Назначение, формы и конструкции балок

Балки — горизонтальные или, как, например, в кровлях, слегка наклонные несущие элементы, работающие на поперечный изгиб, которые воспринимают вертикальные нагрузки и передают их на опоры. От нагрузок в балках возникают внутренние усилия: изгибающие моменты и поперечные силы.

Формы балок

1. Различают балки со сплошными стенками и решетчатые (фермы). Первые состоят из стенки и полок, решетчатые — из поясов, соединенных решеткой. Стальные балки могут работать совместно с закрепленными на них железобетонными плитами сталежелезобетонная или комбинированная балка.

Конструкция балок

Благодаря своей рациональной форме сечения стальные балки очень экономичны. На момент работают в основном пояса или полки балок, в которых возникают продольные усилия сжатия или растяжения В комбинированных балках железобетонная плита включается в совместную работу со сжатым поясом; растянутый пояс — из стального профиля. Поперечные силы в сплошных балках воспринимаются стенкой, в которой возникают касательные напряжения; в решетчатых балках от поперечных сил в раскосах и стойках возникают осевые усилия растяжения и сжатия.

В многоэтажных зданиях в большинстве случаев применяют балки с параллельными поясами. Они могут иметь и другие формы. В определенных пределах чем выше балка, тем она экономичнее, так как площади поясов уменьшаются с увеличением высоты балки. Выше этого предела затраты на стенку или элементы решетки превышают экономию, получаемую от уменьшения размеров сечения поясов. В сталежелезобетонных балках совместная работа двух материалов различной прочности и разных упругих и пластических свойств требует принятия соответствующих конструктивных мер с учетом технологии изготовления.

Прогиб

Расчет балок приводится производить не только по несущей способности, но и на прогиб. Прогибы от действия постоянных нагрузок могут быть устранены путем придания балке строительного подъема; прогибы же от временных нагрузок ограничиваются эксплуатационными требованиями Часто размеры балки диктуются не прочностью, а величиной допустимого прогиба. Предпочтительнее такие балки, прочностные свойства материала в которых будут полностью использованы.

Ограничение прогибов

Прогиб балки f принято выражать в долях от ее пролета l (рис. 2). При расчете на прогиб следует заранее установить, при какой нагрузке (суммарной или только временной) должны быть выдержаны установленные значения относительного прогиба f/l, которые находятся в пределах от 1/200 до 1/800 Предельный прогиб от временной нагрузки обычно составляет f /l=1/300, а от суммарной нагрузки f/l=1/500. При f/l=1/800 балки имеют очень большую жесткость и соответственно большую высоту и высокую стоимость и могут быть рекомендованы лишь в особых случаях. При определении предельных прогибов учитывается, какая часть временной нагрузки действительно изменяется. Размер прогиба имеет значение прежде всего для сохранности перегородок. При этом абсолютное значение прогиба играет меньшую роль по сравнению с углом наклона ? перекрытия (рис. 3), который на опоре балки становится наибольшим, что приводит к появлению в перегородках больших деформаций сдвига.

Следует учитывать, что во многих случаях, особенно при больших временных нагрузках, большая их часть действует длительно, например в библиотеках, и только очень незначительная часть нагрузки может вызывать изменение прогибов во времени. Установленные для помещений общественных зданий большие временные нагрузки рассчитаны на толпу людей или катастрофические случаи, при которых абсолютная величина прогиба не имеет значения. Допустимый прогиб должен быть в каждом случае тщательно обоснован, поскольку от его размера зависят как экономичность, так и эксплуатационные качества конструкций.

Строительный подъем балок

Строительный подъем (рис. 4) назначают в зависимости от нагрузки и времени, к которому балка должна выпрямиться. Это состояние наступает, как правило, после приложения всех постоянных нагрузок g. Часто правильней требовать, например при больших длительно действующих временных нагрузках (в библиотеках), чтобы балки выпрямлялись после нагружения их частью временной нагрузки, например 1/3. В сталежелезобетонных балках при назначении строительного подъема следует учитывать также деформации от ползучести и усадки бетона.

Обеспечение жесткости балок

В узких балках верхние сжатые пояса раскрепляют от потери устойчивости. Балки перекрытий могут быть раскреплены уложенными по ним железобетонными плитами, балки покрытий — профилированным стальным настилом, если он достаточно надежно соединен с балками Для трубчатых конструкции обычной является трехпоясная система, в которой растянутый пояс состоит из одной, а сжатый — из двух, соединенных решеткой, труб. На опорах или в местах, к которым приложены большие нагрузки, балки раскрепляют связями, повышающими их устойчивость.

Однопролетные балки, неразрезные балки

Неразрезные многопролетные балки экономичнее однопролетных балок (рис. 5), так как возникающие в них изгибающие моменты и прогибы меньше. В крайних пролетах неразрезных равнопролетных балок изгибающие моменты больше, чем в средних пролетах. Для выравнивания моментов крайние пролеты следует назначать размером от 80 до 90% средних пролетов.

Решетчатая система балок

Решетчатой называется система балок, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях и жестко соединенных друг с другом в точках пересечения (рис. 6). Каждое из двух балочных семейств воспринимает долю нагрузки в зависимости от своей жесткости и длины своего пролета. Такая конструкция применяется в большепролетных перекрытиях при плане, мало отличающемся от квадратного. Высота перекрытия при этом получается сравнительно небольшой.