Конструкции стальной балочной клетки

 

Балочные перекрытия в зданиях различного назначения, а также покрытия рабочих площадок могут выполняться из стальных конструкций. Рабочие площадки служат для размещения производственного оборудования на определенной высоте в помещении цеха промздания. В конструкцию площадки входят колонны, балки, настил и связи (рис.1). Система несущих балок стального покрытия называется балочной клеткой.

 

 

Рис.1. Конструкции рабочей балки

1 – колонны; 2 ­– главные балки; 3 – балки настила; 4 – настил; 5 – связи

 

В качестве покрытия балочной клетки (несущего настила) обычно применяются плоские стальные листы, которые в виде полос укладываются на балки настила и крепятся к ним при помощи электросварки.

Балочные клетки могут быть упрощенного, нормального или усложненного типа (рис.2)

 

 

 

Рис.2. Типы балочных клеток

а) – упрощенный тип; б) – нормальный тип; в) – усложненный тип;

1 – балки настила; 2 –стены; 3 – главные балки; 4 – колонны; 5 – вспомогательные балки.

 

В упрощенном типе клетки расстояние между стенами или колоннами сравнительно невелико и ограничивается по экономическим соображениям, так как при частом расположении длинных балок (что обусловлено малой величиной пролета настила) возникает противоречие между получаемой несущей способностью и требуемой жесткостью балок.

В нормальном типе клетки расстояние между колоннами может быть больше, чем в упрощенном типе, так как шаг главных балок не зависит от пролета настила.

В усложненном типе клетки имеются еще и вспомогательные балки, на которые опираются балки настила. При этом возрастает трудоемкость монтажа конструкций. Однако расход стали на площадку часто оказывается меньше, чем в предыдущем типе.

Тип балочной клетки выбирается на основании сравнения технико-экономических показателей при вариантном проектировании.

Сопряжение балок по высоте может быть поэтажным или в одном уровне (для нормального типа клетки), а также пониженным (для усложненного типа клетки) (рис.3).

 

 

 

Рис.3 Сопряжения балок.

а) поэтажное; б) в одном уровне; в) пониженное; Н_с - строительная высота перекрытия; 1 - главная балка; 2 - балка настила; 3 - настил; 4 - вспомогательная балка.

 

Поэтажное сопряжение является наиболее простым при монтаже конструкций, но соответствует наибольшей строительной высоте перекрытия. Сопряжения в одном уровне и пониженное позволяют сохранить оптимальную высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия, но усложняют конструкцию примыкания балок.

 

Пример расчета стальной балочной клетки

 

Требуется составить два варианта балочного перекрытия рабочей площадки (нормального и усложненного типа).

В каждом варианте по заданной толщине настила расчетом определяется его пролет и подбираются сечения прокатных балок (вспомогательной и балки настила).

После выбора варианта к дальнейшему проектированию, рассчитывают составную сварную главную балку площадки, а также колонну с базой и оголовком.

Исходные данные

Временная нагрузка 18 кН/м^{2 ;}

Толщина настила   площадки нормального типа – 10 мм;

                                    площадки усложненного типа – 6 мм;

Пролет главной балки – 16.5 м;шаг главных балок – 6 м;

Габарит помещения под перекрытием – 6.7 м;

Отметка верха настила – 8.4 м;

Тип сечения колонны – сплошная (сквозная);

Сталь настила и прокатных балок – С235;

Сталь главной балки и колонны – С255.

 

2.1. Разработка вариантов стальной балочной клетки

Вариант 1. Балочная клетка нормального типа

Расчет настила

Таблица 1

Сбор нагрузки на 1м² настила

 

	Наименование нагрузки	Нормативная (кН/м2)	gf	Расчетная (кН/м2)
1	Временная P	18	1.2	21.6
2	Собственный вес настила где удельный вес стали –	0.77	1.05	0.81
	Итого

 

 

Средняя величина коэффициента надежности по нагрузке

Принимаем расчетную схему настила (рис.4).

 

Рис.4 Расчетная схема настила

                       1–настил; 2–балка настила; 3–сварные швы

 

Сварные швы крепления настила к балкам не дают возможности его опорам сближаться при изгибе. Поэтому в настиле возникают растягивающие цепные усилия . Защемление настила сварными швами на опорах в запас не учитывают, считая опоры шарнирно неподвижными. Изгиб настила происходит по цилиндрической поверхности. Цилиндрический модуль упругости стали определяется по формуле:

 

.

 

В расчете определяется наибольший пролет полосы настила единичной ширины при заданной толщине листа  и предельном прогибе

 

.                    (1)

 

В нашем примере после подстановки величин   и  в формулу (1), получаем:

 

          

                                             (2)

 

В целях экономии стали пролет  следует принимать как можно ближе к  так, чтобы длина главной балки была кратна пролету . Так как величина   зависит от пролета настила , задачу решают попытками, принимая пролет настила в интервале от 0.5 до 2.5 м. Принимаем  В этом случае пролет  укладывается одиннадцать раз по длине главной балки:  По табл.1 Приложения интерполяцией находим предельный прогиб   для пролета :

Далее, по формуле (2) вычисляется наибольший пролет:

 

 

Так как принятый пролет настила превышает предельный  увеличиваем число пролетов настила на один и получаем:  Интерполяцией по табл.1 Приложения вновь определяем  и повторно находим наибольший прогиб:

         

 

Так как  на этом расчет заканчиваем.

В целях упрощения крепления балки настила к главной у ее опоры, смещаем на половину шага в пролет первую и последнюю балки настила. Тогда разбивка главной балки на панели имеет вид:  (рис.5).

 

 

 

Рис.5 Схема балочной клетки нормального типа (1 вариант)

            1- колонна; 2- главные балки; 3-балки настила.

 

Проверка прогиба настила

Вначале вычисляется балочный прогиб, то есть прогиб от поперечной нагрузки в середине полосы шириной  метр, имеющей цилиндрическую жесткость , без учета растягивающей силы :

 

 

 

Прогиб настила с учетом растягивающей силы  определяется по формуле:  Коэффициент  находится из решения кубического уравнения                                           (3)

Для решения примем , тогда ,

где  

 

В нашем случае: ;

 

;

 

;

 

прогиб настила

 

относительный прогиб

 

предельный прогиб

 

Так как  проверка прогиба удовлетворяется.

 

Проверка прочности настила

Изгибающий момент с учетом приварки настила на опорах:

 

.

 

Растягивающая сила

 

.

 

Проверка прочности полосы настила шириной

 

 

Здесь площадь сечения настила

 

момент сопротивления настила