Металлы. 1. коррозия металла. Основные методы борьбы с коррозией в различных видах конструкций
![]()
|
7. ХАРАКТЕРИСТИКА БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ТИПЫ БАЛОК, КОМПОНОВКА БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ (КЛЕТОК) Общая характеристика балочных конструкций Балки являются основным и простейшим конструктивным элементом, работающим на изгиб. Их широко применяют в конструкциях гражданских, общественных и промышленных зданий, в балочных площадках, междуэтажных перекрытиях, мостах, эстакадах, в виде подкрановых балок производственных зданий, в конструкциях гидротехнических шлюзов и затворов и других сооружениях. Рационально применять сплошностенчатые балки в конструкциях небольших пролетов — до 15—20 м. Типы балок и их сечений. Основным типом сечения металлических балок является двутавровое симметричное. Мерой эффективности (по расходу материала), т.е. выгодности сечения балки как конструкции, работающей на изгиб, является отношение момента сопротивления к площади сечения, равное ядровому расстоянию ρ = W/A. В зависимости от нагрузки и пролета применяют балки двутаврового и швеллерного сечения, покатные или составные — сварные, болтовые или клепаные. Предпочтительны прокатные балки как менее трудоемкие, но ограниченность сортамента делает невозможным их применение при больших изгибающих моментах. Применяются в строительстве и тонкостенные балки, балки из гнутых профилей, прессованные и балки, т.е. балки, сваренные из двух марок стали, а также балки предварительно напряженные, составные из алюминиевых сплавов, бистальные. ![]() Компоновка балочных конструкций. Балочные клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный, нормальный и усложненный. ![]() ![]() ![]() В упрощенной балочной клетке (рис. 7.3,а) нагрузка на перекрытие передается через настил на балки настила, располагаемые обычно параллельно меньшей стороне перекрытия на расстояниях а (шаг балок), и через них — на стены или другие несущие конструкции. Из-за небольшой несущей способности плоского настила поддерживающие его балки приходится ставить часто, что рационально лишь при небольших пролетах балок. При частом размещении длинных балок возникает противоречие между получаемой несущей способностью и требуемой жесткостью, что неэкономично. Поэтому в балочной клетке нормального типа (рис. 7.3,6) нагрузка с настила передается на балки настила, которые в свою очередь передают ее на главные балки, опирающиеся на колонны, стены или другие несущие конструкции. Балки настила обычно принимают прокатными. В усложненной балочной клетке (рис. 7.3,б) вводятся еще дополнительные вспомогательные балки, располагаемые под балками настила и опирающиеся на главные балки. В балочной клетке этого типа нагрузка передается на опоры наиболее длинным путем. Для уменьшения трудоемкости изготовления балочной клетки балки настила и вспомогательные балки обычно принимаются прокатными. Выбор типа балочной клетки связан и с вопросом о сопряжении балок между собой по высоте, определяющим строительную высоту перекрытия (расстояние между верхом и низом перекрытия). Сопряжение балок может быть поэтажное, в одном уровне и пониженное. При поэтажном сопряжении (рис. 7.4,а) балки, непосредственно поддерживающие настил, укладываются на главные или вспомогательные. ![]() ![]() Главные балки обычно опирают на колонны и располагают вдоль больших расстояний между ними. Расстояние между балками настила а (см. рис. 7.3) определяется несущей способностью настила и обычно составляет 0,6—1,6 м при стальном и 2— 3,5 м при железобетонном настиле. Расстояние между вспомогательными балками обычно назначается в пределах 2—5 м; оно должно быть кратно пролету главной балки и меньше ширины площадки. При выборе этого расстояния надо стремиться получить минимальное число вспомогательных балок, и они должны быть прокатными. Установив пролет главных балок и расстояние между балками настила, выбирают тип и компонуют балочную клетку таким образом, чтобы общее число балок было наименьшим, балки под настилом и вспомогательные балки были прокатными, а сопряжения между балками были простыми и удовлетворяли имеющейся строительной высоте перекрытия. При этом следует принимать наиболее простой тип балочной клетки с наиболее коротким путем передачи усилий от нагрузки на опоры. Настилы балочных клеток. Настилы балочных клеток бывают весьма разнообразными в зависимости от назначения и конструктивного решения перекрытия. Очень часто поверх несущего настила устраивают защитный настил из