Компоновка и выбор схемы балочной клетки.

Систему взаимно пересекающихся несущих металлических (стальных) балок в перекрытиях зданий или сооружений, рабочих площадок цехов, проезжих частей мостов обычно называют балочной клеткой. Балочная клетка предназначена для опирания настила (металлического или железобетонного) и передачи нагрузки с настила на колонны или другие поддерживающие конструкции.

Балочные клетки по схеме расположения балок подразделяются на два основных типа: нормальный и усложненный (рис. 1).

В балочной клетке нормального типа (рис. 1, а, б) нагрузка с настила непосредственно через балки настила передается на главные балки, опирающиеся на колонны или другие несущие конструкции. В балочной клетке усложненного типа (рис. 1, в) балки настила опираются на вспомогательные балки, которые крепятся в свою очередь к главным балкам.

Рациональная конструктивная схема балочной площадки зависит, прежде всего, от шага балок настила. Для технико-экономического сравнения рассматриваются несколько вариантов балочной клетки.. Шаг балок настила принимается в пределах а = 0,6…1,6 м (в зависимости от несущей способности стального листового настила), а вспомогательных балок – в пределах b = 2…5 м. Крайние балки настила (нормальный вариант балочной клетки), как правило, совмещаются с разбивочными осями, а вспомогательные – (усложненный вариант балочной клетки) привязываются к разбивочным осям расстоянием, равным b/2.

Сопряжение балок по высоте может быть поэтажным, в одном уровне, и пониженным (рис. 5). При поэтажном (рис. 5, а) – балки одного направления (настила) укладываются поверх балок перпендикулярного им направления (главные балки). Такой вариант наиболее прост и удобен в монтажом отношении, но требует наибольшей строительной высоты перекрытия – h_стр. При сопряжении в одном уровне (рис. 5, в) – верхние полки балок настила и главных балок расположены в одном уровне, а на них опирается настил. Этот вариант сопряжения балок позволяет увеличить высоту главной балки в пределах заданной строительной высоты перекрытия. Пониженное сопряжение балок (рис. 5, в) применяется в балочных клетках усложненного типа. При таком варианте вспомогательные балки примыкают к главным ниже их верхнего пояса, а балки настила располагаются поэтажно по отношению к вспомогательным.

Толщина стального прокатного листа настила назначается в зависимости от интенсивности полезной нагрузки. В курсовой работе толщину листа следует принимать: t_н= 6...8 мм при u 10 кН/м²; t_н=8...10 мм при u = 11...20 кН/м²; t_н = 10...12мм при u = 21...25 кН/м²; t_н = 12...14 мм при u = 26...30 кН/м²; t_н = 14...16 мм при u > 30 кН/м².

Расчет настила.

Для стального настила применяются плоские листы толщиной 6...16 мм, которые располагаются на балках настила (рис. 2, а) и привариваются непрерывными сварными швами. Приварка настила к балкам делает невозможным сближение опор настила при его прогибе под нагрузкой. Поэтому расчетная схема настила (рис. 2, б) представляет собой закрепленную шарнирно-неподвижную на опорах полосу единичной ширины, испытывающую под действием поперечной силы изгиб по цилиндрической поверхности ( , с. 130; , с. 462).

Значение предельного пролета настила из условия обеспечения его жесткости (рис. 2) вычисляются по формуле:

где E = 2,06×10⁵ МПа – модуль упругости стали;

n = 0,3 – коэффициент поперечной деформации стали (Пуассона);

n₀ – заданное отношение пролета настила к его предельному прогибу, n₀ = [l / f], (для стального настила n₀ = 150).

Шаг балок настила (а) устанавливаются повычисленному размеру пролета настила (l_н). Для этого значение n = L/l_н округляется до целого числа и вычисляется уточненное значение шага балок настила. Допускается увеличение шага балок настила (а) по отношению к определенному пролету настила (l_н) на 100…120 мм, так как фактический расчетный пролет настила – расстояние между краями полок соседних балок настила – меньше шага балок настила на ширину полки балки настила (b_f).

