Сварная балка переменного сечения. Металлоконструкции из балок переменного сечения

Балки двутавровые широко применяются в современном строительстве. Двутавр используется в качестве несущей конструкции в гражданском, промышленном и сельскохозяйственном строительстве, при строительстве метро, железнодорожных составов, а также для постройки быстровызводмых зданий, ангаров, складских помещений и армирования стен котлованов. Сварной двутавр может служить поддерживающим элементом для кровли, работать в качестве перекрытий между этажами или выполнять функцию колонн. Такая популярность эксплуатации балок двутаврового типа объясняется их высокой надежностью как материала, простотой строения и несложным производством.

Двутавр отличается от других несущих металлоконструкцией высокой прочностью, износостойкостью, отсутствием прогибов и иных деформаций. Двутавровая балка в 7 раз прочнее и в 30 раз жестче, чем несущая конструкция с квадратным профилем и такой же площадью сечения. На нее не действует ржавчина, температурные колебания, поэтому данный тип балки можно устанавливать в любых климатических зонах. Если необходимо защитить балку от агрессивных химикатов, в качестве материала ее производства выбирается низколегированная сталь. При небольшой площади и относительной легкости в сравнении с другими металлоконструкциями, балка двутавровая способна выдерживать довольно внушительный вес.

Двутавр по форме сечения профиля похож на букву «Н». Производится сварной двутавр аналогом сечения по СТО АСЧМ 20-93 и ГОСТ 26020-83:

(Б) Нормальные
(К) Колонные
(Ш) Широкополочные
(М) Монорельсовые

Также существует возможность производства нестандартных балок.
Например, с перфорацией (для облегчения конструкции), дополнительными ребрами (для усиления конструкции), переменным видом сечения или разными полками.

Двутавр широкополочный

Широкополочный двутавр – основа прочного строительства!

Двутавр широкополочный представляет собой несущую балочную конструкцию со стальным профилем, длинными параллельными гранями полок и сечением, похожим по форме на литеру «Н». Он является одним из типов двутавровых балок, применяемых в современном строительстве, и обозначается буквой «Ш».

Ценность широкополочного двутавра в многоэтажном строительстве первые поняли американцы. Первый раз такой профиль был применен в 1882 году при возведении 10-этажного здания в США. Сейчас двутавр широкополочный нашел свое повсеместное применение в гражданском, коммерческом и промышленном строительстве в качестве колонн, балок и перекрытий. В зависимости от числа пролетов здания, на которые устанавливают широкополочные двутавровые балки, выделяют:

Разрезные двутавры – монтируются на один пролет;
Неразрезные двутавры – монтируются на несколько пролетов.

Двутавр изготавливается и толстых листов прокатной стали, сваренных между собой. Большая ширина полок обеспечивает повышенную устойчивость данного типа двутавров. Поэтому двутавр широкополочный можно монтировать как самостоятельный элемент, не требующих дополнительных деталей и обработки. В первом случае используется облегченный вариант, где соотношение высота:ширина составляет 1:1. А во втором это же соотношение составит 1:2,5 — 1:1,16. Такой сортамент обеспечивает уменьшение объема требуемых работ и сокращение расходов на них. К тому же при продольном разрезе широкополочной балки можно получить две тавровые балки.

Выпустим для вас качественный двутавр с широкими полками длинной от 4 до 12 метров с любой толщиной стенок. Данные параметры регламентируют ГОСТы, на которые мы ориентируемся в своем производстве.

Колонный двутавр

Колонный двутавр – залог надежности любого здания!

Колонный двутавр является металлоконструкцией с сечением в виде литеры «Н», имеющей большую толщину полок, что позволяет ее использовать в качестве несущего элемента строящегося здания. Произведенная из прочной стали методом проката, такая колонная станет прочной опорой, которая не просядет и не искривится. Колонны такого типа, как правило, ставят на пролетах больших размеров, а также при высоких крановых нагрузках. При обозначении данного вида двутавровых балок используется буква «К».

