Строительство / 03.03.2020

Балка типа. Стальная балка и ее важное значение в строительстве. Классификация строительных балок по типу торцевого сечения

Балка – представляет собой длинномерный элемент, длина которого значительно больше характерного размера для поперечного сечения. В составе строительных конструкций балка работает, главным образом, на изгиб, поэтому ее рекомендуется изготавливать с тонкостенным поперечным сечением. Наиболее востребованными являются балки двутаврового сечения , представляющие собой Н-образный профиль, который образован двумя параллельными полками и соединяющей их стенкой.

Рис.1 - Двутавровые балки на холодильнике прокатного стана

В строительстве используются балки перекрытия из различных материалов. Наиболее востребованным вариантом является сварной или катанный двутавр. Расчет металлических балок перекрытия ведется, исходя из количества опор, схемы опирания на стены и крепления к основанию, условий эксплуатации и других факторов. На основании расчета выбирается наиболее экономически приемлемый вариант балки.

При необходимости выполняется усиление металлических балок перекрытия. Такие мероприятия требуется проводить, если в процессе эксплуатации этот элемент подвергается горизонтальным нагрузкам, которые могут привести к снижению его характеристик и разрушению. Во избежание этого явления металлические балки усиливают одним из следующих способов:

применение накладок для увеличения сечения (рис. 2а, 2б);
обетонирование (рис 2в);
использование шпренгеля (рис. 2г);
применение распорных или натяжных устройств для регулировки напряжений (рис. 2 д, 2е);
использование дополнительных опор (рис 2 ж, 2з).

Рис. 2 - Методы усиления балок

В зависимости от метода изготовления выделяют следующие виды металлических балок перекрытия:

горячекатаные двутавры – наиболее дешевый и простой вариант, который предполагает использование серийно выпускаемого проката;
сварные, болтовые, клепаные балки – изготавливаются специализированными предприятиями и позволяют решать нестандартные строительные задачи.

Горячекатаные двутавровые металлические балки перекрытия

Основной объем используемого в строительстве двутавра изготавливается горячей прокаткой из непрерывнолитой заготовки. В зависимости от технологии производства и геометрических характеристик продукции выделяют несколько групп балок.

Двутавры с уклоном граней полок по ГОСТ 8239

Этот вид продукции отличается наличием уклона внутренних граней полок относительно внешних в пределах 6-12°. Такая продукция имеет следующие характеристики:

выпускаемые профили – от балки 10 до балки 60 (число обозначает высоту в сантиметрах);
ширина профиля – от 55 до 190 мм;
толщина стенки – от 4,5 до 12 мм;
толщина полок – от 7,2 до 17,8 мм.

В качестве балок перекрытий могут использоваться усиленные двутавры с уклоном полок по ГОСТ 19425, который изначально разрабатывались для изготовления подвесных путей и армирования шахтных стволов.

Рис.3 - Балка, имеющая уклон полок

Двутавры с параллельными гранями по ГОСТ 26020

В последнее время в строительстве отдается предпочтение более экономичным двутаврам, имеющим параллельные грани полок. Кроме указанного стандарта, такая продукция также производится по СТО АСЧМ 20-93 (имеет незначительное отличия по геометрии).

Характеристики нормальных двутавров:

выпускаемые профили – от балки 10Б1 до балки 100Б4 (число обозначает высоту в сантиметрах, буква «Б» - нормальный профиль, последняя цифра – номер типоразмера в группе с одинаковой высотой);
ширина профиля – от 55 до 320 мм;
толщина стенки – от 4,1 до 19,5 мм;
толщина полок – от 5,7 до 32,5 мм.

выпускаемые профили – от балки 20Ш1 до балки 70Ш5 (Ш – широкополочный тип);
ширина профиля – от 150 до 320 мм;
толщина стенки – от 6,0 до 23,0 мм;
толщина полок – от 9,0 до 36,5 мм.

выпускаемые профили – от балки 20К1 до балки 40К5 (К – колонный тип);
ширина профиля – от 200 до 400 мм;
толщина стенки – от 6,5 до 23,0 мм;
толщина полок – от 10,0 до 35,5 мм.

Рис.4 - Балка, имеющая параллельные полки

Сварные, болтовые и клепаные балки перекрытия

Такой вариант используется, когда размеры металлических балок перекрытия отличаются от стандартных или катаные двутавры не удовлетворяют расчетным условиям по общей устойчивости, жесткости либо прочности. Кроме того, предпочтение «сборным» балкам отдается в случае их большей экономичности или лучшего уровня эксплуатационных характеристик.

Чаще всего используется сварная балка, которую изготавливают путем сварки автоматом под флюсом. На предварительном этапе осуществляется раскрой, зачистка и правка металла, разделка кромок под сварку, а затем, непосредственно, процесс соединения элементов в единое целое. После сварки готовое изделие правится для устранения термических деформаций (грибовидности).

Таким образом можно получать не только стандартные типоразмеры, но и изделия переменного сечения, усиленные или бистальные двутавры.

Двутавр – это металлический профиль, изготовленный из углеродистой и низкогированных сталей, деревянная или стеклопластиковая балка с сечением в виде буквы Н. Двутавры применяют в строительной индустрии, мосто- и судостроении. При строительстве жилых и промышленных зданий он нужен для монтажа балок потолочного перекрытия. Как выбрать профиль и что учесть при его установке, чтобы получить прочную конструкцию?

Конструкционная форма двутавра

Разновидности двутавровых балок и их основные характеристики

Ввиду большого спроса на двутавровые изделия с самыми различными характеристиками налажено их производство не только из стали, но и прочих материалов – дерева, алюминия, железобетона, стеклопластика. В частном домостроении, в том числе многоэтажном, наиболее часто применяется фасонный металлопрокат, сварные и деревянные двутавры.

Разобравшись, что такое двутавр, несложно понять, что за счет своей формы он обладает высокой несущей способностью и жесткостью при малом удельном весе (в 30 раз больше, чем у квадратной балки с аналогичной площадью). Его горизонтальные поверхности – полки – являются несущими и служат опорными площадками, распределяющими нагрузку и не дающими балке перекоситься или опрокинуться.

