11. Общая характеристика балочных сварных конструкций. Типы балок. Настилы балочных клеток. Компоновка балочных конструкций. Подбор сечения прокатных и сварных составных балок

Балки являются основными и простейшими конструктивными элементами, работающими на изгиб. Их широко применяют в гражданских, общественных и промышленных зданиях, в балочных площадках, междуэтажных перекрытиях, мостах, эстакадах, в виде подкрановых балок, в конструкциях гидротехнических шлюзов и затворов и других сооружениях. Широкое распространение балок определяется простотой конструкции, простотой изготовления и надежностью в работе.

Основным типом сечения металлических балок является двутавровое симметричное.

В зависимости от нагрузки и пролета применяют балки двутаврового и швеллерного сечения, прокатные или составные – сварные, болтовые и клепаные. Предпочтительны прокатные балки как менее трудоемкие, но ограниченность сортамента делает невозможным их применение при больших изгибающих моментах.

Применяются и тонкостенные балки, балки из гнутых профилей, прессованные и составные из алюминиевых сплавов и другие.

Чаще применяются балки однопролетные разрезные – они наиболее просты в изготовлении и удобны для монтажа. Однако по затрате металла они менее выгодны, чем неразрезные и консольные. Неразрезные балки благодаря наличию опорного момента, уменьшающего пролетные моменты, более экономичны по затрате материала. Однако они применяются сравнительно редко, так как требуют индивидуального заказа.

При проектировании конструкции балочного перекрытия или другой конструкции необходимо выбрать систему несущих балок, называемую балочной клеткой.

Балочные клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный, нормальный и усложненный.

В упрощенной балочной клетке нагрузка на перекрытие передается через настил на балки настила, а через них - на стены или другие несущие конструкции. Из-за небольшой несущей способности настила поддерживающие его балки ставят часто, что рационально при небольших пролетах балок. В балочной клетке нормального типа нагрузка с настила передается на балки настила, а с них на главные балки, опирающиеся на колонны, стены или другие несущие конструкции. Балки настила обычно прокатные.

В усложненной балочной клетке вводятся дополнительные вспомогательные балки, располагаемые под балками настила и опирающиеся на главные балки. В этом случае нагрузка передается на опоры более длинным путем.

Выбор типа балочной клетки связан с сопряжением балок по высоте. Сопряжения балок может быть поэтажное, в одном уровне и пониженное.

При поэтажном сопряжении балки, поддерживающие настил, укладываются на главные и вспомогательные. Это наиболее простой и удобный в монтажном отношении способ сопряжения балок, но требует увеличения строительной высоты. Сопряжение в одном уровне балок настила и главных, позволяет увеличить высоту главной балки при заданной строительной высоте, но усложняет конструкцию опирания балок.

Пониженное сопряжение применяется в балочных клетках усложненного типа. Этот тип сопряжения, так же как и в одном уровне, позволяет иметь наибольшую высоту главной балки при строительной высоте перекрытия.

Основные размеры балочной клетки в плане и по высоте задаются технологами или архитекторами исходя из требований размещения и эксплуатации помещений.

Главные балки опирают на колонны и располагают вдоль больших расстояний между ними.

Балки настила располагают на расстоянии 0,6-1,6 м при стальном настиле и 2-3,5 м при железобетонном.

Расстояние между вспомогательными балками назначают в пределах 2-5 м; оно должно быть кратно пролету главной балки и меньше ширины площадки. При выборе этого расстояния надо стремиться получить минимальное число вспомогательных балок, которые должны быть прокатными. Сопряжения между балками должны быть простыми и удовлетворять строительной высоте перекрытия.

При свободной планировке балочной клетки, когда расстояние между колоннами может быть очень небольшим, для определения пролетов балок используются следующие принципы:

1) принцип полного использования несущей способности перекрывающей конструкции: задаются удобным размером балки и исходя из действующей нагрузки определяют пролет балки;

2) экономический принцип назначения пролета балки, обеспечивающий наименьшую стоимость балочной клетки и поддерживающих ее опор.

Настилы балочных клеток разнообразны в зависимости от назначения и конструктивного решения перекрытия. Часто поверх несущего настила устраивают защитный настил из дерева, асфальта, кирпича и других материалов.

В качестве несущего настила чаще применяют плоские стальные листы или железобетонные плиты. В последнее время стали использовать щитовой настил размером 3x12 м, укладываемый на балки перекрытий. Такой настил является индустриальным и ускоряет монтаж.