Колонный двутавр используется во всех видах строительства. Он подойдет как для жилых, коммерческих зданий, так и для производственных и складских построек. Данный тип балок лидирует по популярности применения благодаря высокой прочности, но в отдельных случаях его часто заменяют широкополочными. Колонный двутавр почти в 7 раз прочнее аналогичной балки квадратной конструкции и в 30 раз обгоняет ее по уровню жесткости. А в сравнении со своими двутавровыми «братьями», этот тип балок является самым тяжелым и износостойким.

Сортамент двутавра колонного типа обозначается путем добавления цифр к марке «К». Например, 20К1 или 25К3, где 20 и 25 – это округленная высота стенки балки в см, а 1 и 3 – нумерация вида балки. Такие значения ставятся при учете, что высота стенки равна двутавра равна ширине полке, согласно ГОСТ 26020-83 на колонный двутавр.

Балки переменного сечения

Балочные конструкции широко применяются в современном строительстве. Они играют роль несущих опор крыши, перекрытий, лестничных пролетов, мостов и кранов. В связи с этим зачастую возникает потребность в облегчении этих конструкций.

Балка с переменным сечением

Балка переменного сечения является подвидом сварного двутавра, который чаще всего используют для экономичных быстровозводимых зданий. Изготовим балки данного типа по индивидуальной заявке с изменением высоты стенки в отношении длины. Рациональное сочетание размерных параметров горизонтальных поясов и вертикали сокращают затраты металла, а значит и совокупный вес металлоконструкции.

Такой двутавр позволяет регулировать неравномерное распределение нагрузок на опору, оставаясь прочным и надежным. Именно поэтому балка переменного сечения столь популярна при строительстве большепролетных зданий любого назначения. Как правило, она применяется в постройках, где высота пролетов составляет не менее 20 метров. Но она никогда не заменит стандартные металлоконструкции в домах небольшой этажности и ширины.

Балка перфорированная

Другим наиболее эксплуатируемым облегченным типом двутавровых балок является балка перфорированная. В ней сохранены все механические параметры классической металлоконструкции, но в стенках сделаны отверстия – так называемые «окна». Балки данного типа производятся разрезанием горячетканного двутавра вдоль ломаной линей. Обе части соединяют впритык, а гребни сваривают. В таких балках можно варьировать высоту профиля и размер отверстий в нем.

Балка с перфорацией обеспечивает низкую металлоемкость всей конструкции — она в 1,5 раза меньше, чем у балок без нее. А это значит, что сталь будет использоваться в 3-5 раз экономичнее, а получаемый профиль станет легким и относительно бюджетным.

Сварные балки

Сварные балки – это незаменимый материал при возведении перекрытий между этажами, строительстве небольших элементов рабочих площадок, мостов, подкрановых балок. Эту высокопрочную конструкционную деталь применяют как в гражданском, так и в промышленном строительстве, а также для создания быстровозводимых зданий вроде складов и ангаров.

Визуально сварная балка представляет собой легкую стальную металлоконструкцию с Н-образным сечением, которое позволяет равномерно распределять нагрузки на деталь, уберегая ее от изгиба. Балки сварные металлические разделяют по конструкции граней (косые/параллельные) и по виду двутавра (широкополочные/обычные/колонные).

Классические двутавровые балки отличаются от сварных балок методом производства. Раскроенные на полосы листы стали собираются на прихватки, а затем все 4 шва поочередно свариваются автоматической сваркой под флюсом. Это дает гарантию высокой прочности швов между полками. Затем все лишние огрехи полок правятся и сварная балка готова к транспортировке и дальнейшему применению.

За счет своего строения сварная балка позволяет оптимизировать используемую площадь и уменьшить нагрузку на строительные конструкции на 10% в сравнении с горячетканным двутавром завод выпускает сварные балки с разной толщиной стенок и длинной профиля. За счет этого наши покупатели могут выбрать деталь нужных размеров с необходимой им площадью сечения. Таким образом, минимизируется количество отходов, а значит и повышается рентабельность вашего строительства. При общих подсчетах, покупая балки сварные металлические, Вы экономите около 25 % денежных средств, в сравнении с расходами от приобретения горячетканного двутавра.

