1. Компоновка и выбор схемы балочной клетки

Систему взаимно пересекающихся несущих металлических (стальных) балок в перекрытиях зданий или сооружений, рабочих площадок цехов, проезжих частей мостов обычно называют балочной клеткой. Балочная клетка предназначена для опирания настила (металлического или железобетонного) и передачи нагрузки с настила на колонны или другие поддерживающие конструкции.

Балочные клетки по схеме расположения балок подразделяются на два основных типа: нормальный и усложненный (рис. 1).

В балочной клетке нормального типа (рис. 1, а, б) нагрузка с настила непосредственно через балки настила передается на главные балки, опирающиеся на колонны или другие несущие конструкции. В балочной клетке усложненного типа (рис. 1, в) балки настила опираются на вспомогательные балки, которые крепятся в свою очередь к главным балкам.

Рациональная конструктивная схема балочной площадки зависит, прежде всего, от шага балок настила. Для технико-экономического сравнения рассматривается несколько вариантов балочной клетки. Шаг балок настила принимается в пределах а = 0,6…1,6 м (в зависимости от несущей способности стального листового настила), а вспомогательных балок – в пределах b = 2…5 м. Крайние балки настила (нормальный вариант балочной клетки) и вспомогательные балки (усложненный вариант балочной клетки), как правило, совмещаются с разбивочными осями.

Сопряжение балок по высоте может быть поэтажным, в одном уровне и пониженным (рис. 5). При поэтажном сопряжении (рис. 5, а) балки одного направления (настила) укладываются поверх балок перпендикулярного им направления (главные балки). Такой вариант наиболее прост и удобен в монтажном отношении, но требует наибольшей строительной высоты перекрытия h_стр. При сопряжении в одном уровне (рис. 5, б) верхние полки балок настила и главных балок расположены в одном уровне, а на них опирается настил. Этот вариант сопряжения балок позволяет увеличить высоту главной балки в пределах заданной строительной высоты перекрытия. Пониженное сопряжение балок (рис. 5, в) применяется в балочных клетках усложненного типа. При таком варианте вспомогательные балки примыкают к главным ниже их верхнего пояса, а балки настила располагаются поэтажно по отношению к вспомогательным.

Рис. 1. Варианты балочных клеток:

1 – главная балка; 2 – балки настила; 3 – вспомогательная балка

Толщина стального прокатного листа настила назначается в зависимости от интенсивности полезной нагрузки. В курсовой работе толщину листа следует принимать: t_н = 6...8 мм при  10 кН/м²; t_н = 8...10 мм при  = 11...20 кН/м²; t_н = 10...12 мм при  = 21…25 кН/м²; t_н = 12…14 мм при  = 26…30 кН/м²; t_н = 14…16 мм при  > 30 кН/м².

1.1. Расчет настила

Для стального настила применяются плоские листы толщиной 6...16 мм, которые располагаются на балках настила (рис. 2, а) и привариваются непрерывными сварными швами. Приварка настила к балкам делает невозможным сближение опор настила при его прогибе под нагрузкой. Поэтому расчетная схема настила (рис. 2, б) представляет собой закрепленную шарнирно-неподвижную на опорах полосу единичной ширины, испытывающую под действием поперечной силы изгиб по цилиндрической поверхности [1, с. 130; 2, с. 462].

Значение предельного пролета настила из условия обеспечения его жесткости (cм. рис. 2) вычисляются по формуле

где E = 2,06 · 10⁵ МПа – модуль упругости стали;  = 0,3 – коэффициент поперечной деформации стали (Пуассона); n₀ – заданное отношение пролета настила к его предельному прогибу, n₀ = l / f, (для стального настила n₀ = 150).

Рис. 2. Плоский стальной настил и его расчетная схема

Шаг балок настила а устанавливается по вычисленному размеру пролета настила l_н. Для этого значение n = L/l_н округляется до целого числа и вычисляется уточненное значение шага балок настила. Допускается увеличение шага балок настила а по отношению к определенному пролету настила l_н на 100…120 мм, так как фактический расчетный пролет настила – расстояние между краями полок соседних балок настила – меньше шага балок настила на ширину полки балки настила b_f.

Усилие (распор) Н, на действие которого надо проверить сварные швы, прикрепляющие настил к поддерживающим его балкам, можно определить по приближенной формуле (7.3) [1]:

.

Пример (исходные данные в общих указаниях)

Требуется выбрать рациональную конструктивную схему балочной клетки на основе проработки и технико-экономического сравнения двух вариантов нормального и одного варианта усложненного ее конструктивного решения (см. рис. 1). В соответствии с интенсивностью заданной полезной нагрузки,  = 25 кН/м², назначается толщина листов плоского стального настила: вариант I - t_н = 10 мм; вариант II - t_н =12 мм; вариант III - t_н = 10 мм. Материал настила – сталь С235. Отношение пролета настила к его предельному прогибу, n₀ = l / f, принимается равным 150.

Для намеченных вариантов конструктивных схем балочной клетки рассчитывается настил, балки настила, вспомогательные балки и определяются технико-экономические показатели рассмотренных вариантов из условия обеспечения наименьших затрат металла.

Нагрузки на расчетную полосу шириной 1 м:

нормативная:

q_n =  = 25 кН/м ;

расчетная:

q = _f   = 1,2  25 = 30 кН/м ,

где  = 25 кН/м² – полезная нагрузка в соответствии с заданием; _f = 1,2 – коэффициент надежности по нагрузке для временной нагрузки.

Определяется расчетный пролет настила (исходя из условия обеспечения жесткости намеченных вариантов настила):

варианты I и III (t_н = 10 мм):

;

вариант II (t_н = 12 мм):

Число балок настила:

вариант I: принимается n = 16, тогда шаг балок настила

а = L / (n - 1) = 1 м < (l_н + 100 мм) = 914 + 100 = 1014 мм.

Схема расстановки балок настила показана на рис. 1, а;

вариант II: принимается n = 15, тогда шаг балок настила а = 1,1 м. Схема расстановки балок настила показана на рис. 1, б;

вариант III: принимается n = 6, тогда возможный шаг балок настила а = 1 м. Схема расстановки балок настила показана на рис. 1, в.

Определяется усилие Н, на действие которого надо проверить сварные швы, прикрепляющие настил к поддерживающим его балкам:

варианты I и III (t_н = 10 мм):

вариант II (t_н = 12 мм):

Прикрепление настила к поддерживающим ее конструкциям выполняется полуавтоматической сваркой в углекислом газе (по ГОСТ 8050-85) в нижнем положении (проволока марки Св-08 d = 1,4…2 мм). Для этих условий и стали С235: R_wf = 180 МПа; R_wz= = Учитывая, что

, расчетный катет углового шва вычисляется по формуле (120) [3]:

где l_w = 1 м - расчетная длина шва; _f = 0,9 и _z = 1,05 - коэффициент, определяется по табл. 34 [3]; _wf = 1 - коэффициент условий работы шва (см. п. 11.2 [3]); R_wf - расчетное сопротивление сварного шва по металлу шва, (см. табл. 56 [3]); R_un – нормативное сопротивление листового проката (см. табл. 51 [3]).

Для вариантов I и III (t_н = 10 мм)

в соответствии с табл. 38 [3] принимается минимально допустимый катет шва при t_н =10 мм k_f = 4 мм;

Для варианта II (t_н = 12 мм)

принимается минимально допустимый катет шва k_f = 5 мм.

Результаты расчета стального настила сведены в табл. 1.

Таблица 1