Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 0

Преимущества и недостатки металлических балок перекрытия

Деревянные балки

Сегодняшнее индивидуальное строительство подразумевает под собой широкое применение балок, изготовленных из дерева. Практически каждое строение содержит в себе деревянные перекрытия. Балки из дерева могут использоваться как несущие элементы, их применяют при изготовлении полов, а также в качестве опор для перекрытий между этажами.

Ни для кого не секрет, что деревянная, так же как и стальная балка, имеет свойство прогибаться под воздействием нагрузочных сил. Стрелка прогиба зависит от того, какой материал используется, геометрических характеристик конструкции, в которой используется балка, и характера нагрузок.

Допустимый прогиб балки формируется из двух факторов:

  • Соответствие прогиба и допустимых значений.
  • Возможность эксплуатации здания с учетом прогиба.

Проводимые при строительстве расчеты на прочность и жесткость позволяют максимально эффективно оценить то, какие нагрузки сможет выдерживать здание в ходе эксплуатации. Также эти расчеты позволяют узнать, какой именно будет деформация элементов конструкции в каждом конкретном случае. Пожалуй, никто не будет спорить с тем, что подробные и максимально точные расчеты – это часть обязанностей инженеров-строителей, однако с использованием нескольких формул и навыка математических вычислений можно рассчитать все необходимые величины самостоятельно.

Для того чтобы произвести правильный расчет прогиба балки, нужно также брать во внимание тот факт, что в строительстве понятия жесткости и прочности являются неразрывными. Опираясь на данные расчета прочности, можно приступать к дальнейшим расчетам относительно жесткости

Стоит отметить, что расчет прогиба балки – один из незаменимых элементов расчета жесткости.

Обратите ваше внимание на то, что для проведения таких вычислений самостоятельно лучше всего использовать укрупненные расчеты, прибегая при этом к достаточно простым схемам. При этом также рекомендуется делать небольшой запас в большую сторону

Особенно если расчет касается несущих элементов.

Исходные данные для расчетов

Для каркаса потолочных перекрытий малогабаритных частных домов обычно используется двутавр 10 – 20 номеров. Характеристики этих профилей приводятся в ГОСТ 8239-72 – их линейные размеры, площади сечения, максимальные моменты сопротивления по вертикали Wy и минимальные моменты инерции Jy.

Необходимо знать тип плит, которые будут опираться на балочный каркас, а также размеры несущего периметра дома. Можно применить пустотные железобетонные плиты ПК-12-10-8 (1180 х 990 мм, масса 380 кг), а размеры дома взять 4,5 х 6 м. Балки укладываются вдоль короткой стены; шаг укладки при таком размере плит равен 1000 мм (стыки плит совпадают с продольными осями балок, при минимальном зазоре 1 см). Это потребуется для расчета распределенной нагрузки, и исходя из нее – линейной нагрузки на балку, вес самой балки по сравнению с распределенной нагрузкой мал, и при вычислении линейной нагрузки им можно пренебречь.

Распределенная нагрузка при таком типе плит будет равна 325 кгс / м2. К этому надо добавить нагрузку возможных перегородок на верхней стороне перекрытия (75 кгс / м2) и возможную временную нагрузку (200 кгс / м2). В итоге нагрузка, распределенная по площади:

Q = 325 + 75 + 200 = 600 кгс / м2,

а линейная нагрузка

q = Q * p = 600 кгс / м = 6 кгс / см.

Эта величина используется в дальнейших расчетах.

Инструкция к калькулятору

Исходные данные

Расчетная схема:

Длина пролета (L) — пролет через который переброшена балка или длина консоли.

Расстояния (A и B) — расстояния от опор до мест приложения нагрузок. Для 3 схемы А равна длине консоли балки, опирающейся на 2 опоры.

Нормативная и расчетная нагрузки — нагрузки, на которые рассчитывается квадратная труба. Рассчитать их можно с помощью следующих материалов:

  • калькулятор по сбору нагрузок на балку перекрытия;
  • пример сбора нагрузок на балку перекрытия;
  • пример сбора нагрузок на стропила.

Fmax  — максимально допустимый прогиб, подбираемой по таблице E.1 СНиПа «Нагрузки и воздействия», в зависимости от вида конструкции. Некоторые значения этого показателя приведены в таблице 1.