1.1. Так как ни один из геометрических параметров, например, ширина шарнирно опертой балки изменяться от b в начале пролета, до 0 в середине пролета не может (такая балка разрушится), то сначала выполняется расчет по прочности и исходя из этого расчета определяются геометрические параметры наиболее нагруженного сечения. Следовательно такую балку можно рассматривать как две балки: одну с постоянной шириной, а вторую с шириной изменяющейся от Δb до 0. При этом эпюра моментов характеризует прогиб для балки постоянного сечения, а кроме того эту эпюру можно рассматривать, как эпюру нормальных напряжений для балки постоянного сечения.

1.2. Общая эпюра нормальных напряжений, возникающих в поперечных сечениях балки, характеризует общий прогиб балки.

1.3 Если наложить эпюру моментов на эпюру напряжений балки переменного сечения, то соблюдении определенных условий разница между этими эпюрами покажет изменение прогиба для балки переменного сечения.

Точнее разность площадей этих эпюр можно рассматривать как некую фиктивную нагрузку и тогда разница этих эпюр покажет изменение фиктивной опорной реакции А, а при делении полученного значения на жесткость - изменение угла поворота на опоре А. Тогда фиктивный момент (фиктивная опорная реакция, умноженная на расстояние от точки приложения фиктивной опорной реакции до рассматриваемой точки, минус площадь разностной эпюры, умноженная на расстояние от центра тяжести разностной эпюры до рассматриваемой точки) покажет изменение прогиба.

Примечание : принципы графоаналитического метода в данной статье на рассматриваются.

Например, для балки с линейно изменяющейся шириной b разностная эпюра будет выглядеть так:

Рисунок 323.1.1

При этом на разностную эпюру будет влиять не только характер нагрузки на балку, но также и величина отклонения от минимально допустимого размера поперечного сечения. Так, если Δb → 0, то сечение балки стремится к постоянному значению. При значительном увеличении Δb по сравнению с b уменьшается эффективность использования материала, хотя при этом и прогиб уменьшается. Условие Δb → b не допускается принятыми в п.1.1 ограничениями. Поэтому расчет балок с сечением, уменьшающимся от начала балки к середине, зависит от значения b min . Кроме того, от значений b min и Δb зависит характер изменения нормальных напряжений.

Прогиб балки с линейно уменьшающейся шириной сечения при сосредоточенной нагрузке посредине пролета

1.4. Так как изменение нормальных напряжений для балки с сосредоточенной нагрузкой описывается зависимостью вида:

σ = М/W = 6Ax/bh 2 (323.1.1)

то при постоянном значении h 2 /6 = C = 1 формула (323.1.1) примет вид:

σ = Qx/2C(b - b min y) = Qx/2(nb min - b min y) (323.1.2)

После соответствующих преобразований получим следующую зависимость:

b min σ = Qx/2(n - y) (323.1.3)

Где b min в данном случае постоянная величина и ее значение также можно принять равным 1. Тогда например, при Δb = b min = b/2, n = 2, у = 2х, разностная эпюра описывается двумя линиями, имеющими следующую зависимость:

f 1 (x) =σ п = Qx/2; f 2 (x) = σ и = Qx/4(1- x) (323.2.1)

В данном случае значение опорной реакции А = Q/2 - постоянная величина и для упрощения расчетов ее можно вынести за пределы интегрирования. Данные линии пересекаются в точках 0 и 0.5 (начало балки и середина пролета или нижний и верхний предел интегрирования), тогда:

ω 2 = (Q/2)∫хdx (323.2.2)

ω 1 = (Q/2)(1/2)∫(x/(1-x))dх = (Q/4)(-x - ln(1 - x)) = (Q/4)(0.193147)l 2 = 0.772588Ql 2 /16 (323.2.3)

ω р = ω 2 - ω 1 = Ql 2 /16 - 0.77288Ql 2 /16 = 0.22712Ql 2 /16 (323.2.4)

Примечание : В данном случае нас интересует разностная эпюра потому, что определить расстояние до центра тяжести разностной эпюры намного проще, чем искать центр тяжести для эпюры с площадью ω 1 . Визуально (рис.323.1 д) это расстояние составляет l/4. Кроме того для визуальной оценки результатов интегрирования для эпюр моментов и напряжений на рисунках 323.1 - 323.3 сначала строились графики функций (см. рис.323.1.2).