Перекрытия, изготовленные из двутавровых элементов, отличаются прочностью, особенно важной для дальнейшего монтажа кровельного или полового основания.

Примечательно, что прочность расположенных рядом двутавровых элементов суммируется, а уложенных друг на друга – учетверяется.

Важными параметрами, по которым определяется необходимый вид двутавра, являются:

габариты и площадь сечения;
вес погонного метра;
осевой момент сопротивления и инерции;
статический момент и радиус инерции.

Двутавр как балка потолочного перекрытия

Тонкости выбора двутавровых балок из металла

Как правило, металлический двутавр производится из углеродистой и низколегированной стали, марка которой указывается в обозначении. Металлургические производства обязаны изготавливать его согласно нормативным документам, в которых прописаны основные требования к химическому составу материала, геометрическим параметрам и допускаемым отклонениям от нормы. Разделение металлопроката на различные по характеристикам подвиды позволяет его использовать максимально широко и рационально.

Сортамент металлических балок – размеры и маркировка

По ГОСТ 8239-89 типоразмер двутавра определяется высотой его стенки: например, профиль под номером 10 имеет расстояние между полками 100 мм, а 60-й типоразмер – 600 мм.

Кроме номера, обозначаемого в маркировке материала, существует еще несколько типов двутавровых профилей. Так, их различают:

по расположению полок – с уклоном внутренних граней и с параллельными полками;
по способу производства – изготовленные методом горячего проката (горячекатаные) и сваренные из стальных листов (сварные);
точности изготовления – повышенной точности (маркируются литерой Б) и обычной точности (литера В).

Сортамент двутавра

Металлический двутавр, уклон внутренних граней которого составляет от 6 до 12%, считается классическим и, в свою очередь, классифицируется по назначению на обычный и специальный металлопрокат. Сортамент специальных двутавровых балок регламентируется ГОСТом 19425–74 и распространяется на балки для подвесных путей (серия М) и для армирования шахтных стволов (серия С).

Двутавры с параллельным расположением внутренних граней полок изготавливаются согласно действующему ГОСТу 26020-83 либо техническим условиям крупного завода-изготовителя СТО АСЧМ 20-93. В зависимости от особенностей конструкции существуют следующие виды балок:

нормальные балочные «Б» (характеризуются высотой до 1000 мм, шириной полок до 320 мм);
широкополочные «Ш» (высота – до 1000 мм, ширина – до 400 мм);
колонные «К» (отличаются шириной полки, приблизительно равной высоте профиля).

Длина стандартного металлопрофиля составляет от 4 до 12 м (двутавры с параллельными полками могут быть и 13-метровыми), однако по согласованию с заказчиком допускается их изготовление большей длины.

Особенности сварного двутаврового профиля

Поскольку производители выпускают горячекатаный прокат размером не более 60Б, для конструкций, требующих исключительно высоких показателей жесткости и несущей способности, используют сварной двутавр. Согласно ТУ У 01412851.001-95 их также маркируют по высоте стенки двутавра, поэтому существуют типоразмеры от 45БС (высота 445 мм) до 200БС (высота 2010 мм). Литерная маркировка для горячекатаных изделий распространяется и на сварные.

Производство сварной балки

Технология их производства из листового металла более экономична, чем прокатывание стального сляба, однако представляет собой достаточно сложный процесс. Качество и надежность сварной двутавровой балки во многом зависит от используемого оборудования и неукоснительного соблюдения всех операций:

заготовки требуемой толщины должны быть раскроены на станках с ЧПУ либо на оборудовании термической резки;
элементы будущего двутавра на современных заводах свариваются на автоматизированных линиях с применением гидравлических прижимных элементов;
готовое изделие подлежит обязательной правке, устраняющей термическую деформацию, после которой оно приобретает четко соблюденную геометрию.

Производство заготовок из малоуглеродистой стали, использование устаревшего оборудования, нарушение технологических приемов, низкая квалификация сварщика приводят к тому, что двутавры, изготовленные кустарным методом, имеют заниженные эксплуатационные возможности.

Выбирая материал, следует обращаться к надежным поставщикам, продукция которых по механическим свойствам не уступает горячекатаным аналогам.

В то же время, сваркой можно производить разнополочные двутавры и балки переменного сечения. Это позволяет подобрать оптимальную площадь сечения и уменьшить чрезмерный запас прочности конструкций. Также сварные изделия могут быть выполнены определенной длины, с заданными вырезами и отверстиями, с применением различных марок стали (бистальные балки), благодаря чему заказчик получает более технологичную и экономичную форму опор.

Сварные двутавровые балки переменного сечения и с перфорацией

Преимущества и недостатки использования Н-профиля

Только в России и странах СНГ существует более 20 металлургических заводов, многие из которых являются гигантами, производящими миллионы тонн проката в год. Двутавровые балки занимают львиную долю этого объема, поскольку отличаются универсальными характеристиками:

наиболее рациональной с точки зрения расхода металла формой для балочных элементов;
отличными показателями по износостойкости и прочности изготовленных из них конструкций;
наличием госстандартов и технических условий, диктующих качественные параметры изделий;
монолитностью и отсутствием сварных швов у горячекатаных двутавров – для особо ответственных металлоконструкций;
разнообразием характеристик и свойств у сварных двутавров – для облегчения балочных конструкций, уменьшения нагрузки на фундамент и снижения стоимости строительного проекта.

Плюсов у сварной и горячекатаной металлопродукции много, однако есть и условные недостатки, которые необходимо учитывать их на этапе проектирования:

малая устойчивость Н-образной балки к скручиванию (в 400 раз меньше, чем у балки круглого сечения);
дефицит горячекатаных двутавров больших типоразмеров и вынужденная их замена сварным профилем;
необходимость дополнительного армирования сварных двутавров, используемых в качестве нагруженных элементов;
неоправданно высокая металлоемкость и большое количество отходов при использовании балки длины и толщины, определенных ГОСТом, а не заказчиком.