Несущая способность щитового настила для тяжелых нагрузок состоит из системы продольных и поперечных ребер, образующих ячейку 0,5x1,5 м, а сверху приварен листовой настил.

Сам листовой настил, опираясь на ребра, работает как пластина, опертая на четыре стороны и закрепленная по контуру.

Полезная нагрузка настила равномерно распределенная равная 40 кН/м², а относительный прогиб f/l .1/150.

Простейшая конструкция настила – стальной лист, уложенный по балкам. Расстояние между балками определяется несущей способностью или жесткостью настила. Выгодное решение – минимальная толщина настила, так как в двутавровых балках, работающих на изгиб, материал используется лучше, чем в настиле прямоугольного сечения. Однако увеличение числа балок при тонком настиле увеличивает трудоемкость перекрытия, что нежелательно.

В качестве прокатных балок, работающих на изгиб, применяют двутавры, нормальные двутавры, широкополочные двутавры, а для прокатных прогонов стальных кровель – швеллеры.

Прокатные балки достаточно “толстостенные”, что обеспечивает лучшую устойчивость их поясов и стенки, и позволяет получить существенный эффект за счет использования упруго пластичной работы их материала.

Расчет на прочность прокатных балок, работающих упруго и изгибаемых в одной из главных плоскостей, производят по формуле:

При подборе сечений требуемый момент сопротивления балки нетто определяют по формуле: где R_y – расчетное сопротивление стали при изгибе; γ_с – коэффициент условий работы конструкции.

Выбрав тип профиля балки по требуемому моменту сопротивления, по сортаменту подбирают больший номер профиля балки. Подобранное сечение проверяют на прочность от действия касательных напряжений по формуле: где – наибольшая поперечная сила вблизи опоры; S – статический момент части сечения; I – момент инерции этого сечения; t_w – толщина стенки балки.

Для прокатных разрезных балок сплошного сечения, несущих статическую нагрузку с неблагоприятным сочетанием «М» и «Q» прочность проверяют по формулам используя упругопластическую работу материала:

а) при изгибе в одной плоскости и при τ_x = Q_x/A_w 0.9R_sx по Ơ = М_x /β c_x W_xn R_y γ_c;

б) при изгибе в двух плоскостях и при по ; где и - значения изгибающих моментов в сечении “х”, ; - расчетное сопротивление по сдвигу; и - моменты сопротивления сечения нетто относительно главных осей; - соотношение площадей сечения пояса и стенки.

Прочность таких балок в опорном сечении при , проверяется на действие касательных напряжений по формулам: и где и - значения перерезывающих сил (опорных) реакций; и - площади сечения балки и пояса балки соответственно.

При учете упругопластической работы балки при изгибе в одной из главных плоскостей подбор сечения производится по требуемому моменту сопротивления нетто где - принимается первоначально, а затем уточняется.

Кроме прочности балки проверяют ее общую устойчивость. Общую устойчивость можно не проверять при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, связанный по контуру со сжатым поясом балки.

При недостаточном закреплении сжатого пояса балки общую устойчивость ее проверяют по формуле где - коэффициент условий работы при проверке общей устойчивости балок; - момент сопротивления для сжатого пояса.

Для балок двутаврового сечения с двумя осями симметрии, швеллерных балок и других типов сечений проверка устойчивости проводится в соответствии с указаниями СНиП II-23-84*.

Если общая устойчивость балки не обеспечена, то следует уменьшить расчетную длину сжатого пояса, изменив схему связей.

Проверка местной устойчивости поясов и стенки прокатных балок не требуется, так как она обеспечена их толщинами.

Если общая устойчивость балки не обеспечена, то следует уменьшить расчетную длину сжатого пояса, изменив схему связей.

Проверка второго предельного состояния ведется путем определения прогиба балки от действия нормативных нагрузок при допущении упругой работы материала.

Относительный прогиб балки не должен превышать нормативного, т.е.

Для однопролетной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, прогиб следует определять по формуле:

Если условие не удовлетворяется, то следует увеличить сечение балки, взяв менее прочный материал, или допустить неполное использование расчетного сопротивления материала балки, что менее выгодно.