Таблица 1. Максимальный прогиб для некоторых конструкций согласно СНиП.

Вид балки Длина пролета Требования Fmax
Балки перекрытий, покрытий, крыши L ≤ 1 м Эстетико-психологические, то есть такие, при которых прогиб балки не будет «бросаться в глаза»  1/120 (1/60)
L = 3 м  1/150 (1/75)
L = 6 м  1/200 (1/100)
L = 12 м  1/250 (1/125)
Балки покрытий и перекрытий при наличии на них элементов, подверженных растрескиванию (стяжек, полов, перегородок)  любая  Конструктивные  1/150 (1/75)
Перемычки  любая  Конструктивные  1/200

Примечания:

1. Без скобок Fmax указан для пролета, в скобках — для консоли.

2. В случае промежуточных значений длины пролета L максимальный прогиб Fmax находится по линейной интерполяции.

Количество труб — обычно указывается одна балка, но если есть желание ее усилить и положить рядом еще одну такую же балку, то следует выбрать в графе «две».

Расчетное сопротивление Ry— данный параметр зависит от марки стали. Основные значения этого показателя приведены в таблице 2.

Таблица 2. Расчетное сопротивление стали по ГОСТ 27772-88.

Марка стали Аналог Толщина проката Расчетное сопротивление, Ry
Неизвестно  —  любая 210 МПа
 C235 Ст3кп2 по ГОСТ 535-2005 2 — 20 мм 230 МПа
20,1 — 40 мм 220 МПа
С245 Ст3пс5, Ст3сп5 по    ГОСТ 535-2005 2 — 20 мм 240 МПа
20,1 — 30 мм 230 МПа
 С255  Ст3Гпс, Ст3Гсп по    ГОСТ 535-2005 4 — 10 мм 250 МПа
10,1 — 20 мм 240 МПа
20,1 — 44 мм 230 МПа
 С275  Ст3пс по ГОСТ 535-2005 2 — 20 мм 270 МПа
 С285  Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп по ГОСТ 535-2005 4 — 10 мм 280 МПа
10,1 — 20 мм 270 МПа
 С345  12Г2С, 09Г2С по ГОСТ 19281-2014 2 — 10 мм 335 МПа
10,1 — 20 мм 315 МПа
20,1 — 40 мм 300 МПа
 С345К  10ХНДП по ГОСТ 19281-2014 4 -10 мм 335 МПа

Размер трубы — здесь необходимо выбрать тот размер трубы, который вы хотите проверить на заданные нагрузки.

Результат

Вес балки — масса 1 погонного метра трубы.

Wтреб — требуемый момент сопротивления профиля.

Fmax — максимальный прогиб в сантиметрах, который допустим для балки, перекрывающей пролет длиной L.

Расчет по прочности:

Wбалки — момент сопротивления выбранной трубы по ГОСТ 30245-2003. Если Wбалки > Wтреб, значит прочность балки обеспечена.

Запас — если в данной графе значение с минусом (-), то балка по прочности не проходит, а если с плюсом (+), то здесь показано, на какой процент балка имеет запас прочности.

Расчет по прогибу:

Fбалки — прогиб, возникающий у рассчитываемой трубы под действием нормативной нагрузки.

Запас — то же самое, что и по отношению к моменту сопротивления.

Значение приметы для женщины

Расчет металлической балки перекрытия

Бывают случаи, когда деревянные балки для междуэтажных или чердачных перекрытий использовать экономически не выгодно. Например, когда пролет слишком большой и поэтому для его перекрытия требуются деревянные балки большого сечения. Или когда у Вас есть хороший знакомый, который торгует не пиломатериалом, а металлопрокатом.

В любом случае не лишним будет знать во сколько может обойтись перекрытие, если использовать металлические балки, а не деревянные. И в этом Вам поможет данный калькулятор. С его помощью можно рассчитать требуемые момент сопротивления и момент инерции, которые для подбора металлических балок для перекрытия по сортаментам из условия прочности и прогиба.

Рассчитывается балка перекрытия на изгиб как однопролетная шарнирно-опертая балка.