Приобрести прокатные балки можно сразу у торгующих металлопрокатом посредников либо производителей, а сварные изделия чаще всего необходимо заказывать заблаговременно.

Применение двутаврового металлопроката

Интенсивное развитие строительной промышленности вызвало необходимость совершенствования и рационализации способов изготовления металлических двутавровых балок, благодаря чему сфера их применения заметно расширилась. Сегодня двутавр используется как в малоэтажном частном строительстве, так и в крупных проектах коммерческой и промышленной направленности, а также в тяжелом машиностроении.

Двутавр в виде кровельной фермы ангара

Где применяется Н-образный стальной прокат

В ходе теоретических и экспериментальных исследований было доказано, что двутавровые балки оптимально воспринимают нагрузки на изгиб, следовательно, их целесообразно использовать в виде несущих элементов:

металлических балок перекрытия зданий;
колонных металлоконструкций;
мостовых сооружений;
подвесных путей;
рамных конструкций вагонов, автомобилей, экскаваторов и пр.;
арматурного каркаса стен шахт.

Широкополочный двутавр допустимо использовать для балок, колонн и стержней средненагруженных ферм, тогда как колонный ставится только при больших пролетах и существенных нагрузках (на фото – двутавровая балка колонного типа).

Колонный двутавр

Расчет стального двутавра – что важно учесть

Чтобы минимизировать отходы, облегчить конструкцию, тем самым снизив трудовые и материальные расходы без ущерба для прочности здания, необходим профессиональный расчет двутавровых балок. Такую услугу предоставляют архитектурные и конструкторские бюро или строительные фирмы.

В несложных случаях калькуляцию можно провести самостоятельно, однако рекомендуется проверить ее результаты у специалиста.

Исходными данными для решения задачи по выбору профиля согласно несущей способности служат несколько показателей:

расстояние между внутренними гранями более коротких стен (длина пролета);
нормативная и расчетная нагрузка (нормативные данные берутся из таблиц соответствующего ГОСТа, а расчетные определяются путем их умножения на шаг балки (от 0,8 до 1,2 м));
количество двутавров, соединенных в одной балке (в том случае, если она составная), и их ориентация относительно нагрузки;
расчетное сопротивление (параметр, зависящий от марки стали, обычно берется усредненное значение Ry=210 Мпа).

Вычислив требуемый момент осевого сопротивления, можно точно определить номер двутавра (это также делается по таблицам).

Монтаж перекрытия по металлическим двутавровым балкам

Вне зависимости от того, ведется ли строительство нового здания либо реконструируется старое, монтаж перекрытия должен вестись по чертежу поверхности, дающему подробное представление о будущей конструкции. Запрещено увеличивать шаг между двутаврами на расстояние более расчетного, так как экономия на этом этапе чревата негативными последствиями.

Преимущества перекрытий из двутавра

Опорами для двутавра служат металлические, железобетонные либо кирпичные колонны и несущие стены. При установке обязательно надо использовать строительный уровень – это поможет избежать проблем при монтаже опалубки. Также важно обеспечить достаточную площадь опор – для этого балки должны заходить на стену более чем на 20 см.

На опорных поверхностях требуется закрепить фанерный лист расчетной толщины для опалубки под заливку монолитной бетонной плиты. Необходимо, чтобы ее толщина составляла не менее 1/35 шагового расстояния. После установки поддерживающей системы (ее обычно изготавливают из металлических распорок или деревянных балок по 1–2 шт. на кв. м.) важно проверить прочность балочного перекрытия собственным весом, стараясь выявить малейшие колебания поверхности.

При обустройстве больших пролетов иногда возникает необходимость в стыковке двутавров – ГОСТа как такового для этой операции не существует, однако есть соответственное требование в СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции».

Согласно ему стыковку допускается производить одним из трех способов:

сваркой встык фрезерованных торцов;
на накладках со сварными или сварными соединениями;
с помощью фланцев, воспринимающих растягивающее усилие болтами, тогда как сжимающее – через прижатие фланцевых поверхностей.

Варианты выполнения монтажных стыков

Узел крепления двутавра с колонной с помощью накладок и болтового соединения

Следует помнить, что металлические балки подвержены коррозии, поэтому их требуется защищать лакокрасочными покрытиями.

Деревянные балки-двутавры – сортамент и практическое применение

Целесообразность применения двутавровых балок из дерева вызывает немало сомнений. В частности, многие недоумевают, чем они отличаются от простых деревянных брусьев. Ответ на эти сомнения кроется опять-таки в особой конструкции двутавра, который в данном случае состоит из двух деревянных полок и фанерной стенки – за счет этого он способен выдержать изгибающую нагрузку, в несколько раз большую, чем монолитная балка с простым сечением.

Деревянные двутавры – новинка на рынке стройматериалов

Виды и типоразмеры деревянных профилей

Ассортимент этого стройматериала достаточно хорошо проработан и позволяет его применять как несущий элемент не только перекрытий и стропильных систем, но и каркасов стен и крыш. Так, различают следующие серии деревянных двутавров:

клееная (БДК) – балка склеивается из конструктивных элементов синтетическими смолами под высоким давлением и предназначена для использования в коротких пролетах;
клееная усиленная (БДКУ, БДКУ-Л) – благодаря увеличенной ширине полки (64 мм) балки этой серии имеют достаточную площадь для гвоздевого крепления и могут быть применены на длинных пролетах;
клееная широкая (БДКШ, БДКШ-Л) – отличаются еще более широкой полкой (89 мм), поэтому серия предназначена для использования в конструкциях, испытывающих крайне высокую нагрузку, стропильных системах или на сверхдлинных пролетах;
стеновая усиленная (СДКУ, СДКУ-Л) – этот вид балок используется в каркасе стен в качестве его основы;
стеновая широкая (СДКШ, СДКШ-Л) – стойки с такой маркировкой применяются для изготовления стеновых панелей.

Литера Л в конце маркировки означает, что балка изготовлена из высокопрочного бруса LVL, что придает ей прочность, превышающую обычную в 1,25–1,5 раза. Стандартная длина балок – 6 м, тогда как серии БДКУ-Л и БДКШ-Л выпускаются в длинах от 6,5 до 8 м. Их высотный ряд выглядит таким образом: 241 мм, 302 мм, 356 мм, 406 мм, 457 мм.