M ф = Ql 2 /16(l/3) - (0.22712Ql 2 /16)(l/4) = Ql 3 /48 - 0.17Ql 3 /48 = 0.83Ql 3 /48 (323.2.5)

f пр = 0.83Ql 3 /48EI bmin (323.2.6)

В данной случае I bmin означает, что мы рассматриваем изменение прогиба по отношению к балке с постоянным моментом инерции и соответственно постоянной шириной сечения b min .

Чтобы было еще более наглядно, для рассматриваемого случая увеличение материала балки в 1.5 раза приводит к уменьшению прогиба в 1.184 раза.

Если изменение ширины сечения будет описываться другой зависимостью, то приближенные результаты можно получить интерполяцией данных рисунка 323.1.2.

Рисунок 323.1.2

Как видно из данного рисунка, при соотношении Δb/b = 1/3 (f(x) = 2x/(3 - 2x)) площадь разностной эпюры будет приблизительно в 2 раза меньше, чем при рассматривавшемся соотношении 1/2. При соотношении 2/3 площадь разностной эпюры увеличится приблизительно на 1/2.

Прогиб балки с линейно уменьшающейся шириной сечения при равномерно распределенной нагрузке

При равномерно распределенной нагрузке изменится и эпюра моментов и эпюра нормальных напряжений

Рисунок 323.2

σ = М/W = 6(qlx - qx 2)/2bh 2 (323.4.1)

то при постоянном значении h 2 /3 = C =1 формула 323.1.1) примет вид:

σ = (qlx - qx 2)/C(nb min - b min y) (323.4.2)

b min σ = (qlx -x 2)/(n - y) (323.4.3)

При b min ;= 1, при Δb = b min = b/2, n = 2, у = 2х, разностная эпюра описывается двумя линиями, имеющими следующую зависимость:

f 1 (x) = (qlx - qx 2); f 2 (x) = (qlx - qx 2)/2(1- x) (323.4.4.1)

Данные линии пересекаются в точках 0 и 0.5 (начало балки и середина пролета или нижний и верхний предел интегрирования), тогда:

ω 2 = q∫(lх - x 2)dx = q(l∫xdx - ∫x 2 dx ) = q(l 3 /8 - l 3 /24) = ql 3 /24 (323.4.5.1)

ω 1 = (q/2)(l∫x/(1-x) - ∫(x 2 /(1-x))dх = (ql/2)(0.193147)l 2 - (q/2)(0.068147)l 3 = ql 3 /32 (323.4.6.1)

тогда площадь разностной эпюры составит:

ω р = ω 2 - ω 1 = ql 3 /24 - ql 3 /32 = ql 3 /96 = 0.25ql 3 /24 (323.4.7)

Тогда значение фиктивного изгибающего момента составит:

M ф = ql 3 /24(5l/16) - (ql 3 /96)(l/4) = 5ql 4 /384 - ql 4 /384 = ql 4 /96 = 4ql 4 /384 (323.4.8)

f пр = 4ql 4 /384EI bmin (323.4.9)

В данной случае I bmin также означает, что мы рассматриваем изменение прогиба по отношению к балке с постоянным моментом инерции и соответственно постоянной шириной сечения b min .

Чтобы было еще более наглядно, при равномерно распределенной нагрузке увеличение материала балки в 1.5 раза приводит к уменьшению прогиба в 1.2 раза.

