Изменение сечения балок по длине.

Назначение высоты составных балок (оптимальная, минимальная высота балки, строительная высота перекрытия).

Высота балки определяется экономическими соображениями, максимально допустимым прогибом балки и в ряде случаев строительной высотой конструкции перекрытия, т. е. разностью отметок верха настила и верха помещения под перекрытием

При компоновке сечения балки в ходе назначения высоты сечения должны выполняться следующие требования

где h_min назначается из условия жесткости балки, h_opt из условия рационального распределения материала между элементами балки, а h_стр из принятой схемы сопряжения балок в балочном перекрытии.

Наибольшая высота в большинстве случаев диктуется экономическими соображениями.

Масса балки состоит из массы ее поясов, стенки и некоторых конструктивных элементов, учитываемых конструктивным коэффициентом, причем с увеличением высоты балки масса поясов уменьшается, а масса стенки увеличивается.

Так как функции массы поясов и стенки с изменением высоты балки изменяются неодинаково - одна убывает, а другая возрастает, то должно быть наименьшее значение суммы обеих функций, т. е. должна быть высота, при которой суммарный вес поясов и стенки будет наименьшим. Высота эта называется оптимальной , так как она определяет наименьший расход материала на балку.

Наименьшая рекомендуемая высота балки определяется жесткостью балки - ее предельным прогибом (второе предельное состояние). Минимальную высоту балки можно получить из формулы прогиба. Для равномерно распределенной по длине балки нагрузки:

Выбор высоты балки. Закономерности изменения высоты балки показывают, что наиболее целесообразно принимать высоту балки близкой к , определенной из экономических соображений, и не меньшей , установленной из условия допустимого прогиба балки. Естественно, что во всех случаях принятая высота балки в сумме с толщиной настила не должна превышать заданную строительную высоту перекрытия.

Высоту балки также следует согласовывать с размерами ширины листов по сортаменту. Желательно, чтобы стенка по высоте выполнялась из одного листа шириной не более 2000 - 2200 мм. Если необходима стенка большей высоты, приходится усложнять конструкцию балки устройством продольного стыка стенки.

Во всех случаях высоту составной балки в целях унификации конструкций рационально принимать в круглых числах, кратных 100 мм.

Изменение сечения балок по длине.

Сечение составной балки, подобранное по максимальному изгибающему моменту, можно уменьшить в местах снижения моментов (в разрезных балках - у опор). Однако каждое изменение сечения, дающее экономию материала, несколько увеличивает трудоемкость изготовления балки, и потому оно экономически целесообразно только для балок пролетом 10 - 12 м и более.

Рис. 7. Изменение сечения балок по длине

а - изменением высоты балки

б - изменением ширины поясов

в - изменением толщины поясов

г - изменением количества горизонтальных листов

д - непрерывным изменением ширины поясов

Изменить сечение балки можно, уменьшив ее высоту или сечение поясов (рис. 7). Изменение сечения уменьшением высоты стенки балки (см. рис. 7, а) более сложно, может потребовать увеличения толщины стенки для восприятия касательных напряжений, а потому применяется редко.

Сечение балки можно изменить уменьшением ширины или толщины пояса. В сварных балках распространено изменение ширины пояса (см. рис. 7, б), высота балки при этом сохраняется постоянной (верхний пояс гладкий и возможны как поэтажное опирание балок, поддерживающих настил, так и укладка рельса подкрановой балки); менее удобно изменять толщину пояса, так как балка оказывается неодинаковой высоты (см. рис. 7, в), при этом усложняется и заказ стали.

В клепаных балках и балках с поясными соединениями на высокопрочных болтах сечения изменяют уменьшением или увеличением числа горизонтальных листов (см. рис. 7, г).

В разрезных сварных балках пролетом до 30 м принимается одно изменение сечения пояса (по одну сторону от оси симметрии балки по длине). Введение второго изменения сечения поясов экономически нецелесообразно, так как дает дополнительную экономию материала лишь на 3 - 4 %. Более значительной экономии стали можно достигнуть путем непрерывного изменения ширины поясов (см. рис. 7, д), получаемого диагональным раскроем широкополосной стали кислородной резкой. Однако оно связано с увеличением трудоемкости изготовления балки и применяется редко.

Стык различных сечений пояса может быть прямым или косым. Прямой шов удобнее, но он будет равнопрочен основному металлу в растянутом поясе только при обязательном выводе концов шва на подкладки и автоматической сварке или при ручной сварке с применением физических методов контроля. Иногда, желая упростить стык растянутого пояса балки, делают его прямым с ручной или полуавтоматической сваркой без применения сложных методов контроля шва. В этом случае уменьшенное сечение пояса балки принимают из условия прочности стыкового шва на растяжение.

В балках с поясными соединениями на заклепках или болтах сечения изменяют количеством поясных листов

40. Работа и расчёт сварных соединений поясов балки со стенкой.

Соединение поясов составной балки со стенкой осуществляют в сварных балках поясными швами, в клепаных и болтовых - поясными заклепками или болтами (см. рис. 11).

При изгибе балки это соединение предотвращает сдвиг поясов относительно стенки балки (см. рис. 11, а), который был бы при раздельной самостоятельной работе элементов балки на изгиб. Такое соединение поясов со стенкой превращает все сечение в монолитно работающее. В сварных балках, работающих без учета пластических деформаций, при хорошей обеспеченности местной устойчивости стенки не превышают , возможно применение односторонних поясных швов. В балках, работающих с учетом пластических деформаций, применение односторонних поясных швов не допускается.

