4.6.5. Местная устойчивость балки.

Стенка является весьма гибким элементом сечения балки, особенно составной, и имеет склонность к потере местной устойчивости, которая, если проявляется, всегда связана с нарушением ее исходной плоской формы. В середине пролета балки, где наибольшими являются нормальные напряжения, сжатая зона стенки в запредельном состоянии выпучивается, например, по полуволновой форме рис.31.

Вследствие этого нарушается симметрия сечения, симметрия нагрузки, резко снижается коэффициент общей устойчивости балки φ_b (см. раздел 4.6.3) и, как следствие, возможно ее обрушение. В приопорных сечениях балки, где наибольшими являются касательные напряжения, наблюдается диагональное «гофрение» стенки с очевидным проявлением направлений растяжения и сжатия, рис. 32.

В направлении сжатой диагонали наблюдается выпучивание, потеря устойчивости стенки, а в направлении растянутой диагонали – активное сопротивление и работа на растяжение; происходит как бы переход от сплошной конструкции к некоторой «сквозной» - раскосной с сохранением несущей способности.

Рассмотренные особенности деформирования стенки балки относятся к первой группе предельных состояний (как и любые иные склонности к неустойчивости). Для их предупреждения необходимо выполнение общего условия в форме [1, раздел 7]

, (32)

где - наибольшие нормальные напряжения в крайних сжатых волокнах стенки;

- средние касательные напряжения в сечении стенки;

σ_loc – местные (локальные) напряжения в крайних волокнах сжатой зоны стенки. Все эти напряжения определяются как средние для некоторого расчетного отсека, представляющего собой наиболее нагруженный участок фактического (обрамленного поясами и смежными ребрами) с длиной (вдоль балки), не превышающей высоту стенки. Обычно рассматривают три фактических отсека – опорный, ближайший к середине пролета (или именно средний) и какой-либо характерный промежуточный, например, совпадающий с местом изменения сечения поясов. Общность выражения (32) достигается его применимостью во всех случаях при σ_w = 0 или τ_w = 0 или σ_loc = 0.

Критические напряжения (все знаменатели в (32)) определяются в соответствии с рекомендациями [1, п. 7.4 и 7.6] и зависят от характера раскрепления сжатого пояса балки, толщины ее стенки и размеров фактического отсека. В случаях, когда проверка местной устойчивости не обеспечивается, не выполняется условие (32), можно увеличивать толщину стенки в целом или фрагментами, снижать шаг ребер жесткости а₁ (наиболее логичное решение), вводить в сжатой зоне дополнительные продольные и поперечные (короткие) ребра.

4.6.6. Проектирование опорных частей.

Как указывалось в п. 4.6.4, опорные части балок составного сечения обычно усиливаются ребрами, соответственно и называемыми, которые способствуют обеспечению их устойчивости и удобны для конструирования сопряжений. Опорные ребра могут быть внешними – рис. 33, и внутренними – рис. 33,б, но всегда в нижних торцах остроганы.

Проектирование опорных частей включает подбор сечений ребер, назначение швов их креплений к стенке и проверку общей устойчивости.

Площадь сечения опорного ребра А_о.р. определяется из условия его местной прочности при сжатии от R_г.б. (по типу (30))

. (или при а ≤ 1,5t_op и наличии строжки ребра).

Здесь согласно [1, п. 7.12] R_y используется при а > 1,5 t_о.р. Ширину ребра можно назначить достаточно произвольно 180 ≤ b_o.p. ≤ 400, но лучше увязать с шириной поясов, например, при измененном сечении логично принять b_o.p. = b_f. Тогда . Ребро испытывает продольное сжатие, поэтому для обеспечения местной устойчивости его гибкость ограничивается

, (33)

по аналогии со сжатым листовым поясом балки. Внутренние ребра конструируются на таких же условиях, но они парные и площадь их нижнего торца выглядит иначе. Это необходимо учитывать при назначении b_o.p. и t_o.p., а гибкость одного ребра проверять по его свесу.

Швы крепления опорных ребер – угловые фланговые, (выполняемые вручную или полуавтоматом), поэтому их расчетная длина ограничена соотношением (11) раздел 3.2. Загружены они просто, испытывая только продольный срез, и условие их прочности, записываемое для предварительно выявленного более слабого сечения очевидно:

, (34)

где _w – количество швов, равное 2 или 4 для внешнего или внутреннего ребра, соответственно. Используя (34) в предельном значении, следует найти k_f, как минимальный катет шва из условия прочности, а затем скорректировать его, округлив до целых миллиметров в большую сторону и увязав с толщинами ребра и стенки по условиям провара и прожога (см. требования к сварным швам в конце раздела 3.2).

Общая устойчивость опорной части балки проверяется по аналогии с расчетом некоторой условной центрально сжатой стойки (рис.33,в) на продольный изгиб [1, п.7.12]. Расчетная длина стойки принимается равной высоте стенки, т.е. l_ef = l_o = h_w (чему отвечают шарнирные закрепления стойки по концам), а ее расчетное сечение А_о.ч., заштрихованное, имеет вид по рис. 34, а – при внешнем опорном ребре и по рис.34,б – при внутреннем, причем .

Согласно разделу 2, табл. 1 расчет центрально сжатой стойки на продольный изгиб (иначе, проверка общей устойчивости) относительно оси z, т.е. из плоскости стенки, производится по формуле (форма (2))

(35)

Коэффициент продольного изгиба φ_z зависит от гибкости стойки λ_z и расчетного сопротивления стали [1, табл. 72] (более подробно см. раздел 5). Поэтому предварительно необходимо уточнить момент инерции сечения стойки – I_о.ч.z,

его радиус инерции – i _о.ч.z = , определить и оценить гибкость -

а затем, по таблице 72 найти φ_z и по (35) убедиться в обеспеченности общей устойчивости опорной части балки. Если опорная часть окажется неустойчивой, следует несколько увеличить ширину ребра, а может быть и его толщину для обеспечения местной устойчивости по (33), и после уточнения φ_z повторить проверку (35), добиваясь нужного результата.