Если длину балки также принять за некую единицу, что допустимо при выбранных нами пределах интегрирования, то уравнения функций будут выглядеть так:

f 1 (x) = (q/2)x(1 - x); f 2 (x) = (q/4)x(1 - x)/(1- x) = qx/4 (323.4.4.2)

Т.е. в данном случае график, описывающий эпюру напряжений, имеет линейную зависимость (рис.323.2 в).

ω 2 = (q/2)∫x(1 - x)dx = (q/2)(1/12) = q/24 = ql 3 /24 (323.4.5.2)

ω 1 = (q/4)∫xdх = (q/4)(x 2 /2) = (q/4)(1/8) = ql 3 /32 (323.4.6.2)

Прогиб балки с линейно уменьшающейся высотой при сосредоточенной нагрузке посредине балки

Так как момент сопротивления W = bh 2 /6 для прямоугольного сечения, то даже при линейно уменьшающейся высоте зависимость между нормальными напряжениями и эпюрой моментов будет не линейной даже при сосредоточенной нагрузке, приложенной посредине балки. При равномерно распределенной нагрузке определение прогиба методом интегрирования еще более усложнится. Но в целом влияние изменения высоты на прогиб изменится, так как в данном случае следует рассматривать не изменяющуюся высоту, а квадрат изменяющейся высоты, а так как момент инерции это I = bh 3 /12 для прямоугольного сечения, то эпюру моментов следует сравнивать с кубическим изменением высоты сечения.

Рисунок 323.3

При Δh = h min = h/2, n = 2, у = 2х, разностная эпюра описывается двумя линиями, имеющими следующую зависимость:

f 1 (x) = Qx/2; f 2 (x) = Qx/16(1- x) 3 (323.5.1)

ω 2 = (Q/2)∫хdx = (Q/2)(x 2 /2) = (Q/2)(l 2 /8) = Ql 2 /16 (323.5.2)

ω 1 = (Q/2)(1/8)∫(x/(1-x) 3)dх = (Q/16)(1/2) = Ql 2 /32 (323.5.3)

тогда площадь разностной эпюры составит:

ω р = ω 2 - ω 1 = Ql 2 /16 - Ql 2 /32 = Ql 2 /32 (323.5.4)

Значение фиктивного изгибающего момента составит:

M ф = Ql 2 /16(l/3) - Ql 2 /32(l/4) = Ql 3 /48 - Ql 3 /128 = (1 - 0.375)Ql 3 /48 = 0.625Ql 3 /48 (323.5.5)

f пр = 0.625Ql 3 /48EI bmin (323.5.6)

Примечание : расстояние от центра тяжести разностной эпюры до начала координат определено визуально по рисунку 323.3.

Прогиб балки с линейно уменьшающейся высотой сечения при равномерно распределенной нагрузке

Так как при линейно уменьшающейся ширине сечения разница в прогибах при сосредоточенной нагрузке, приложенной посредине пролета и равномерно распределенной нагрузке крайне незначительна, то можно предположить, что такая же незначительная разница будет и при линейно изменяющейся высоте сечения. Тогда при Δh = h min = h/2

f пр ≈ 3ql 4 /384EI bmin (323.6.6)

Прогиб балки с высотой сечения, уменьшающейся пропорционально изгибающему моменту

Примером такой балки является любая шарнирно опертая железобетонная балка с трещинами в растянутой зоне. В результате действия нормальных напряжений высота сжатой зоны сечения балки изменяется нелинейно. Эту зависимость можно приблизительно выразить так:

Рисунок 323.4

Железобетонная балка с арматурой в растянутой зоне может рассматриваться как балка переменного сечения. В поперечных сечениях, в которых изгибающий момент равен нулю или очень мал, сжимающие напряжения вызывают упругие деформации бетона, растягивающие напряжения вызывают упругие деформации и бетона и арматуры. При выбранной расчетной схеме сжимаемой будет верхняя часть сечения, а растягиваемой нижняя часть сечения. После того, как растягивающие напряжения достигнут предела прочности бетона при растяжении, бетон в растягиваемой зоне начнет разрушаться - начнут образовываться трещины - и потому с увеличением растягивающих напряжений все большую часть этих напряжений будет воспринимать арматура и все меньшую часть бетон нижней части сечения. Таким образом будет уменьшаться высота приведенного сечения балки. Минимальной высота приведенного сечения будет в точке действия максимального изгибающего момента.

