6. Призначення, конструктивні схеми, типи з’єднань балок. Види настилів. Розрахунок настилів.

Балками називають елементи, довжина яких значно перевищує розміри перерізу, що працю­ють на поперечний згин та мають суцільний пе­реріз. Це одні з найпоширеніших конструкцій, які використовують як несучі елементи в пере­криттях і покрівлях будівель та споруд, робочих майданчиків, естакад, галерей, у мостах тощо. Балки застосовують як при малих (наприклад, прогони легких покрівель), так і значних наван­таженнях (балки мостів, підкранові балки тощо).

Найраціональнішими є балки довжиною до 20 м, хоча при інтенсивних навантаженнях ділян­ка раціональних прольотів збільшується. Так, з успіхом експлуатуються балкові мости з прольо­тами до кількох сотень метрів.

За статичною схемою балки поділяють на (рис. 1.1).:

• Однопролітні розрізні,

• консольні

• та нерозрізні багатопролітні

Рис.1.1 Найпоширеніші статичні схеми балок:

а- однопролітні, б- консольні, в- багатопролітні нерозрізні.

За вит­ратою металу ефективнішими є нерозрізні та кон­сольні балки. Але трудомісткість їх виготовлення та монтажу вища, ніж однопролітних.

Найчастіше проектують металеві балки дво­таврового перерізу (рис. 1.2). Такий переріз еко­номічний щодо витрати металу і зручний у кон­струюванні. Застосування двостінних балок ви­правдано лише при наявності значних крутних моментів. Легкі балки часто виготовляють зі шве­лерів (наприклад, прогони). Економічними є й балки з перфорованою стінкою, які

виготовляють шляхом розрізування прокатних двотаврів по ла­маній лінії з подальшим зварюванням виступних частин.

Залежно від прольоту і навантаження балки виготовляють: з прокатних, пресованих та гнутих профілів (рис. 1.2, а, б, в) і складеного перерізу (рис. 1.2, г, д).

Рис. 1.2. Приклади найпоширеніших перерізів балок: а — прокатних; б — гнутих; в — пресованих; г — з перфорованою стінкою; 3 — складеного перерізу; І — лінія розрізу; 2 — стиковий шов; 3 — точкове зварювання; 4 — болти або заклепки.

Проектуючи конструкції, необхідно пам'ятати, що балки складеного перерізу дорожчі й трудомісткіші їх використання обгрунтоване лише тоді, коли прокатні чи гнуті профілі не задоволь­няють вимоги міцності, жорсткості, стійкості тощо.

Серед балок складених перерізів більш еко­номічними є балки, в яких елементи перерізу з'єднані зварюванням. Трудомісткість виготовлен­ня клепаних балок вища приблизно на 20 %, а металомісткість — на 15 %.

Застосування кле­паних балок доцільне при значних змінних та ди­намічних навантаженнях, оскільки вони краще витримують дію таких навантажень.

З метою економії рекомендується використо­вувати у найбільш напружених

ділянках поясів сталі підвищеної міцності, виконуючи всі інші частини з менш міцної вуглецевої сталі (так звані бісталеві балки). Знаходять застосування і попе­редньо напружені металеві балки, які внаслідок внутрішнього перерозподілу зусиль і використан­ня високоміцних сталей мають зменшену мета­ломісткість і вищу жорсткість.

Балки використовують як у вигляді окремих несучих конструкцій (наприклад, підкранові шля­хи), так і у вигляді системи перехресних балок (так званих балкових кліток). Поверх балкових кліток влаштовують настил.

Рис. 1.3. Типи балкових кліток: а — спрощений; б — нормальний; ускладнений; / — настил; 2 — балки настилу; З — головні балки; 4 — допоміжні балки.

Можливі два типи з'єднань балок у системі балкової клітки:

спирання зверху (поверхове розміщення ба­лок) — другорядні балки встановлюють на верх­ній пояс головних. З'єднання найбільш зручне як під час виготовлення конструкцій, так і їх мон­тажу, але потребує великої конструктивної ви­соти перекриття (рис. 1.4, а);

приєднання збоку — другорядні балки приєд­нують до основних збоку через ребра жорсткості чи опорні столики (рис. 1.4, б, в, г). Застосовується при обмеженій висоті перекриття.

Рис. 1.4. Типи спряжень балок: спирання зверху (а), збоку: підвищене (б), на одному рівні (б), знижене (г).

Основним типом настилів є монолітний і збірний залізобетон. Дерев'яні настили використовують обмежено через малу довговічність. Сталеві на­стили зумовлюють збільшення витрат металу і тому допускаються лише при належному техніко-економічному обґрунтуванні.

