Общая характеристика балок и балочных конструкций

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Одесская государственная академия строительства и архитектуры

Кафедра "Металлических, деревянных и пластмассовых конструкций"

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К практическим занятиям

по дисциплине "Металлические конструкции"

для студентов специальности "Промышленное и гражданское строительство"

(форма обучения - дневная)

ОДЕССА - 2012

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Одесская государственная академия строительства и архитектуры

Кафедра "Металлических, деревянных и пластмассовых конструкций"

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К практическим занятиям

по дисциплине "Металлические конструкции"

для студентов специальности "Промышленное и гражданское строительство"

(форма обучения - дневная)

ОДЕССА - 2012

«УТВЕРЖДЕНО»

Ученым советом

Одесской государственной академии строительства и архитектуры

протокол № ___ от ________ 2012 года

Составители:к.т.н., доц. Гилодо А.Ю.

к.т.н., доц. Купченко Ю.В.

к.т.н., проф. Михайлов А.А.

к.т.н., доц. Сингаевский П.М.

к.т.н., доц. Коршак О.М.

ас. Бояджи А.А.

ас. Хабибулин А.Н.

Рецензенты:

В настоящих методических указаниях приводятся основные рекомендации по компоновке металлических балочных клеток, излагается методика расчета и конструирования балок прокатного профиля.

Методические указания предназначены для студентов специальности "Промышленное и гражданское строительство" ﴾бакалавр 6.060101﴿ изучающих курс "Металлические конструкции".

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой Металлических, деревянных и пластмассовых конструкций ОГАСА, д.т.н., проф. Стоянов В.В.

Оглавление

Введение. 5

Общая характеристика балок и балочных конструкций. 6

Прокатные балки. 9

Классификация конструкций согласно ДБН В.2.6-163:2010. 9

Расчет вспомогательных балок. 11

Примеры решения задач. 17

Задачи для самостоятельного выполнения. 41

Литература. 44

Приложение. 45

Введение

Цель практических занятий по дисциплине "Металлические конструкции" - получение студентами навыков расчета и конструирования балок из различных типов прокатных профилей.

Рекомендации даны из предположения использования для строительства в районе с расчетной температурой t ≥ -30 . Коэффициент условий работы принимать по таблице 1.1.1 [1], коэффициент надежности при проверке общей устойчивости балки – 0,95, коэффициент надежности по материалу γ_m – по таблице 1.3.2[1]

Задание к контрольной работе выдается преподавателем и содержит следующие исходные данные:

1. пролет вспомогательных балок (l);

2. шаг вспомогательных балок (a);

3. временную характеристическую нагрузку на перекрытие (p_n);

4. схема опирания балок;

5. материал конструкций:

a) настила;

b) вспомогательных балок;

Общая характеристика балок и балочных конструкций

Одним из наиболее распространенных элементов стальных конструкций является балка или элемент, работающий на изгиб.

Классификация балок

Рис.1. Статические схемы балок: а - разрезная; б - неразрезная; в - консольная

По статической схемеразличают однопролетные (разрезные), многопролетные (неразрезные) и консольные балки ( рис. 1 ). Разрезные балки проще неразрезных в изготовлении и монтаже, нечувствительны к осадкам опор, но уступают последним по расходу металла на 10...12%. Неразрезные балки разумно применять при надежных основаниях, когда нет опасности перегрузки балок вследствие резкой разницы в осадке опор. Консольные балки могут быть как разрезными, так и многопролетными. Консоли разгружают пролетные сечения балок и тем самым повышают экономические показатели последних.

По типу сечениябалки могут быть прокатными либосоставными: сварными, клепаными или на болтах (рис. 2).

В строительстве наиболее часто применяют балки двутаврового сечения. Они удобны в компоновке, технологичны и экономичны по расходу металла

Рис. 2. Прокатные и составные сечения балок:

а - прокатные; б - составные сварные; в - клепаные и болтовые

Наибольший экономический эффект (при прочих равных условиях) может быть получен в тонкостенных балках. Хорошим критерием относительной легкости изгибаемого элемента служит безразмерное соотношение , где W -момент сопротивления, А - площадь сечения.

Для прямоугольногосечения с шириной b и высотой h, если принять для определенности отношение h/b равным 2...6, этот показатель составляет 0,38...0,55, а для отечественных прокатных двутавров - 1,25...1,45, т.е. в принятых условиях двутавр в 3...4 раза выгоднее простого прямоугольного сечения. Кроме двутавра применяют и другие формы сечений. Так, при воздействии на балку значительных крутящих моментов предпочтительнее применение замкнутых, развитых в боковой плоскости сечений, примеры которых показаны на рис. 3.