дерева, асфальта, кирпича и других материалов. В качестве настила чаще всего применяют плоские стальные листы или настил из сборных железобетонных плит. 8. ПРОКАТНЫЕ СТАЛЬНЫЕ БАЛКИ. ПОДБОР И ПРОВЕРКА СЕЧЕНИЯ ПРОКАТНЫХ БАЛОК Прокатные балки Прокатные балки применяют для перекрытия небольших пространств конструктивными элементами ограниченной несущей способности, что связано с имеющейся номенклатурой выпускаемых прокатных профилей. Их используют в балочных клетках; для перекрытия индивидуальных 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 и более надежны в эксплуатации. За исключением опорных зон и зон приложения значительных сосредоточенных сил, стенки прокатных балок не требуется укреплять ребрами жесткости. Отсутствие сварных швов в областях контакта полок со стенкой существенно уменьшает концентрацию напряжений и снижает уровень начальной дефектности. Подбор сечения. Исходными данными для подбора сечения прокатной балки являются геометрические и силовые параметры, а также дополнительные факторы. Геометрические параметры - это схема расположения балок, их пролет и шаг; силовые - это интенсивность постоянной и технологической нагрузок. К дополнительным факторам относятся условия эксплуатации, координаты и виды опорных связей, тип профиля поперечного сечения и др. Проектирование и расчет начинают с анализа предполагаемой конструктивной схемы сооружения или его фрагмента. В результате формируется расчетная схема балки с указанием типов, мест приложения и интенсивности нагрузок. Далее определяют расчетные усилия в форме изгибающих моментов и перерезывающих сил, а также характерные максимальные перемещения (прогибы). Расчетные усилия вычисляют в сечениях, где каждое из них в отдельности достигает максимальных значений (Ммах, Qмах), а также в сечениях, где их совместные сочетания неблагоприятны для работы конструкции. При изгибе балки в одной плоскости и упругой работе стали номер прокатного профиля определяют, используя формулу, по требуемому моменту сопротивления: ![]() Ry – расчетное сопротивление стали. В соответствии с принятым типом сечения (двутавр, швеллер и др.) по сортаменту выбирают ближайший номер профиля, у которого W>Wreq. Проверки назначенного сечения Проверки несущей способности и деформативности балки по первой и второй группам предельных состояний следует выполнять по уточненным нагрузкам и фактическим геометрическим характеристикам сечений. Проверки на прочность выполняют в точках, где развиваются наибольшие в пределах балки нормальные либо касательные напряжения, а также в точках, где одновременно присутствуют те и другие напряжения и способны при совместном действии обеспечить переход стали в пластическую стадию. Проверку на прочность выполняют по следующим формулам. В сечениях с М=Мmax: ![]() При учете пластических деф-ций следует учесть к-т с1: ![]() В сечениях с Q=Qmax: ![]() Для балок, рассчитываемых с учетом пластических деформаций, а также в опорных сечениях балок: ![]() t и h – толщина и высота стенки балки. В местах приложения локальной нагрузки, а также в опорных сечениях балки, не укрепленных ребрами жесткости, следует дополнительно проверять стенку на местные напряжения σloc: ![]() F – расчетное значение локальной нагрузки; Ief=b+2tf – условная длина распределенной нагрузки.; tf –расстояние от наружной грани полки до начала внутреннего закругления стенки. Для балок приведенные напряжения в стенке в уровне ее сопряжения с поясом должны удовлетворять условию: ![]() σх – нормальные напряжения в срединной плоскости стенки на уровне начала внутреннего закругления стенки, параллельные оси балки; σy – то же, перпендикулярные оси балки. В случае косого изгиба или изгиба в двух главных плоскостях при τ<0,5Rs следует использовать: ![]() или с учетом пластических деформации ![]() ![]() Проверка деформативности (жесткости). Прогибы не должны превышать предельных значений, установленных нормами проектирования: ![]() При невыполнении проверки на жесткость необходимо увеличить сечения балки и снова определить fmax. Проверка на общую устойчивость. Общая устойчивость балок, материал которых работает в области упругих деформаций, при изгибе в одной из главных плоскостей обеспечена и не требует проверки: а) при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и также непрерывно с ним связанный (плиты железобетонные, плоский или профилированный металлический настил); б) при отношении расчетной длины участка балки между связями из плоскости к ширине сжатого пояса, не превышающего предельно допустимых значений. При