Какие бывают металлические балки. Двутавровая балка — существующий выбор. Тонкости выбора двутавровых балок из металла

Несмотря на снижение затрат в строительной сфере, потребили всё же делают довольно приличную выручку фирмам, выпускающим стройматериалы. Сейчас многие закупают нужные материалы для самостоятельного строительства, это же касается и металлических балок, металл - один из самых прочных и доступных оснований для фундамента и каркаса здания.

Что такое балки и из чего изготавливаются

Балка - это важный элемент в конструкции, она ставится для повышения устойчивости и укрепления конструкции . Металлические балки изготавливаются чаще всего из стали, их действие направлено на изгиб. Если сооружение слишком массивное, то балка изготавливается двутавровая, она похожа на две соединенные буквы т. При таком сечении нагрузка на материал распределяется равномерно и повышается сопротивляемость.
Балки бывают не только из металлических соединений, есть также деревянные, они используются в более простом строительстве, они не могут изготавливаться с разными видами сечения, поэтому представляют собой обычный брус с разной длиной и шириной.

Виды и свойства

Балки различают по размерам, им присвоены номера, по которым можно подобрать нужные характеристики индивидуально для строительства:

• Размер «10» - самый маленький по стандартам, используется как перекрытие, укрепляет подвижные элементы в постройках. Можно ставить как направляющую конструкцию для подъемников, при условии, что они небольшие.
• «12» - балка будет чуть больше, и соответственно, выдерживает большее давление. Чаще всего используется как основа рам, устанавливается в механизмы и машины.
• Номер «14» более массивный и помогает создавать более нагружённые перекрытия, подлежит для монтажа в железобетонные конструкции, такие часто ставят в промышленном строительстве.
• «16» балка отличается своей прочностью и может уже быть полноценной опорой, устанавливается не только для обеспечения устойчивости гран-балок, но и для передвижения цехового транспорта по рельсовым линиям.
• Балка «18» может быть использована именно в строительстве зданий, создавая надёжную опору. Если требуется сделать опору для больших механизмов или обеспечение устойчивости широких площадей.
• «20» номер уже входит в число больших балок, она может быть основой для колонны или рам для машиностроения.
• «25» - уже не так часто используется в возведении домов, зато будет надежной порой для любых подъёмных механизмов, даже больших кранов.
• «30» номер также используется в качестве основы для подъема, но в отличие от «25» изготавливается более широким и длинным, это обеспечивает более высокую сопротивляемость при сильных нагрузках.

Алюминиевые и стальные перекрытия, их плюсы и минусы.

В строительстве также часто используется алюминий , точнее его сплавы, он довольно устойчив к воздействию окружающей среды, но не умеет такой устойчивости при весовой нагрузке . В сравнении со стальными, они легче и тоньше, но чаще всего их приходится утолщать для дополнительной прочности. В возведении конструкций можно использовать оба материала, в зависимости от объемов строительства, так как промышленное производство представляет собой более объемные работы с сильными укреплениями, а вот небольшие постройки можно монтировать из алюминия, он экономичен и прост в использовании.

Есть одна важная особенность - металл при воздействии высоких температур плавится , буквально тает, создавая однородную массу, которая не подлежит восстановлению, при этом алюминий, когда нагревается, не превращается в растаявшую лужу, а наоборот, при уменьшении температур восстанавливается до обычного вида. Конечно, не на каждом производстве окружающая среда имеет температуру в 80 градусов, поэтому ухудшения при обычном нагреве не будет. Со стороны химических обозначений, более благородные соединения у железа, а алюминий не получил признания у химиков.

Есть такое понятие, как модуль упругости, оно отвечает за устойчивость материала к регенерации после сильного давления, то есть если действие балки направлено на изгиб, то она не должна прогибаться, поэтому чем больше давление, тем выше должен быть показатель модуля упругости. Алюминиевые сплавы имеют модуль упругости 70.000 МПа , что в три раза меньше такого же показателя у железа. Именно на основании этого строится план расположения балок, рассчитывается их несущая способность.

Формы, толщина и высота

Различие формы и размеров определяется в соответствии с номерами изготавливаемых балок, они могут быть как маленькими и узкими с цельной формой, так и массивными двутаврами, которые легко сознали опору для больших рабочих кранов. Индивидуальное изготовление позволяет заказывать основу для подвижных конструкций со специфическими показателями и формами. Самое главное, что высоту нужно всегда увеличивать в 1,5 раза, это пойдёт на усадку и прочие строительные работы.

Использование

Основное назначение металлических перекрытий - промышленное строительство , оно отличается от гражданских специальных требований. Чаще всего у застройщиков на эти здания уже есть готовый план, поэтому проблем с зарисовкой проекта не будет, но для такой отрасли должны быть все сертификации у материала, потому что сооружения будут использоваться для массовых скоплений людей или больших фабрик, которые проверяются на прочность со стороны государственных органов.

При этом сложные металлические конструкции по карману действительно крупным заказчикам, цена их довольно высока, а в гражданском строительстве чаще всего используют алюминий, он хоть не столь прочный, но зато тратиться на дополнительную антикоррозионную обработку не нужно, а стандартную нагрузку жилого дома материал выдержать сможет.

Балки ТИПЫ БАЛОК И ИХ СТАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ Металлические балки относятся к изгибаемым элементам и применяются главным образом для перекрытия пролетов многоэтажных промышленных и гражданских зданий 6 18 м а также одноэтажных промышленных зданий в виде подкрановых балок путей подвесного транспорта и реже несущих балок покрытий с пролетами 18 24 м. Наиболее рациональны в использовании прокатные балки двутаврового и швеллерного сечения ввиду простоты их изготовления. При недостаточной мощности прокатных балок широко применяют сварные составные...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

М Е Т А Л Л И Ч Е С К И Е К О Н С Т Р У К Ц И И

Лекция 9м. Балки

ТИПЫ БАЛОК И ИХ СТАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

Металлические балки относятся к изгибаемым элементам и применяются главным образом для перекрытия пролетов многоэтажных промышленных и гражданских зданий 6—18 м, а также одноэтажных промышленных зданий в виде подкрановых балок, путей подвесного транспорта и реже несущих балок покрытий с пролетами 18—24 м.

Наиболее рациональны в использовании прокатные балки двутаврового и швеллерного сечения ввиду простоты их изготовления. При недостаточной мощности прокатных балок широко применяют сварные составные балки двутаврового сечения, а для конструкций, подвергающихся динамическим и вибрационным нагрузкам,— составные балки на высокопрочных болтах и клепаные балки (рис. 1 – 9 д, е ). При пролетах до 6 м вместо прокатных стальных и прессованных алюминиевых балок целесообразно применять стальные балки из гнутых профилей швеллерного или коробчатого типа. Сварные составные балки могут быть сплошностенчатыми или со стенкой с круглыми, овальными или многоугольными отверстиями, которые используют для прокладки инженерных коммуникаций и других целей (рис. 2 – 9а, б). В промежутках между отверстиями устраивают поперечные ребра жесткости, обеспечивающие устойчивость стенки.

В последнее время в строительстве находят применение балки с перфорированной стенкой (рис. 2 – 9,в, г). Перфорированные балки получают путем разрезания двутаврового горячекатаного профиля ломаной линией в продольном направлении. Затем обе части сдвигают до соединения гребней впритык, после чего их сваривают. В зависимости от длины и высоты профиля, а также от формы ломаной линии можно получать различные отверстия и различную высоту перфорированной балки. Наиболее оптимальный профиль может быть при увеличении высоты до 1,5 Н.

Перфорированные балки имеют ту же массу, что и прокатные профили. При этом их несущая способность и жесткость значительно выше, чем у исходного профиля, а следовательно, она может быть применена при большем пролете и большей нагрузке. Лучше всего использовать такие балки при больших пролетах и малых нагрузках. В этом случае влияние поперечных сил на напряжения в вертикальной стенке незначительно. Проектирование перфорированных балок позволяет получить экономию стали до 20—30 %. Однако, учитывая более высокую стоимость изготовления, их применение должно быть экономически оправдано.