Исходные данные

Условия эксплуатации:

Длина пролета (L) — расстояние между двумя внутренними гранями стен. Другими словами, пролет, который перекрывают рассчитываемые балки.

Шаг балок (Р) — шаг по центру балок, через который они укладываются.

Вид перекрытия — в случае, если на последнем этаже Вы жить не будете, и он не будет сильно захламляться милыми Вашему сердцу вещами, то выбирается «Чердачное», в остальных случаях — «Междуэтажное».

Длина стены (Х) — длина стены, на которую опираются балки.

Характеристики балки:

Длина балки (А) — самый большой размер балки.

Вес 1 п.м. — данный параметр используется как бы во втором этапе (после того, как Вы уже подобрали нужную балку).

Расчетное сопротивление Ry — данный параметр зависит от марки стали. Например, если марка стали:

  • С235 — Ry = 230 МПа;
  • С255 — Ry = 250 МПа;
  • С345 — Ry = 335 МПа;

Но обычно в расчете используется Ry = 210 МПа для того, чтобы обезопасить себя от разного рода «форс-мажерных» ситуаций. Все-таки в России живем — привезут металлопрокат из стали не той марки и все…

Модуль упругости Е — этот параметр зависит от вида металла. Для самых распространенных его значение равно:

  • сталь — Е = 200 000 МПа;
  • алюминий — Е = 70 000 МПа.

Нагрузка:

Значения нормативной и расчетной нагрузок указываются после их сбора на перекрытие.

Цена за 1 т — стоимость 1 тонны металлопроката.

Результат

Расчет по прочности:

Wтреб — требуемый момент сопротивления профиля. Находится по сортаменту (есть ГОСТах на профили). Направление (х-х, y-y) выбирается в зависимости от того, как будет лежать балка. Например, для швеллера и двутавра, если Вы хотите их поставить (т.е. больший размер направлен вверх — [ и Ι), нужно выбирать «x-x».

Расчет по прогибу:

Jтреб — минимально допустимый момент инерции. Выбирается по тем же сортаментам и по тем же принципам, что и Wтреб.

Другие параметры:

Количество балок — общее количество балок, которое получается при укладки их по стене X с шагом P.

Общая масса — вес всех балок длиной А.

Стоимость — затраты на покупку металлических балок перекрытия.

Балочные перекрытия по деревянным балкам, по металлическим балкам. Монолитные перекрытия

Балочные перекрытия собирают из несущих балок и заполнения между ними- наката. Балочные конструкции изготовляются на основе металлических, деревянных или железобетонных балок с последующей их отделкой всеми необходимыми элементами перекрытий.

Перекрытия по деревянным балкам.В настоящее время деревянные перекрытия допускается применять лишь в малоэтажных зданиях и только в районах, где лес является местным строительным материалом. Достоинства : лёгкость перекрытий, изготавливаемых из «деловых» пород древесины; простота и удобство монтажа балок; возможность обходиться без привлечения специальной техники (подъемника или крана),сравнительно невысокая стоимость. Недостатки — сгораемость, возможность загнивания и относительно малая прочность.

Деревянные балки могут иметь сплошное или составное сечение. Для опирания элементов (межбалочного заполнения- наката) по бокам балок прибивают бруски, называемые черепными.

Концы балок, заведенных в несущие стены, антисептируют, изолируют 2-мя слоями рубероида и анкеруют в каменных стенах. Заполнение между балками выполняют из щитового дощатого наката.

Деревянные перекрытия относятся к акустическим слоистым конструкциям. Для обеспечения звукоизоляции на накате располагают звукоизоляционный слой по водоизоляционной стяжке. Стяжка выполняется из рулонных материалов или по смазке глинопесчаным раствором. Для звукоизоляции используют минераловатные плиты или другие эффективные легкие пористые материалы.

1-деревянная балка,2-стальной анкер,3-черепной брусок,4-трехслойный щитовой накат,5-глиняная смазка,6 — звукоизоляционный слой,7-звукоизоляционная прокладка,8-дощатый пол толщиной 29 мм,9-штукатурка

По металлическим балкам. По сравнению с деревянными достаточно надежны и более долговечны, а также имеют меньшую толщину (экономят пространство), но подобные перекрытия возводят редко. Для заполнения проемов между балками можно использовать легкобетонные вставки, облегченные железобетонные плиты, деревянные щиты или деревянный накат. Масса 1 м2 такого перекрытия часто превышает 400 кг.

