Загальна характеристика балок і балочних кліток

Тема 5. Балочні конструкції

Балками називають елементи, довжина яких значно перевищує розміри перерізу, що працюють на поперечний згин та мають суцільний переріз.

Використовують як несучі елементи в покрівлях та перекриттях будівель та споруд, робочих майданчиків, естакад, галерей у мостах тощо.

Раціональними є балки довжиною 15-20 м. Але у мостах прольоти балок можуть досягати кількох сотень метрів.

За статичною схемою балки поділяють на однопролітні розрізні, консольні та нерозрізні багатопрольотні.

а б в

Рис. 5.1. Розрахункові схеми балок:

а) розрізна; б) консольна; в) нерозрізна.

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

Мірою ефективності перерізу балки є відношення моменту опору до площі перерізу - ядрова відстань.

а б в

Рис. 5.2. Порівняння типів перерізів балок:

а) круглого; б) прямокутного; в) двотаврового.

Металеві балки найчастіше проектують двотаврового перерізу. Легкі балки часто виготовляють з швелерів (прокатних або гнутих).

Залежно від прольоту і навантаження балки виготовляють: з прокатних, гнутих профілів і складного перерізу.

Використання балок складного перерізу можливе, коли прокатні чи гнуті профілі не задовольняють вимогам міцності.

Рис. 5.3. Балки складного перерізу.

Серед балок складного перерізу більш економічні зварні балки, ніж клепані.

Балки використовують у вигляді окремо стоячих несучих конструкцій (підкранові шляхи) або у вигляді системи перехресних балок – балочних кліток.

Поверх балочних кліток влаштовують настил.

Балочні клітки бувають таких типів:

Спрощений – складається з балок одного напрямку, які опираються на несучі стіни

а б в

Рис. 5.4. Схеми балочних кліток:

а) спрощена; б) нормальна; в) ускладнена.

1. Балки настилу; 2. Головні балки; 3. Допоміжні балки

Нормальний тип – містить дві системи балок: головні балки та балки настилу, що опираються на головні.

Ускладнений – крім головних балок і балок настилу, містить ще й допоміжні.

Головні балки, як правило, мають складні перерізи, а балки настилу виготовляють з

прокатних, гнутих чи пресованих профілів. Крок головних балок встановлюють 3-6 м, балок настилу – 0,6-1,6 м, допоміжних балок – 2-5 м.

З¢єднання балок у системі балочної клітки може бути:

а б в

Рис. 5.5. З'єднання балок у системі балочної клітки.

а) поверхове – другорядні балки встановлюють на верхній пояс нижче розміщених конструкцій. Таке з¢єднання зручне під час монтажу, але потребує великої конструктивної висоти перекриття;

б) на одному рівні – другорядні балки приєднують до головних збоку через ребра жорсткості;

в) занижене – часто використовується у балочних клітках ускладненого типу.

Настили

Найчастіше настил балочних кліток може бути залізобетонним або сталевим.

Використовують сталеві листи завтовшки 6-14 мм. При товщині настилу 6-8 мм застосовують рифлені листи, а при більших – гладкі. При невеликих навантаженнях 300-700 кг/м² і прольотах до 1400 мм використовують просічно-витяжну сталь.

Найбільш проста конструкція настилу складається зі стального листа, вкладеного на балки і прикріпленого до них зварюванням.

Прикріплення настилу до балок робить неможливим наближення опор настилу при його прогині під навантаженням.

Це викликає в ньому розтягуючи зусилля, які покращують роботу настилу.

Рис. 5.6. Плоский металевий настил:

а) опір настилу на балку; б) розрахункова схема.

Товщину плоских настилів обчислюють залежно від нормативного навантаження q_н, та відносних граничних прогинів f/ l (де f - прогин, l – проліт настилу).

Встановлено, що при навантаженнях, які не перевищують 5 т/м² та граничних відносних прогинів не більше ніж 1/150, міцність закріпленого по краях настилу завжди буде забезпечена і його треба обчислювати тільки на прогин.

Для обчислення потрібної товщини настилу можна скористатися рівнянням Тимошенка-Телояна:

,

де n₀=l/f – відношення проліоту настилу до граничного значення його прогину; q_н – нормативне навантаження; u - коефіцієнт Пуассона (для сталі u =0,3).

Якщо n=1/150, то формула приймає вигляд:

,

де q_н (КПа, кН/м²).

Горизонтальну опорну реакцію, на дію якої необхідно розрахувати шви кріплення настилу до балок, обчислюють за формулою:

, (кг/м або кН/м),

де g_q – коефіцієнт надійності для корисного навантаження.

Прокатні балки

Підбір перерізу

Найпоширенішими і найбільш економними типами профілів балок є прокатні двотаври.

Підбір перерізу виконують, використовуючи рівняння міцності (п. 5.12-5.23 СНиП ІІ-23-81*):

(формула 28 СНиП).

Потрібний момент опору - .

Згідно з сортаментом встановлюють найближчий номер профілю, момент опору якого більший за потрібний.

Встановивши розміри профілю, перевіряють міцність стінки на зріз:

,

R_s – розрахунковий опір зсуву; S та J – відповідно статичний момент половини перерізу та момент інерції всього перерізу відносно нейтральної осі, перпендикулярної до площини згину; t_w – товщина стінки; Q – найбільша поперечна сила на опорі.

Ці дані вміщені у сортамент.

Крім цього, треба перевірити загальну стійкість балки згідно з формулою (34) СНиП:

.

Стійкість балок не треба перевіряти, якщо стиснутий пояс (верхній пояс) неперервно і надійно закріплений жорстким настилом. Тобто для балок настилу (якщо настил прикріплений зварюванням до верхнього пояса) перевірка загальної стійкості не потрібна. Для допоміжних балок балочних кліток ускладненого типу перевірка загальної стійкості не потрібна при малих відношеннях розрахункової довжини l_ef до ширини верхнього пояса в (табл. 8 СНиП).

При значеннях дотичних напружень t£0,9R_s у місці найбільшого значення М, при дії статичних навантажень можна допустити роботу балки у пружно-пластичній стадії.