Каркасное здание из двутавровых балок

Монтаж перекрытия их двутавров

Достоинства двутавровой балки из дерева

Конечно, система двутавровых деревянных конструкций не может в полном объеме заменить металл и железобетон, однако они остаются лидером среди современных и надежных стройматериалов благодаря целому ряду технических и эксплуатационных характеристик:

универсальность применения – такие двутавры пригодны для строительства каркасных, кирпичных, блочных и деревянных домов;
малая масса опорного стержня (6-метровая балка весит в среднем около 40 кг), позволяющая вести монтаж без привлечения спецтехники;
высокая скорость монтажа и его простота – опытный монтажник за день может перекрыть весь дом с помощью простого плотницкого инструмента;
широкий выбор производственных серий и солидная номенклатура размеров;
низкая теплопроводность и водоустойчивость (при условии достаточной просушки древесины).

К условным минусам деревянного двутавра следует отнести зависимость его надежности от условий производства: качества и сорта древесины, из которой изготовлены опорные части и стойки балки, термостойкости и пластичности клеящей массы, точности геометрических размеров и сборки элементов.

Кроме того, дерево считается относительно нестабильным материалом, прочность которого может изменяться в течение всего эксплуатационного периода.

Варианты расчета и монтаж материала

Так же, как и в случае с металлическими двутаврами, подбор размеров деревянного двутавра ведется исходя из расчетной и нормативной нагрузки, условий эксплуатации, шага балок и длины пролета. В отдельных случаях допустимо воспользоваться табличными данными, предлагающими готовые технические решения. Однако ввиду особой ответственности перекрывающих и стропильных конструкций, эти параметры рекомендуется сверить у профессионального архитектора.

Таблица 1: Подбор типоразмера деревянного двутавра при устройстве перекрытия

Таблица 2: Подбор типоразмера деревянной двутавровой балки при устройстве наклонных стропил

Установку двутавров производят с помощью временных крепежных элементов, которые в дальнейшем заменяются стационарными.

Эксплуатировать поверхность до того времени, как смонтирована обвязка и не установлены постоянные закрепления, запрещено. Тщательно рассчитанные и грамотно собранные конструкции из двутавров отличаются надежностью, долговечностью и высокой несущей способностью.

– один из видов металлопроката. Его особенностью является высокая несущая способность благодаря н-образному сечению, которое характеризует изделие. С помощью данного изделия можно в разы увеличить надежность конструкции здания. Свойство эластичности, которым обладает двутавровая балка, обеспечивает запас гибкости конструкции и низкий коэффициент сжимаемости.

Благодаря обладанию этими свойствами двутавровая балка помогает обеспечить высокую сопротивляемость нагрузкам и значительным механическим воздействиям. Функция остова двутавровой балки помогает увеличить надежность и продолжительность службы возводимого сооружения, а также срок его эксплуатации.

Внешне этот вид металлопроката представляет собой брусок из стального сплава, который в поперечном сечении схожий с буквой «н». Конструкция имеет верхний и нижний пояс, которые соединяются между собой посредством стенки. Полки на балке могут располагаться как параллельно, так и под некоторым углом по отношению к друг другу. В зависимости от этого угла наклона меняется и назначение самого изделия.

Так, широкополочная конструкция достаточно широко распространена. Для ее изготовления применяется метод холодного и горячего катания. Для их производства берут низколегированные и углеродистые стали.

Масса и габариты двутавровой балки соответствует ГОСТ 8239-89. Высота их бывает следующая: 10 см, 12 см, 14 см, 16 см, 18 см, 19 см, 20 см, 24 см, 27 см, 30 см, 36 см, 45 см (см. таблицу). Качественный прокат имеет очень малую погрешность, что необходимо учитывать при покупке данных изделий. В зависимости от точности размеров и веса на 1 м двутавры классифицируются как высокоточные изделия – А и обычной точности - В.

Соответствуя сортаменту, двутавры могут быть длиной от 4 до 13 м:

мерной длины (размер двутавра по длине);
кратной мерной длины (6 метров и 12 метров двутавра в одной пачке);
мерной длины с остатком до 5% массы всей партии;
немерной длины.

Многие задаются вопросом, каким должен быть вес двутавра. Значение веса двутавровой балки можно рассчитать по формуле:

где g = 9.81 m/c2 - ускорение свободного падения, m – удельный вес погонного метра балки.

ГОСТ 8239-89 является регламентом размеров и веса двутавровой балки, созданный, чтобы не возникало недопонимания. В этом основном документе можно ознакомиться с техническими требованиями, правилами приемки, способами испытания, маркировкой, хранением, упаковкой и точным весом готового изделия.

Таблица отражает размер двутавра, теоретическую массу балки, то есть вес за погонный метр. При этом не стоит забывать, что вес указывается на 1 погонный метр с уклоном внутренних граней 6-12%. У каждого производителя имеются свои специальные таблицы двутавров. В них содержится информация о необходимых параметрах продукции, методе производства, толщине стенок, технических характеристиках, массе, марке металлопроката, из которого он производится.

Согласно условным обозначениям можно определить следующие параметры:

h – высота самого изделия;
b – ширина полок;
S – толщина стенок;
t – средняя толщина полок.

Двутавровые балки делятся на нормальные (Б–25 Б1), широкополочные (30Ш1), колонные 30К2 и т.д. Балки начинаются от Н-100 мм, до Н-1000 мм. Если Н двутавра превышает эти значения, или меньше, то они производятся только по спецзаказу. Величиной балки является расстояние, разделяющее ее крайние полки.

Разные размеры двутавровых балок соответствует разнице погонного метра одной балки и количеству метров в одной тонне. В соответствии с номером профиля рассчитывается общий вес металлопроката, при условии, что известен вес 1 м проката. При массе балки 45 и весе погонного метра 66,5 кг, имеет длину в тонне 15,04 м.

