Для чего нужны предварительно-напряженные балки? Ответ прост: за счет их предварительного напряжения уменьшаются затраты металла на изготовление балки в среднем на 10 - 20 процентов, да и стоимость самой установки становится дешевле на 12 процентов. Добавим к этому понижение высоты строительных опор и лучшее распределение материала по длине самой балки. Результативность предварительного напряжения состоит в том, что при сборке конструкции в ней создаются напряжения, обратные по знаку напряжения от нагрузки. То есть во время эксплуатации конструкции эти напряжения будут задействованы в первую очередь, и только после того, как они достигнут лимита восприятия нагрузки, нагрузку начнет воспринимать материал. Предварительное напряжение увеличивает продолжительность упругой работы материала, из которого выполнена основная часть конструкции, и уменьшает стоимость предварительно-напряженных балок, так как высокопрочные материалы для них частично могут заменить основной материал конструкции и они дешевле конструкционной стали. 

Стоимость одной тонны стали (удельная стоимость) уменьшается с повышением прочности стали.

Создание предварительного напряжения в балках

Существуют несколько методов создания предварительного напряжения в опорных брусьях. Во-первых, предварительное напряжение появляется за счет изгиба отдельных элементов в пределах их работы на упругость, в направленности, обратной их прогибу под грузом с последующим сочленением выгнутых компонентов между собой продольными швами. Когда брус освобождается от вынужденного излома, в нем остается предварительное напряжение, противоположное напряжению от нагрузки. 

Что касается неразрезных балок, то их напряжение получают за счет принудительного вертикального перемещения точек их опоры. Такой способ хорош при возведении балочных мостов. Он уменьшает расчетный момент в середине расстояния между соседними опорами и увеличивает моменты на средних опорах, за счет чего материал перераспределяется по длине пролета. 

В большинстве случаев предварительное напряжение осуществляется с помощью высокопрочного стягивания, которое находится вблизи растянутого пояса опорных брусьев. Если это разрезная балка, то затяжку располагают в средней части нижнего пояса, в неразрезных балках – в пролетах у нижнего пояса и в зонах верхнего пояса у промежуточных опор.

Высокопрочное стягивание делает балку наиболее устойчивой. При внешней нагрузке несущая способность опорных брусьев увеличиватеся по двум причинам. Во-первых, сначала исчерпывается предварительное напряжение, за счет этого повышается площадь упругой работы материала опорных брусьев. Во-вторых, опорные брусья с затяжкой работают как устойчивая статичная система, увеличивают напряжение в затяжке (оно складывается из предварительного натяжения и самонапряжения под грузом), уравновешиваются натугами от сжимающих напряжений в балке. Это увеличивает момент внутренних сил, уравновешивающих часть внешнего изгибающегося момента. Суммарное растягивающее усилие в затяжке позволяет изготавливать затяжку из очень прочных материалов, будь то стальные канаты или проволока.
Как проходит предварительное напряжение однопролетных балок, использующих высокопрочную затяжку? Как правило, в опорных брусьях используют несимметричный разрез с уменьшенным нижним поясом, потому что затяжка наполовину заменяет его работу. Нижний пояс выполняется из листа либо профильного металла, за счет чего улучшается сжатие пояса во время предварительного напряжения.

Затяжки скрепляют анкерными креплениями на концах в виде колодки с пробкой, стаканов, которые заполняются легкоплавким материалом, стаканов с клиньями. Затяжки размещают рядом с нижним поясом. Их легко можно пропустить через приспособления, которые приварены к поясу балки на расстоянии одного-двух метров друг от друга. В итоге создаются условия для скрепления сжатого в результате предварительного напряжения нижнего пояса для сохранения его устойчивости. Длину затяжки делают меньше длины балки и располагают ее под зонами, где разрез балки без предварительного напряжения не может воспринимать действующий в этих зонах расчетный момент от внешней нагрузки. В места анкерного соединения затяжки подаются немалые силы, которые вызывают большое напряжение в стенке и поясе балок. Дополнительно поставленные здесь ребра жесткости и специальные упорные пластины усиливают стенку опорных брусьев.

Расчет предварительно-напряженных балок

Расчет балки в самом напряженном разрезе (обычно в половине расстояния между соседними опорами) осуществляется в два этапа. Прикладываем усилие к балке X от затяжки, затем подвергаем балку сжатию вне центра, при этом напряженным оказывается ее нижний пояс. Сила напряжения X будет ограничена устойчивостью этого пояса. Когда балка будет находиться под нагрузкой, то предварительное напряжение в ней будет исчерпано, а в хорошо подобранной балке усилия в поясах и затяжке будут стремиться к своим расчетным сопротивлениям. Как узнать, что подбор сечения балки выбран верно? Это будет зависеть от возможности принимать большой изгибающийся момент при заданной площади сечения. Прогиб балки в середине пролета высчитывают, исходя из действий нормативных нагрузок и согласно инструкции по проектированию предварительно-напряженных конструкций. Отсчет прогиба начинается от хорды, соединяющей стойки балки. Также следует учитывать и обратный выгиб балки от усилий предварительного натяжения и от самонатяжения затяжки. Необходимо при этом проверить стенки предварительно-напряженных балок; в отдельных случаях – пластические изменения в самой балке. Деформации в затяжке не допускаются, а в предварительно-напряженных опорных брусьях деформации ограничены условиями обычных балок.

Предварительное напряжение балок из алюминиевых сплавов стальными затяжками дает больший результат, чем в стальных балках, из-за большего модуля упругости и меньшей цены стальной затяжки. Правда, имеется и существенный недостаток – меньшая устойчивость балки и ее усилий температур, возникающих вследствие коэффициентов линейного расширения алюминия и стали.