При увеличении пролета или увеличении расчетной нагрузки на балку рационально использование стальных предварительно напряженных балок (рис. 2 – 9, д), в которых предварительно напряженный трос располагается в зонах максимального растяжения.

В статическом отношении балки могут быть однопролетными разрезными, двухпролетными и многопролетными неразрезными. Они могут быть консольными и бесконсольными (рис. 3 - 9). Наибольшее применение в строительстве находят однопролетные разрезные балки как наиболее простые в монтаже и эксплуатации. По трудоемкости изготовления неразрезные балки уступают первым, однако по расходу материала и по жесткости они более эффективны, что определяет их широкое применение в многоэтажных каркасах, при этом особое внимание уделяется учету температурных воздействий и осадке опор, так как неразрезные балки очень чувствительны к таким воздействиям.

Генеральными размерами балки называют ее расчетный пролет l е f и высоту сечения h (рис. 4 - 9). Действительный или конструктивный размер балки l назначают с учетом размеров опорных площадок, размер которых зависит от несущей способности их материала. Расстояние в свету l 0 между опорными узлами зависит от условий эксплуатации сооружения и назначается в процессе проектирования.

Оптимальное значение высоты балки зависит от расчетного пролета, нагрузки, класса стали, назначения балки и т.д. и лежит в пределах h / l е f = (1/10—1/16). Минимальные значения высоты сечения балки при эскизном проектировании можно принимать по табл. 1-9 при q п / q d = 1,2 (где q п и q d — погонная нормативная и расчетная нагрузки) в зависимости от временного сопротивления стали и относительных прогибов балок к пролету.

В зданиях и сооружениях металлические балки применяют в виде балочных клеток , т. е. перекрытий, состоящих из системы балок. Балочная клетка включает главные балки, перекрывающие основной пролет с шагом L =6 —9 м, и вспомогательные балки, опирающиеся на главные с шагом В = 1,5—3 м (рис. 5-9).

В зависимости от взаимного расположения главных и вспомогательных балок различают четыре типа балочных клеток: с верхним расположением вспомогательных балок (рис. 5-9,а); с расположением вспомогательных балок с главными в одном уровне (рис. 5-9,б); с пониженным расположением вспомогательных балок (рис. 5-9, в) ; усложненная система, имеющая два типа вспомогательных балок,— поперечных и продольных (балок настила) по отношению к главным балкам (рис. 5-9,г). Балки настила проектируют с шагом 0,5—1,2 м.

Выбор балочной клетки зависит от конструкции перекрытия (металлический настил, железобетонные плиты и т.п.), от наличия технологического оборудования, подвесного потолка и других факторов, поэтому тип балочной клетки определяется для каждого конкретного случая вариантным проектированием.

Наиболее просты в возведении и экономичны по расходу материала балочные клетки с верхним расположением вспомогательных балок, но имеют недостаток — большую строительную высоту перекрытия. При ограничении строительной высоты перекрытия наиболее целесообразным решением обладает балочная клетка с расположением вспомогательных балок с главными в одном уровне. Балочные клетки с пониженным расположением вспомогательных балок и с усложненной системой применяют в большинстве случаев при опирании технологического оборудования или мелкоразмерных плитах перекрытия.

РАСЧЕТ СЕЧЕНИЯ ПРОКАТНЫХ И СОСТАВНЫХ СВАРНЫХ БАЛОК

В большинстве случаев на балочную клетку действует равномерно распределенная нагрузка, которую при расчете приводят к линейной нагрузке на балку настила, вспомогательную и главную балки с их грузовых площадей (рис. 6-9). Расчет балок производят в той же последовательности, в какой передается нагрузка: на элемент настила, вспомогательную и главную балку. Подбору сечений предшествует статический расчет балок, в результате которого определяют расчетные изгибающие моменты М и расчетные поперечные силы Q в характерных сечениях.

Расчет балок производят по, двум предельным состояниям: несущей способности и прогибам. Расчет прокатных балок, выполненных из прокатных или гнутых двутавров, швеллеров и других профилей, сводится к определению необходимого номера профиля по сортаменту и проверке его на прочность по нормальным и касательным напряжениям, жесткость и устойчивость по формулам, которые мы выписывали для изгибаемых элементов на прошлой лекции. Эти формулы в простейших случаях можно переформатировать таким образом, чтобы в левой части неравенства стояла искомая геометрическая характеристика. Однако, в большинстве случаев здесь необходимо проводить многофакторный анализ. А он, чаще всего, выполняется методом подбора, используя различные вспомогательные таблицы. Как например, таблица приближенных значений высот балки (табл.1 - 9). А в дальнейшем, когда у Вас накопится опыт, Вы будете просто задавать исходя из собственного опыта значения геометрических характеристик и с ними проверять несущую способность и способность к эксплуатации и в пояснительной записке приводить результаты этих проверок. Кстати именно этого от нас требует Гос. экспертиза.

СТЫКИ ПРОКАТНЫХ И СОСТАВНЫХ БАЛОК. УЗЛЫ КРЕПЛЕНИЯ БАЛОК

Стыки бывают заводскими, выполняемыми на заводе с целью увеличения длины элементов, входящих в отдельный отправочный элемент, и монтажными, изготовляемыми на строительной площадке; они предназначены для сопряжения отдельных отправочных элементов в рабочую конструкцию (рис. 7-9).

Количество монтажных стыков и их размещение проектируют по условию транспортировки. Монтажные стыки значительно дороже заводских, так как они требуют дополнительного материала на стыковые накладки и монтажные болты, поэтому их число должно быть минимальным.

Наиболее простым является стык, пояса и стенка которого стыкуются в одном сечении. Однако такой стык в зоне действия максимального изгибающего момента не обеспечивает равнопрочности стыка и основного материала. Вследствие этого в наиболее напряженных зонах устраивают шов вразбежку, выполняя в полках косой стыковой шов, обеспечивающий высокую надежность соединения (рис. 7-9,а,б). Для уменьшения влияния усадочных деформаций, возникающих при сварке, стыковой шов выполняют в последовательности, показанной цифрами на рис. 7-9 , в. После сварки стыкового шва на расстоянии 500 мм по обе его стороны приваривают полки к стенке.

Увеличение надежности стыка в прокатных и составных балках при действии значительных моментов и поперечных сил может быть достигнуто с помощью горизонтальных накладок, устанавливаемых по верхней и нижней полкам и вертикальных двусторонних накладок по стенке балки (рис. 7-9, г). В этом случае сечение накладки и фланговые сварные швы, прикрепляющие накладку к полке, рассчитывают по усилию S , определяемому по формуле

S = (Мь — М w)/z, (1-9 м )

где Мь — полный расчетный изгибающий момент в стыке балки; М w = Мь . (/ J w / J b ) — изгибающий момент, воспринимаемый стенкой балки; J w и J b — моменты инерции стенки и полного сечения балки; z — расстояние между центрами верхней и нижней полок.

Швы, прикрепляющие накладку к стенке балки, проверяют соответственно по металлу шва и по металлу границы сплавления.

Балки опираются на колонны сверху или примыкают сбоку. В одноэтажных промышленных и гражданских зданиях преимущественное применение имеет первый случай, варианты которого в зависимости от конструктивного решения колонны показаны на рис. 8-9.

J b

В первом варианте (рис. 8-9, а) балка опирается на колонну шарнирно-вертикальным опорным ребром жесткости, выпущенным за габарит нижней полки на 10 — 15 мм. Торцы опорных ребер жесткости для обеспечения требуемой площадки смятия пристрагиваются к центрирующей пластине, привариваемой к опорной плите оголовка колонны. При опирании балок на двухветвевую колонну (рис. 8-9,б) опорные ребра жесткости удалены от торца балки и совпадают с плоскостью стенок ветвей колонны. В этом случае необходимы пригонка и приварка опорных ребер жесткости не только к стенке балки, но и к ее полкам.

В случае примыкания балок к колоннам сбоку различают шарнирное и жесткое решение узла сопряжения. При шарнирном опирании крепление не препятствует свободному повороту балки в опорном узле, что определяет работу балки как однопролетной разрезной системы (рис. 9-9).