Сортамент двутавровой балки следующий:

горячекатаные двуполочные. Такие изделия изготавливаются по европейским стандартам с параллельными гранями. Благодаря наличию широких полок граней изделие приобретает дополнительную прочность. Метод горячей прокатки уменьшает трудоемкость процесса, поэтому и стоимость ее вполне демократична и доступна разной категории населения. Наиболее распространенная область их применения – это каркасное и крупнопанельное строительство, машиностроение, судостроение;
горячекатанные нормальные. Такие балки применяются наиболее часто и подходят для всевозможного строительства при разной степени нагрузки. Приобретение двутавровой балки считается наиболее целесообразным для строительства металлоконструкций, чем использование громоздкого листового металла и уголков;
горячекатаные с уклоном внутренних граней. Чаще всего такие изделия применяются при нагрузке, создающей поперечный изгиб. Это помогает создать максимальную степень жесткости по горизонтальной оси. Для их изготовления применяется обычная углеродистая сталь.

Балки ТИПЫ БАЛОК И ИХ СТАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ Металлические балки относятся к изгибаемым элементам и применяются главным образом для перекрытия пролетов многоэтажных промышленных и гражданских зданий 6 18 м а также одноэтажных промышленных зданий в виде подкрановых балок путей подвесного транспорта и реже несущих балок покрытий с пролетами 18 24 м. Наиболее рациональны в использовании прокатные балки двутаврового и швеллерного сечения ввиду простоты их изготовления. При недостаточной мощности прокатных балок широко применяют сварные составные...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

М Е Т А Л Л И Ч Е С К И Е К О Н С Т Р У К Ц И И

Лекция 9м. Балки

ТИПЫ БАЛОК И ИХ СТАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

Металлические балки относятся к изгибаемым элементам и применяются главным образом для перекрытия пролетов многоэтажных промышленных и гражданских зданий 618 м, а также одноэтажных промышленных зданий в виде подкрановых балок, путей подвесного транспорта и реже несущих балок покрытий с пролетами 1824 м.

Наиболее рациональны в использовании прокатные балки двутаврового и швеллерного сечения ввиду простоты их изготовления. При недостаточной мощности прокатных балок широко применяют сварные составные балки двутаврового сечения, а для конструкций, подвергающихся динамическим и вибрационным нагрузкам, составные балки на высокопрочных болтах и клепаные балки (рис. 1 9 д, е ). При пролетах до 6 м вместо прокатных стальных и прессованных алюминиевых балок целесообразно применять стальные балки из гнутых профилей швеллерного или коробчатого типа. Сварные составные балки могут быть сплошностенчатыми или со стенкой с круглыми, овальными или многоугольными отверстиями, которые используют для прокладки инженерных коммуникаций и других целей (рис. 2 9а, б). В промежутках между отверстиями устраивают поперечные ребра жесткости, обеспечивающие устойчивость стенки.

В последнее время в строительстве находят применение балки с перфорированной стенкой (рис. 2 9,в, г). Перфорированные балки получают путем разрезания двутаврового горячекатаного профиля ломаной линией в продольном направлении. Затем обе части сдвигают до соединения гребней впритык, после чего их сваривают. В зависимости от длины и высоты профиля, а также от формы ломаной линии можно получать различные отверстия и различную высоту перфорированной балки. Наиболее оптимальный профиль может быть при увеличении высоты до 1,5 Н.

Перфорированные балки имеют ту же массу, что и прокатные профили. При этом их несущая способность и жесткость значительно выше, чем у исходного профиля, а следовательно, она может быть применена при большем пролете и большей нагрузке. Лучше всего использовать такие балки при больших пролетах и малых нагрузках. В этом случае влияние поперечных сил на напряжения в вертикальной стенке незначительно. Проектирование перфорированных балок позволяет получить экономию стали до 2030 %. Однако, учитывая более высокую стоимость изготовления, их применение должно быть экономически оправдано.

При увеличении пролета или увеличении расчетной нагрузки на балку рационально использование стальных предварительно напряженных балок (рис. 2 9, д), в которых предварительно напряженный трос располагается в зонах максимального растяжения.

В статическом отношении балки могут быть однопролетными разрезными, двухпролетными и многопролетными неразрезными. Они могут быть консольными и бесконсольными (рис. 3 - 9). Наибольшее применение в строительстве находят однопролетные разрезные балки как наиболее простые в монтаже и эксплуатации. По трудоемкости изготовления неразрезные балки уступают первым, однако по расходу материала и по жесткости они более эффективны, что определяет их широкое применение в многоэтажных каркасах, при этом особое внимание уделяется учету температурных воздействий и осадке опор, так как неразрезные балки очень чувствительны к таким воздействиям.

Генеральными размерами балки называют ее расчетный пролет l е f и высоту сечения h (рис. 4 - 9). Действительный или конструктивный размер балки l назначают с учетом размеров опорных площадок, размер которых зависит от несущей способности их материала. Расстояние в свету l 0 между опорными узлами зависит от условий эксплуатации сооружения и назначается в процессе проектирования.

Оптимальное значение высоты балки зависит от расчетного пролета, нагрузки, класса стали, назначения балки и т.д. и лежит в пределах h / l е f = (1/101/16). Минимальные значения высоты сечения балки при эскизном проектировании можно принимать по табл. 1-9 при q п / q d = 1,2 (где q п и q d погонная нормативная и расчетная нагрузки) в зависимости от временного сопротивления стали и относительных прогибов балок к пролету.

В зданиях и сооружениях металлические балки применяют в виде балочных клеток , т. е. перекрытий, состоящих из системы балок. Балочная клетка включает главные балки, перекрывающие основной пролет с шагом L =6 9 м, и вспомогательные балки, опирающиеся на главные с шагом В = 1,53 м (рис. 5-9).

В зависимости от взаимного расположения главных и вспомогательных балок различают четыре типа балочных клеток: с верхним расположением вспомогательных балок (рис. 5-9,а); с расположением вспомогательных балок с главными в одном уровне (рис. 5-9,б); с пониженным расположением вспомогательных балок (рис. 5-9, в) ; усложненная система, имеющая два типа вспомогательных балок, поперечных и продольных (балок настила) по отношению к главным балкам (рис. 5-9,г). Балки настила проектируют с шагом 0,51,2 м.

