Основы расчета изгибаемых элементов.

Одним из наиболее распространенных элементов, работающих на изгиб, являются металлические балки, загруженные равномерно распределенной, сосредоточенной или комбинированной нагрузкой. Балки применяются в междуэтажных перекрытиях гражданских, общественных и производственных зданий, в элементах рабочих площадок, при строительстве эстакад, мостов и др. различных сооружений.

Балки можно классифицировать по статической схеме работы и поперечному сечению. Балки могут быть однопролетные (статически определимые), многопролетные (неразрезные, статически неопределимые) и консольные (с заделкой одного конца или консолями в обычных схемах) (рис. 1.3).

Рис. 2.2. Статические схемы балок.

а – разрезная однопролетная; б – неразрезная двухпролетная; в – то же, многопролетная.

По типу сечения балки могут быть из прокатных элементов или составными (сварные, болтовые). Наиболее часто в строительстве применяют балки двутаврового сечения. (2.3).

При нагружении балок вертикальными нагрузками в них
возникают изгибающие моменты и поперечные силы. (2.2).

Расчет изгибаемых элементов ведут по предельным состояниям обеих групп. Предельные состояния первой группы для изгибаемых элементов определяются вязким, хрупким или усталостным разрушением (т.е. исчерпанием прочности) или же потерей устойчивости; второй группы - развитием чрезмерных деформаций, нарушающих нормальные условия эксплуатации конструкций. Основной вид расчета изгибаемых элементов - по прочности, применительно к случаю вязкого их разрушения. Он производится по формулам: М/Wn min < Ry·γ с;

τ = QS/(It) < Rsγ с, (2.8)

где М и Q - изгибающий момент и поперечная сила; Wn min - момент сопротивления нетто, т.е. ослабленного сечения, определенный по упругой стадии работы элемента; S - статический момент (брутто) сдвигающейся части сечения относительно нейтральной оси; t - толщина стенки; Ry, Rs - расчетные сопротивления стали изгибу и сдвигу.

Расчет изгибаемых элементов при развитии пластических деформаций производится в предположении, что сталь является идеальным упругопластичным материалом и что несущая способность исчерпывается тогда, когда во всех волокнах напряжения достигнут предела текучести.

Рис. 2.3. Типы сечения балок

а – прокатный двутавр с уклоном внутренних граней полок; б – то же, тонкостенный с узкими параллельными полками; в – сварной с широкополочными таврами; г – сварной из листов; д, е – клепаные или на высокопрочных болтах.

В рассматриваемом состоянии все волокна сечения находятся в стадии текучести, поэтому длина их может изменяться при постоянном напряжении. Изгибаемый элемент может поворачиваться вокруг нейтральной оси, как вокруг оси шарнира, который поэтому называется шарниром пластичности, или пластическим шарниром. Шарнир пластичности действует только в направлении предельного момента; при действии изгибающего момента в обратном направлении напряжения уменьшаются, отдельные волокна сечения возвращаются, к упругому состоянию и шарнир пластичности прекращает свое существование.

Пластический момент сопротивления Wрl существенно выше упругого момента сопротивления Wel. Соответствующие коэффициенты с1, сх и су перехода от упругого к пластическому моменту сопротивления приведены в СниП II – 23 - 81 (п. 5.18 и табл. 66). Для прямоугольного сечения Wрl = 1, 5 Wеl, для прокатных двутавровых и швеллерных сечений Wрl = 1, 12 Wеl при изгибе в плоскости стенки и Wрl = 1, 2 Wеl при изгибе в плоскости, параллельной полкам; для трубчатого профиля Wрl = Wеl. Расчет ведут по формуле

δ max=Мсl/Wn min < Rуγ с, (2.9)

где М - изгибающий момент, определенный по расчетным нагрузкам; Rу - значение расчетного сопротивления, установленного по пределу текучести.

При приложении нагрузки в зоне верхнего пояса и в опорных сечениях балки по формуле

Δ loc=F/t· ef≤ Ryγ c (2.11)

где -условная длина распределения нагрузки.

Расчет изгибаемых элементов по деформациям производят по нормативным нагрузкам. В соответствии с недопустимостью черезвычайных прогибов

f≤ fu

где f – fu соответственно относительный прогиб конструкции по расчету и предельно допустимый, определяемый нормами.

Расчет на устойчивость. До исчерпания несущей способности элемента он может потерять устойчивость, т.е. начнет закручиваться и выходить из плоскости изгиба (см. заставку к этой главе). Снижение несущей способности балки вследствие возможной потери устойчивости учитывают в расчетных формулах коэффициентом φ b < 1 (зависящим от высоты сечения, длины пролета, характера приложения нагрузки и т.д.), принимая момент сопротивления для сжатого пояса сечения, равным Wс (без учета ослаблений). Последнее обусловлено тем, что местные ослабления не влияют на критическую нагрузку, вызывающую потерю устойчивости. Проверку общей устойчивости ведут по формуле

М/(φ ·bWc) < Rу·γ с, (2.10)

где φ b - коэффициент, принимаемый СниП II-23 - 81, прилож. 7; Wc - момент сопротивления, определяемый для сжатого пояса.

Местную устойчивость полки проверяют по следующему условию

bef/tf≤ [bef/tf]

где bef – ширина сжатой полки; tf – толщина полки, [bef/tf] – нормативная характеристика (по табличным данным).

В том случае, когда на сжатый пояс изгибаемого элемента (балки) опирается жесткий настил (железобетонные плиты, металлические листы, волнистая сталь и т.д.), передающий на балку распределенную статическую нагрузку, устойчивость балок заведомо обеспечена. В этом случае расчет на устойчивость проводить не требуется. Для двутавровых балок, когда отношение свободной длины балки lеf к ширине сжатого пояса b не превышает определенного значения (СниП II-23 - 81*, табл. 8), расчет на устойчивость также не проводится. Расчетом на устойчивость обычно определяется сечение монорельсов, подкрановых балок и других подобных конструкций, сжатый пояс которых не закреплен на большой длине.

Подбор сечений прокатных балок ведут в таком порядке: подсчитывают изгибающий момент М, затем определяют требуемый момент сопротивления. Если балка может быть рассчитана с учетом образования пластического шарнира, то проводят соответствующий расчет. Затем по сортаменту подбирают необходимый профиль, для которого по сортаменту же находят величину W, определяют прогиб и проводят сравнение найденного прогиба с предельно допускаемым по нормам.