Металлические конструкции

3.1.2 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.  

3.1.3 Составные балки 

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, реже несимметричного сечений. Такие балки состоят из трех элементов - верхнего и нижнего поясов, объединенных тонкой стенкой. Перспективными являются сечения в виде двутврв, в качестве полок которого используют прокатные тавры и холодногнутые профили.  

3.1.4 Дистальные балки 

Снижение металлоемкости может быть достигнуто за счет использования  в одной конструкции двух различных  марок сталей. Балки, выполненные  из двух марок сталей, называют бистальными. В них целесообразно наиболее напряженные участки поясов выполнять  из стали повышенной прочности с Ry = Ry1 (низколегированные стали), а  стенку и малонапряженные участки  поясов - из малоуглеродистой стали  с Ry = Ry2.  

В расчетном сечении  такой балки при достижении в  фибровых волокнах поясов σ = Ry1 в примыкающей  к поясам зоне стенки напряжения достигнут  предела текучести σw(y>|a|) = Ry1. Центральная  часть стенки и пояса находятся  в упругой стадии, периферийные зоны стенки - в пластической (условия  ограниченной пластичности).  

Авторы норм рекомендуют  при расчетах прочности таких  балок руководствоваться одним  из двух критериев.  

- Предельных пластических  деформаций: пластические деформации  допускаются не только в стенке, но и в поясах; вводится ограничение  на величину интенсивности пластических  деформаций в стенке εip,w ≤  >εip,lim.  

- Предельных напряжений  в поясах балки: пластические  деформации допускаются лишь  в стенке; работа поясов ограничена  упругой стадией σƒ ≤ > Ry1.  

В зависимости от нормы предельной интенсивности  пластических деформаций и расчетного критерия, бистальные балки классифицируют по четырем группам.  

1. Подкрановые балки  под краны с режимом работы 1К-5К (ГОСТ 25546-82), для которых расчеты  на прочность выполняют по  критерию предельных напряжении  в поясе при расчетном сопротивлении  стали поясов Rƒ = Ru / γu < Ry, здесь  γu = 1,3.  

2. Балки, воспринимающие  подвижные и вибрационные нагрузки (балки рабочих площадок, бункерных  и разгрузочных эстакад. транспортерных  галерей и др.), - εip,lim = 0.1 %.  

3. Балки, работающие  на статические нагрузки (балки  перекрытий и покрытий; ригели  рам, фахверка и другие изгибаемые, растянуто-изгибаемые и сжато-изгибаемые  балочные элементы), - εip,lim = 0,2 %.  

4. Балки группы 3, но не подверженные локальным  воздействиям, не имеющие продольных  ребер жесткости, обладающие повышенной  общей и местной устойчивостью, - εip,lim = 0,4%.  

В группы 2...4 объединены балки, для которых расчеты на прочность выполняют по критерию ограниченных пластических деформаций.  

3.1.5 Балки замкнутого  сечения 

Балки замкнутого сечения  обладают рядом преимуществ по сравнению  с открытыми. К ним относятся:  

- более высокая  несущая способность конструкций  или их элементов при работе  на изгиб в двух плоскостях  и на кручение. Материал в замкнутых  сечениях располагается в основном  в периферийных зонах по отношению  к центру тяжести, это обусловливает  увеличение моментов инерции  и сопротивления относительно  оси у (из плоскости элемента) и момента инерции на кручение;  

- ввиду существенного  увеличения (в десятки раз) момента  инерции на кручение в элементах  с замкнутыми сечениями, как  правило, исключается изгибно-крутильная  форма потери устойчивости;  

- элементы с замкнутыми  сечениями более устойчивы при  монтаже, менее подвержены механическим  повреждениям во время транспортировки  и монтажа.  

Несмотря на названные  достоинства, конструктивные элементы с замкнутыми сечениями не нашли  в настоящее время широкого применения. И объясняется это прежде всего  низкой технологичностью и, как следствие, большей трудоемкостью изготовления.  

