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
Расчетпроводят 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 ≤ Ry ; ф = QS/I t ≤ Rs (1.1)
где М - изгибающий момент от расчетных нагрузок; Wn,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 Wn,min = М/С1 Ry·гc , (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 Rs коэффициент С1 = С, а при 0,5 Rs <ф< 0,9 Rsкоэффициент 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 lef 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/цb W ≤ Rугс (1.4)
Значения цb определяются с учетом развития пластических деформаций по приложению 7 СНиП II-23-81* по коэффициенту ц1 .
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 lef к его ширине “b”, не превышает значений (1 < h/b < 6 и b/t < 35), вычисляем по формуле
lef/b = д·[0,41 + 0,0032b/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(qnl3/ЕI) < 1/n0 , (1.6)
где 1/n0 - предельный относительный прогиб; Е - модуль упругости (МПа)