2.2. Расчет сварной главной балки

Расчет главной балки включает в себя: назначение расчетной схемы с определением нагрузок и усилий; подбор сечения в средней части и измененного сечения в приопорных участках; расчет опорной части; назначение шага и размеров ребер жесткости; проверки прочности элементов, их местной устойчивости, а также жесткости и общей устойчивости балки.

Примеры расчета сварных балок приводятся в [1, 7, 10], поэтому в настоящих указаниях приводятся только краткие рекомендации по расчету.

Заданием на проектирование предусмотрен расчет и конструирование главной балки в традиционном варианте (с “толстой” плоской стенкой). По согласованию с руководителем проектирования в качестве главной балки можно применить балку с перфорированной или тонкой стенкой (гофрированной, предварительно напряженной или плоской, теряющей устойчивость).

2.2.1. Расчетная схема. Нагрузки. Усилия

В принятой схеме балочной клетки на промежуточную главную балу с шагом ℓ_bn (рис. 3) опираются (с двух сторон) вспомогательные балки. При опирании последних на главную балку в четырех и более точках (n > 3) сосредоточенную нагрузку на нее можно заменять равномерно распределенной. Ее нормативная и расчетная величины соответственно будут равны:

;

,

где В – шаг главных балок, м;

- коэффициент, учитывающий нагрузку от собственного веса главной балки, приблизительно равный 1,05;

- расход стали, кг/м², от вспомогательных балок .

Главные балки в курсовой работе предлагается делать разрезными и опирать на колонны сверху, т.е. шарнирно. За расчетный пролет главной балки можно принимать расстояние между осями колонн, т. е. . Максимальные усилия в балке при этом будут равны

; ;;.

Рис. 3. Расчетная схема главной балки (а – при n < 4; б - при n ≥ 4)

При трех или двух точках опирания вспомогательных балок на главную балку усилия в последней определяются по правилам строительной механики или по формулам:

; ;;,

где - коэффициент, принимаемый по табл. 3.

Таблица 3. Коэффициенты, используемые при вычислениях минимальной высоты главной балки (, ), изгибающего момента в главной балке () и оптимального расстояния от края балки до мест изменения ее сечения () при числе точек опирания вспомогательных балокn

n	2	3	4	5	6	7	8	9	.>9
	0,229	0,196	0,214	0,204	0,211	0,206
	1,043	1,047	1,042	1,046	1,042
	8	5,4	8	7,692	8	7,84	8	7,92	8
	0,125	0,250	0,187	0,183	0,167	0,164	0,156	0,183	0,175

2.2.2. Подбор сечения

Подбор сечения сварной балки в средней зоне длины заключается в назначении размеров сечения стенки и полок (рис. 4), обеспечивающих надлежащую прочность, устойчивость и жесткость их и балки в целом.

Подбор сечения балки начинается, как правило, с назначения ее высоты, которая определяется условиями жесткости, минимума расхода стали и увязывается с заданной строительной высотой балочной клетки.

Минимальная высота балки, h_min, (или высота из условия жесткости) определяется по формуле ,

где - коэффициент, зависящий от количества сосредоточенных сил (точек опирания вспомогательных балок) в пролете главной балки, принимаемый по табл. 3;

- расчетное сопротивление листовой стали главной балки, кН/см²;

n_o – отношение пролета главной балки, L , к ее допускаемому прогибу, принимаемое по табл. 2;

- коэффициент увеличения прогиба балки с переменным сечением по ее длине, принимаемый по табл. 3 (для балок постоянного сечения =1) ;

- усредненный коэффициент надежности по нагрузкам на главную балку, равный .

Рис. 4. Фрагмент главной балки, его план и поперечные сечения

Высота балки, см, при которой ее масса будет минимальной, определяется по [1, 7, 10] или по формуле ,

где - коэффициент, принимаемый по табл. 4;

- требуемый момент сопротивления сечения балки, см³, определенный без учета развития пластических деформаций .

Таблица 4. Величина коэффициента в формуле оптимальной высоты балки

Вид балки	при расчете
	По упругой стадии	С учетом развития пластических деформаций
Сварная постоянного сечения	3,14	3,26
Сварная переменного сечения	2,76	2,89

Окончательную высоту балки следует принять не менее (если позволяет строительная высота балочной клетки), при этом отклонение ее на 15…20 % отне вызывает заметного увеличения расхода стали.

При ограниченной строительной высоте балочной клетки необходимо обратиться к [1, 7, 10].

При назначении окончательной высоты балки, h, следует иметь ввиду, что при малом количестве балок (до нескольких десятков) целесообразно размер высоты балки принимать кратным 100 мм. При большом количестве балок - определяющей является высота стенки, h_w , которая увязывается со стандартными размерами выпускаемых листов [1].

Далее определяется толщина стенки, причем во внимание принимаются условия обеспечения ее прочности и местной устойчивости.

Из условия прочности на срез толщина стенки, см, определяется формулой

,

где 1,2 – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения касательных напряжений в сечении стенки;

- ориентировочная высота стенки балки, см, равная =h – 4…5 см;

R_s – расчетное сопротивление стали стенки на срез, кН/см², .

С целью обеспечения местной устойчивости толщина стенки, см , принимается близкой к или(здесьh в см).

Во избежание установки продольных ребер жесткости толщину стенки целесообразно принять не менее .

Окончательную толщину стенки балки назначают по ГОСТ 19903-74* (от 8 мм с шагом 2 мм до 22 мм и далее: 25, 28, 30, 32, 36, 40 мм) и не менее .

На следующем этапе по [1, 7, 10] определяют толщину пояса t_f и его ширину b_f в средней части длины балки. При назначении последней необходимо выполнить условия: ;;. Окончательная ширина пояса принимается кратной 20 или 50 мм.

Требуемая толщина пояса определяется из условия обеспечения необходимой площади его сечения ,

где - требуемая из условия прочности балки площадь сечения пояса

,

- требуемый момент сопротивления сечения балки ;

с – предварительно задаваемый коэффициент (см. п. 2.1.2), учитывающий частичное развитие в сечении балки пластических деформаций, с = 1,07…1,12. Окончательная толщина пояса принимается по ГОСТ 19903-74* и не более, чем .

Примечание: При неудачно заданной стали или завышенной высоте балки может оказаться, что ≤ 0. В этом случае можно снизить высоту балки доh_min или по согласованию с руководителем проектирования изменить класс стали.

Стенку с поясами соединяют автоматизированной или механизированной сваркой в соответствии с требованиями [2].