Конструктивные решения 

Замкнутые, в частности  коробчатые, сечения применяют при  необходимости увеличения жесткости  балок в поперечном направлении, при отсутствии поперечных связей, изгибе в двух плоскостях наличии  крутящих моментов, при ограниченной строительной высоте и больших поперечных силах. Подобным силовым воздействиям при названных конструктивных ограничениях подвергаются балочные конструкции  мостов, силовых элементов промышленных сооружений, кранов и др. Возможные  формы сечения балок представлены на.  

Наличие двух стенок делает особенно актуальной задачу уменьшения их толщины при обеспечении местной  устойчивости. Конструктивно это  достигается либо искривлением стенки, либо постановкой различного типа связей между стенками в форме диафрагм, стяжных болтов и др.  

Диафрагмы имеют  форму пластинки, а при сильно развитом сечении - форму рамки с  прямоугольным или овальным вырезом. В углах диафрагмы имеют скосы  такие же, как и в ребрах жесткости  балок открытого профиля. Для  более равномерного распределения  нагрузки между элементами сечения  и повышения пространственной жесткости  возможно использовать раскосную систему  расположения диафрагм с отклонением  диафрагм на 30...600 от вертикали или  горизонтали. Однако следует иметь  в виду, что трудоемкость изготовления диафрагм с наклоном значительно  выше, чем вертикальных. Взамен диафрагм для повышения местной устойчивости стенки можно использовать связи  между стенками в виде вкладышей  со стяжными болтами. В этом случае за счет дополнительных связей между  стенками создается пространственная система, обе стенки которой работают совместно, поэтому при расчете  из плоскости балки стенку следует  рассматривать как составную  конструкцию.  

С целью экономии стали, так же как и в балках открытого профиля, в балках коробчатого  сечения при больших пролетах следует предусматривать изменение  сечения по длине балки.  

3.1.6 Балки с гибкой  стенкой 

Балки с гибкой (очень  тонкой) стенкой появились впервые  в конструкциях каркасов летательных  аппаратов, где для легкости стенки выполняли зачастую не из металла, а  из прочной ткани (перкаль, брезент). Плоская стенка в такой балке  теряет устойчивость в начальной  стадии нагружения, приобретая вторую устойчивую форму - в виде наклонно гофрированной (у опор, где преобладает  сдвиг) либо вспорушенной ( в зонах  с преобладающими напряжениями сжатия) поверхности. После снятия нагрузки эти деформации стенок, называемые часто "хлопунами", исчезают. В  строительстве стали применять  такие балки в 70-е годы текущего века. Они являются дальнейшим воплощением  идеи о тесной связи показателей  экономической эффективности с  понятием тонкостенности. Уменьшение относительной толщины стенки λw = hw / tw в 2...3 раза приводит к снижению расхода металла на стенку на 25...35% и к концентрации металла в поясах, что выгодно по условиям работы на изгиб.  

Применение балок  с очень тонкими стенками уместно  при стабильном направлении действия статических временных нагрузок, поскольку работа таких балок  при переменных по направлению подвижных  и динамических нагрузках еще  недостаточно изучена.  

Особенности работы конструкции балок. На первой стадии работы балки ее гибкая стенка остается плоской, как и в обычной балке. Но по протяженности эта стадия работы коротка и заканчивается потерей  устойчивости стенки, т.е. переходом  в закритическую стадию работы с  появлением "хлопунов".  

В закритической  стадии работы уже не соблюдается  линейная зависимость между деформациями стенки и нагрузкой. Развиваются  зоны выпучивания стенки с образованием растянутых складок, натяжение которых  вызывает местный изгиб поясов балки, а также сжатие поперечных ребер  жесткости и изгиб опорных  ребер в плоскости стенок. Эта  стадия завершается достижением  напряжениями предела текучести  σy либо в отдельных точках стенки, либо в поясах (или одновременно).  

