Общая характеристика балок. Типы сечений балок. Расчет прокатных балок. Проверка прочности

ЛЕКЦИЯ 10

БАЛКИ

Балками называются конструктивные элементы сплошного сечения, работающие на изгиб. Благодаря простоте и малой стоимости изготовления, удобной конструктивной форме, небольшой строительной высоте балки находят широкое применение в строительных конструкциях.

Характерной областью применения балок являются относительно небольшие пролеты при наличии больших нагрузок. В случае больших пролетов (более 20 м) и малых нагрузок балки оказываются существенно тяжелее ферм и применение их становится нерациональным.

Общая характеристика балок

Балки применяют в перекрытиях и покрытиях зданий, в пролетных строениях мостов, а также в качестве подкрановых конструкций производственных зданий.

Балки работают в основном на поперечный изгиб, воспринимая изгибающий момент и поперечную силу. Однако необходимо знать, что в них почти всегда присутствует крутящий момент, потому что крайне трудно обеспечить передачу нагрузки строго в срединной плоскости.

Металлические балки могут быть классифицированы в зависимости от ряда признаков.

По статической схеме балки могут быть разрезными, консольными и неразрезными. Неразрезные балки экономичнее по затратам металла, но более трудоемки в изготовлении и монтаже, чем разрезные.

По типу сечения балки разделяются на прокатные и составные. Прокатные выпускаются заводами высотой до 1 м, ими можно перекрыть пролет до 1218 м  в зависимости от нагрузки на балку и марки стали. Составные сечения балок формируются из листов или фасонного проката (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Типы сечений балок:

а – прокатный двутавр; б – сварной двутавр; в – клепаный (болтовой);

г – несимметричный составной; д – замкнутое коробчатое сечение

По материалу балки могут быть стальные, бистальные  (из двух марок стали, когда более напряженные части сечения выполняются из более прочной стали) и полистальные (из трех и более марок стали), а также из алюминиевых сплавов.

По виду соединений балки разделяются на сварные, клепаные и комбинированные (заводские соединения сварные, а монтажные - болтовые).

Основное сечение балок - двутавр (рис. 10.1, а,б,в,г)  как наиболее экономичное при работе на поперечный изгиб и удобное в конструктивном отношении. Если в балке появляется крутящий момент значительной величины, эффективным становится замкнутое коробчатое сечение (рис. 10.1, д).

Пояса балки работают в основном на восприятие изгибающего момента, стенка - на восприятие поперечной силы (и небольшой части изгибающего момента). Чем больше высота сечения балки, тем меньше усилие в поясах (), а следовательно, и меньше расход стали на них, но с увеличением высоты растет расход стали на стенку (рис. 10.2).

Рис. 10.2. График зависимости массы балки от высоты сечения

Очевидно, что существует какое-то значение высоты балки, при котором суммарный расход стали на пояса и стенку будет наименьшим. Эту высоту принято называть оптимальной - h_опт. Таким образом, чтобы получить балку, экономичную по расходу стали, необходимо назначать высоту ее близкой к оптимальному значению.

Расчет прокатных балок

Расчет балки в конструктивной схеме здания или сооружения выполняется на основе компоновочных чертежей в виде планов и разрезов, по которым определяются основные исходные данные: величина пролета - l, шаг балок - b, число пролетов (для неразрезных балок), места приложения сосредоточенных сил и пр. Характер и величина действующих на балку нагрузок уточняется по заданию на проектирование и СНиП “Нагрузки и воздействия”.

Руководствуясь этими материалами, проектировщик назначает расчетную схему балки, определяет схему приложения нагрузок,  вычисляет нормативные и расчетные значения их и выполняет статический расчет, в результате которого получает нормативное и расчетное значения максимального изгибающего момента -  и  и расчетное значение максимальной перерезывающей силы - Q_max.

По данным статического расчета подбирается сечение балки. Предварительно номер прокатного профиля определяется исходя из требуемого момента сопротивления балки W_тр, обеспечивающего прочность при изгибе (см. материал лекции 6  “Предельное состояние и расчет изгибаемых элементов”):

                                       ,                                                         (10.1)

или, если по нормам проектирования в балке может быть допущено развитие пластических деформаций

                                       .                                                       (10.2)