Составные балки. Компоновка и подбор сечения. В качестве прокатных балок, работающих на изгиб применяются двутавры, нормальные двутавры, широкополочные двутавры и для прокатных прогонов скатных кровель – швеллеры.

Прокатные балки из условия проката получаются достаточно “толстостенными”, что обеспечивает лучшую устойчивость их поясов и стенок. Толстостенность балок позволяет также получить существенный эффект за счет использования упругопластической работы их материала.

Балки составного сечения применяют в случаях, когда прокатные балки не удовлетворяют хотя бы одному из условий – прочности, жесткости, общей устойчивости, т.е. при больших пролетах и больших изгибающих моментах.

Составные балки выполняются сварными. Их сечение состоит из трех листов: вертикального – стенки – и двух горизонтальных – полок, которые свариваются на заводе автоматической сваркой.

В составных балках гибкость стенки всегда больше, чем в прокатных, а эффект увеличения несущей способности - меньше, чем в прокатных.

Высота балки определяется экономическими соображениями, максимально допустимыми прогибам балки и в ряде случаев строительной высотой конструкции перекрытия, т.е. разности отметок верха настила и верха помещения под перекрытием. Оптимальная рекомендуемая высота в большинстве случаев диктуется экономическими соображениями.

Масса балки состоит из массы ее поясов, стенки и некоторых дополнительных элементов (стыковых накладок, ребер жесткости и др.) Причем с увеличением высоты балки масса поясов уменьшается, а масса стенки возрастает.

Минимальную высоту балки можно получить из формулы прогиба

В составных балках из однородного металла можно использовать упругопластическую работу материала стенки балки с теми же ограничениями, что и для прокатных балок; но надо помнить, что гибкость их всегда больше, чем прокатных.

Высота балки определяется максимально допустимым прогибом балки и высотой конструкции перекрытия, т.е. разностью отметок верха настила и верха помещения под перекрытием. Задается высота балки технологами или архитекторами.

Зависимость оптимальной высоты балки от заданной гибкости стенки выражается формулой: где - гибкость стенки.

На основе практики проектирования установлены рекомендуемые отношения высоты балки и толщины стенки. Для однопролетных балок пролетом 12-16 м принимать λ_w = 4.5 - 5 и t_w=10 - 12 мм.

В балке оптимальной высоты масса стенки равна массе поясов. Используя вышесказанное имеем: где - расчетное сопротивление материала балки; и - соответственно коэффициенты надежности по нагрузке.

Высоту балки также следует согласовывать с размерами ширины листов по сортаменту.

После высоты балки толщина стенки - второй основной параметр сечения, так как она влияет на экономичность сечения составной балки. Толщина стенки согласовывается с имеющимися толщинами проката листовой стали. Обычно толщину стенки принимают не менее 8 мм (редко 6 мм) и назначают при толщине до 12 мм кратной 1 мм, а более 12 мм – кратной 2 мм. Если принятая в формуле t_w= 1.2Q/hR_yγ_c толщина стенки отличается от полученной по формуле t_w = h_б λ на 2 мм и более, то следует в формулу подставить определенную из условия скалывания толщину стенки и вновь вычислить .

Полученную толщину стенки необходимо согласовывать с минимальной толщиной, полученной из условия среза и местной устойчивости.

В сварных балках пояса обычно принимают из одиночных листов универсальной стали. Изготовлять пояса из двух и более листов стали нерационально.

Ширину поясных листов принимают равный высоты балки, но не более 30 t_w, из условия обеспечения общей устойчивости и равномерного распределения продольных напряжений по ширине листа.

По конструктивным соображениям ширину пояса не следует принимать менее 180 мм и .

Проектирование конструкций составных балок. Соединение поясов составной балки со стенкой осуществляют: в сварных балках поясными швами, а в балках с фрикционными болтовыми соединениями нижний лист прикрепляют к стенке сваркой, а верхние – высокопрочными болтами.

Работая на сдвиг поясные соединения передают на стенку балки местную нагрузку, действующую на пояса в местах, где нет поперечных ребер жесткости.

В сварных двутавровых балках, несущих статическую нагрузку, симметрично расположенную относительно поперечного сечения балки, допускаются односторонние поясные швы, если обеспечивается устойчивость сжатых поясов и отсутствуют местные сосредоточенные нагрузки, действующие на пояса.

При этом односторонние поясные швы и односторонние поперечные ребра жесткости рекомендуется располагать с противоположных сторон балки.