В зависимости от назначения балка может примыкать либо к полке колонны (рис. 9-9, а, г, д), либо к стенке колонны (рис. 9-9, б, в). Передача опорной реакции балки на колонну осуществляется через болтовое фланцевое соединение (рис. 9-9, а, б) или с помощью опорных столиков в виде плоской пластины или неравнополочного уголка (рис. 9-9,0, г, д), приваренных к полкам или стенке колонны. С точки зрения удобства производства работ передача опорной реакции через опорный столик предпочтительна.

Жесткое крепление балок к колоннам предусматривают в случае проектирования рамного каркаса или тогда, когда балка перекрытия выполняет одновременно и функцию балки-распорки в вертикальных связях каркаса (рис. 10-9).

При жестком креплении верхняя и нижняя полки балки при помощи горизонтальных планок (рис. 10-9, а) или косынок вертикальных связей (рис. 10-9,б) прикрепляют к колоннам жестко, что препятствует повороту балки в опорном узле.

Стыковые планки и косынки воспринимают горизонтальные составляющие силы S =М/Н, возникающие от действия изгибающего момента в опорном узле. Опорная реакция при жестком креплении балки передается на колонну способом, аналогичным передаче опорной реакции при шарнирном креплении балки к колонне. Применение жесткого узла более трудоемко по сравнению с шарнирным, но на 30 % позволяет снизить расход металла на балки.

Узлы крепления балок к балкам также могут быть шарнирными и жесткими (рис. 11-9).

Предпочтение следует отдавать шарнирным узлам как наиболее простым в производстве работ. При одностороннем примыкании вспомогательных балок к главным (рис. 11-9, а — в) от изгиба вспомогательных балок возникает кручение главной балки, что крайне нежелательно. Для предотвращения этого явления в стыке с противоположной вспомогательной балке стороны устраивают ребро жесткости, а под вспомогательную балку вводят косынку, привариваемые к стенке и полкам главной и вспомогательной балок (рис. 11-9 , г, д).

Жесткое крепление балок к балкам делают, как правило, в случае двустороннего примыкания вспомогательных балок к главным (рис. 11-9, е) . Конструктивно такое сопряжение выполняют подобно жесткому стыку балки с колонной.

Соединение поясов со стенкой в сварных балках осуществляют непрерывными угловыми швами. Швы препятствуют взаимному сдвигу пояса и стенки, вследствие чего в них возникают касательные напряжения, являющиеся функцией воздействия поперечной силы (рис. 12-9).

Следовательно, наибольшие значения касательных напряжений будут возникать вблизи опоры. Толщину сварного шва, прикрепляющего полку к стенке, определяют из условий его работы по металлу шва и по металлу границы сплавления.

Расчет и конструирование прессованных и сварных балок из алюминиевых сплавов производят аналогично стальным балкам. Однако учитывая большую деформативность балок из алюминиевых сплавов, их минимальная высота должна быть больше, чем у стальных балок, поэтому значения Н т гп и Н 0 р1 для балок из алюминиевых сплавов определяют соответственно по формулам:

(2-9 m )

(3-9 m )

При конструировании балок из алюминиевых сплавов следует принимать h  5 b .

Коэффициент  b при проверке общей устойчивости алюминиевой балки должен приниматься с учетом требований гл. СНиП 2.03.06-85 «Алюминиевые конструкции».

Лекция 10м. Колонны

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
229.		СТАТИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ РАМ	10.96 KB
	Рамные конструкции СТАТИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ РАМ Рамы представляют собой плоские конструкции состоящие из прямолинейных ломаных или криволинейных пролетных элементов называемых ригелями рамы и жестко связанных с ними вертикальных или наклонных элементов называемых стойками рамы. Такие рамы целесообразно проектировать при пролетах более 60 м однако они могут успешно конкурировать с фермами и балками при пролетах 24 60 м. В статическом отношении рамы могут быть трехшарнирными двухшарнирными и бесшарнирными рис. Трехшарнирные...
230.		СТАТИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ АРОК	9.55 KB
	По статической схеме арки подразделяют на трехшарнирные двухшарнирные и бесшарнирные рис. Двухшарнирные арки менее чувствительны к температурным и деформационным воздействиям чем бесшарнирные и обладают большей жесткостью чем трехшарнирные арки. Двухшарнирные арки достаточно экономичны по расходу материала просты в изготовлении и монтаже и благодаря этим качествам находят преимущественное применение в зданиях и сооружениях. В арках загруженных равномерно распределенной...
2006.		Статические и астатические системы управления	50.28 KB
	Статические и астатические системы управления В зависимости от принципа и закона функционирования ЗУ задающего программу изменения выходной величины различают основные виды САУ: системы стабилизации программные следящие и самонастраивающиеся системы среди которых можно выделить экстремальные оптимальные и адаптивные системы. К этому виду САУ можно отнести заводные игрушки магнитофоны проигрыватели и т.1 обеспечивающие y = ft и системы с пространственной программой в которых y = fx применяемые там где на выходе САУ важно...
7150.		Ключевые элементы данных. Назначение и типы ключей. Типы отношений. Построение отношений	31.46 KB
	Отношения между таблицами Отношения между таблицами устанавливают связь между данными находящимися в разных таблицах базы данных. Отношения между таблицами базы данных BIBLIO. Отношения между таблицами базы данных BIBLIO.
6666.		Аналоговые схемы на ОУ	224.41 KB
	При анализе аналоговых схем ОУ представляется идеальным усилителем, имеющим бесконечно большие значения входного сопротивления и коэффициента усиления, а выходное сопротивление - нулевое. Основным преимуществом аналоговых устройств
2261.		КОНСТРУКТИВНЫЕ И СИЛОВЫЕ СХЕМЫ НАЗЕМНЫХ ГТД	908.48 KB
	Одновальные ГТД Одновальная схема является классической для наземных ГТД и применяется во всем диапазоне мощности от 30 кВт до 350 МВт. По одновальной схеме могут быть выполнены ГТД простого и сложного циклов в том числе и парогазовые установки ПГУ. Конструктивно одновальный наземный ГТД аналогичен одновальным авиационным ТВД и вертолетным ГТД и включает компрессор КС и турбину рис.
6658.		Схемы замещения биполярного транзистора	21.24 KB
	Схемы замещения биполярного транзистора При расчетах электрических цепей с транзисторами реальный прибор заменяется схемой замещения которая может быть либо бесструктурной либо структурной. Поскольку электрический режим биполярного транзистора в схеме ОЭ определяется входным током...
5765.		Составление налоговой схемы в организации	45.31 KB
	9 Принципы налогового планирования.11 Заключение 15 Список литературы17 Введение Сущность налогового планирования заключается в признании за каждым налогоплательщиком права использовать все допустимые законами средства приемы и способы для максимального сокращения своих налоговых обязательств. В основе налогового планирования лежит максимально полное и правильное использование всех разрешенных законом льгот оценка позиции налоговой администрации и основных направлений...
6659.		Биполярный транзистор и схемы его включения	50.81 KB
	Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора.8 для транзистора типа npn. Одна из схем включения транзистора приведена на рис. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда то эмиттерный ток для транзистора типа npn направлен от эмиттера а коллекторный ток – к коллектору см.
7184.		СХЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ	37.41 KB
	В начальной стадии развития централизованного теплоснабжения им были охвачены только существующие капитальные и отдельно строящиеся здания в зонах действия источника тепла. Подача тепла потребителям осуществлялась через тепловые вводы предусматриваемые в помещениях домовых котельных. В дальнейшем с развитием централизованного теплоснабжения особенно в районах нового строительства резко возросло количество абонентов присоединяемых к одному источнику тепла. Появилось значительное количество как ЦТП так и МТП у одного источника тепла в...

Балка – представляет собой длинномерный элемент, длина которого значительно больше характерного размера для поперечного сечения. В составе строительных конструкций балка работает, главным образом, на изгиб, поэтому ее рекомендуется изготавливать с тонкостенным поперечным сечением. Наиболее востребованными являются балки двутаврового сечения , представляющие собой Н-образный профиль, который образован двумя параллельными полками и соединяющей их стенкой.

