Проверка и обеспечение местной устойчивости элементов балок

В балках потерять устойчивость могут сжатый пояс от действия нор­мальных напряжений и стенка от действия касательных или нормальных напряжений, а также и от их совместного действия. Потеря устойчивости одним из элементов балки полностью или частично выводит его из работы, рабочее сечение балкиуменьшается, часто становится несиммет­ричным, центр изгиба смещается, и это может привести к преждевре­менной потере несущей способности всей балки.

Элементы балки могут потерять устойчивость, только если действую­щие в балке напряжения или их совместное воздействие больше критических напряжений потери устойчивости.

Рассмотрим отдельно устойчивость пояса и стенки балки.

16.Устойчивость сжатого пояса. Сжатый пояс представляет собой длин­ную пластинку, шарнирно прикрепленную своей длинной стороной к стенке балки и нагруженную равномерно распределенным по сечению пластины нормальным напряжением, действующим вдоль длинной сто­роны пластины. Потеря устойчивости такой пластины происходит путем волнообразного выпучивания ее краев. Шарнирное закрепление пояса стенкой принимается в запас прочности потому, что гибкая стенка не способна оказать сильное противодействие повороту пояса при потере устойчивости его свободных краев.

Для обеспечения устойчивости пояса при его упругой работе необходимо соблюдать отношение свеса пояса к его толщине, не превышающее значений, полученных по форму­ле:

,

где b_ef – свес пояса (половина ширины пояса).

t_f – толщина пояса.

Рекомендуемые из условия устойчивости размеры пояса для мало­углеродистых сталей близки к рекомендуемым размерам из условия его равномерной работы по ширине, потому специальные конструктивные мероприятия по обеспечению увеличения ширины свеса нецелесооб­разны.

16.Устойчивость стенки. Стенка представляет собой длинную тонкую пластину, испытывающую действие касательных и нормальных напря­жений, которые могут вызвать потерю ее устойчивости. Но устойчивости стенки обычно добиваются не увеличением ее толщины (из-за больших размеров стенки этот путь привел бы к большому перерасходу материа­ла), а укреплением ее специальными ребрами жесткости, расположенными нормально к поверхности выпучивания листа и увеличивающими жесткость стенки

Согласно СНиП, требуется укреплять стенку балки поперечными ребрами жесткости при:

отсутствии местной нагрузки на пояс балки

>3,2;

при действии местной нагрузки на пояс балки

>2.2;

при действии больших сосредоточенных грузов - под каждым грузом.

Расстояние между поперечными ребрами жесткости не должно превы­шать 2 ∙ h₀.

Шири­на каждого из парных симметричных ребер жесткости должна быть не менее b_p= h₀/30 + 40 мм.

Ребра жесткости следует приваривать в стенке сплошными односто­ронними швами минимальной толщины, не доводя их на 40 - 50 мм до поясных швов с целью уменьшения воздействия зон термического вли­яния швов.

 

Стыки балок

Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные (укруп-нительные).

Заводские стыки представляют собой соединения отдельных частей какого-либо элемента балки(стенки, пояса), выполняемые из-за недо­статочной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с реб­рами жесткости и т. п.). Чтобы ослабление сечения балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т. е. вразбежку.

Монтажные стыки выполняются при монтаже, они необходимы тог­да, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонти­ровать ее целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симмет­рично относительно середины балки), удовлетворяющие требованиям транспортирования и монтажа наиболее распространенными средст­вами.

Стыки прокатных балок (заводские и монтажные) выполняют, как правило, сварными.

 

Опирания и сопряжения балок

Сопряжения балок. Сопряжения главных и второстепенных балок между собой бывают: этажные, в одном уровне верхних поясов и с по­ниженным расположением верхних поясов второстепенных балок (рис.).

Рис. Сопряжение балок шарнирное

а - поэтажное; б - в одном уровне на болтах; в - пониженное

Этажное сопряжение (рис. а) является простейшим, но оно из-за возможного отгиба пояса главной балки может передавать лишь не­большие опорные реакции. Это сопряжение можно усилить, поставив под вспомогательной балкой ребро жесткости и пригнав его верхний торец к верхнему поясу главной балки для предотвращения отгиба.