Выбор балочной клетки зависит от конструкции перекрытия (металлический настил, железобетонные плиты и т.п.), от наличия технологического оборудования, подвесного потолка и других факторов, поэтому тип балочной клетки определяется для каждого конкретного случая вариантным проектированием.

Наиболее просты в возведении и экономичны по расходу материала балочные клетки с верхним расположением вспомогательных балок, но имеют недостаток большую строительную высоту перекрытия. При ограничении строительной высоты перекрытия наиболее целесообразным решением обладает балочная клетка с расположением вспомогательных балок с главными в одном уровне. Балочные клетки с пониженным расположением вспомогательных балок и с усложненной системой применяют в большинстве случаев при опирании технологического оборудования или мелкоразмерных плитах перекрытия.

РАСЧЕТ СЕЧЕНИЯ ПРОКАТНЫХ И СОСТАВНЫХ СВАРНЫХ БАЛОК

В большинстве случаев на балочную клетку действует равномерно распределенная нагрузка, которую при расчете приводят к линейной нагрузке на балку настила, вспомогательную и главную балки с их грузовых площадей (рис. 6-9). Расчет балок производят в той же последовательности, в какой передается нагрузка: на элемент настила, вспомогательную и главную балку. Подбору сечений предшествует статический расчет балок, в результате которого определяют расчетные изгибающие моменты М и расчетные поперечные силы Q в характерных сечениях.

Расчет балок производят по, двум предельным состояниям: несущей способности и прогибам. Расчет прокатных балок, выполненных из прокатных или гнутых двутавров, швеллеров и других профилей, сводится к определению необходимого номера профиля по сортаменту и проверке его на прочность по нормальным и касательным напряжениям, жесткость и устойчивость по формулам, которые мы выписывали для изгибаемых элементов на прошлой лекции. Эти формулы в простейших случаях можно переформатировать таким образом, чтобы в левой части неравенства стояла искомая геометрическая характеристика. Однако, в большинстве случаев здесь необходимо проводить многофакторный анализ. А он, чаще всего, выполняется методом подбора, используя различные вспомогательные таблицы. Как например, таблица приближенных значений высот балки (табл.1 - 9). А в дальнейшем, когда у Вас накопится опыт, Вы будете просто задавать исходя из собственного опыта значения геометрических характеристик и с ними проверять несущую способность и способность к эксплуатации и в пояснительной записке приводить результаты этих проверок. Кстати именно этого от нас требует Гос. экспертиза.

СТЫКИ ПРОКАТНЫХ И СОСТАВНЫХ БАЛОК. УЗЛЫ КРЕПЛЕНИЯ БАЛОК

Стыки бывают заводскими, выполняемыми на заводе с целью увеличения длины элементов, входящих в отдельный отправочный элемент, и монтажными, изготовляемыми на строительной площадке; они предназначены для сопряжения отдельных отправочных элементов в рабочую конструкцию (рис. 7-9).

Количество монтажных стыков и их размещение проектируют по условию транспортировки. Монтажные стыки значительно дороже заводских, так как они требуют дополнительного материала на стыковые накладки и монтажные болты, поэтому их число должно быть минимальным.

Наиболее простым является стык, пояса и стенка которого стыкуются в одном сечении. Однако такой стык в зоне действия максимального изгибающего момента не обеспечивает равнопрочности стыка и основного материала. Вследствие этого в наиболее напряженных зонах устраивают шов вразбежку, выполняя в полках косой стыковой шов, обеспечивающий высокую надежность соединения (рис. 7-9,а,б). Для уменьшения влияния усадочных деформаций, возникающих при сварке, стыковой шов выполняют в последовательности, показанной цифрами на рис. 7-9 , в. После сварки стыкового шва на расстоянии 500 мм по обе его стороны приваривают полки к стенке.

Увеличение надежности стыка в прокатных и составных балках при действии значительных моментов и поперечных сил может быть достигнуто с помощью горизонтальных накладок, устанавливаемых по верхней и нижней полкам и вертикальных двусторонних накладок по стенке балки (рис. 7-9, г). В этом случае сечение накладки и фланговые сварные швы, прикрепляющие накладку к полке, рассчитывают по усилию S , определяемому по формуле

S = (Мь М w)/z, (1-9 м )

где Мь полный расчетный изгибающий момент в стыке балки; М w = Мь . (/ J w / J b ) изгибающий момент, воспринимаемый стенкой балки; J w и J b моменты инерции стенки и полного сечения балки; z расстояние между центрами верхней и нижней полок.

Швы, прикрепляющие накладку к стенке балки, проверяют соответственно по металлу шва и по металлу границы сплавления.

Балки опираются на колонны сверху или примыкают сбоку. В одноэтажных промышленных и гражданских зданиях преимущественное применение имеет первый случай, варианты которого в зависимости от конструктивного решения колонны показаны на рис. 8-9.

J b

В первом варианте (рис. 8-9, а) балка опирается на колонну шарнирно-вертикальным опорным ребром жесткости, выпущенным за габарит нижней полки на 10 15 мм. Торцы опорных ребер жесткости для обеспечения требуемой площадки смятия пристрагиваются к центрирующей пластине, привариваемой к опорной плите оголовка колонны. При опирании балок на двухветвевую колонну (рис. 8-9,б) опорные ребра жесткости удалены от торца балки и совпадают с плоскостью стенок ветвей колонны. В этом случае необходимы пригонка и приварка опорных ребер жесткости не только к стенке балки, но и к ее полкам.

В случае примыкания балок к колоннам сбоку различают шарнирное и жесткое решение узла сопряжения. При шарнирном опирании крепление не препятствует свободному повороту балки в опорном узле, что определяет работу балки как однопролетной разрезной системы (рис. 9-9).