Рис.1 - Двутавровые балки на холодильнике прокатного стана

В строительстве используются балки перекрытия из различных материалов. Наиболее востребованным вариантом является сварной или катанный двутавр. Расчет металлических балок перекрытия ведется, исходя из количества опор, схемы опирания на стены и крепления к основанию, условий эксплуатации и других факторов. На основании расчета выбирается наиболее экономически приемлемый вариант балки.

При необходимости выполняется усиление металлических балок перекрытия. Такие мероприятия требуется проводить, если в процессе эксплуатации этот элемент подвергается горизонтальным нагрузкам, которые могут привести к снижению его характеристик и разрушению. Во избежание этого явления металлические балки усиливают одним из следующих способов:

• применение накладок для увеличения сечения (рис. 2а, 2б);
• обетонирование (рис 2в);
• использование шпренгеля (рис. 2г);
• применение распорных или натяжных устройств для регулировки напряжений (рис. 2 д, 2е);
• использование дополнительных опор (рис 2 ж, 2з).

Рис. 2 - Методы усиления балок

В зависимости от метода изготовления выделяют следующие виды металлических балок перекрытия:

• горячекатаные двутавры – наиболее дешевый и простой вариант, который предполагает использование серийно выпускаемого проката;
• сварные, болтовые, клепаные балки – изготавливаются специализированными предприятиями и позволяют решать нестандартные строительные задачи.

Горячекатаные двутавровые металлические балки перекрытия

Основной объем используемого в строительстве двутавра изготавливается горячей прокаткой из непрерывнолитой заготовки. В зависимости от технологии производства и геометрических характеристик продукции выделяют несколько групп балок.

Двутавры с уклоном граней полок по ГОСТ 8239

Этот вид продукции отличается наличием уклона внутренних граней полок относительно внешних в пределах 6-12°. Такая продукция имеет следующие характеристики:

• выпускаемые профили – от балки 10 до балки 60 (число обозначает высоту в сантиметрах);
• ширина профиля – от 55 до 190 мм;
• толщина стенки – от 4,5 до 12 мм;
• толщина полок – от 7,2 до 17,8 мм.

В качестве балок перекрытий могут использоваться усиленные двутавры с уклоном полок по ГОСТ 19425, который изначально разрабатывались для изготовления подвесных путей и армирования шахтных стволов.

Рис.3 - Балка, имеющая уклон полок

Двутавры с параллельными гранями по ГОСТ 26020

В последнее время в строительстве отдается предпочтение более экономичным двутаврам, имеющим параллельные грани полок. Кроме указанного стандарта, такая продукция также производится по СТО АСЧМ 20-93 (имеет незначительное отличия по геометрии).

Характеристики нормальных двутавров:

• выпускаемые профили – от балки 10Б1 до балки 100Б4 (число обозначает высоту в сантиметрах, буква «Б» - нормальный профиль, последняя цифра – номер типоразмера в группе с одинаковой высотой);
• ширина профиля – от 55 до 320 мм;
• толщина стенки – от 4,1 до 19,5 мм;
• толщина полок – от 5,7 до 32,5 мм.

• выпускаемые профили – от балки 20Ш1 до балки 70Ш5 (Ш – широкополочный тип);
• ширина профиля – от 150 до 320 мм;
• толщина стенки – от 6,0 до 23,0 мм;
• толщина полок – от 9,0 до 36,5 мм.

• выпускаемые профили – от балки 20К1 до балки 40К5 (К – колонный тип);
• ширина профиля – от 200 до 400 мм;
• толщина стенки – от 6,5 до 23,0 мм;
• толщина полок – от 10,0 до 35,5 мм.

Рис.4 - Балка, имеющая параллельные полки

Сварные, болтовые и клепаные балки перекрытия

Такой вариант используется, когда размеры металлических балок перекрытия отличаются от стандартных или катаные двутавры не удовлетворяют расчетным условиям по общей устойчивости, жесткости либо прочности. Кроме того, предпочтение «сборным» балкам отдается в случае их большей экономичности или лучшего уровня эксплуатационных характеристик.

Чаще всего используется сварная балка, которую изготавливают путем сварки автоматом под флюсом. На предварительном этапе осуществляется раскрой, зачистка и правка металла, разделка кромок под сварку, а затем, непосредственно, процесс соединения элементов в единое целое. После сварки готовое изделие правится для устранения термических деформаций (грибовидности).

Таким образом можно получать не только стандартные типоразмеры, но и изделия переменного сечения, усиленные или бистальные двутавры.

Технологии современного строительства промышленных зданий и жилых домов сегодня, как и ранее в числе конструктивных элементов сооружений используют различного рода конструкции, объединяемых одним названием - балка. По своему назначению этот элемент здания предназначен для выполнения роли несущего механизма. Располагаемый на двух или нескольких опорах здания такой элемент принимает на себя нагрузку и позволяет создавать межэтажные перекрытия, соединять пролеты, является одним из основных элементов кровельной конструкции здания.

Традиционно при возведении строений используются балки, соответствующие типу и назначению зданий, и поэтому существуют различные виды классификаций этих элементов. Чаще всего классификация проводится по виду, назначению, форме и материалу этого конструктивного элемента.

Общие сведения об устройстве и назначении

В строительстве балки классифицируются, прежде всего, в зависимости от того на какое количество опор она ложится:

Конструктивно простейшая балка, применяемая в малоэтажном каркасно-щитовом домостроении для устройства чердачного перекрытия, представляет собой цельный брус прямоугольной формы, но для более требовательных сооружений, чем простой дачный домик требуются несколько иные по форме элементы способные выдерживать большие нагрузки:

Кроме того, особые требования предъявляются и к материалам конструкций:

Наиболее востребованными в строительстве, при возведении крыш промышленных объектов, применяются профили тавровой или двутавровой формы, они здесь являются основными элементами конструкций кровли. Это связано с тем, что такая форма наиболее эффективно работает при нагрузках на изгиб.

Двутавровые - по своей форме поперечного сечения напоминают букву «Н». Каждый элемент, имеет свое название - вертикальные части такой буквы «Н» называются полки, а соединяющая их черточка именуется стенкой. Благодаря такой форме, профиль способен выдерживать большие нагрузки, чем прямоугольный, по сечению материал. Кроме того, двутавровые конструкции позволяют применять дополнительные методы повышения прочности конструкции:

• для наиболее ответственных участков кровли применяются двутавровые профили с утолщенной стенкой;
• для второстепенных участков применяются ригели, внутренние грани полок, которых параллельны друг другу;
• для повышения жесткости конструкции используются профили с уклоном на внутренних гранях.

Материалы и технологии изготовления элементов перекрытия

В зависимости от назначения здания, технологии его строительства и условий его последующей эксплуатации кровли, балки классифицируются как по типу используемого материала, так и способа изготовления готового элемента:

1. Железобетонные конструкции:

• изготавливаются методом монолитной отливки формы с обязательным использованием арматурного каркаса в заводских условиях, как правило, это тавровые профили, сложной рамной конструкции;
• монолитные конструкции - производятся методом отливки формы непосредственно на строительной площадке при возведении зданий по монолитно-каркасной технологии.

1. Металлические:

• металлические элементы, выполненные способом горячей прокатки металла готовой формы;
• специальные виды изделий из отдельных элементов, соединенных при помощи сварки;
• изделия из легких сплавов для особых видов кровли - стадионов, концертных залов, выставочных комплексов.

1. Деревянные:

• из цельного бруса различного размера;
• составные ригели, выполненные из отдельных частей, соединенных между собой клеевым способом с использованием, как натурального дерева, так и материалов на основе древесины - фанеры, древесноволокнистых плит.

Классификация и маркировка стальных элементов

Классификация конструкций из стали проводится и имеет свой буквенно-цифровой шифр. Такое кодирование позволяет проводить необходимую классификацию и учитывать нужные по параметрам элементы в строительстве еще на этапе разработки проектно-сметной документации.

Основой для такого вида классификации являются официально утвержденные государственные стандарты и технические условия, по которым классифицируются все виды балок, независимо от материала изготовления или производителя.