Рис 11. Работа поясных швов, заклепок и болтов

а - сдвиг незакрепленных поясов относительно стенки

б - работа поясных швов, заклепок и болтов

в - поясные швы, поясные заклепки и болты

Расчет соединений ведется на силу сдвига пояса относительно стенки (см. рис. 11, б). В сварных балках сдвигающую силу Т, приходящуюся на 1 см длины балки, определяют через касательные напряжения

(7.43)

Сдвигающая сила стремится срезать поясные швы, а потому сопротивление этих швов срезу должно быть не меньше силы Т:

(7.44)

41. Работа и расчёт опорного ребра составной балки.

Опорные ребра жесткости в составных балках всегда ставят (полезно их ставить даже в прокатных балках). Основное назначение их — препятствовать потере устой­чивости стенки от местных напряжений смятия , появляющихся в результате воздействия опорной реакции.

Считается, что все сминающие напря­жения передаются через торцы опорного ребра. Торцы должны быть плотно подогнаны к опорной поверхности и проверены на смятие.

Расчет опорного ребра жесткости. Торцы ребра, через которые передается опорная реакция, должны быть рассчитаны на смятие: из-за неравномерного распределения напряжений в длинных угловых швах в расчет можно вводить длину.
Кроме того, необходимо проверить устойчивость опор­ного участка балки. Он условно рассчитывается на про­дольный изгиб из плоскости балки как стойка, централь­но-нагруженная опорной реакцией:

В расчетное сечение этой стойки Fon включается ребро жесткости и полоса стенки шириной по 15 бст с каждой стороны ребра, т. е. та часть стенки, которая заведомо останется устойчивой, если ее даже рассматривать как длинную пластинку, защемленную только с одной сторо­ны. Расчетная длина стойки принимается равной высоте стенки .

Опирание балок на нижележащие конструкции может быть шарнирным и жестким, в первом случае передается только опорная реакция (чаще всего вертикальная), во втором случае еще и момент. Шарнирное опирание применяют в большинстве балочных конструкций, жесткое – в каркасах многоэтажных зданий. Вертикальные реакции передаются опорными ребрами жесткости, которые располагаются у торца стенки или на небольшом расстоянии от него. Торцевые применяются при примыкании балок к колоннам сбоку (рис. 9.5, б) или когда необходимо реакции от двух балок передать как можно ближе к центру тяжести сечения колонны (рис. 9.5, а). В последнем случае при неодинаковом загружении балок на колонну передается минимальный момент. Удаленные от торца ребра жесткости применяются, если реакцию балки нужно передать на ветвь сквозной колонны, на полку колонны из двутавра (рис. 9.5, в) или на каменную стену.

Торцы опорных ре­бер жесткости строгают, чтобы они через плотное касание передавали опорную реак­цию на колонну или нижний пояс балки. Выступающая часть торцевого ребра принимается 15–20 мм. Сечение опорного ребра жесткости проверяется на смятие или сжатие опорной реакцией V: · при ; · при . Ширина опорного ребра принимается равной ширине пояса балки на опоре , толщина мм.

Проверка устойчивости из плоскости балки опорных ребер жесткости с участками стенки не более c каждой стороны ребра (рис. 9.6) делается на опорную реакцию по формуле

,

где A – площадь сечения опорного ребра жесткости вместе с примыкающими к нему участками стенки. Проверка устойчивости выполняется на длине ребра.

Рис. 9.6. Схемы расположения опорных ребер жесткости
(к расчету): а – торцевое; б – удаленное от торца

Проверка вертикальных швов выполняется по формулам:

· по металлу шва

;

· по зоне сплавления

.

Как правило, катет швов выполняется минимальным по конструктивным соображениям [1, табл. 38], и проверки выполняются с большим запасом.

Стыки прокатных балок.

Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные (укрупнительные).

Заводские стыки представляют собой соединения отдельных частей какого-либо элемента балки (стенки, пояса), выполняемые из-за недостаточной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с ребрами жесткости и т.п.). Чтобы ослабление сечения балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т. е. вразбежку.

Монтажные стыки выполняются при монтаже, они необходимы тогда, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонтировать ее целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симметрично относительно середины балки), удовлетворяющие требованиям транспортирования и монтажа наиболее распространенными средствами.

В монтажных стыках удобно все элементы балки соединять в одном сечении. Такой стык называется универсальным.

Стыки прокатных балок (заводские и монтажные) выполняют, как правило, сварными. Возможные конструктивные решения их показаны на рис. 12.

Рис 12. Стыки прокатных балок

а - встык

б - встык с накладками

в - только накладками

Наиболее просто и удобно непосредственное соединение балок встык (см. рис. 12, а). Чтобы уменьшить усадочные сварочные напряжения, необходимо варить стык быстрее; чтобы охлаждение шло более равномерно, следует начинать варить с менее жесткого элемента - стенки. Однако при ручной сварке такого стыка с применением обычных способов контроля сварки растянутый пояс балки в стыке будет иметь меньшую прочность, чем вне стыка, так как расчетное сопротивление сварного шва встык на растяжение меньше расчетного сопротивления основного металла.

(7.45)

При необходимости устройства стыка в сечении, где действует больший изгибающий момент, делают прямое соединение балок встык, а полки усиливают накладками (см. рис. 12, б). Изгибающий момент в таком стыке воспринимается швами и накладками. Расчет момента производится по формуле:

(7.46)

Отсюда определяем расчетное усилие в накладке:

(7.47)

затем площадь поперечного сечения накладки

(7.48)

Угловые швы, прикрепляющие накладку к балке, должны быть рассчитаны на усилие в накладке. Чтобы уменьшить сварочные напряжения, эти швы не доводят до оси стыка на 25 мм с каждой стороны