Металлические балки и балочные конструкции.

Балки представляют собой простейшие конструктивные элементы, работающие на изгиб и используются повсеместно при строительстве с применением металлоконструкций. Широкое распространение в строительстве балок обусловлено простотой их конструкций и надежностью в работе.

Основные типы металлических балок

В основу оценки эффективности балок как конструктивных металлических элементов, работающего на изгиб положено отношение момента сопротивления к площади сечения. Этот параметр назван «ядровое расстояние» и характеризует требуемый расход металла для решения той или иной задачи при строительстве с применением металлоконструкций.

Расчётное ядровое расстояние для двутавровой балки более чем в три раза выше чем для балки со сплошным круглым сечением того же диаметра, что и высота двутавра.

У двутавровой металлической балки распределение материала наилучшим образом соответствует распределению нормальных напряжений от изгиба балки. Поэтому при строительстве с использованием крупногабаритных металлоконструкций используют главным образом балки двутаврового и коробчатого сечений.

У металлических балок таких сечений отмечена хорошая работа материала на касательные напряжения, что и позволяет сделать стенку балки относительно тонкой, а балку легкой. Поэтому основным вариантом сечения металлических балок является двутавровое симметрическое.

Кроме металлических балок двутаврового сечения, широкое применение при строительстве с применением металлоконструкций нашли балки швеллерного сечения.

Дополнительно металлические балки подразделяют на прокатные и составные – сварные, болтовые или клёпанные. Прокатные балки менее ресурсоёмки, но ограниченность сортамента делает невозможным их применение при больших изгибающих моментах.

Ассортимент конструкций металлических балок дополняют балки тонкостенные и балки из гнутых профилей, прессованные и составные из алюминиевых сплавов, бистальные балки сваренные из двух марок стали и некоторые другие.

Наиболее часто при строительстве с применением металлоконструкций применяются балки однопролётные разрезные, т.е. отдельные балки для каждого пролёта. Они наиболее просты в изготовлении и удобны для монтажа. Однако они менее выгодны с точки зрения расхода металла, чем неразрезные и консольные.

Более экономичны по металлу многопролётные неразрезные балки, благодаря наличию опорного момента, уменьшающего основные моменты в пролётах. Но и у них есть определённые особенности, которые в некоторых случаях могут стать недостатками. Такие балки более чувствительны к изменениям температуры и хуже переносят осадки опор.

Компоновка балочных конструкций.

При проектировании рабочей площадки цеха, проезжей части моста или другой аналогичной конструкции при строительстве с применением металлоконструкций с использованием перекрытия из металлических балок выбирают систему несущих балок, называемую «балочной клеткой».

Балочные клетки подразделяют на три основных типа – упрощенный, нормальный и усложненный. В упрощенной балочной клетке нагрузка на перекрытие передается через настил на балки, располагаемые обычно параллельно меньшей стороне перекрытия, а через них – на стены или другие несущие конструкции.

Из-за небольшой несущей способности плоского настила поддерживающие его балки приходится ставить часто, что рационально при небольших пролётах балок. Поэтому в балочной клетке нормального типа нагрузка с настила передается на балки настила, которые в свою очередь передают её на главные балки, опирающиеся на колонны, стены или другие несущие конструкции.

В усложнённой балочной клетке присутствуют дополнительные вспомогательные балки, располагаемые под балками настила и опирающиеся на главные балки и нагрузка передается на опоры наиболее длинным путём.

Выбор типа балочной клетки при строительстве с применением металлоконструкций связан и с вопросом о сопряжении балок между собой по высоте и определяет строительную высоту перекрытия. Такое сопряжение может быть реализовано поэтажным, в одном уровне и пониженное.

Расстояние между балками настила определяется несущей способностью настила и обычно составляют 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. Расстояние должно быть кратно пролёту главной балки и меньше ширины площадки. При выборе расстояния важно получить минимальное число вспомогательных балок и они должны быть прокатными.

Задав пролёт 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 имеющийся строительной высоте перекрытия. При этом принимается наиболее простой тип балочной клетки с наиболее коротким путем передачи усилий от нагрузки на опоры.

Выбор рационального типа балочной клетки и типа сопряжения балок в ней при строительстве с применением металлоконструкций зависит от многих факторов и целесообразность выбора для данных конкретных условий может быть установлена только сравнением возможных вариантов конструктивного решения.

Основные принципы определения балок.

При свободной планировке балочной клетки, когда расстояние между промежуточными колоннами не задано или может быть очень небольшим, определение пролетов балок становится технико-экономической оптимизационной задачей, для решения которой могут быть использованы несколько основных принципов.

Принцип полного использования несущей способности перекрывающей конструкции. В этом случае задаются наиболее удобным размером сечения балки. Например, выбирается распространенный номер прокатного двутавра. А исходя из действующей на балку нагрузки определяется расстояние между балками (пролёт), при котором эта балка может быть полностью использована.

Этот пролёт может быть уменьшен при увязке размеров всей балочной клетки на основе требований типизации и унификации конструкций. Экономический принцип назначения пролёта балки. Это принцип обеспечения минимальной стоимости всей балочной клетки и поддерживающих её опор. Экономический принцип назначения пролёта балки нашел широкое применение в мостостроении. Определяется оптимальный по стоимости пролёт главной балки при условии равенства стоимости перекрывающей и поддерживающей конструкции.