Так, в маркировке стальных двутавровых профилей, кроме указания их размеров, а высота может быть от 100 мм до 1000, указывается и буквенный шифр, в котором указывается, например, размеры граней полок:

• «Б» — означает, что изделие имеет нормальную ширину параллельных граней;
• «Ш» — указывает, что полки имеют увеличенную ширину и относятся по классификации к «широкополочным» выдам продукции;
• «К» — говорит, что такой профиль может быть использован в качестве колонной опоры.

Использование деревянных элементов в различных кровельных конструкциях

В малоэтажном домостроении при возведении кровли балки используются в качестве различных по назначению и размерам элементов:

Наиболее подходящими для выполнения таких функций являются двутавровые клееные деревянные элементы, обладающие большой прочностью, способные выдерживать большие нагрузки и имеющие небольшой вес по сравнению с пиломатериалами из цельного дерева. Особенностью всех видов деревянных конструкций, применяемых при возведении кровли здания, является использование пиломатериалов хвойных пород для устройства стропил, распорок, каркаса перегородок и твердых пород дерева для устройства перекрытия чердачного этажа.

Сергей Новожилов - эксперт по кровельным материалам с 9-летним опытом практической работы в области инженерных решений в строительстве.

Одним из наиболее распространенных элементов стальных конструкций является балка или элемент, работающий на изгиб.

Область применения балок в строительстве чрезвычайно широка: от небольших элементов рабочих площадок, междуэтажных перекрытий производственных или гражданских зданий до большепролетных балок покрытий, мостов, тяжело нагруженных подкрановых балок и так называемых "хребтовых" балок для подвески котлов в тепловых электростанциях. Пролеты мостовых балок достигают 150...200 м, а нагрузка на одну хребтовую балку котельного отделения ГРЭС при пролете до 45 м составляет ~ 60 -103 кН.

Классификация балок

По статической схеме различают:

1. однопролетные (разрезные);

2. многопролетные (неразрезные);

3. консольные балки.

Разрезные балки проще неразрезных в изготовлении и монтаже, нечувствительны к различным осадкам опор, но уступают последним по расходу металла на 10...12%. Неразрезные балки разумно применять при надежных основаниях, когда нет опасности перегрузки балок вследствие резкой разницы в осадке опор. Консольные балки могут быть как разрезными, так и многопролетными. Консоли разгружают пролетные сечения балок и тем самым повышают экономические показатели последних.

По типу сечения балки могут быть (рис.31):

1. прокатными;

2. составными: сварными, клепаными или болтовыми.

В строительстве наиболее часто применяют балки двутаврового сечения. Они удобны в компоновке, технологичны и экономичны по расходу металла.

Наибольший экономический эффект (при прочих равных условиях) может быть получен в тонкостенных балках. Хорошим критерием относительной легкости изгибаемого элемента служит безразмерное соотношение η = 3√ (W²/ A³) , где W - момент сопротивления, А - площадь сечения.

Для прямоугольного сечения с шириной b и высотой h, если принять для определенности отношение h/b равным 2...6, этот показатель составляет 0,38...0,55, а для отечественных прокатных двутавров - 1,25...1,45, т.е. в принятых условиях двутавр в 3...4 раза выгоднее простого прямоугольного сечения. Кроме двутавра применяют и другие формы сечений. Так, при воздействии на балку значительных крутящих моментов предпочтительнее применение замкнутых, развитых в боковой плоскости сечений.

Экономическая эффективность сечений, таким образом, тесно связана с их тонкостенностью. Предельно возможная тонкостенность прокатных балок определяется не только требованиями местной устойчивости стенок, но и возможностями заводской технологии прокатки профилей. Местная устойчивость стенок составных сечений может быть повышена конструктивными мерами (постановкой ребер жесткости, гофрированием стенок и т.п.).

При проектировании конструкций балочного перекрытия, рабочей площадки цеха, проезжей части моста или другой аналогичной конструкции необходимо выбрать систему несущих балок, обычно называемую балочной клеткой (рис.33).

Весьма широкое распространение балочных конструкций привело к появлению ряда конструктивных форм, которые в отдельных случаях более эффективны и экономичны, чем традиционные прокатные или составные балки. К таким конструктивным формам можно отнести:

1. балки с перфорированной стенкой;

2. бистальные балки;

3. предварительно напряженные балки;

4. балки с гибкой стенкой;

5. балки с гофрированной стенкой.

Прокатные балки

Прокатные балки применяют для перекрытия небольших пространств конструктивными элементами ограниченной несущей способности, что связано с имеющейся номенклатурой выпускаемых прокатных профилей. Их используют:

В балочных клетках;

Для перекрытия индивидуальных подвалов, гаражей, складских

помещений;

В качестве прогонов покрытий производственных зданий;

В конструкциях эстакад, виадуков, мостов и многих других инженерных сооружениях.

Рис.34 Сортамент:

а) равнобокий уголок; б) неравнобокий уголок; в) швеллер;

г,д) двутавр; е) круглая; ж) квадратная; з) полосовая;

и) шпунтовая свая; к) листовая; л) рифленая; м) волнистая.

В сравнении с составными прокатные балки более металлоемки за счет увеличенной толщины стенки, но менее трудоемки в изготовлении и более надежны в эксплуатации. За исключением опорных зон и зон приложения значительных сосредоточенных сил, стенки прокатных балок не требуется укреплять ребрами жесткости. Отсутствие сварных швов в областях контакта полок со стенкой существенно уменьшает концентрацию напряжений и снижает уровень начальной дефектности.

Составные балки

В тех случаях, когда требуются конструкции, жесткость и несущая способность которых превышает возможности прокатных профилей, используют составные балки. Они могут быть сварными и клепаными, но последние применяют исключительно редко. Наибольшее применение получили балки двутаврового симметричного, реже несимметричного сечений. Такие балки состоят из трех элементов - верхнего и нижнего поясов, объединенных тонкой стенкой. Перспективными являются сечения в виде двутавров, в качестве полок которого используют прокатные тавры и холодногнутые профили.

Бистальные балки

Снижение металлоемкости может быть достигнуто за счет использования в одной конструкции двух различных марок сталей. Балки (рис.35), выполненные из двух марок сталей, называют бистальными. В них целесообразно наиболее напряженные участки поясов выполнять из стали повышенной прочности (низколегированные стали), а стенку и малонапряженные участки поясов - из малоуглеродистой стали.

В расчетном сечении такой балки при достижении в фибровых волокнах поясов σ = Ryφ в примыкающей к поясам зоне стенки напряжения достигнут предела текучести σω(y>|a|) = Ryφ. Центральная часть стенки и пояса находятся в упругой стадии, периферийные зоны стенки - в пластической (условия ограниченной пластичности).

Предельных пластических деформаций: пластические деформации допускаются не только в стенке, но и в поясах; вводится ограничение на величину интенсивности пластических деформаций в стенке.

Предельных напряжений в поясах балки: пластические деформации допускаются лишь в стенке; работа поясов ограничена упругой стадией.

В зависимости от нормы предельной интенсивности пластических деформаций и расчетного критерия, бистальные балки классифицируют по четырем группам.

1. Подкрановые балки под краны.

2. Балки, воспринимающие подвижные и вибрационные нагрузки.

3. Балки, работающие на статические нагрузки (балки перекрытий и покрытий; ригели рам, фахверка и другие изгибаемые, растянуто-изгибаемые и сжато-изгибаемые балочные элементы).

4. Балки группы 3, но не подверженные локальным воздействиям, не имеющие продольных ребер жесткости, обладающие повышенной общей и местной устойчивостью.

В группы 2...4 объединены балки, для которых расчеты на прочность выполняют по критерию ограниченных пластических деформаций.

Балки замкнутого сечения

Балки замкнутого сечения обладают рядом преимуществ по сравнению с открытыми. К ним относятся:

Более высокая несущая способность конструкций или их элементов при работе на изгиб в двух плоскостях и на кручение. Материал в замкнутых сечениях располагается в основном в периферийных зонах по отношению к центру тяжести, это обуславливает увеличение моментов инерции и сопротивления относительно оси у (из плоскости элемента) и

момента инерции на кручение;

Ввиду существенного увеличения (в десятки раз) момента инерции на кручение в элементах с замкнутыми сечениями, как правило, исключается изгибно-крутильная форма потери устойчивости;

Элементы с замкнутыми сечениями более устойчивы при монтаже, менее подвержены механическим повреждениям во время транспортировки и монтажа.

