност на единица маса, в сравнение с елементите с друго напречно сечение (стоманени валцовани или съчетани профили). Корозиралите стоманени въжета са с намалена гъвкавост и носимоспособност. Освен това, корозиралите повърхности са по-уязвими на уморни пукнатини. Размерът на корозията е функция на площта, атакувана от кислород.
Корозията на въжетата е повърхностна, когато се наблюдава известно увеличение на диаметъра на стоманеното въже и дълбочинна – когато има разрушаване на материала във вътрешността.
Една от мерките за намаляване на корозията е външното боядисване. По-добри и надеждни резултати може да се постигнат при фабрично запълване на празнините между нишките (теловете) с оловен миниум или цинково-прахова паста. Напоследък се ползват нови състави, които се отличават с по-добра еластичност и вискозитет, за запълване на празнините между сноповете. Някои примерни са инжекционни състави от полибутадиен-полиуретан, състави на база на восък, епоксидна смола или битум, също и циментов разтвор, пластифициран с полиуретан.21/04/2013 |