Преимущества:

Металлической балкой можно перекрыть большие пролеты ( 4-6 метров и более).

Металическая балка негорюча и устойчива к биологическим воздействиям(гнили и т.д.).

Но перекрытия по металлическим балкам не лишены недостатков:

в местах повышенной влажности на металле образуется коррозия.

Кроме того, такие перекрытия имеют пониженные тепло- и звукоизоляционные качества. Чтобы смягчить этот недостаток, концы металлических балок обертывают войлоком.

В таких перекрытиях несущим элементом является прокатный профиль: двутавр, швеллер, уголки.

Между балками укладывают сборные железобетонные пустотелые плиты толщиной 9 см. По железобетонным плитам нанесен слой шлака и железобетонной стяжки толщиной 8-10 см. Расход стали высокий — 25- 30 кг/м2 в зависимости от марки стали, из которой изготовлены балки.

1 — «чистый» пол; 2 — дощатый настил; 3 — балка; 4 — сборная ж/б плита; 5 — гидроизоляция; 6 — сетка штукатурная; 7 — штукатурка.

Монолитные перекрытия.

Монолитные перекрытия взводятся на строительной площадке при помощи щитовой или туннельной опалубки. По своей, конструктивной схеме они могут быть:

  • ребристыми (балочными), состоящие из главных и вспомогательных балок, объединенных монолитной плитой;
  • кессонными с взаимопересекающимися балками одинаковой высоты;
  • безбалочными — в виде сплошной монолитной плиты, опираемой на вертикальные несущие конструкции.

Ребристые перекрытия состоят из плиты, второстепенных(ребер) и главных (прогонов) балок. Высота главных балок выше второстепенных. При квадратном плане перекрываемого помещения применяют вариант кессонного перекрытия, в котором все ребра, поддерживающие плиту перекрытия имеют одинаковую высоту. Все элементы перекрытия балочной (плиты и балки), а также безбалочной систем (плиты и колонны) жестко связанны между собой.

Монолитные безбалочные перекрытия работают по схеме многопролетной неразрезной конструкции, с опорами на несущие стены. Защемление несущих монолитных перекрытий осуществляется по контуру или по трем сторонам

cyberpedia.su

Что это?

Знание устройства балки перекрытия и ее целевого назначения очень важно. Без учета подобных моментов совершенно невозможно построить дом выше одного этажа

Необходимость балок перекрытий нельзя ставить под сомнение. Общеизвестно, что на потолки вешают люстры и крепят декоративные конструкции, а по полу верхних этажей ходят люди, не говоря уже о нагрузке, создаваемой мебелью и бытовой техникой, а также другим имуществом.

Это все не может быть удержано строительными конструкциями, если не будет балок перекрытия. Они играют роль своеобразного особо прочного скелета, связывающего разные по высоте ярусы. Вплоть до конца XIX века единственным вариантом организации такого скелета были деревянные и металлические конструкции.

Сейчас для этой цели широко используется железобетон. Выкладка балок при строительстве должна производиться со скрупулезной тщательностью даже в том случае, если сооружают частный дом или дачу. Ничтожные с виду перекосы могут привести к обрушению всех конструкций. Разумеется, необходимы и точные расчеты. Давно уже никто не полагается всерьез на глазомер и интуицию строителей.

Как правильно установить балочные элементы

При возведении здания из кирпича, при выполнении кладки для установки несущих деталей в стенах выполняются проемы для установки концов горизонтальных опор. По принятым правилам величина опоры конца опорной детали должна быть не менее 15 сантиметров. Установка переводов должна быть строго горизонтальной, что контролируется строительным уровнем. При необходимости регулировки положения под ее концы можно устанавливать плашки или регулировочные проставки. Для деревянных перекрытий обязательна установка гидроизоляции из одного или двух слоев рубероида.

Это защитит материал от переувлажнения, сопровождаемого процессами гниения. С этой же целью деревянные детали обрабатываются противобактериальными препаратами. Для снижения горючести применяются противопожарные пропитки. Свободное пространство, образующееся по ходу установки конца опоры, нужно заполнить утепляющими материалами.

