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 (М_мах, Q_мах), 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:

R_y – расчетное сопротивление стали.

В соответствии с принятым типом сечения (двутавр, швеллер и др.) по сортаменту выбирают ближайший номер профиля, у которого W>W_req.

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=М_max:

При учете пластических деф-ций следует учесть к-т с₁:

В сечениях с Q=Q_max:

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 σ_loc:

F – расчетное значение локальной нагрузки; I_ef=b+2t_f – условная длина распределенной нагрузки.; t_f –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:

σ_х – нормальные напряжения в срединной плоскости стенки на уровне начала внутреннего закругления стенки, параллельные оси балки; σ_y – то же, перпендикулярные оси балки.

В случае косого изгиба или изгиба в двух главных плоскостях при τ<0,5R_s 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 f_max.

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; R_v – расчетное сопротивление усталости; γ_v – 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:

σ_max – наибольшее растягивающее напряжение в расчетном сечении Эл-та; β – к-т, зависящий от температуры эксплуатации и вида концентратора напряжений.