При этом увеличение изгибающего момента будет приводить к уменьшению квадрата высоты сжатой зоны сечения (эпюра "h 2 "). На эпюре "h 2 " также показано влияние нелинейного изменения высоты сечения по сравнению с линейным изменением высоты сечения. При подобном нелинейном изменении высоты площадь разностной эпюры при соотношении h min = h/2 будет в 2 раза меньше, чем при линейном изменении высоты.

Если рассматривать только упругие деформации сжатой области поперечных сечений бетона, то уменьшение квадрата высоты в два раза означает изменение высоты Δh от 0 до h min /√2 .

Таким образом, используя данные, полученные при рассмотрении балок с линейно уменьшающейся шириной и высотой сечения, суммарное влияние нелинейного изменения высоты и изменения соотношения h min /h можно выразить так:

f пр ≈ 5ql 4 /384EI hmin - 2ql 4 /(384·2·1.41EI hmin) = (5 - 0.7)ql 4 /384EI hmin ≈ 4.3ql 4 /384EI hmin ≈ 0.86·5ql 4 /384EI hmin (323.7.6.1)

При этом 0.86 можно рассматривать как значение поправочного коэффициента, учитывающего изменяющуюся высоту балки.

Примечание : Более точное определение влияния изменяющейся высоты сжатой зоны сечения на прогиб является достаточно трудоемкой задачей, в частности следует учесть что высота сечения начнет изменяться не сразу от начала балки, так как возле опор при данной расчетной схеме будут участки без трещин. Но даже если в ходе логических рассуждений были допущены ошибки, то все равно точное значение коэффициента не может выходить за пределы 0.8-0.9, потому для оценочных расчетов прогиба железобетонных балок при равномерно распределенных нагрузках можно использовать указанное в формуле (323.7.6) значение. Впрочем, на определение прогиба железобетонных балок куда большее влияние могут оказать пластические деформации в сжатой зоне бетона и как следствие - уменьшение начального модуля упругости бетона на некотором участке длины балки, что можно рассматривать и как дополнительное уменьшение высоты сечения.

Соответственно, если по каким-либо причинам изменение высоты сечения составит h/2, то

Из балок переменного сечения для зданий на основе металлокаркаса применяются в строительстве достаточно широко и активно. Поскольку в целом ряде ситуаций обладают экономическими преимуществами перед как металлоконструкциями из стандартного прокатного металла, так и перед конструкциями из лёгких гнутых профилей .

Суть применения балок переменного сечения заключается в том, что нагрузки на несущие конструкции металлокаркасов отнюдь не равномерны на всей протяжённости элементов этих конструкций. И если сечение стандартного металлопроката (постоянного сечения) при проектировании выбирается исходя из максимальных нагрузок на всём протяжении каждого конкретного элемента – например, при выборе сечения балки при проектировании колонны – то применение балок переменного сечения позволяет сконструировать эту колонну с сечением, фактически повторяющим эпюру напряжений, приходящихся на эту колонну, с максимальным сечением лишь там, где на колонну приходятся максимальные нагрузки. Это, в достаточно большом количестве ситуаций, безусловно, позволяет существенно уменьшить вес конструкций, и, соответственно, их цену.

Целесообразность использования металлоконструкций из балок переменного сечения наиболее ярко проявляется при пролётах свыше 20 м, высотах колонн свыше 10 м, а так же при проектировании в зданиях и меньших пролётов грузоподъёмных механизмов – кран-балок и мостовых кранов. В отдельных случаях разница в металлоёмкости, по сравнению с использованием металлопроката постоянного сечения, может доходить до полутора раз. Ну а использование лёгких гнутых оцинкованных профилей (ЛСТК), при наличии в проектируемом здании грузоподъёмных механизмов, вообще затруднено или, как минимум, сильно ограничено. Так же экономическая и технологическая целесообразность применения конструкций из легких гнутых оцинкованных профилей сводится на нет при проектировании и строительстве односкатных зданий.