Несмотря на названные достоинства, конструктивные элементы с замкнутыми сечениями не нашли в настоящее время широкого применения. И объясняется это, прежде всего, низкой технологичностью и, как следствие, большей трудоемкостью изготовления.

Конструктивные решения

Замкнутые, в частности коробчатые, сечения применяют при необходимости увеличения жесткости балок в поперечном направлении, при отсутствии поперечных связей, изгибе в двух плоскостях наличии крутящих моментов, при ограниченной строительной высоте и больших поперечных силах. Подобным силовым воздействиям при названных конструктивных ограничениях подвергаются балочные конструкции мостов, силовых элементов промышленных сооружений, кранов и др. Наличие двух стенок делает особенно актуальной задачу уменьшения их толщины при обеспечении местной устойчивости. Конструктивно это достигается либо искривлением стенки, либо постановкой различного типа связей между стенками в форме диафрагм, стяжных болтов и др.

Диафрагмы имеют форму пластинки, а при сильно развитом сечении - форму рамки с прямоугольным или овальным вырезом. В углах диафрагмы имеют скосы такие же, как и в ребрах жесткости балок открытого профиля. Для более равномерного распределения нагрузки между элементами сечения и повышения пространственной жесткости возможно использовать раскосную систему расположения диафрагм с отклонением диафрагм на 30...60° от вертикали или горизонтали. Однако следует иметь в виду, что трудоемкость изготовления диафрагм с наклоном значительно выше, чем вертикальных. Взамен диафрагм для повышения местной устойчивости стенки можно использовать связи между стенками в виде вкладышей со стяжными болтами. В этом случае за счет дополнительных связей между стенками создается пространственная система, обе стенки которой работают совместно, поэтому при расчете из плоскости балки стенку следует рассматривать как составную конструкцию. С целью экономии стали, так же как и в балках открытого профиля, в балках коробчатого сечения при больших пролетах следует предусматривать изменение сечения по длине балки.

Балки с гибкой стенкой

Балки с гибкой (очень тонкой) стенкой появились впервые в конструкциях каркасов летательных аппаратов, где для легкости стенки выполняли зачастую не из металла, а из прочной ткани (перкаль, брезент). Плоская стенка в такой балке теряет устойчивость в начальной стадии нагружения, приобретая вторую устойчивую форму - в виде наклонно гофрированной (у опор, где преобладает сдвиг) либо вспарушенной (в зонах с преобладающими напряжениями сжатия) поверхности. После снятия нагрузки эти деформации стенок, называемые часто "хлопунами", исчезают. В строительстве стали применять такие балки в XX веке. Они являются дальнейшим воплощением идеи о тесной связи показателей экономической эффективности с понятием тонкостенности. Уменьшение относительной толщины стенки λω = hω / tω в 2...3 раза приводит к снижению расхода металла на стенку на 25...35% и к концентрации металла в поясах, что выгодно по условиям работы на изгиб. Применение балок с очень тонкими стенками уместно при стабильном направлении действия статических временных нагрузок, поскольку работа таких балок при переменных по направлению подвижных и динамических нагрузках еще недостаточно изучена.

Особенности работы конструкции балок

На первой стадии работы балки ее гибкая стенка остается плоской, как и в обычной балке. Но по протяженности эта стадия работы коротка и заканчивается потерей устойчивости стенки, т.е. переходом в закритическую стадию работы с появлением "хлопунов".

В закритической стадии работы уже не соблюдается линейная зависимость между деформациями стенки и нагрузкой. Развиваются зоны выпучивания стенки с образованием растянутых складок, натяжение которых вызывает местный изгиб поясов балки, а также сжатие поперечных ребер жесткости и изгиб опорных ребер в плоскости стенок. Эта стадия завершается достижением напряжениями предела текучести σy либо в отдельных точках стенки, либо в поясах (или одновременно).

В третьей стадии развиваются пластические деформации в стенке и в поясах. Нарастает прогиб балки; интенсивность роста прогиба к концу этой стадии резко повышается и в отсеках балки образуется пластический механизм - балка приходит в предельное состояние с появлением чрезмерных остаточных деформаций. При дальнейшем, даже незначительном, возрастании нагрузки балка теряет несущую способность либо вследствие потери местной устойчивости полки сжато-изогнутого пояса, либо из-за потери устойчивости пояса в плоскости стенки, как стержня, от действия сжимающей силы и изгибающего момента. Не исключена и общая потеря устойчивости плоской формы изгиба балки, если последняя не раскреплена надлежащим образом от боковых деформаций. Отметим также, что описанные формы потери устойчивости пояса балки могут произойти и не в конце третьей стадии, а даже и на предыдущих стадиях, если размеры элементов пояса выбраны неудачно.

Учет особенностей работы балок с гибкими стенками привел к необходимости разработки адекватных рекомендаций по их конструктивным решениям. Возможно применение балок: с поперечными ребрами, приваренными к стенке - двусторонними и односторонними, или не связанными с нею; без поперечных ребер. Безреберные балки требуют строго центрированного приложения нагрузки в плоскости стенки, ибо пояса их практически не закреплены от закручивания. Более часто применяют балки с ребрами жесткости, имеющими назначение, как и в обычных балках, для восприятия местных нагрузок от второстепенных балок и для ограничения длины отсека. В работе ребер, подкрепляющих гибкие стенки, есть и свои особенности, определяемые работой стенок в закритической стадии.

Пояса в балках с гибкими стенками (рис. 36) работают не только на сжатие, но и на изгиб от натяжения стенки, поэтому целесообразно применять сечения поясов с повышенной жесткостью на изгиб и кручение. По технологичности более предпочтительны сечения с поясами из полосовой стали и широкополочных тавров; при значительных нагрузках возможно применение поясов из прокатных или гнутых швеллеров либо из широкополочных двутавров. Сечения балок с повышенным объемом сварки уступают остальным по трудоемкости изготовления.

По статической схеме балки с гибкой стенкой могут быть разрезными и неразрезными, а по очертанию - постоянной или переменной высоты (двускатные либо односкатные). Применяют такие балки в качестве прогонов, стропильных и подстропильных конструкций пролетом 12...36 м с соотношением постоянных и временных нагрузок 1/1,5...1/2, балок жесткости, комбинированных балочно-вантовых систем, балок-стенок бункеров, стенок крупногабаритных вентиляционных коробов, газоходов и т. п.

Балки с гофрированной стенкой

Одним из путей снижения металлоемкости балок является гофрирование их стенок. В обычных балках толщина стенок, как правило, определяется не условием прочности, а требованиями местной устойчивости. Постановка поперечных ребер смягчает ситуацию, позволяя уменьшить толщину стенок и одновременно повышая крутильную жесткость балок, так как ребра играют роль диафрагм и обеспечивают неизменяемость контура поперечного сечения. Еще в середине 3-го десятилетия XX в. появилась идея гофрирования стенок балок, которое еще более эффективно обеспечит желаемые результаты. Гибкость таких стенок можно повысить до 300...600, к тому же чем тоньше стенка, тем легче выполнить ее гофрирование.

Толщину гофрированных стенок принимают в пределах 2...8 мм, что обеспечивает им все преимущества, определяемые тонкостенностью. В изготовлении стенок появляется дополнительная технологическая операция - гофрирование - и несколько осложняется сварка поясных швов, но уменьшение толщины стенки и исключение значительного числа ребер жесткости приводят в конечном счете к снижению трудозатрат на изготовление балок на 15...25%. По трудоемкости изготовления и расходу металла балки с гофрированной стенкой выигрывают и у балок с гибкой стенкой благодаря резкому снижению числа ребер жесткости, повышенной крутильной жесткости балок и высокой местной устойчивости стенки.

При выборе конструктивного решения балки с гофрированной стенкой приходится учитывать не только особенности напряженно-деформированного состояния балки под нагрузкой, но и требования технологичности. Наиболее просты и технологичны в изготовлении стенки с треугольными гофрами, но стенки с волнистыми гофрами более устойчивы. Практикуется и применение полос из готового профнастила.