Усилие (распор) Н, на действие которого надо проверить сварные швы, прикрепляющие настил к поддерживающим его балкам, можно определить по приближенной формуле (7.3) [1]:

.

Пример (исходные данные в Общих данных).

Требуется выбрать рациональную конструктивную схему балочной клетки на основе проработки и технико-экономического сравнения двух вариантов нормального и одного варианта усложненного ее конструктивного решения рис. 1. В соответствии с интенсивностью заданной полезной нагрузки, u = 25 кН/м, назначается толщина листов плоского стального настила: вариант I - t_н = 10 мм; вариант II - t_н =14 мм; вариант III - t_н =10 мм. Материал настила – сталь С235. Отношение пролета настила к его предельному прогибу, n₀ = [l / f], принимается 150.

Для намеченных вариантов конструктивных схем балочной клетки рассчитывается настил, балки настила, вспомогательные балки и определяются технико-экономические показатели рассмотренных вариантов из условия обеспечения наименьших затрат металла.

Нагрузки на расчетную полосу шириной 1см:

Нормативная:

q_n = u×10^-4 = 25×10^-4кН/см =2,5Н/см;

расчетная:

q = g_f ×u×10^-4 = 1,2×25×10^-4 = 30×10^-4 кН/см =3,0 Н/см,

где u = 25 кН/м² – полезная нагрузка в соответствии с заданием;

g_f = 1,2 – коэффициент надежности по нагрузке для временной нагрузки.

Рис. 1. Варианты балочных клеток:

1 – главная балка; 2 – балки настила; 3 – вспомогательная балка.

Определяется расчетный пролет настила (исходя из несущей способности намеченных вариантов настила):

вариант I и III (t_н = 10 мм):

;

вариант II (t_н = 14 мм):

Рис. 2. Плоский стальной настил и его

расчетная схема.

Число балок настила:

вариант I: принимаем n = 16, тогда шаг балок настила = L/(n-1)=1м < (l_н +100 мм) = 914 + 100 = = 1014 мм. Схема расстановки балок настила показана на рис.1.а;

вариант II: принимается n = 13, тогда шаг балок настила а = 1,25 м. Схема расстановки балок настила показана на рис.1.б;

вариант III: принимается n = 6, тогда возможный шаг балок настила а = 1 м. Схема расстановки балок настила показана на рис.1.в

Определяется усилие Н, на действие которого надо проверить сварные швы, прикрепляющие настил к поддерживающим его балкам:

вариант I и III (t_н = 10 мм):

вариант II(t_н=14 мм):

Прикрепление настила к поддерживающим ее конструкциям выполняется полуавтоматической сваркой в углекислом газе (по ГОСТу 8050-85) в нижнем положении (проволока марки Св-08 d=1,4…2мм). Для этих условий и стали С235: R_wf=180МПа; R_wz= = Учитывая, что расчетный катет углового шва вычисляем по формуле 120 [3][1]:

где l_w = 1 см - расчетная длина шва;

b_f = 0,9 и =1,05 - коэффициент по таблице 34^*;

g_wf = 1 - коэффициент условий работы шва (п.11.2^*);

- расчетное сопротивление сварного шва по металлу шва, табл. 56;

R_un –нормативное сопротивление листового проката, табл. 51*

вариант I и III (t_н = 10 мм):

в соответствии с табл. 38^* принимается минимально допустимый катет шва при t_н =10 мм k_f = 4 мм;

вариант II (t_н = 14 мм):

принимается минимально допустимый катет шва k_f = 6 мм.

Результаты расчета стального настила сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Расчет стального настила.

Расчетные параметры		Вариант
	I	II	III
Толщина настила tн, мм	10	14	10
Расчетный пролет настила, см	91,4	128	91,4
Принятый пролет настила, см	100	125	100
Число балок настила n	16	14	25
Расчетные усилия H, кН	2,97	4,2	2,97
Расчетный катет углового шва, мм	1,8	2,6	1,8
Принятый катет углового шва, мм	5	5	5
Масса настила m1, кг/м2	78,5	109,9	78,5