Тем не менее, металлоконструкции из балок переменного сечения не в состоянии вытеснить классические металлоконструкции – в каркасах зданий относительно небольшой высоты и относительно небольшой ширины, пусть и с грузоподъёмным оборудованием. Да и в зданиях, где каркас из балок переменного сечения вроде как при расчёте выглядит предпочтительнее, он не всегда приемлем с точки зрения архитектурных или каких-либо иных требований. Кроме того, классические конструкции чаще всего незаменимы при реконструкции – встройке внутренних межэтажных перекрытий, возведении пристроек, односкатных зданий.

Таким образом, любой из применяемых вариантов металлоконструкций, по сравнению с другими вариантами, обладает как своими достоинствами и преимуществами, так и недостатками. И выбор оптимального варианта лучше всего доверить профессионалам в проектировании и строительстве.

Двутавровая балка представляет собой катаный или сварной металлический профиль, сечение которого напоминает букву Н. Двутавр широко применяется в промышленном, общегражданском, крупнопанельном строительстве как элемент несущих конструкций, подвесных путей, колонных конструкций, в составе тяжелых механизмов и в машиностроении. Чаще всего двутавровые балки применяются при возведении высотных зданий, шахтных перекрытий, мостов, где служит для перераспределения вертикальных и горизонтальных нагрузок на несущую конструкцию.

Производятся двутавровые балки с параллельными и наклонными гранями полок, узкополочные, нормальные, широкополочные. Широкополочные двутавровые балки маркируются литерой Ш и согласно ГОСТ 19425-74 относятся к специальным, наряду с колонными (К), балками для армирования шахтных стволов (С), балками для подвесных путей (М). В маркировке нормальных балок присутствует литера Б.

Двутавровые балки с параллельными гранями выпускаются в соответствии с требованиями ГОСТ 26020-83 из углеродистой или низколегированной стали методом горячей прокатки или сварным способом.

Размеры двутавровых горячекатаных балок ограничены техническими возможностями прокатного оборудования. Если в проект конструкции заложены нагрузки, превышающие возможности двутавра 60Б, применяется сварной профиль. Высота сварной двутавровой балки может достигать 1500 мм, допустимая длина - до 15 000 мм, ширина полки - до 8000 мм. Ширина полки не должна быть больше 1,5 высоты стенки двутавра, а предельно допустимое отношение толщины полок к толщине стенки не превышает 1:4.

Производство сварных двутавровых балок

Сварная технология производства дает возможность широко варьировать свойства профиля за счет сочетания разных марок стали (бистальные балки). При этом для напряженных элементов профиля применяется сталь повышенной прочности, менее напряженнее изготавливаются из листовой малоуглеродистой стали. Такой подход позволяет уменьшить себестоимость профиля без потерь его несущей способности. Изготовление бистальных балок в соответствии с требованиями конкретного проекта на выходе дает экономию порядка 5% по сравнению с применением горячекатаного профиля из высокопрочных марок стали.

Сварным способом производятся тонкостенные, усиленные, разнополочные, перфорированные, а также балки переменного сечения. При изготовлении перфорированных двутавровых балок стенку готового профиля зигзагообразно разрезают, половинки смещают, совмещая выступы стенки, и сваривают.

Сварная технология позволяет уменьшать металлоемкость строительства за счет уменьшения количества отходов. Сварной профиль изготавливается под конкретный проект с точным соблюдением размеров, отличных от общепринятого стандарта. Сечение сварного профиля сравнительно легко поддается оптимизации, что позволяет уменьшить вес металлоконструкции.