В третьей стадии развиваются пластические деформации в стенке и в поясах. Нарастает  прогиб балки; интенсивность роста  прогиба к концу этой стадии резко  повышается и в отсеках балки  образуется пластический механизм - балка  приходит в предельное состояние  с появлением чрезмерных остаточных деформаций. При дальнейшем, даже незначительном, возрастании нагрузки балка теряет несущую способность либо вследствие потери местной устойчивости полки  сжато-изогнутого пояса, либо из-за потери устойчивости пояса в плоскости  стенки, как стержня, от действия сжимающей  силы и изгибающего момента. Не исключена  и общая потеря устойчивости плоской  формы изгиба балки, если последняя  не раскреплена надлежащим образом  от боковых деформаций. Отметим также, что описанные формы потери устойчивости пояса балки могут произойти  и не в конце третьей стадии, а даже и на предыдущих стадиях, если размеры элементов пояса выбраны  неудачно.  

Учет особенностей работы балок с гибкими стенками привел к необходимости разработки адекватных рекомендаций по их конструктивным решениям. Возможно применение балок: с поперечными ребрами, приваренными к стенке - двусторонними и односторонними, или не связанными с нею; без поперечных ребер. Безреберные балки требуют  строго центрированного приложения нагрузки в плоскости стенки, ибо  пояса их практически не закреплены от закручивания.  

Более часто применяют  балки с ребрами жесткости, имеющими назначение, как и в обычных  балках, для восприятия местных нагрузок от второстепенных балок и для  ограничения длины отсека. В работе ребер, подкрепляющих гибкие стенки, есть и свои особенности, определяемые работой стенок в закритической  стадии.  

Пояса в балках с  гибкими стенками работают не только на сжатие, но и на изгиб от натяжения  стенки, поэтому целесообразно применять  сечения поясов с повышенной жесткостью на изгиб и кручение. По технологичности  более предпочтительны сечения  с поясами из полосовой стали  и широкополочных тавров; при значительных нагрузках возможно применение поясов из прокатных или гнутых швеллеров  либо из широкополочных двутавров. Сечения  балок с повышенным объемом сварки уступают остальным по трудоемкости изготовления.  

По статической  схеме балки с гибкой стенкой  могут быть разрезными и неразрезными, а по очертанию - постоянной или переменной высоты (двускатные либо односкатные). Применяют такие балки в качестве прогонов, стропильных и подстропильных конструкций пролетом 12...36 м с  соотношением постоянных и временных  нагрузок 1/1,5...1/2, балок жесткости  комбинированных балочно-вантовых систем, балок-стенок бункеров, стенок крупногабаритных вентиляционных коробов, газоводов и т. п.  

3.1.7 Балки с гофрированной  стенкой 

Одним из путей снижения металлоемкости балок является гофрирование их стенок. В обычных балках толщина  стенок, как правило, определяется не условием прочности, а требованиями местной устойчивости. Постанова  поперечных ребер смягчает ситуацию, позволяя уменьшить толщину стенок и одновременно повышая крутильную жесткость балок, так как ребра  играют роль диафрагм и обеспечивают неизменяемость контура поперечного  сечения. Еще в середине 3-го десятилетия XX в. появилась идея гофрирования стенок балок, которое еще более эффективно обеспечит желаемые результаты. Гибкость таких стенок можно повысить до 300...600, к тому же чем тоньше стенка, тем  легче выполнить ее гофрирование.  

Толщину гофрированных  стенок принимают в пределах 2...8 мм, что обеспечивает им все преимущества, определяемые тонкостенностью. В изготовлении стенок появляется дополнительная технологическая  операция - гофрирование - и несколько  осложняется сварка поясных швов, но уменьшение толщины стенки и исключение значительного числа ребер жесткости  приводят в конечном счете к снижению трудозатрат на изготовление балок  на 15...25%. По трудоемкости изготовления и расходу металла балки с  гофрированной стенкой выигрывают и у балок с гибкой стенкой  благодаря резкому снижению числа  ребер жесткости, повышенной крутильной жесткости балок и высокой  местной устойчивости стенки.  

При выборе конструктивного  решения балки с гофрированной  стенкой приходится учитывать не только особенности напряженно-деформированного состояния балки под нагрузкой, но и требования технологичности. Наиболее просты и технологичны в изготовлении стенки с треугольными гофрами, но стенки с волнистыми гофрами более устойчивы. Практикуется и применение полос  из готового профнастила .