Сопряжения в одном уровне и пониженное сопряжение способны пе­редавать большие опорные реакции. Неудобство сопряжения в одном уровне (рис. б) - необходимость выреза верхней полки и части стенки вспомогательной балки. Этот вырез ослабляет ее сечение и уве­личивает трудоемкость сопряжения; кроме того, число болтов, которые можно разместить на стенке балки, ограничено. Избежать этих не­удобств можно, приварив на заводе к торцу вспомогательной балки ко­ротыш из уголка, и уже его сопрягать на монтаже болтами или сваркой с ребром жесткости главной балки (рис. в ).

В этих сопряжениях опорная реакция со стенки примыкающей вспо­могательной балки передается через болты или монтажную сварку на специальное ребро, укрепляющее стенку главной балки. В качестве ра­ботающих применяют болты нормальной точности, а при больших опорных реакциях вспомогательных балок - высокопрочные болты.

Все рассмотренные сопряжения балок работают как шарнирные. При необходимости жесткого сопряжения балок (рис.) вводят «рыбки» (при одинаковой высоте балок) или «рыбку» и столик (при различной высоте балок). В таком сопряжении возникает не только поперечная сила, передающаяся на болты, прикрепляющие стенку вспомогательной балки к ребру главной балки или непосредственно на столик, но и опорный момент, передающийся через специальные наклад­ки-рыбки или через «рыбку» и столик.

Рис. Жесткое сопряжение балок

Центрально сжатые колонны

Центрально-сжатые колонны (рис. а) применяются для поддер­жания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих пло­щадках, путепроводах, эстакадах и т. п.

Рис. Схемы центрально сжатых стержней

 

Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фун­даменты и состоят из трех частей:

оголовок, на который опирается вышележащая конструкция, нагру­жающая колонну;

стержень — основной конструктивный элемент, передающий нагрузку от оголовка к базе;

база, передающая нагрузку от стержня на фундамент.

Колонны и сжатые стержни бывают сплошными или сквозными.

Сплошные колонны

Обычно сечение сплошной колонны проектируют в виде широкопо­лочного двутавра, прокатного или сварного. Различные типы сечений сплошных колонн показаны на рис.

Чтобы колонна была равноустойчивой, гибкость ее в плоскости оси х должна быть равна гибкости в плоскости оси у.

Прокатный двутавр вследствие незначительной ширины его полок меньше всего отвечает требованию равноустойчивости и по­этому применяется редко.

 

Рис. Типы сечений сплошных колонн

 

У прокатного широкополочного двутавра (рис. а) может быть b = h, что не удовлетворяет условию равноустойчивости, но все же дает сечение, вполне пригодное для колонн.

Сварные колонны, состоящие из трех листов (рис. б), достаточ­но экономичны по затрате материала, так как могут иметь развитое сечение, обеспечивающее колонне необходимую жесткость. Сварной двутавр является основным типом сечения сжатых колонн.

Равноустойчивыми в двух направлениях и также простыми в изго­товлении являются колонны крестового сечения. При небольших нагрузках они могут составляться из двух уголков крупного калибра (рис. в); из трех листов свариваются тяжелые колонны (рис. г).

Простыми, но ограниченными по площади и менее экономичными по расходу стали получаются колонны из трех прокатных профилей (рис. 8.2, е).

При заполнении стальной трубы бетоном получается эффективная комплексная конструкция (трубобетонная), в которой труба является оболочкой, стесняющей поперечные деформации заключенного внутри бетонного цилиндра. В этих условиях работы прочность бетона на сжа­тие значительно увеличивается, исключаются потери местной устойчиво­сти трубы и коррозии внутренней ее поверхности.

Трубы могут быть из малоуглеродистой, и из низколегированной стали, бетон приме­няют высоких марок - от 250 до 500 и выше.

Сквозные колонны

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит из двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой решетками (рис. а-в). Ось, пересекающая ветви, называется матери­альной; ось, параллельная ветвям, называется свободной. Расстояние между ветвями устанавливается из условия равноустойчивости стержня.

 

Рис. Типы сечений сквозных колонн

 

Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить полками внутрь (рис. а), так как в этом случае решетки получаются меньшей шири­ны и лучше используется габарит колонны.

Более мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или свар­ных двутавров (рис. в).

В сквозных колоннах из двух ветвей необходимо обеспечивать зазор между полками ветвей (100-150 мм) для возможности окраски внут­ренних поверхностей.