невыполнении указанных требований общую устойчивость балок следует проверять по формуле: ![]() Проверка балок на выносливость. Балки рабочих площадок, разгрузочных эстакад и др., непосредственно воспринимающие вибрационные нагрузки с количеством циклов нагружений 105 и более, следует проектировать с применением таких конструктивных решений, которые не вызывают значительной концентрации напряжений, и проверять расчетом на выносливость по формуле: ![]() α – к-т, учитывающий кол-во циклов загружений; Rv – расчетное сопротивление усталости; γv – к-т, учитывающий вид напряженного состояния и к-т ассиметрии цикла. Проверка на прочность с учетом хрупкого разрушения. Зоны растяжения в балках, возводимых в суровых климатических районах, следует проверять на прочность по формуле: ![]() σmax – наибольшее растягивающее напряжение в расчетном сечении Эл-та; β – к-т, зависящий от температуры эксплуатации и вида концентратора напряжений. 9. ПРОВЕРКА ПРОЧНОСТИ И ПРОГИБОВ СОСТАВНЫХ СВАРНЫХ БАЛОК В тех случаях, когда требуются конструкции, жесткость и несущая способность которых превышает возможности прокатных профилей, используют составные балки. Они могут быть сварными и клепаными, но последние применяют исключительно редко. Наибольшее применение получили балки двутаврового симметричного (рис.5.20, а), реже несимметричного (рис. 5.20, б) сечений. Такие балки состоят из трех элементов - верхнего и нижнего поясов, объединенных тонкой стенкой. ![]() Рис. 5.20 Типы сечений составных сварных балок Проверки прочности балки Балка в целом должна быть проверена по жесткости и общей устойчивости; характерные сечения балки - по прочности; элементы балки - по местной устойчивости. Исходными данными для проверок кроме общих данных задачи, ранее уже использованных при подборе сечения, являются фактические геометрические характеристики сечения (I, W, S, h, hw, tw, bf, tf). Проверки по прочности сводятся к проверкам нормальных, касательных, местных и приведенных напряжений. Проверка нормальных напряжений. Для балок с упругой стадией работы при изгибе в одной из главных плоскостей: ![]() при изгибе в двух главных плоскостях ![]() где х и у - координаты рассматриваемой точки сечения относительно главных осей. Для балок, в которых допускаются ограниченные пластические деформации, при изгибе этих балок в одной из главных плоскостей: ![]() α - коэффициент, равный 0,7 для двутаврового сечения изгибаемого в плоскости стенки, в других случаях α= 0. Если имеет место изгиб в двух главных плоскостях при касательных напряжениях τ< Q,5RS (кроме опорных сечений), то ![]() Значения сх, су приведены в таблицах. Раскрывать пластический шарнир или развивать ограниченные пластические деформации можно лишь в отдельном сечении, но не на протяженном участке балки, поэтому для зоны чистого изгиба вместо коэффициентов c1, cx и су следует принимать соответственно ![]() Проверку касательных напряжений производят по нейтральной оси для сечений с Q = Qmax, как правило, это наблюдается в сечениях около опор балки При упругой работе материала: ![]() При наличии ослабления стенки отверстиями для болтов левую часть неравенства следует умножить на коэффициент а = a/(a-d), где а - шаг отверстий; d - диаметр отверстий. При расчёте с учётом развития пластических деформаций: ![]() Проверку местных напряжений проводят для стенки балки в местах приложения нагрузки к верхнему поясу, а также в опорных сечениях балки, не укрепленных ребрами жесткости (рис.5.25): ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Проверку приведенных напряжений необходимо выполнять в характерных сечениях, где возникают неблагоприятные сочетания нормальных, касательных и местных напряжений. К характерным сечениям относятся сечения у опор в консольных и неразрезных балках, в местах изменения сечений, в местах приложения локальных нагрузок и др. Проверки выполняются для зоны стенки у пояса. При отсутствии местных напряжений: ![]() При наличии местной нагрузки или опорной реакции и отсутствии ребер жесткости в рассматриваемом сечении: ![]() где σх=(Мhw)/2I – нормальные напряжения в стенке на уровне поясных швов; τxy определяют по формуле Журавского для точке на уровне поясных швов: ![]() Прогибы составных балок определяют по принципам строительной механики и сопоставляют их с нормативными. Проверка деформативности (жесткости). Прогибы не должны превышать предельных значений, установленных нормами проектирования: ![]() При невыполнении проверки на жесткость необходимо увеличить сечения балки и снова определить fmax. |