9.3. Местная устойчивость элементов стальных балок и способы ее обеспечения

Стальные балки, особенно составные, выполняются из нескольких относительно тонких пластинок, соединенных в единое целое уже при прокате с помощью сварки или болтов. При загружении отдельные зоны сечения могут оказаться сжатыми и выпучиться из плоскости пластинки. Это явление называется потерей местной устойчивости.

Потерявшие местную устойчивость зоны перестают воспринимать приходящуюся на них долю нагрузки и перераспределяют ее на сохранившие местную устойчивость участки сечения. Кроме того, потеря местной устойчивости носит случайный характер, делает сечение несимметричным, может вызывать косой изгиб вместо плоского и закручивание.  Перегрузка и ухудшение условий работы сечения быстро приводят к потере общей устойчивости и разрушению конструкций.

Сжатие в поясе балки создается нормальными напряжениями  в стенке – нормальными  касательными  местными (от сосредоточенной нагрузки) напряжениями  Обозначим соответствующие критические напряжения, способные, действуя отдельно, вызвать потерю местной устойчивости .  Условия сохранения местной устойчивости будут иметь вид

, , .

Потеря местной устойчивости не опасна, если критические напряжения будут выше соответствующих расчетных сопротивлений:

, , ,

так как вначале будут достигнуты расчетные сопротивления и исчерпана прочность.

Местные критические напряжения все зависят от гибкости пластинки (размер/толщина) в степени –2. Повышение местных критических напряжений требует увеличения толщины пластинок. Это и есть первый способ обеспечения местной устойчивости элементов балок.

Вторым способом повышения местной устойчивости является введение в конструкцию балок элементов, направленных перпендикулярно к самой большой пластине балки – стенке. Эти элементы, связанные со стенкой и называемые ребрами жесткости, делят стенку на отдельные отсеки, стесняют ее поперечные деформации, улучшают условия закрепления и местную устойчивость. Система ребер жесткости балки приведена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Ребра жесткости составных стальных балок: 1 – горизонтальные;

2 – дополнительные; 3 – основные поперечные; 4 – опорные

Горизонтальные ребра жесткости обеспечивают местную устойчивость сжатой зоны стенки; дополнительные – ставятся под местные нагрузки; основные поперечные, – кроме того, обеспечивают местную устойчивость стенки от действия касательных напряжений. Опорные ребра жесткости передают опорную реакцию на всю высоту балки. В местах постановки дополнительных, основных поперечных и опорных ребер жесткости местные напряжения от сосредоточенных нагрузок  не учитываются.

9.5. Местная устойчивость стенок балок

В отличие от пояса в стенке балки могут действовать все три вида напряжений ( ): нормальные, касательные и местные (от сосредоточенных нагрузок), причем одновременно (рис. 9.3). Кроме того, нормальные напряжения в стенке  балок в разных местах по высоте имеют разную  величину: от близкой к расчетным сопротивлениям вблизи поясов до нуля на уровне центра тяжести сечения. Поэтому обеспечивать местную устойчивость стенки, увеличивая ее толщину, нерационально: в зоне нейтральной оси  прочность стали будет использоваться плохо. Для обеспечения местной устойчивости стенки в составных балках применяются ребра жесткости, в первую очередь основные поперечные.

Рис. 9.3. Схема напряженного состояния и потери местной устойчивости стенки

Расчет на устойчивость стенок балок симметричного сечения, укрепленных только основными поперечными ребрами жесткости, при отсутствии местного напряжения ( ) выполняется по формуле

,

где ,  – действующие напряжения;  и  – момент и поперечная сила в середине реального или фиктивного отсека (если длина отсека больше высоты – в середине квадратного отсека, в наиболее напряженной части реального отсека).

Соответствующие критические напряжения

,  ,

 принимается по [1, табл. 21] в зависимости от ,

где  определяется по [1, табл. 22];  – отношение большего размера отсека стенки к меньшему;  – меньшая из сторон отсека ( или );  – расстояние между ребрами жесткости.

Условные гибкости стенки и отсека

,   

Расчет на устойчивость стенок таких же балок при наличии  местного напряжения  выполняется по формуле

,

где   – действующее местное напряжение в стенке.

Если     ,      ,      ,

то  принимается по [1, табл. 23] в зависимости от  и .

Вышеприведенные формулы для проверки местной устойчивости относятся к сварным балкам, работающим в упругой стадии и при приложении мест­ной нагрузки к сжатому поясу. В иных случаях обращаться к [1, пп. 7.5, 7.6].

Основную роль в потере местной устойчивости стенки играют касательные напряжения. Стенки следует укреплять при наличии местного напряжения и двусторонних поясных швов поперечными ребрами не реже чем через . Тогда ,  и критические напряжения  по условию прочности должны быть больше соответствующих расчетных сопротивлений:  после сокращений и вычислений получаем, что при  можно не рассчитывать стенку на устойчивость при  и при двусторонних швах [1, пп. 7.3 и 7.10], так как меньшая из сторон отсека в данном случае

Аналогично, при , можно не рассчитывать стенку на устойчивость при  и  односторонних швах, а при  можно не рассчитывать стенку на устойчивость при  и при двусторонних швах и .

Но могут ли существовать балки вообще без ребер жесткости? Да, соотношение пролета и высоты балки 10 и более. Тогда , . Пренебрегая величиной  имеем ,  при отсутствии подвижной нагрузки. Поэтому расстояния между основными поперечными ребрами жесткости не должно превышать  при  и  при .

Основные поперечные ребра жесткости могут быть парными (устанавливаются с двух сторон стенки) и односторонними. В сварных балках парные ребра жесткости обычно выполняются из полос шириной  мм,  для односторонних –  мм. Толщина ребра должна быть не менее .  Можно применять для  поперечных ребер жесткости одиночные уголки, приваренные  к стенке пером или полкой. Последнее решение  применяется при прикреплении к  ребру балок,  передающих значительную опорную реакцию.

 Для пропуска поясных швов в поперечных ребрах делаются треугольные окна с катетами 40 мм.