Изготовление балок с гофрированной стенкой целесообразно вести на заводах металлоконструкций, организуя там специальные участки с прессами или иными установками для гофрирования и стендами для сварки поясных швов. Сварочные автоматы должны быть приспособлены для перемещения по ломаным и волнистым линиям примыкания гофрированной стенки к поясу. Плоский лист подается между двумя валками, вращающимися навстречу друг другу. На поверхности валков предусмотрены устройства для закрепления съемных пластин, осуществляющих перегибы плоского листа при повороте валков. Использование съемных пластин различных размеров дает возможность варьировать параметры гофров. Для создания криволинейных гофров требуются более сложные съемные элементы. Волнистые гофры можно получить и прессованием пластин между двумя матрицами, но для варьирования параметров гофров в этом случае требуется довольно большой набор матриц.

Уже первые испытания балок с гофрированными стенками выявили особенности напряженного состояния стенок и поясов:

Нормальные напряжения развиваются в стенках лишь у поясов и быстро падают практически до нуля, поскольку жесткость тонкой стенки поперек гофров очень мала;

Касательные напряжения распределяются по высоте стенки почти равномерно.

Жестко связанные с поясом гофры передают на него усилия, вызывая в поясе переменный по величине и направлению изгиб в его плоскости.

Балки с гофрированной стенкой (рис.37) дольше работают в упругой стадии, чем балки с гибкой стенкой той же толщины, вплоть до потери устойчивости стенки как ортотропной пластинки. Пояса балок с гофрированной стенкой также работают в лучших условиях, поскольку они не испытывают изгиба в плоскости стенки. Деформативность балок с гофрированной стенкой на 15...20 % ниже, чем у балок с гибкой стенкой с теми же параметрами.

Предельное состояние балки с гофрированной стенкой, как правило, наступает с потерей местной устойчивости стенки под действием местных сосредоточенных сил, если не установлены ребра жесткости под ними. В стенках с треугольными гофрами, работающими на сдвиг, сначала теряет устойчивость плоская полоска гофра, затем потеря устойчивости распространяется на несколько гофров, что можно считать потерей устойчивости стенки как ортотропной пластинки. После этого пояс теряет устойчивость в плоскости стенки так же, как и в балке с гибкой стенкой. В балках с достаточно жесткими гофрированными стенками предельное состояние может наступить из-за развития чрезмерных остаточных деформаций (вторая группа предельных состояний). Свойства гофра определяются толщиной стенки и геометрическими параметрами гофрирования - длиной волны а и высотой волны ƒ. В расчетной практике чаще используют относительные параметры a/h ω, ƒ/a и ƒ/t ω. Местная устойчивость гофрированных стенок балок может быть повышена, если вместо вертикального гофрирования применить наклонное с нисходящими гофрами. Оптимальный угол наклона гофров к верхнему поясу равен 45...50°. Однако изготовление таких стенок усложняется и, как следствие, балки с наклонно гофрированными стенками широкого применения не нашли. Но надо иметь в виду, что гофры могут быть не только открытыми (когда сечение гофра выходит на край листа), но и глухими, т.е. выштампованными в стенке, не выходящими на край листа. Не исключена возможность гофрирования тонких стенок в готовом изделии, а следовательно, возможно применение глухих наклонных гофров.

Балки с гофрированными стенками проектируют обычно двутаврового сечения с поясами из листов, причем здесь не требуется повышенная жесткость поясов на изгиб и кручение (в отличие от балок с гибкой стенкой); сечение поясов может быть достаточно развитым по ширине и переменным в соответствии с очертанием эпюры изгибающих моментов, что обеспечивает дополнительную экономию металла. Область применения балок с гофрированной стенкой шире, чем балок с гибкой стенкой: они применимы в подкрановых конструкциях и во всех других случаях, когда требуется повышенная жесткость балок на кручение.

Балки с перфорированной стенкой

Стремление повысить эффективность использования металла в работе изгибаемых элементов привела инженеров еще в первых десятилетиях XX в. к оригинальной идее, позволяющей расширить диапазон использования проката. Стенка прокатного двутавра (швеллера) разрезается по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом с помощью газовой резки или на мощных прессах, и затем обе половины разрезанной балки соединяются сваркой в совмещенных между собой выступах стенки. Конечный результат приводит к увеличению высоты балки и позволяет перераспределить материал сечения, концентрируя его ближе к периферийным волокнам (полкам) и существенно повышая такие геометрические характеристики сечения, как момент инерции и момент сопротивления. Образуется своеобразная конструктивная форма - балка с окнами в стенке.

Изменение высоты исходного сечения в полтора раза повышает примерно во столько же его момент сопротивления и почти вдвое - момент инерции. Малоиспользуемая часть сечения стенки в центральной зоне как бы изымается (35...40 % материала стенки), что для большинства балок не представляет какой-либо опасности. Расход металла в таких балках на 20...30 % меньше, чем в обычных прокатных балках, при одновременном снижении стоимости на 10...18%. Дополнительные затраты труда на разрезку и сварку исходного проката невелики: в сравнении со сварными составными двутаврами по трудоемкости изготовления перфорированные балки на 25...35 % эффективнее за счет сокращения объема сварки и значительно меньшей трудоемкости операций обработки.

Особенности работы и конструкции балок

Отверстия в стенке меняют картину напряженного состояния в сечениях балки. Если распределение нормальных напряжений в поясах балки по середине отверстия близко к линейному, то в угловых зонах у отверстий эпюры нормальных напряжений криволинейны, что вызвано концентрацией напряжений. Некоторая криволинейность эпюры нормальных напряжений σx наблюдается и в зоне перемычки стенки (простенка). В стыковом сечении простенка появляются нормальные напряжения σy . Все это свидетельствует о концентрации напряжений около отверстий. В большинстве случаев резервы пластичности материала достаточны для того, чтобы сгладить влияние концентраторов напряжений, и на несущую способность балки последние не оказывают заметного влияния. Однако следует иметь в виду, что при циклических или ударных воздействиях, особенно в условиях низких температур, когда развитие пластических деформаций сковано, в углах отверстий могут появиться трещины. В работе поясных тавров в пределах отверстия имеются свои особенности - они находятся под действием поперечных сил, создающих дополнительный изгиб. Предельное состояние пояса характеризуется значительным развитием пластических деформаций, пронизывающих у угла отверстия практически все сечение поясного тавра. Простенок балки работает, главным образом, на сдвиг, и его несущая способность, как правило, определяется устойчивостью. В предельном состоянии может потерять устойчивость и стенка одного из поясных тавров, поскольку она оказывается сжатой или сжато-изогнутой.

Конструктивные решения балок с перфорированной стенкой (рис.38) отличаются большим разнообразием, определяемым вариабельностью схем разрезки стенки. Наметив осевую линию разрезки наклонно к полкам после разрезки и разворота одной из половин балки относительно ее центральной вертикальной оси, получают в результате соединения обеих половин балку с наклонным поясом. Таким путем возможно изготовить балки одно - и двускатные, с уклоном как в верхнем, так и в нижнем поясе. Для упрощения конструкции иногда в качестве нижнего пояса используется тавр постоянного по длине сечения. Стремление повысить сечение при умеренном ослаблении поясных тавров и простенков привело к использованию пластинчатых вставок между гребнями соединяемых частей.

Это решение может также оказаться высокоэффективным при значительных пролетах и относительно небольшой нагрузке, особенно в тех случаях, когда требуется повышенная изгибная жесткость по условию предельного прогиба. Отверстия, снижающие концентрацию напряжений, удается получить при криволинейных наклонных резах. Разрезку выполняют в этом случае с небольшими отходами металла. Известно также много других вариантов разрезки стенок, имеющих те или иные частные преимущества.