Двутавровые сварные профили изготавливаются на автоматизированных линиях. Технологический процесс включает резку заготовок, сборку двутаврового профиля, сварку под флюсом. В процессе изготовления балки неизбежны тепловые деформации ее элементов, приводящие к формированию грибовидного профиля. После сварки профиль проходит дополнительную обработку для правки геометрии полок. С этой целью готовый двутавр подвергается прокатке. После прокатки через систему роликов поверхность профиля очищают и наносят на нее защитное покрытие. При выполнении стыковых швов производится полный провар с разделкой фасок, согласно требованиям ГОСТ 23118-99. Особенности швов типа С установлены по ГОСТ 8713-79. При изготовлении усиленных и крановых балок накладываются швы типа Т8 с последующей зачисткой корня шва.

Применение двутавровых балок

Сварная балка двутавровая применяется для возведения несущих подкрановых и каркасных конструкций, а также большепролетных перекрытий. Выбор типа двутаврового профиля производится на стадии разработки проекта. При этом обязательно производится расчет балок по устойчивости и несущей способности, основанный на предварительно установленных размерах профиля. Выбор параметров балки отчасти зависит от типа опоры, который предусмотрен проектом для конкретного элемента конструкции. Один из ключевых параметров для выбора размеров балки является ширина опорного элемента.

При расчете общей нагрузки на балку учитываются нагрузка на перекрытие, постоянные и временные нагрузки. Полученное значение расчетной нагрузки на погонный метр умножают на табличное значение коэффициента надежности. Эта величина используется для вычисления требуемого момента сопротивления. На основании расчетных данных делается аргументированный выбор в пользу горячекатаного или сварного профиля, подбор номера профиля и марки стали для изготовления составного двутавра.

В расчете балки обязательно учитывается допустимый прогиб, величина которого для несущих балок установлена в пределах 1/400 длины. Допустимый прогиб второстепенных элементов составляет порядка 1/200 длины. После окончательного выбора профиля обязательно производятся расчеты фактического прогиба, который не должен превышать установленные нормы.

Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2015.04.25

Лекция № 30. Расчет балок переменного сечения.

Подбор сечений балок равного сопротивления.

Все предыдущие расчеты относились к балкам постоянного сечения. На практике мы имеем часто дело с балками, поперечные размеры которых меняются по длине либо постепенно, либо резко.

Ниже рассмотрено несколько примеров подбора сечения и определения деформаций балок переменного профиля.

Так как изгибающие моменты обычно меняются по длине балки то, подбирая ее сечение по наибольшему изгибающему моменту, мы получаем излишний запас материала во всех сечениях балки, кроме того, которому соответствует . Для экономии материала, а также для увеличения в нужных случаях гибкости балок применяют балки равного сопротивления . Под этим названием подразумевают балки, у которых во всех сечениях наибольшее нормальное напряжение одинаково и должно быть равно допускаемому .

Условие, определяющее форму такой балки, имеет вид

Здесь М(х) и W(x) — изгибающий момент и момент сопротивления в любом сечении балки; W(х) для каждого сечения балки должен меняться пропорционально изгибающему моменту.

Эти условия справедливы и для сечения с наибольшим изгибающим моментом; если обозначить — момент сопротивления балки в сечении с наибольшим изгибающим моментом , то можно написать:

Покажем ход вычислений на примере. Рассмотрим балку пролетом l , защемленную концом А и нагруженную на другом конце силой Р (Рис.1). Выберем сечение этой балки в виде прямоугольника; задачу о надлежащем изменении момента сопротивления можно решать, меняя высоту или ширину балки или тот и другой размер вместе.

Рис.1. Расчетная схема балки равного сопротивления

Пусть высота балки будет постоянной , а ширина переменной—. Момент сопротивления в сечении на расстоянии х от свободного конца будет , а изгибающий момент ; момент сопротивления опорного сечения , a наибольший изгибающий момент в опорном сечении . В расчете имеют значения лишь абсолютные величины М(х) и

По формуле (1) получаем:

т. е. ширина меняется по линейному закону в зависимости от х. При ширина равна .