Балочные клетки. Типы балочных клеток. Расчёт балочных клеток

7.1. Классификация балок

Балками называют элементы строительных конструкций, работающие на изгиб. Они могут классифицироваться по разным признакам.

1. По статической схеме (рис. 7.1).

Разрезные – наиболее металлоемкие, так как в них велики моменты и прогибы при прочих равных условиях, но они просты в монтаже и нечувствительны к неравномерной осадке опор. Неразрезные – наименее металлоемкие, так как в них прогибы малы и иногда могут быть моменты меньше, чем в разрезных, но они трудоемки в монтаже и требуют надежных оснований. Консольные – конструкции усложнены из-за пролетных шарниров. Занимают промежуточное положение по показателям между двумя предыдущими схемами. При малых пролетах и нагрузках, когда экономия на стоимости материала невелика, обычно применяют разрезные балки. При больших пролетах и нагрузках, если можно обеспечить надежные основания, могут быть выгодны неразрезные балки. При невозможности обеспечить надежные основания следует применять разрезные балки. 2. По форме сечения. Показателем эффективности сечения балки может быть относительное ядровое расстояние, характеризующее несущую способность по моменту при одинаковой площади и высоте сечения, для прямоугольного сечения оно составляет

для круглого сечения

для кольцевого

для прокатных двутавров около 0,33, для составных еще выше.

Поэтому в изгибаемых элементах чаще всего применяются двутавровые сечения, реже коробчатые [7] и швеллеры.

3. По составу сечения бывают цельные (рис. 7.2, а), выполненные из одного профиля и составные, выполненные из нескольких элементов – профилей или листов. Прокатные балочные двутавры выпускаются по ГОСТ 26020-83 высотой до 1 м, их следует применять, если они есть в наличии. Но возможности их применения ограничены по несущей способности и деформациям. При необходимости приходится применять составные сечения. Составные сечения в настоящее время выполняются сварными из трех листов (рис. 7.2, б) в связи с отсутствием ослабления сечения и возможностью применения автоматической сварки на заводах по производству стальных конструкций. В прошлом широко применялись составные стальные балки из листовой стали с поясными уголками на заклепках (рис. 7.2, в). При этом количество листов в каждом поясе доходило до трех. В настоящее время вместо заклепок применяют болты. Болты в составных балках (включая высокопрочные) применяются при укрупнительной сборке, если невозможна сварка.

7.2. Балочные клетки

Балочными клетками называют системы балок, поддерживающих настил перекрытия, которое обслуживает какой-либо технологический процесс. Главные балки располагаются обычно в направлении большей стороны ячейки клетки. В упрощенном типе балочной клетки настил опирается непосредственно на главные балки (рис. 7.3, а). В нормальном типе нагрузку от настила воспринимают балки настила, опирающиеся на главные балки (рис. 7.3, б). Это позволяет уменьшить пролет настила и значительно сократить расход материалов на него. В усложненном типе нагрузку от балок настила воспринимают вспомогательные балки, располагаемые на расстоянии 2–5 м, передающие ее затем на главные балки (рис. 7.3, в). Это иногда позволяет сократить расход материала на балочную клетку, но резко увеличивает количество монтажных элементов и трудоемкость монтажа. Балки настила и вспомогательные обычно выполняются из прокатных двутавров.

Рис. 7.3. Компоновка балочных клеток: а – упрощенный тип;

б – нормальный тип; в – усложненный тип

Выбор типа балочной клетки связан с сопряжением балок по высоте. Оно может быть этажным, в одном уровне, пониженным. При этажном сопряжении балки располагаются одна над другой (рис. 7.4, а).

Рис. 7.4. Сопряжения балок: а – этажное;
б – в одном уровне; в – пониженное

Иногда это приводит к увеличению строительной высоты перекрытия, что ведет к увеличению эксплуатационных расходов. При сопряжении в одном уровне совмещается верх главных и балок настила (рис. 7.4, б) в балочных клетках нормального типа. Сопряжение вспомогательных балок с главной в усложненном типе балочной клетки осуществляется пониженным (рис. 7.4, в), чтобы освободить место по высоте для расположения балок настила этажным способом над вспомогательными на один уровень с верхом главной балки.

Передача нагрузки с верхней балки на нижнюю происходит в этажном сопряжении через непосредственное касание. При передаче значительной нагрузки тонкая стенка составной балки может быть усилена ребром жесткости. При сопряжении балок в одном уровне и пониженном передача усилия может осуществляться с помощью монтажного столика или болтов.

Выбор оптимального варианта стальной балочной клетки при заданных размерах ячейки балочной клетки, материале, нагрузке и минимальной толщине настила можно выполнить по расходу стали на прокатные балки, где сравнивается один нормальный и несколько усложненных вариантов с разными шагами вспомогательных балок.

7.3. Настилы в стальных балочных клетках

В стальных балочных клетках применяется настил из стали и сборных железобетонных плит. Сборные железобетонные плиты применяются при пролете до 3 м и нагрузке до 35 кПа. Стальной щитовой настил размерами до 3´12 м с ребрами снизу может использоваться при размере ячейки 0,5´1,5 м и применяется в упрощенном типе балочных клеток.

В качестве стального настила чаще всего применяются плоские стальные листы толщиной 6–14 мм и более под нагрузки 10–30 кПа и более. При нагрузке до 50 кПа и относительном прогибе 1/150 регла­ментирующим условием являются допустимые деформации. Настил приваривается к балкам, и в запас прочности крепление считается шарнирным и неподвижным [6]. Статическая схема настила приведена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Статическая схема настила

Пролет настила назначают с учетом размеров ячейки балочной клетки между сварными швами, при этом нужно учесть шаг балок настила. Расчет ведется для полосы настила 1 м. Определив норму прогиба n0 [2, табл. 1], из условия заданного предельного прогиба определяем пролет настила , где – модуль упругости стали при стесненном изгибе, – коэффициент Пуассона; q – нормативная нагрузка на настил. Корректируем и l, добиваясь их соответствия. Определяем прогиб настила от поперечной нагрузки . Составляем уравнение . Решаем его с помощью таблицы (табл. 7.1), используя линейную интерполяцию между точками. Далее с помощью полученного коэффициента a ведем проверку настила как внецентренно рас­тя­нутого элемента на прочность и по деформациям. Действующие в полосе настила шириной 1 м усилия находятся по формулам [6]: где – балочный момент; – выполняется при указанных выше условиях с большим запасом. Проверка деформаций производится по формуле

Требуемый катет шва, прикрепляющего настил к балке,

где м.

7.4. Расчет цельных балок

Цельные балки характеризуются тем, что прокатываются только в соответствии со стандартами или техническими условиями, для их сечений заранее подсчитаны необходимые геометрические характеристики, зависящие только от одного параметра – номера профиля. Его и следует определить при подборе сечения так, чтобы расход стали (площадь сечения) был минимальным. Найдем требуемые по условию прочности (по нормальным напряжениям при отсутствии ослаблений) и по деформациям геометрические характеристики сечения:

или ,

если допускаются пластические деформации. При равномерно распределенной нагрузке и балке на двух шарнирных опорах (без консолей)

где – нормативная нагрузка. Подобрав минимальное сечение, удовлетворяющее обоим условиям, проверяют выполнение условий прочности и допустимых деформаций:

Если с учетом принятых толщин стали расчетные сопротивления уменьшились, и прочность не обеспечена, сечение корректируется и проверки повторяются.

Можно применять высокопрочные стали для снижения расхода металла, если размер определяется проверкой прочности .