Наиболее часто применяют перфорированные балки с регулярной разрезкой и одинаковой высотой поясных тавров (балки симметричного сечения). Для таких балок очень удобно использовать типовую поточную линию, рассчитанную на одновременную синхронную автоматическую разрезку по копиру двух исходных двутавров. Двутавры закрепляют на специальном многооперационном манипуляторе, позволяющем после разрезки с помощью двухрезаковой машины соединить одинаковые части расчлененных балок между собой, сохраняя фиксацию формы во время сварки и после нее - до остывания готового изделия. Это дает возможность избежать коробления от воздействия начальных и сварочных напряжений и деформаций. При этом концы балок получаются разными: с одной стороны на конце балки создается простенок, а с другой стороны стенка оказывается открытой. Открытую часть заполняют вставкой из листовой стали. Этот же прием (заполнение отверстия листовой вставкой) применяют иногда и в местах опирания значительных сосредоточенных грузов, когда они расположены над отверстиями. Для усиления стенки под большими сосредоточенными грузами и у опор балки ставят поперечные либо торцевые опорные ребра.

Предварительно напряженные балки

Предварительное напряжение – это один из способов увеличения эффективности использования материала конструкций. С его помощью удается уменьшить расход металла на 5-12%, понизить строительную высоту балки, добиться более рационального распределения материала по длине балки и т.п.

Рис.38 Балка с перфорированной стенкой: а) роспуск исходного двутавра; б) сварка сквозного двутавра; в) к расчету сквозного двутавра.

Рис.39 (а, б)

Рис.39 а) предварительное напряжение изгибом элементов с их последующей сваркой в изогнутом состоянии; б) пример балки, напряженной высокопрочной затяжкой; в) работа балки при ее предварительном напряжении (I) при нагружении внешней нагрузкой (II), 1 – напрягающий стержень.

Эффективность предварительного напряжения объясняется тем, что в конструкции во время ее возведения создаются предварительные напряжения, обратные по знаку напряжениям от нагрузки.

1.5.2 Колонны и элементы стержневых конструкций

Колонна является древнейшей строительной конструкцией. Более 3000 лет тому назад египтяне вытесывали из камня колонны для надгробных памятников, а в V в. до н.э. колонна заняла центральное место в колоннадах общественных зданий у древних греков и римлян. Такие колонны воздвигались исключительно по эмпирическим правилам, заимствованным из окружающего мира.

Научный подход к изучению проблемы работы сжатых конструкций был начат в XVIII в., когда Петрус Ван-Мусшенбрук построил установку для испытаний на сжатие, а Леонард Эйлер получил свою знаменитую формулу, к которой мы будем неоднократно обращаться. Было установлено, что несущая способность центрально-сжатого стержня обратно пропорциональна квадрату его длины, т.е. в два раза более длинный стержень несет в четыре раза меньшую нагрузку. К сожалению, формула Эйлера, содержащая произвольное целое число, которому в то время не могли найти объяснения, а также слабое соответствие этой формулы экспериментальным данным (как мы сегодня знаем, плохо обоснованным) привели к ее забвению почти на 200 лет.

Колонны, стойки, стрелы кранов и другие продольно сжатые конструкции с точки зрения их расчета имеют общие черты с отдельными элементами, входящими в состав других конструкций или стержневых систем, например со стержнями ферм, элементами связей и т.п. Конструкция состоит из собственно стержня и опорных устройств, технические решения которых зависят от назначения конструкции и особенностей, узловых сопряжений. По форме силуэта конструкции могут быть постоянного сечения, переменного сечения и ступенчатыми. Изменение сечения по длине позволяет снизить металлоемкость, но незначительно, поэтому такие стержни проектируют из архитектурных соображений либо, когда снижение массы приводит к дополнительным эффектам, например, в подвижных конструкциях типа крановых стрел.

Колонны и стойки, состоят из стержня, оголовка, базы, иногда консоли. Оголовок служит для опирания и крепления вышележащих конструкций. База выполняет две функции - распределяет усилие, передаваемое колонной на фундамент, снижая напряжение до расчетного сопротивления фундамента, и обеспечивает прикрепление к нему колонны с помощью анкерных болтов. На консоли могут опираться подкрановые балки, стеновые панели, технологические коммуникации и т. п.

Мощные стержни типа колонн, стоек, элементов тяжелых ферм выполняют из одиночных широкополочных двутавров или составляют их из нескольких прокатных профилей. Составные стержни могут быть сплошностенчатыми, сплошными и сквозными.

Сквозные в свою очередь делят на стержни с безраскосной решеткой, решетчатые и перфорированные. Ветви (пояса) безраскосных стержней объединяют планками из листовой стали, жесткими вставками или перфорированными листами. Перфорированные стержни могут быть выполнены также гнутосварными из зигзагообразно разрезанных листов или из прокатных профилей, которые после предварительной фигурной резки объединяют в крестообразное сечение. При всей своей привлекательности перфорированные стержни находят ограниченное применение, что связано с дополнительными операциями и необходимостью иметь оборудование для фигурной резки и гибки заготовок в форме гнутых швеллеров или уголков. При изготовлении стоек из перфорированных прокатных профилей необходимы операции правки, так как после резки исходного профиля, полученные заготовки изгибаются в разные стороны вследствие наличия в исходном металлопрокате остаточных напряжений.

Элементы стержневых конструкций небольших поперечных размеров проектируют из круглых или прямоугольных труб, одиночных либо спаренных уголков. По виду напряженного состояния стержни делят на центрально-сжатые, внецентренно сжатые и сжато-изгибаемые. Аналогичную классификацию используют для наименования растянутых элементов.

Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фундаменты и состоят из трех частей:

Оголовка, на который опирается вышележащая конструкция, нагружающая колонну;

Стержня – основного конструктивного элемента, передающего нагрузку от оголовка к базе;

Базы, передающей нагрузку от стержня на фундамент.

Рис.40 Схемы стержней, работающих на центральное сжатие:

а) колонна,

б) сжатый стержень тяжелой фермы,

1- фундамент, 2- база, 3- стержень, 4-оголовок.

По статической схеме и характеру нагружения колонны могут быть:

2. многоярусными.

Колонны и сжатые стержни бывают:

1. сплошными;

2. сквозными.

Сплошные колонны

Обычное сечение сплошной колонны проектируют в виде широкополочного двутавра, прокатного или сварного, наиболее удобного в изготовлении с помощью автоматической сварки и позволяющего просто осуществлять примыкание поддерживаемых конструкций. Ниже представлены различные типы сечения сплошных колонн.

Рис.41 (а, б, в, г)

Рис.41 Открытые сечения сплошных стержней:

а) прокатный двутавр;

б) сварной составной двутавр;

в) крестовое из прокатных уголков;

г) то же, сварное из полос;

д) то же, с усиливающими элементами;

е) из швеллеров и двутавров.

а - у прокатного широкополочного двутавра колонного типа b=h, что не удовлетворяет условию равноустойчивости, но все же дает сечение вполне пригодное для колонн.

б - сварные колонны, состоящие из 3-х листов достаточно экономичны по затрате материала, так как могут иметь развитое сечение, обеспечивающее колонне необходимую жесткость.

в - равноустойчивы в двух направлениях и также просты в изготовлении. При небольших нагрузках они могут состоять из 2-х уголков крупного калибра.

г - используется для сваривания тяжелых колонн (из 3-х листов).

д - из условия местной устойчивости свободный выступ листа крестовой колонны не должен превышать 15-22 толщин листа (в зависимости от общей гибкости колонны).

е - простые, но ограниченные по площади и менее экономичны по расходу стали (из 3-х прокатных профилей).

Сварка дает возможность получить колонны замкнутого сечения, которые при больших нагрузках могут быть усилены листами или из уголков, экономичное сечение легкой колонны может быть получено из тонкостенных гнутых профилей.

Сквозные колонны

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит из двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой решетками (см. рис.42 а ¸ в). Ось, пересекающая ветви, называется материальной; ось, параллельная ветвям – свободной. Расстояние между ветвями устанавливается из условия равноустойчивости стержня.

Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить полками внутрь (см. рис.42 а), так как в этом случае лучше используется габарит колонны. Менее мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или сварных двутавров (см. рис. 42 в).

В сквозных колоннах из 2-х ветвей необходимо обеспечивать свободный зазор между ветвями (100-150 мм) для возможности окраски внутренней поверхности.

Стержни большой длины, несущие небо