В зависимости от назначения балка может примыкать либо к полке колонны (рис. 9-9, а, г, д), либо к стенке колонны (рис. 9-9, б, в). Передача опорной реакции балки на колонну осуществляется через болтовое фланцевое соединение (рис. 9-9, а, б) или с помощью опорных столиков в виде плоской пластины или неравнополочного уголка (рис. 9-9,0, г, д), приваренных к полкам или стенке колонны. С точки зрения удобства производства работ передача опорной реакции через опорный столик предпочтительна.

Жесткое крепление балок к колоннам предусматривают в случае проектирования рамного каркаса или тогда, когда балка перекрытия выполняет одновременно и функцию балки-распорки в вертикальных связях каркаса (рис. 10-9).

При жестком креплении верхняя и нижняя полки балки при помощи горизонтальных планок (рис. 10-9, а) или косынок вертикальных связей (рис. 10-9,б) прикрепляют к колоннам жестко, что препятствует повороту балки в опорном узле.

Стыковые планки и косынки воспринимают горизонтальные составляющие силы S =М/Н, возникающие от действия изгибающего момента в опорном узле. Опорная реакция при жестком креплении балки передается на колонну способом, аналогичным передаче опорной реакции при шарнирном креплении балки к колонне. Применение жесткого узла более трудоемко по сравнению с шарнирным, но на 30 % позволяет снизить расход металла на балки.

Узлы крепления балок к балкам также могут быть шарнирными и жесткими (рис. 11-9).

Предпочтение следует отдавать шарнирным узлам как наиболее простым в производстве работ. При одностороннем примыкании вспомогательных балок к главным (рис. 11-9, а в) от изгиба вспомогательных балок возникает кручение главной балки, что крайне нежелательно. Для предотвращения этого явления в стыке с противоположной вспомогательной балке стороны устраивают ребро жесткости, а под вспомогательную балку вводят косынку, привариваемые к стенке и полкам главной и вспомогательной балок (рис. 11-9 , г, д).

Жесткое крепление балок к балкам делают, как правило, в случае двустороннего примыкания вспомогательных балок к главным (рис. 11-9, е) . Конструктивно такое сопряжение выполняют подобно жесткому стыку балки с колонной.

Соединение поясов со стенкой в сварных балках осуществляют непрерывными угловыми швами. Швы препятствуют взаимному сдвигу пояса и стенки, вследствие чего в них возникают касательные напряжения, являющиеся функцией воздействия поперечной силы (рис. 12-9).

Следовательно, наибольшие значения касательных напряжений будут возникать вблизи опоры. Толщину сварного шва, прикрепляющего полку к стенке, определяют из условий его работы по металлу шва и по металлу границы сплавления.

Расчет и конструирование прессованных и сварных балок из алюминиевых сплавов производят аналогично стальным балкам. Однако учитывая большую деформативность балок из алюминиевых сплавов, их минимальная высота должна быть больше, чем у стальных балок, поэтому значения Н т гп и Н 0 р1 для балок из алюминиевых сплавов определяют соответственно по формулам:

(2-9 m )

(3-9 m )

При конструировании балок из алюминиевых сплавов следует принимать h  5 b .

Коэффициент  b при проверке общей устойчивости алюминиевой балки должен приниматься с учетом требований гл. СНиП 2.03.06-85 «Алюминиевые конструкции».

Лекция 10м. Колонны

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
229.		СТАТИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ РАМ	10.96 KB
	Рамные конструкции СТАТИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ РАМ Рамы представляют собой плоские конструкции состоящие из прямолинейных ломаных или криволинейных пролетных элементов называемых ригелями рамы и жестко связанных с ними вертикальных или наклонных элементов называемых стойками рамы. Такие рамы целесообразно проектировать при пролетах более 60 м однако они могут успешно конкурировать с фермами и балками при пролетах 24 60 м. В статическом отношении рамы могут быть трехшарнирными двухшарнирными и бесшарнирными рис. Трехшарнирные...
230.		СТАТИЧЕСКИЕ И КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ АРОК	9.55 KB
	По статической схеме арки подразделяют на трехшарнирные двухшарнирные и бесшарнирные рис. Двухшарнирные арки менее чувствительны к температурным и деформационным воздействиям чем бесшарнирные и обладают большей жесткостью чем трехшарнирные арки. Двухшарнирные арки достаточно экономичны по расходу материала просты в изготовлении и монтаже и благодаря этим качествам находят преимущественное применение в зданиях и сооружениях. В арках загруженных равномерно распределенной...
2006.		Статические и астатические системы управления	50.28 KB
	Статические и астатические системы управления В зависимости от принципа и закона функционирования ЗУ задающего программу изменения выходной величины различают основные виды САУ: системы стабилизации программные следящие и самонастраивающиеся системы среди которых можно выделить экстремальные оптимальные и адаптивные системы. К этому виду САУ можно отнести заводные игрушки магнитофоны проигрыватели и т.1 обеспечивающие y = ft и системы с пространственной программой в которых y = fx применяемые там где на выходе САУ важно...
7150.		Ключевые элементы данных. Назначение и типы ключей. Типы отношений. Построение отношений	31.46 KB
	Отношения между таблицами Отношения между таблицами устанавливают связь между данными находящимися в разных таблицах базы данных. Отношения между таблицами базы данных BIBLIO. Отношения между таблицами базы данных BIBLIO.
6666.		Аналоговые схемы на ОУ	224.41 KB
	При анализе аналоговых схем ОУ представляется идеальным усилителем, имеющим бесконечно большие значения входного сопротивления и коэффициента усиления, а выходное сопротивление - нулевое. Основным преимуществом аналоговых устройств
2261.		КОНСТРУКТИВНЫЕ И СИЛОВЫЕ СХЕМЫ НАЗЕМНЫХ ГТД	908.48 KB
	Одновальные ГТД Одновальная схема является классической для наземных ГТД и применяется во всем диапазоне мощности от 30 кВт до 350 МВт. По одновальной схеме могут быть выполнены ГТД простого и сложного циклов в том числе и парогазовые установки ПГУ. Конструктивно одновальный наземный ГТД аналогичен одновальным авиационным ТВД и вертолетным ГТД и включает компрессор КС и турбину рис.
6658.		Схемы замещения биполярного транзистора	21.24 KB
	Схемы замещения биполярного транзистора При расчетах электрических цепей с транзисторами реальный прибор заменяется схемой замещения которая может быть либо бесструктурной либо структурной. Поскольку электрический режим биполярного транзистора в схеме ОЭ определяется входным током...
5765.		Составление налоговой схемы в организации	45.31 KB
	9 Принципы налогового планирования.11 Заключение 15 Список литературы17 Введение Сущность налогового планирования заключается в признании за каждым налогоплательщиком права использовать все допустимые законами средства приемы и способы для максимального сокращения своих налоговых обязательств. В основе налогового планирования лежит максимально полное и правильное использование всех разрешенных законом льгот оценка позиции налоговой администрации и основных направлений...
6659.		Биполярный транзистор и схемы его включения	50.81 KB
	Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора.8 для транзистора типа npn. Одна из схем включения транзистора приведена на рис. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда то эмиттерный ток для транзистора типа npn направлен от эмиттера а коллекторный ток к коллектору см.
7184.		СХЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ	37.41 KB
	В начальной стадии развития централизованного теплоснабжения им были охвачены только существующие капитальные и отдельно строящиеся здания в зонах действия источника тепла. Подача тепла потребителям осуществлялась через тепловые вводы предусматриваемые в помещениях домовых котельных. В дальнейшем с развитием централизованного теплоснабжения особенно в районах нового строительства резко возросло количество абонентов присоединяемых к одному источнику тепла. Появилось значительное количество как ЦТП так и МТП у одного источника тепла в...

