Рекомендуемые соотношения высоты балки и толщины стенки

h, м	1	1,5	2	3
tw, мм	8–10	10–12	12–14	16–18
λ = h/tw	100–125	125–150	145–165	165–185

П р и м е ч а н и е. Бóльшие значения t_w и меньшие λ характерны для сталей повышенной прочности.

Так как функция массы балки в области своего минимума (определяющего h_opt) меняется мало, допускается отклонение оптимальной высоты балки в меньшую или большую сторону на 10 – 15%.

Максимально возможная высота балки определяется строительной высотой перекрытия H (разницей в отметках верха настила рабочей площадки и верха габарита помещения, расположенного под площадкой) и зависит от сопряжения балок между собой по высоте.

Сопряжение балок может быть поэтажное, в одном уровне и пониженное (рис. 5.2).

а) б) в)

Рис. 5.2. Сопряжения балок:

а – поэтажное; б – в одном уровне; в – пониженное

При поэтажном сопряжении балки 3, непосредственно поддерживающие настил 4, укладывают на главные 1 или вспомогательные балки 2 сверху. Это наиболее простой и удобный в монтажном отношении способ сопряжения балок, но он требует большой строительной высоты. Чтобы увеличить строительную высоту главной балки, необходимо применять сопряжение балок в одном уровне, при котором верхние полки балок настила 3 и главных балок 1 располагаются на одной отметке.

Пониженное сопряжение применяется в балочных клетках усложненного типа. В нем вспомогательные балки 2 примыкают к главной балке 1 ниже верхнего пояса главной, на них поэтажно укладывают балки настила 3, сам настил 4 укладывается на вспомогательные и главные балки сверху.

Строительная высота балки при поэтажном сопряжении

h_стр = H – (t_н + h_бн + Δ),

где Δ = f_u + (30–100 мм) – размер, учитывающий предельный прогиб балки и выступающие части, расположенные ниже нижнего пояса балки (стыковые накладки, болты, элементы связей).

Окончательное назначение высоты стенки балки, отвечающей требованиям минимума веса и необходимой жесткости, зависит от соотношения величин h_min, h_opt и h_стр.

Учитывая возможное отклонение h от h_opt в ту или другую сторону на 15%, высота балки принимается:

– 0,85h_opt ≤ h ≤ h_opt при h_min  0,85h_opt;

– h ≈ h_min при 0,85h_opt  h_min  1,15h_opt;

– h ≈ h_min при h_min > 1,15h_opt (обычно имеет место при использовании стали повышенной прочности, а принять класс стали с более низким расчетное сопротивление R_y не всегда представляется возможным; например, для конструкций «северного исполнения» применяется только низколегированная сталь);

– h ≈ h_стр при h_min > h_стр (вспомогательная и балка настила примыкают в одном уровне; набор необходимой жесткости балки обеспечивается за счет остальных параметров сечения – в основном b_f и t_f, что нерационально).

Высота стенки h_w приблизительно равна высоте балки h, ее размеры рекомендуется увязать со стандартными размерами выпускаемых заводами листов (см. приложение 1, табл. П1.2–П1.3). Минимальная толщина стенки t_w принимается 8 мм, при отсутствии локальных напряжений ее можно назначить 6 мм. Толщина стенки должна быть согласована с имеющимися толщинами проката листовой стали (при толщине до 12 мм кратна 1 мм, с 12 по 22 мм – 2 мм, далее по госстандартам).

Толщиной поясов задаются в пределах от 10 до 40 мм, но не менее толщины стенки t_w и не более 3t_w (в поясных швах при приварке толстых поясных листов к тонкой стенке развиваются значительные усадочные растягивающие напряжения). Не рекомендуется применять поясные листы толщиной более 30 мм, так как толстые листы имеют пониженное расчетное сопротивление. При высоте балки менее 1100 мм рекомендуется принимать стенку из широкополосной универсальной стали по ГОСТ 82-70*.

Требуемая толщина стенки из условия прочности на срез в опорном сечении

t_w = kQ_max/(h_wR_sγ_c),

где k = 1,5 – для разрезных балок, опирающихся на колонну с помощью опорного ребра, приваренного к торцу балки. Считается, что в опорном сечении балка воспринимает касательные напряжения от поперечной силы только стенкой. При передаче давления на колонну через опорные ребра, торцы которых совмещаются с осью полок сплошной колонны или стенок ветвей сквозной колонны, включаются в работу и пояса балки, коэффициент принимается k = 1,2.

Если толщина стенки t_w будет изменена и принята из условия прочности на срез или устойчивости, при этом будет отличаться на 2 мм и более от предварительно принятой толщины из условия минимально расхода стали, то следует произвести перерасчет h_opt.

Проверяется необходимость постановки продольных ребер жесткости для исключения образования волн выпучивания в верхней сжатой части стенки от нормальных напряжений, для этого должно быть выполнено условие:

где σ – наибольшее сжимающее напряжение у расчетной границы стенки, принимаемое со знаком «плюс».

Постановка продольных ребер жесткости усложняет конструкцию балки и поэтому они целесообразны только в высоких балках (более двух метров), имеющих тонкую стенку с гибкостью _w > 5,5

Находится требуемая площадь одного пояса по формуле

A_f = W_xn,min/h_w – t_wh_w/6.

Требуемая ширина пояса

b_f = A_f /t_f.

Ширину поясных листов обычно принимают равной b_f = (1/3–1/5)h (большее значение из условия обеспечения общей устойчивости балки, меньшее – из условия равномерного распределения продольных напряжений по ширине листа). По конструктивным соображениям ширину пояса не следует принимать меньше 180 мм или h/10.

Если требуемая ширина пояса b_f получится относительно небольшой, она может быть увеличена при одновременном уменьшении ранее принятой толщины поясов t_f с учетом требуемой площади A_f.

Пояса принимаются из горячекатаного широкополосного универсального проката по сортаменту (см. приложение 1, табл. П1.3).

Устойчивость сжатых поясов следует считать обеспеченной, если условная гибкость свеса пояса балок 1-го класса не превышает предельного значения, определяемого для свеса полки (без окаймления и отгиба) двутаврового сечения по формуле

где b_ef = (b_f – t_w)/2 – расчетная ширина свеса пояса в сварной балке, равная расстоянию от грани стенки до края поясного листа (полки);

σ_с – напряжение в сжатом поясе, определяемое для однородного сечения по формуле

σ_с = M/(W_xncγ_c).

Проверяется местная устойчивость сжатого пояса.