Рис. 3. Замкнутые сечения балок

Также в литературе наряду с , мерой эффективности сечения приводится ядровое расстояние . Если сравнить по этому показателю несколько форм сечений, например круглое – (d-диаметр), прямоугольное – (h-высота сечения) и двутавровое – (h-высота двутавра), то понятно, что последнее является наиболее выгодным по расходу материала. Более того, значительное уменьшение толщины стенки двутавра приводит к увеличению значения ρ к 0,5 h, что используется при проектировании облегченных балок. Эффективность двутавров, а также (в меньшей степени) и швеллеров объясняется соответствием их формы эпюре нормальных напряжений (рис.4) при изгибе. При этом полки двутавра работают в основном на восприятие изгибающего момента, а стенка – поперечной силы (рис. 5).

Рис. 4. Сравнение типов сечений балок

σ t

Рис. 5. Нормальные и касательные напряжения, возникающие в двутавре

Экономическая эффективность сечений, таким образом, тесно связана с их тонкостенностью. Предельно возможная тонкостенность прокатных балок определяется не только требованиями местной устойчивости стенок, но и возможностями заводской технологии прокатки профилей. Местная устойчивость стенок составных сечений может быть повышена конструктивными мерами (постановкой ребер жесткости, гофрированием стенок и т.п.). С точки зрения восприятия только изгибающего момента наиболее эффективным сечением будет такое, в котором весь материал сосредоточен в полках, а площадь стенки равна нулю. Это так называемый идеальный двутавр, в котором . Однако для восприятия касательных напряжений, возникающих от перерезывающей силы, необходима стенка. В конструкциях, в которых сдвиговые напряжения не слишком велики и не оказывают решающего влияния на параметры сечения, в последнее время все чаще применяют тонкостенные балки – балки с гибкими и с гофрированными стенками. Стремление получить развитое по высоте эффективное сечение из прокатных профилей привело к созданию балок с перфорированной стенкой (рис. 6).

Рис. 6. Балка симметричного сечения:

а – раскрой двутавра; б – вид балки с перфорированной стенкой

Эффективность использования тонкостенных и перфорированных балок возрастает с увеличением пролета и уменьшением нагрузки. Область применения балок очень широка, однако наиболее эффективно применять их при пролетах до 12 ... 18 м. При использовании тонкостенных балок их пролет увеличивается до 30 м.

В зависимости от пролета, назначения, величины нагрузки и её характера применяют балки прокатные (двутаврового или швеллерного сечения) и составные - двутавровые сварные или на высокопрочных болтах из отдельных листов, либо из прокатных профилей. При небольших нагрузках, чаще в легких конструкциях, эффективны балки из холодногнутых швеллеров и Z-профилей.

Благодаря простоте конструктивной формы и надежности в работе балки широко используются в конструкциях различного назначения: междуэтажных перекрытиях, эстакадах, мостах и т.д. Для размещения технологического оборудования, его обслуживания и ремонта в промышленных зданиях устраивают рабочие площадки, состоящие из настила и балок, поддерживающих его.

Площадки крепят обычно к основным несущим конструкциям здания или к конструкциям, которые поддерживают оборудование. Рабочие площадки под значительную нагрузку опирают, как правило, на самостоятельные колонны, а их пространственную устойчивость обеспечивают вертикальными связями.

В конструкциях рабочих площадок часто применяют сплошные настилы - стальные с гладкой или рифленой стали, железобетонные (монолитные или из сборных плит), а также сталежелезобетонные. В технологических площадках для обслуживания оборудования используют также решетчатый настил. В сталежелезобетонных настилах стальной лист при бетонировании выполняет функции опалубки, а затем включается в совместную работу с бетоном.

Прокатные балки

Прокатные балки применяют для перекрытия небольших пространств. Их используют в балочных клетках; для перекрытия подвалов, гаражей, складских помещений; в качестве прогонов покрытий производственных зданий; в конструкциях эстакад, виадуков, мостов и многих других инженерных сооружениях.

В сравнении с составными, прокатные балки более металлоемки за счет увеличенной толщины стенки, но менее трудоемки в изготовлении. Стенки прокатных балок не требуется укреплять ребрами жесткости, за исключением опорных зон и зон приложения значительных сосредоточенных сил. Отсутствие сварных швов в областях контакта полок со стенкой существенно уменьшает концентрацию напряжений и снижает уровень начальных несовершенств.