Для настилів найчастіше використовують ста­леві листи завтовшки 6...14 мм. При товщинах 6...10 мм використовують листи з рифами на по­верхні (рифлені, ромбічні ), а при більших — гладкі. Поверх гладкого сталевого на­стилу обов'язково влаштовують неслизьку підлогу. Настили майданчиків, розміщених у приміщеннях вибухонебезпечних підприємств, доцільно ви­конувати наскрізними та з матеріалів, що не дають іскор. При невеликих навантаженнях (3...7 КПа) і прольотах (500... 1400 мм) використовують просічно-витяжну сталь. У ряді випадків, коли це зумовлено технологічними вимогами (наприклад, поблизу обладнання та комунікацій), настил роб­лять знімним.

Настили балкових клітей бувають дуже різноманітними в залежності від призначення і конструктивного рішення перекриття. Дуже часто поверх несучого настилу влаштовують захисний настил, який може бути з дерева, асфальту, цегли та інших матеріалів.

В якості несучого настилу найчастіше застосовують плоскі стальні листи або настил із збірних залізобетонних плит.

Останнім часом почали використовувати щитовий настил, розміром до 3x12 м , який складаєтьсяі з несучого сталевого листа, що має зверху захисний шар і підкріпленого знизу поздовжніми і поперечними ребрами. Це значно прискорює монтаж.

Корисне навантаження настилу перекритя задається рівномірно розподіленою інтенсивністю до 40 кН/м2, а граничний відносний прогин приймають не більше

Найпростіша конструкція несучого настилу складається зі сталевого листа, покладеного на балки і привареного до них. (рис. 1.5, в). Відстань між балками, що підтримують настил, визначається його несучою здатністю або жорсткістю. 

Рис. 1.5. Розрахунок настилів: а — розрахункова схема; б — епюра згинальних моментів; в — конструкція кріплення настилу до балки.

Приварювання настилу до балок робить неможливим зближенням опор при

його прогині під навантаженням, при цьому виникають розтягуючи

ланцюгові зусилля Н, які поліпшують роботу настилу в прольоті (див. рис. 1.5,а,б). 

Крім того, приварювання затискає настил, створюючи опорні моменти, і знижує моменти в прольоті настилу під навантаженням. Але в запас

жорсткості защемлення зазвичай не враховують і вважають обпирання настилу шарнірно-нерухомим, вважаючи, що в опорному перерізі може утворитися пластичний шарнір.

При навантаженнях 𝑞≪50 кН/м2, і граничним відносним прогином не більше міцність шарнірно закріпленого по краях сталевого настилу завжди буде забезпечена, і його треба розраховувати тільки на прогин.

Обпиранні настилу на паралельні балки дозволяє вважати, що він згинається по циліндричній поверхні. Тоді за формулою С. П. Тимошенка:

𝑓=𝑓0∗11+∝*

Де 𝑓0=5384𝑞𝑙4𝐸1𝐼 - балочний прогин посередині смуги одиничної ширини від поперечного навантаження q.

-циліндрична жорсткість смуги.

𝐸1=Е1−𝜗2, де - коефіцієнт Пуассона (для сталі =0,3),

𝛼=НРЕ;

H-сила розтягу смуги (розтягу),

РЕ=𝜋2ЕІ𝑙2 – Ейлерова сила,

- відстань від лівої опори до місця визначення прогину,

l- прогин настилу.

Наближена формула має вигляд:

𝑙𝑡=4𝑛015(1+72Е1𝑛04𝑞)

–шукане відношення прогину пластини до її товщини;

𝑛0=𝑙𝑓- задане відношення прогину настилу до його граничного прогину;

q- нормативне навантаження на настил.

Силу Н, на дію якої треба перевірити зварні шви, що прикріплюють настил і підтримуючу його конструкцію, можна визначити за наближеною формулою:

𝐻=𝑛𝜋24𝑓𝑙2𝐸1∗𝑙1

де   -коефіцієнт перевантаження для діючої навантаження.

Якщо розміри настилу (його товщина t і проліт l) відомі, то перевірити його несучу здатність і прогин можна, використовуючи вирази:

𝑓=𝑓011+∝

𝐻=𝜋2𝐸1𝐼𝑙2∝

Де М0=𝑞𝑙28- ,балочний згинальний момент.

А=1*t;

- площа поперечного перерізу і момент опору смуги настилу.

- визначається з рівняння:

∝1+∝2=3𝑓0𝑡2

f - балковий прогин.