Стальные балочные конструкции. Проектирование стальных балок и колонн.

Балки применяют в качестве несущих конструкций покрытий, перекрытий, площадок под оборудование и др. Перекрытия состоят из системы балок - балочная клетка и настил. Как правило, балочная клетка состоит из главных и второстепенных балок (рис.1.1). Главные балки опираются непосредственно на стены и колонны, второстепенные - на главные. По балкам устраивают настил из железобетонных плит или стальных листов (рис.1.6).

Второстепенные балки выполняются из прокатных профилей, а главные - из прокатных двутавров больших профилей (номеров) или изготавливаются сварными, составными из трех листов стенка и два пояса. (рис.1.3).

При эксплуатации перекрытия в условия возможных ударов настил изготавливают из стальных рифленых листов (рис.1.6).

Рис. 1.1. Балочная клетка:

А1-грузовая площадь для балки настила; А 2- то же, для главной балки; А3- то же, для колонны

Рис. 1.2. Типы балочных клеток

а – нормальный с верхним расположением вспомогательных балок; б – то же, со вспомогательными балками в одном уровне с верхней полкой главной балки; в – то же, с пониженным расположением вспомогательных балок; г – усложненный; 1 – главная балка; 2 – вспомогательная балка; 3 – настил.

Рис. 1.3. Схема балочной клетки.

Балки настила, 2 – настил, 3 – габарит оборудования, 4 – главные балки, 5 – вспомогательные балки.

Листы съемного настила могут быть приварены к балкам, они усиливаются ребрами из уголков (рис.5.6). Стальной настил большой толщины может быть использован как верхний пояс сварных балок перекрытий.

Рис. 1.4 Сопряжение второстепенных и главных балок

Рис. 1.5. Настилы балочных клеток

Железобетонная плита, 2 – стальной рифленый настил, 3 – стальной листовой настил, 4 – ребра жесткости.

Рис. 1.6. Типы сечений металлических балок: а – и – стальные или алюминиевых сплавов, г, д – прессованные из алюминиевых сплавов, ж – стальные из гнутых профилей, е, к – сварные; ж, и, л – болтовые

Рис. 1.7. К расчету плоского стального настила: а – крепление настила к балкам и его расчетная схема; б – зависимость l /t от нагрузки и относительного прогиба; 1 – сварные швы.

Сопряжение второстепенных балок с главными дано на рис.1.5 и может быть: в разных уровнях (второстепенные балки расположены над главными или под ними), в одном уровне (верхний пояс второстепенных и главных балок лежат в одной плоскости).

Сопряжения в одном уровне возможны для железобетонного и стального настилов. Пониженное, как правило, применяется при железобетонном настиле, при этом толщина настила должна быть не менее разницы отметок верха главных и второстепенных балок (рис.1.3).

Все виды показанных опираний можно рассматривать как шарнирные из-за небольшого количества болтов, соединяющих балки между собой.

Расчет балки

Расчет проводят по двум предельным состояниям: несущей способности и прогибам. Расчет прокатных балок начинают с нахождения номера профиля по сортаменту и его проверке на прочность, общую устойчивость и жесткость.

Прокатные балки.

Прочность проверяют по формулам:

у = M/_Wn,min ≤ R_y ; ф = QS/I t ≤ R_s (1.1)

где М - изгибающий момент от расчетных нагрузок; W_n,min - минимальный момент сопротивления нетто (с учетом ослаблений); Q - расчетная поперечная сила; S - статический момент сдвигаемой части относительно нейтральной оси; t - толщина стенки; I - момент инерции всего сечения относительно нейтральной оси.

При расчете с учетом развития пластических шарниров по формуле W_n,min = М / С₁ R_y ·г _c , (1.2)

где С₁ - коэффициент, определяемый по табл. 66 приложения V СниП II-23-81*, зависящий от формы сечения и степени развития пластических деформаций.

При расчетах предварительно С₁ = 1,12 с дальнейшим уточнением. В сечениях, где касательные напряжения ф ≤ 0,5 R_s коэффициент С₁ = С, а при 0,5 R_s <ф< 0,9 R_s коэффициент С₁ принимают по формуле

С₁ = 1,05в^. с = 1,05^. с , (1.3)

где б - коэффициент, равный 0,7, изгибаемых в плоскости наибольшей жесткости стенки (для других типов сечений б= 0).

В случаях, когда верхняя полка не гарантирована от потери устойчивости или отношение расчетной длины балки l_ef к ширине сжатого пояса “ b ” превышает допускаемые (СНиП II-23-81* табл. 8 пункты 5.15 и 5.16) проверку осуществляют по формуле

у = М /ц _b W ≤ R_у г _с (1.4)

Значения ц _b определяются с учетом развития пластических деформаций по приложению 7 СНиП II-23-81* по коэффициенту ц ₁ .

На практике достаточно часто предусмотрена связь балок с плоским настилом. Поэтому достаточная жесткость обеспечивает надежное крепление сечения балок и проверка устойчивости не требуется. Устойчивость балок можно не проверять, если отношение расчетной длины участка балки между связями, препятствующими поперечным смещением сжатого пояса l_ef к его ширине “ b ”, не превышает значений (1 < h / b < 6 и b / t < 35), вычисляем по формуле

l_ef / b = д·[0,41 + 0,0032 b / t + (0,73 - 0,016 b / t)] b / h₀ .(1.5)

b, t - соответственно ширина и толщина сжатого пояса балки; h₀ - расстояние между полок; д = [1-0,7(С₁ -1)/ С -1] для балок, работающих в упругой стадии д = 1.

Предельные значения относительных прогибов приведены ниже в табл.1.1.

Таблица 1.1

Наименование элементов конструкций	Относительные прогибы элементов (к пролету l)
Балки и фермы путей под краны: . легкого режима работы (включая ручные краны, тельферы, тали) . среднего режима работы . тяжелого и весьма тяжелого режимов работы	1/400 1/500 1/600
Балки рабочих площадок производственных зданий при наличии рельсовых путей: . ширококолейных . узкоколейных	1/600 1/400
Балки рабочих площадок производственных зданий при отсутствии рельсовых путей и балки междуэтажных перекрытий: . главные балки . прочие балки и косоуры лестниц . стальной настил	1/400 1/250 1/150
Балки и фермы покрытий и чердачных перекрытий: . несущее подвесное и подъемно-транспортное или технологическое оборудование . не несущие подвесное оборудование . прогоны . профилированный настил	1/400 1/250 1/200 1/150
Элементы фахверка: . ригели . прогоны остекления	1/300 1/200

Относительный прогиб балки однопроцентной, загруженной равномерно распределенной нормативной нагрузкой qⁿ, вычисляется по формуле

f / l = 5/384(qⁿl ³/ ЕI) < 1/ n₀ , (1.6)

где 1/ n₀ - предельный относительный прогиб; Е - модуль упругости (МПа)