Балка представляет собой составной линейный элемент несущей конструкции, имеющий минимум две точки опоры (опирается на оба конца) и работающий на изгиб. Использование балки направлено в первую очередь на распределение весовой нагрузки всей конструкции. Наиболее часто применяется горизонтальное использование балки, которая компенсирует вертикальную поперечную нагрузку. А само весовое давление балки компенсируется вертикальными элементами, горизонтальная поверхность которых является точкой опоры для балки. Последующая компенсация приходится на опоры конструкции, если отсутствуют дополнительные промежуточные элементы. Таким образом, взаимокомпенсация весовых нагрузок позволяет обеспечить устойчивость и надежность всей конструкции.

Виды балок в строительстве

На фото: балки двутавровые в устройстве кровли

Существует большое количество официальных классификаторов элементов строительных конструкций. Ниже будет представлены две наиболее объективные классификационные схемы.

Классификация строительных балок по виду материала

Стальная балка представляет собой поперечный или продольный элемент несущей конструкции, выполненный из специальной, углеродистой или низколегированной стали методом горячего или холодного металлопроката. Главное достоинство стальных балок: оптимальная степень прочности при работе на изгиб. Применяются при возведении конструкции, предполагающей повышенную весовую нагрузку или высокую степень опасности: подвесные пути, шахтные стволы и так далее.

Железобетонная балка представляет собой строительный элемент линейного типа, применяемый в несущей конструкции с целью перераспределения веса и повышения устойчивости всей конструкции и состоящий из композиционного материала: бетонная матрица, усиленная стальной арматурой. Железобетонные балки являются более дешевым аналогом стальных балок и применяются на объектах со стандартной весовой нагрузкой: жилищное строительство, возведение зданий промышленного типа.

На фото: железобетонная балка для возведения моста

Деревянная балка представляет собой элемент несущей деревянной или иной облегченный конструкции, выполненный из древесины. Широко применяется для возведения жилых и хозяйственных сооружения из дерева.

На фото: деревянная балка в устройстве перекрытия

Классификация строительных балок по типу торцевого сечения

Сечение прямоугольного типа. Целесообразно в использовании в пролетах с малой длиной.
Сечение «L»-типа. Применение целесообразно при конструировании фасадов сооружений.
Стандартные и двускатные тавровые балки (сечение «T»-типа). Оптимально подходят для пролетов средней длины. В
Балка двутавровая. Имеют повышенную устойчивость и используются для длинных пролетов.
Сечение «V»-типа. Используются в качестве дополнительного элемента для усиления несущей конструкции.
Сечение «VT»-типа. Использование в качестве прогонов.

Двутавровые балки в свою очередь делятся на подкатегории:

Балка двутавровая с параллельными гранями полок. Стандарты и размеры представлены ГОСТом 26020-83.
Стандартная двутавровая балка с углом наклона граней полок от 6 до 12%. Стандарты и размеры представлены ГОСТом 8239-89.
Специальная двутавровая балка, стандарты и размеры представлены ГОСТом 19425-74. Делятся на два подтипа с маркировкой: «M» — двутавровая балка имеет угол наклона граней до 12%; «C» — двутавровая балка имеет угол наклона граней до 16%.

Отдельно необходимо рассмотреть такой элемент несущей конструкции, как ригель (иногда имеет наименование: ригельная балка). Ригель в подавляющем большинстве случаев бывает железобетонным и в отличие от стандартной балки является неотъемлемым элементом рамы (балка – это самостоятельный элемент конструкции). Ригель широко используется при устройстве опалубки.

Расчет прочности балки при работе на изгиб

Для расчета прочности балки на прогиб (то есть определение веса, который данный элемент несущей конструкции способен выдерживать без появления деформаций и иных ведущих к разрушению конструкции факторов) требуется учитывать целый ряд факторов, основными из которых являются:

Длина балки. Чем короче балка, тем большую нагрузку она способна выдержать.
Материал, из которого изготовлена балка. Сталь является наиболее прочным материалом.
Поперечное сечение балки (площадь и форма). Чем больше площадь, тем больше допустима нагрузка на изгиб.
Способ закрепления балки в несущей конструкции. Во многом зависит от формы сечения. Балка двутавровая крепится наиболее прочно.

Для расчета максимальной нагрузки на изгиб используют формулы сопромата. Для упрощения процесса можно использовать онлайн-калькулятор, позволяющий получить достаточно точное значение на основании введенных данных.

Балка типа. Стальная балка и ее важное значение в строительстве. Классификация строительных балок по типу торцевого сечения