Трансформация балки коробчатого сечения, составленную сплошными элементами, в решетчатую ферму

Обеспечение местной устойчивости стенок балок, работающих на сжатие, оребрение.

В случае работы балки на восприятие сосредоточенной нагрузки, то металл, расположенный непосредственно в точке приложения усилия, оказывается сжатым. Известно, что любой стержень, сжатый продольным усилием, теряет свои служебные возможности вследствие искривления продольной оси, создающего дополнительное плечо и формирующего таким образом дополнительный изгибающий момент, увеличивающийся по мере увеличения стрелы прогиба. Поэтому устойчивость вертикальной стенки балки обеспечивают введением дополнительных рёбер жесткости, плоскость которых составляет совокупно со стенками и поясами трёхмерную объёмную систему.

Система – стенка - пояса – ребро составляют в таком случае так называемую «мембрану», статически неопределимую систему. Параметром мембраны являются соотношения сторон, которые, как правило принимают 1:1. В таком случае ширина ребра оказывается достаточно жестко связанной с высотой балки. Как правило, принято ширину ребра назначать 1:30 от высоты балки и толщину ребра 1:15 ширины ребра, или 1:400 высоты балки. С другой стороны, высота балки практическим путём выбирается при средней интенсивности нагрузок в пределах 1/10 – 1/20 от величины пролёта. Следовательно, при шаге колон в 6,0 метров высота балки подкрановых путей будет назначена в 0,6 м. Такого сортамента прокат двутавровых балок отсутствует и балка должна быть выполнена в сварном варианте.

Ширина рёбер – в диапазоне до 6,0 см. при толщине ребра 6,0 мм.

Возник вопрос о пределах развития поперечного сплошного сечения в коробчатое. Практическим путем, а затем теоретическим осмысливанием, были установлены определенные, достаточно жесткие критерии соотношения размеров балки по длине, высоте и ширине. И главное, толщине составляющих элементов.

Практически, было подмечено, и мы это последний раз отмечали при рассмотрении работы кровли и купольного перекрытия. Мы установили, что для обеспечения нормальной работы кровли ей нужно придать третье высотное измерение, так как под действием собственного веса плоская кровля прогибается и может лавинообразно увеличивать стрелу прогиба, либо отрываясь от опор, либо изгибая опоры.

Предварительно увеличив стрелу прогиба в обратном направлении навстречу действующим нагрузкам, вынуждаем элементы кровли работать не на растяжение, а на сжатие. При этом кровля, стремясь под действием нагрузки распрямиться, приводит к распору и изгибу опор. Действие распора блокируется введением горизонтальной стяжки опор. Таким образом, криволинейная форма кровли превращается в замкнутую фигуру.

Горизонтальные распорные силы блокируются наличием стяжки. В случае трансформации балки сплошного сечения в коробчатую балку, при условии сохранения площади поперечного сечения составляющих элементов, балка при некотором соотношении элементов сохраняет свою жесткость и стабильность горизонтальной оси. По мере увеличения пролета , изгибающий момент увеличивается , что требует соответствующего увеличения размеров H и B. Но из условия сохранения площади поперечного сечения, мы должны пожертвовать величиной .

Тогда возникает следующая проблема – устойчивость стержней, работающих на сжатие.

Сжатый стержень теряет устойчивость. В практике известно, что нужно воспринять нагрузку, вынесенную от опоры.

Известно, что металлические материалы лучше работают на растяжение.

Здесь начинается инженерное искусство. При увеличении пролета следует увеличение H и B при условии сохранения расхода металла. Это влечет за собой замену сплошной стенки из тонкого листа стержнями развитого сечения. На грани между значительными и очень большими лежит конструкторское искусство. Пример: решетчатая стрела строительного крана.

В этом случае, отношение к B и H очень больное. Изготовление такой конструкции требует достаточно сложных технологических приемов для обеспечения требуемой геометрии и стабильности размеров.

В некоторых случая проще при увеличении и значительном уменьшении целесообразно сохранять сплошность стенок и обеспечивать устойчивость введением местных усиливающих элементов.

Возьмем, например, корпус сухогруза. Длина . По существующим нормам гидродинамики лучше отношение длины к ширине 10:1. Соответственно и высота . Осадка – около 8 м. Хотим создать модель (масштаб 1:100).

В большинстве случаев балка подвергается воздействию сосредоточенных усилий, то направление силовых линий от точки приложения сосредоточенной нагрузки к опорам не использует весь металл, то иметь плоскости стеновых панелей балки сплошными нецелесообразно - металл желательно располагать вдоль силового потока, подкрепляя поперечное сечение, в месте прохождения силового потока таким же подходом, как и при разнесении металла от нейтральной оси на периферию. Грубо говоря, превращая сплошную стенку в коробчатое сечение, устанавливая соответствующее оребрение, удаляя сплошной металл стенки, расположенный между рёбрами.