14. Металлические балки, фермы, рамы и колонны
14.1. Балочная клетка, расчет прокатных балок
Конструкция покрытия или перекрытия представляет собой систему перекрестных несущих балок, называемою балочной клеткой.
Применяют балочные клетки трех типов:
упрощенные (с балками настила);
нормальные (с главными балками и балками настила);
усложненные (с главными балками, вспомогательными балками и балками настила).
Выбор типа балочной клетки зависит от различных факторов:
способа размещения оборудования,
величины нагрузок,
сетки колонн,
строительной высоты,
марки стали,
экономических соображений.
Шаг балок настила принимают равным 0.6...1.6 м при стальном настиле и 1.5...3.0 м – при железобетонном настиле. Пролеты главных балок обычно соответствуют шагу колонн, т. е. 6, 12, 18 м.
В зависимости от величины пролета и нагрузки балки могут быть прокатными (наиболее часто) и составными (как правило, сварными). При больших динамических нагрузках применяют составные балки на высокопрочных болтах. Параметрами балки являются пролет, высота, толщина стенки и сечение поясов. Основными профилями прокатных балок являются двутавры и швеллеры.
Расчет прочности сечений металлических балок (первая группа предельного состояния) в предположении их упругой работы производят по формулам сопротивления материалов
M / W <= R_y * g_c, (60)
Q * S / (I * t_om) <= R_s * g_c, (61)
Где M – изгибающий момент;
W – упругий момент сопротивления "нетто";
Q – перерезывающая сила;
S – статический момент "брутто" сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси;
I – момент инерции сечения балки;
t_om толщина стенки;
R_y и R_s – расчетные сопротивления прокатной стали на растяжение (сжатие, изгиб) и сдвиг;
g_c – коэффициент условий работы конструкции.
Толщина стенки (мм) определяется по эмпирической формуле
t_om = 7 + 3 * h, (62)
где h – высота балки, м.
14.2. Расчет и конструирование ферм и рам
Очертания и конструктивные формы типовых стальных ферм с параллельными поясами приведены в п. 5.3.3. Треугольные, пятиугольные и полигональные (сегментные) стальные фермы приведены на рис. 24.
Фермы могут быть оперты на несущие стены, колонны, подригельные балки и фермы, а также использованы в качестве решетчатых ригелей поперечных рам.
Рис. 24. Стальные фермы:
а – треугольная, б – пятиугольная, в – полигональная
С точки зрения работы конструкции ферм следует отметить следующее:
рациональными являются пятиугольные и полигональные фермы (с возрастанием момента к середине пролета возрастает высота ферм);
треугольные фермы должны иметь наклон верхнего пояса не менее 20 градусов, иначе усилия в крайних панелях пояса получаются очень большими;
в фермах пятиугольных и с параллельными поясами наиболее рациональна треугольная решетка с дополнительными стойками;
шпренгельная решетка (дополнительные раскосы и стойки) применяется в полигональных фермах больших пролетов.
При шарнирном опирании ферм они рассчитываются как самостоятельные конструкции. Учитывая большую гибкость металлических элементов ферм, при расчете принимаются узлы шарнирными и конструкция рассматривается как статически определимая.
При жестком соединении ферм с колоннами переходим к рамным системам (конструкции стальных рам даны в п. 5.3.4.). Это экономически оправдано. Однако основания под рамами должны быть достаточно плотными, исключающими значительные неравномерные осадки опор. Рама представляет собой статически неопределимую систему и рассчитывается методами сил или перемещений.