Как произвести онлайн расчет

Рассмотрим порядок подсчета при использовании перекрытия из древесины – наиболее популярного материала для индивидуального и малоэтажного строительства. Эти наиболее сложные математические задачи лучше выполнять с использованием калькулятора из интернета с высокой степенью вероятности получения достоверного результата.

Расчет на прогиб (изгиб) – алгоритм расчета

Для выполнения этой операции разработан определенный порядок. Расчет балки на прогиб и изгиб производится следующим образом:

  1. Составляется схема нагружения.
  2. Определяются основные размеры опоры.
  3. Производится вычисление максимально допустимой нагрузки на эту деталь.
  4. При необходимости определяется величина прочности на значение прогибающего момента.
  5. Рассчитывается максимально возможный прогиб опорного элемента при данном нагружении.

При вычислении допустимой нагрузки учитываются следующие показатели:

  • вес метрового образца перекрытия;
  • масса перекрытия в приложении к одному квадратному метру;
  • расстояние между опорными балками в метрах.

Учитывая важность точности результат расчета балки на прогиб / изгиб, лучше воспользоваться онлайн-калькулятором, где учтены все характеристики и особенности конструкции перекрытия. Особо важно выполнение расчета балки на прочность

По получении конечного результата нужно учесть необходимость в определенном запасе прочности перекрытия, регламентированного соответствующими СНиП.

Если максимальная распределенная нагрузка превышает показатели прочности материала опоры, необходимо изменить геометрические параметры опоры и пересчитать по новым данным. Величина прогиба зависит также от материала, из которого она изготовлена. Калькулятором предусмотрена также порода древесины, из которой она изготавливается.

Нужно заметить, что этот вид вычисления относится к наиболее сложным математическим операциям в строительстве и часто неподвластен даже инженерам. Поэтому расчет балки на изгиб лучше выполнять с использованием онлайн-калькулятора. А учитывая, что составители калькуляторов тоже люди, им свойственно ошибаться, лучше перепроверить его дополнительно на разных программах. Только вот оценку результата придется выполнять самому. Для этого нужно, как минимум, владеть методикой построения эпюр нагрузок.

Для страховки конструкторы часто вводят на консолях дополнительные упоры в виде укосин, если это возможно.

Онлайн расчет статически неопределимой балки

Опорное основание такого типа считается таковым в том случае, когда к нему нельзя применить уравнение равновесия. Это возможно при том случае, когда на ферме отсутствуют промежуточные шарниры и имеются шарнирные опоры по концам, один из которых является жестко защемленным, а второй оснащается подвижным шарниром.

Алгоритм онлайн просчета предполагает построение эпюр нагрузок в трех плоскостях и представляет собой сложную математическую задачу. Поэтому имеет смысл воспользоваться специальным онлайн калькулятором из интернета и получить конечный результат без особых затрат времени.

Нужно заметить, что выполнение расчетов такого уровня сложности является частным случаем при проектировании нестандартных строений. Чаще всего используются типовые конструкции, где опорные элементы просчитаны заранее. Кроме того, наличие различного рода строительных онлайн калькуляторов упрощает задачу выполнения расчетов. Их использование оправдано, когда возникают сомнения в правильности выбора материалов.

Расчет стыка пояса. Раскладывая изгибающий момент Mf на пару сил, определяем расчетное усилие в поясе:

Nf = Mf/hf= 3703,29 / 152,5 = 2428,39 кН.

Количество болтов n на каждую сторону от центра стыка балки для прикрепления накладок пояса определяем по формуле

где    ks = 2 – количество поверхностей трения соединяемых элементов.

Принимаем 12 болтов и размещаем их согласно рис. 3.21.

Длину горизонтальных накладок назначаем конструктивно из условия размещения болтов:

lnf  = 2(n1a + 2c) + δ = 2 (2 ∙ 70 +2 ∙ 50) + 10 = 490 мм,

где     n1 = (3 – 1) – количество рядов болтов на полунакладке за минусом 1.

Расчет стыка стенки. Расчетный момент, приходящийся на стенку, уравновешивается суммой внутренних пар усилий, действующих на болты. Максимальное горизонтальное усилиеNmaxот изгибающего момента, действующее на каждый крайний наиболее напряженный болт, не должно быть больше несущей способности Qbhks.

Условие прочности соединения:

Nmax= Mwamax/(mΣai2) ≤Qbhks,

где     аi– соответствующее расстояние между парами сил в болтах;

m – число вертикальных рядов болтов на полунакладке.

Для определения числа рядов болтов по вертикали k и назначения их шага а вычисляем коэффициент стыка:

a = Mw/(mamaxQbhks) = 95543 / (2 × 135 × 101,64 × 2) = 1,74.

Принимаем по табл. 3.21 число горизонтальных рядов болтов k = 8.

Таблица 3.21

Коэффициенты стыка стенки балок a

Число рядов по вертикали k

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

a

1,4

1,55

1,71

1,87

2,04

2,20

2,36

2,52

2,69

2,86

Определяем шаг болтов по вертикали:

a = amax/(k – 1) = 135 / (8 – 1) = 19,29 см.

Шаг a округляется до 5 мм и должен укладываться целое число раз в расстояние между крайними рядами болтов a1. Окончательно принимаем    по высоте накладки 8 рядов болтов с шагом а = 200 мм, что меньше         amax= 208 мм. Максимальное расстояние между крайними горизонталь-    ными рядами болтов а1 = (8 – 1) 200 = 1400 мм и а2 = 1000 мм, а3 = 600 мм, а4 = 200 мм (см. рис. 3.21).

Длина вертикальных накладок (при с = 35мм > сmin = 33,8 мм)

lnw =(k1)a + 2c = (8 – 1) 200 + 2 ∙ 35= 1470 мм.

Проверяем стык стенки по прочности наиболее нагруженного болта:

Nmax= 955,43 · 1,4 / =

= 199,05 кН <Qbhksγс = 101,64 · 2 · 1 = 203,28 кН.

Условие выполняется.

При наличии в месте стыка поперечной силы Q стык стенки рассчитывается на совместное действие поперечной силы Q и части изгибающего момента, воспринимаемого стенкой Mw. Наиболее напряженный крайний болт рассчитывается на равнодействующую усилий по формуле

где    V = Q/n – вертикальная составляющая усилия, действующая на один

болт в предположении, что поперечная сила Q полностью передается на стенку и принимается распределенной равномерно на все болты n, расположенные на полунакладке с одной стороны стыка.

Проверяем элементы, ослабленные отверстиями под болты d = 26 мм.

Расчет на прочность соединяемых элементов, ослабленных отверстиями под высокопрочные болты, следует выполнять с учетом того, что половина усилия, приходящаяся на каждый болт, в рассматриваемом сечении уже передана силами трения. При этом проверку ослабленных сечений следует производить: при динамических нагрузках – по площади сечения нетто An, при статических нагрузках – по площади сечения брутто Aпри An ≥ 0,85A либо по условной площади Ac = 1,18AnприAn< 0,85A.

Пояс ослаблен по краю стыка четырьмя отверстиями (nas = 4) сечением

Adf = nasdtf  = 4 · 2,6 · 2,5 = 26 см2.

Площадь сечения нетто пояса определится:

An,f  = Af  – Adf  = 45 · 2,5 – 26 = 86,5 см2 < 0,85Af  = 0,85 ∙ 112,5 = 95,63 см2.

Проверку ослабленного сечения пояса производим по условной площади Ac,f = 1,18An,f = 1,18 ∙ 86,5 = 102,07 см2.

Полагая, что половина усилия, приходящаяся на каждый болт, воспринимается силами трения, расчетное усилие в поясе и накладках, ослабленных четырьмя болтами в крайнем ряду, определяется по формуле

Производим проверку прочности ослабленного пояса:

Прочность пояса в месте монтажного стыка обеспечена.

Ослабление накладок четырьмя отверстиями (nas= 4) по крайнему ряду

Adn = nasnndtnf= 4 · 2 · 2,6 · 1,4 = 29,12 см2.

Площадь сечения нетто накладок

Условная площадь

Ac,n = 1,18An,nf = 1,18 ∙ 89,88 = 106,06см2.

Производим проверку прочности накладок:

Прочность накладок обеспечена.

При необходимости увеличивается толщина накладок tnf.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации