Rosnerud-spb.ru

Ремонт СПБ
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Максимально допустимый прогиб металлической балки

Формулы для расчета прогиба балки

Балка является основным элементом несущей конструкции сооружения. При строительстве важно провести расчет прогиба балки. В реальном строительстве на данный элемент действует сила ветра, нагружение и вибрации. Однако при выполнении расчетов принято принимать во внимание только поперечную нагрузку или проведенную нагрузку, которая эквивалентна поперечной.

При расчете балка воспринимается как жесткозакрепленный стержень, который устанавливается на двух опорах. Если она устанавливается на трех и более опорах, расчет ее прогиба является более сложным, и провести его самостоятельно практически невозможно. Основное нагружение рассчитывается как сумма сил, которые действуют в направлении перпендикулярного сечения конструкции. Расчетная схема требуется для определения максимальной деформации, которая не должна быть выше предельных значений. Это позволит определить оптимальный материал необходимого размера, сечения, гибкости и других показателей.

Таблица расчета балок межэтажного и цокольного перекрытия

Расчет нагрузки 400 кг/м2 для деревянных перекрытий

Высота балки, ммТип балок / шаг балокМаксимальные пролеты, м
0,30,40,50,6
240Балка ICJ-240W4,954,504,163,93
300Балка ICJ-300W5,805,354,964,70
360Балка ICJ-360W5,805,805,755,38
400Балка ICJ-400W5,805,805,805,80
240Балка ICJ-240L5,454,954,554,30
240Балка ICJ-240L с полкой 89 мм6,055,505,104,80
300Балка ICJ-300L6,505,905,455,15
300Балка ICJ-300L с полкой 89 мм7,206,556,105,75
360Балка ICJ-360L7,456,756,305,90
360Балка ICJ-360L с полкой 89 мм8,307,507,006,60
400Балка ICJ-400L8,107,356,806,40
400Балка ICJ-400L с полкой 89 мм9,008,157,507,10
460Балка ICJ-460L9,008,157,507,10
460Балка ICJ-460L с полкой 89 мм10,009,058,407,90
500Балка ICJ-500L9,608,708,057,60
500Балка ICJ-500L с полкой 89 мм10,609,608,958,40
600Балка ICJ-600L11,009,959,258,70
600Балка ICJ-600L с полкой 89 мм12,0011,0010,209,60

Расчет прогибов балки

Посмотрим, как пользоваться методом начальных параметров на примере простой балки, которая загружена всевозможными типами нагрузок, чтобы максимально охватить все тонкости этого метода:

Реакции опор

Для расчета нужно знать все внешние нагрузки, действующие на балку, в том числе и реакции, возникающие в опорах.

Система координат

Далее вводим систему координат, с началом в левой части балки (точка А):

Распределенная нагрузка

Метод начальных параметров, который будем использовать чуть позднее, работает только в том случае, когда распределенная нагрузка доходит до крайнего правого сечения, наиболее удаленного от начала системы координат. Конкретно, в нашем случае, нагрузка обрывается и такая расчетная схема неприемлема для дальнейшего расчета.

Если бы нагрузка была приложена вот таким способом:

То можно было бы сразу приступать к расчету перемещений. Нам же потребуется использовать один хитрый прием – ввести дополнительные нагрузки, одна из которых будет продолжать действующую нагрузку q, другая будет компенсировать это искусственное продолжение. Таким образом, получим эквивалентную расчетную схему, которую уже можно использовать в расчете методом начальных параметров:

Вот, собственно, и все подготовительные этапы, которые нужно сделать перед расчетом.

Приступим непосредственно к самому расчету прогиба балки. Рассмотрим наиболее интересное сечение в середине пролета, очевидно, что это сечение прогнется больше всех и при расчете на жесткость такой балки, рассчитывалось бы именно это сечение. Обзовем его буквой – C:

Относительно системы координат записываем граничные условия. Учитывая способ закрепления балки, фиксируем, что прогибы в точках А и В равны нулю, причем важны расстояния от начала координат до опор:

Записываем уравнение метода начальных параметров для сечения C:

Произведение жесткости балки EI и прогиба сечения C будет складываться из произведения EI и прогиба сечения в начале системы координат, то есть сечения A:

Напомню, E – это модуль упругости первого рода, зависящий от материала из которого изготовлена балка, I – это момент инерции, который зависит от формы и размеров поперечного сечения балки. Также учитывается угол поворота поперечного сечения в начале системы координат, причем угол поворота дополнительно умножается на расстояние от рассматриваемого сечения до начала координат:

Учет внешней нагрузки

И, наконец, нужно учесть внешнюю нагрузку, но только ту, которая находится левее рассматриваемого сечения C. Здесь есть несколько особенностей:

  • Сосредоточенные силы и распределенные нагрузки, которые направленны вверх, то есть совпадают с направлением оси y, в уравнении записываются со знаком «плюс». Если они направленны наоборот, соответственно, со знаком «минус»:

  • Моменты, направленные по часовой стрелке – положительные, против часовой стрелки – отрицательные:

  • Все сосредоточенные моменты нужно умножать дробь:

[ Mcdot frac < < x >^ < 2 >>< 2 >]

  • Все сосредоточенные силы нужно умножать дробь:

[ Fcdot frac < < x >^ < 3 >>< 6 >]

  • Начало и конец распределенных нагрузок нужно умножать на дробь:

Формулы прогибов

С учетом всех вышеописанных правил запишем окончательное уравнение для сечения C:

В этом уравнении содержится 2 неизвестные величины – искомый прогиб сечения C и угол поворота сечения A.

Поэтому, чтобы найти прогиб, составим второе уравнение для сечения B, из которого можно определить угол поворота сечения A. Заодно закрепим пройденный материал:

Выражаем угол поворота:

Подставляем это значение в наше первое уравнение и находим искомое перемещение:

Вычисление прогиба

Значение получили в общем виде, так как изначально не задавались тем, какое поперечное сечение имеет рассчитываемая балка. Представим, что металлическая балка имеет двутавровое поперечное сечение №30. Тогда:

Таким образом, такая балка прогнется максимально на 2 см. Знак «минус» указывает на то, что сечение переместится вниз.

4 Как вычислить нагрузку на деформацию?

Для определения нагрузки балки на деформацию необходимо учитывать такие параметры, как:

  • расчетная и нормативная нагрузка;
  • длина и вес перекрытия;
  • нормативное сопротивление.

При этом для некоторых типов балок невозможно рассчитать нагрузку на прогиб, ввиду их формы и видов крепления при строительстве. Следует также понимать, что деформация балки (прогиб) возникает в поворотных углах. Поэтому она сильно зависит от габаритов конструкции, ее назначения, марки стали и других свойств и показателей. Существует несколько формул и вариантов для расчета балки на прогиб, использование которых зависит от расчета деформации внизу и вверху балки. Чаще всего для того, чтобы вычислить максимальную нагрузку на прогиб, специалисты используют универсальную формулу. Величину нагрузки на будущую конструкцию необходимо умножить на ширину пролета в кубическом объеме. Полученный параметр разделите на произведение модуля упругости и величины инерционного момента.

Модуль упругости вычисляется, исходя из конкретной марки стали, момент инерции прописан в ГОСТе по номеру выбранной балки. Полученное число необходимо умножить на коэффициент, равный 0,013. В том случае, если рассчитанный относительный коэффициент деформации больше или меньше, чем прописано в нормативе, то в строительной конструкции необходимо использовать двутавры большего или меньшего типоразмера из таблицы.

Следует понимать, что двутавровая балка, ввиду своей формы, конструкции и веса, довольно редко используется в частном строительстве. Обычно вместо балок применяются более легкие швеллеры или стальные уголки. Но если вы все же используете балку для строительства небольшого частного дома, дачи, то необязательно проводить сложные расчеты по всем видам деформации и нагрузок. Для небольшой конструкции перекрытия достаточно рассчитать максимальную и минимальную нагрузку на изгиб.

Алгоритм расчета на жесткость

Формула определения прочности балки на изгиб

Где:

  • M – максимальный момент, возникающий в балке (находится по эпюре моментов);
  • Wn,min – момент сопротивления сечения (находится по таблице или вычисляется для данного профиля), у сечения обычно 2-а момента сопротивления сечения, в расчетах используется Wx, если нагрузка перпендикулярна оси х-х профиля или Wy, если нагрузка перпендикулярна оси y-y;
  • Ry– расчетное сопротивление стали при изгибе (задается в соответствии с выбором стали);
  • γc – коэффициент условий работы (данный коэффициент можно найти в таблице 1 СП 16.13330.2011;

Алгоритм расчета на жесткость (определение величины прогиба) достаточно формализован и не представляет труда для овладения.

Для того, чтобы определить прогиб балки, необходимо в нижеприведенной последовательности выполнить следующие действия:

  1. Составить расчетную схему объекта исследований.
  2. Определить размерные характеристики балки и расчетных сечений.
  3. Рассчитать максимальную нагрузку, действующую на балку, определив точку ее приложения.
  4. При необходимости, балка (в расчетной схеме она заменятся невесомым стержнем) дополнительно проверяется на прочность по максимальному изгибающему моменту.
  5. Определяется значение максимального прогиба, который характеризует жесткость балки.

Для составления расчетной схемы балки, необходимо знать:

  1. Геометрические размеры балки, включая пролет между опорами, а при наличии консолей – их длину.
  2. Геометрическую форму и размеры поперечного сечения.
  3. Характер нагрузки и точки их приложения.
  4. Материал балки и его физико-механические характеристики.

При простейшем расчете двухопорных балок, одна опора считается жесткой, а вторая закреплена шарнирно.

Определение моментов инерции и сопротивления сечения

К геометрическим характеристикам, которые необходимы при выполнении расчетов на прочность и жесткость, относится момент инерции сечения (J) и момент сопротивления (W). Для вычисления их величины существуют специальные расчётные формулы.

Формула момента сопротивления сечения

Определение максимальной нагрузки и прогиба

Формула определения прогиба

Где:

  • q – равномерно-распределенная нагрузка, выраженная в кг/м (Н/м);
  • l – длина балки в метрах;
  • E – модуль упругости (для стали равен 200-210 ГПа);
  • I – момент инерции сечения.

При определении максимальной нагрузки, необходимо учитывать довольно значительное число факторов, действующих как постоянно (статические нагрузки), так и периодически (ветровая, вибрационная ударная нагрузка).

В одноэтажном доме, на деревянный брус потолочного перекрытия будут действовать постоянные весовые усилия от собственного веса, расположенных на втором этаже простенков, мебели, находящихся обитателей и так далее.

Особенности расчета на прогиб

Конечно, расчет элементов перекрытий на прогиб проводится для всех случаев и обязателен при наличии значительного уровня внешних нагрузок.

Сегодня, все вычисления величины прогиба достаточно формализованы и все сложные реальные нагружения сведены к следующим простым расчетным схемам:

  1. Стержень, опирающийся на неподвижную и шарнирно закрепленную опоры, воспринимающий сосредоточенную нагрузку (случай рассмотрен выше).
  2. Стержень, опирающийся на неподвижную и шарнирно закрепленную на который действует распределенное нагружение.
  3. Различные варианты нагружения жестко закрепощённого консольного стержня.
  4. Действие на расчетный объект сложной нагрузки – распределенной, сосредоточенной, изгибающего момента.

При этом, методика и алгоритм расчета не зависят от материала изготовления, прочностные характеристики которого учтены различными значениями модуля упругости.

Несущая способность ↑

Среди всех типов балок двутавровая имеет наибольшую прочность, более того, она устойчива к температурным перепадам. Допустимая нагрузка на двутавр бывает указана на маркировке, как размер. Чем больше число, указанное в его наименовании, тем большую нагрузку может воспринимать балка.

Любой расчет предполагает изначальное знание размеров прокатного или сварного профиля, его длины и ширины. Проясним смысл значения ширины на примере самой популярной балочной опоры – колонны.

После определения ширины переходят к выбору профиля и расчету нагрузки, воздействующей на профиль. Она представляет собой совокупность воздействий от перекрытия, а также воздействий временного и постоянного характера.

Но, расчет несущей способности двутавровой балки предполагает учет другого воздействия. Чтобы получить расчетную нагрузку, рассчитанное нормативное воздействие умножается на так называемый коэффициент прочности по нагрузке. Остается к результату прибавить уже подсчитанную массу изделия и найти его момент сопротивления.

Полученных данных достаточно, чтобы из сортамента подобрать профиль, необходимый для изготовления сварного профиля. Как правило, с учетом прогиба конструкции рекомендуется выбирать профиль выше на два порядка.

Какие бывают виды балок

Изделия различаются по материалу изготовления и сечению. Их изготавливают из цельного бруса (без склеивания), а также из клееного. Первый вариант предпочтительнее в плане экологичности – при изготовлении клееного стройматериала используются искусственные смолы.

По типу сечения бывают квадратными, прямоугольными, двутавровыми и круглыми. Рассмотрим плюсы и минусы каждого из вариантов.

Квадратные

Такое сечение считается наименее предпочтительным и выгодным – квадратные балки хуже распределяют усилия при нагрузке и обходятся дороже, чем другие виды перекрытий.

Прямоугольные

Оптимальный вариант при подборе деревянных перекрытий. При установке таких элементов короткая сторона размещается горизонтально, длинная – вертикально, так как увеличение высоты положительно влияет на прочность.

Двутавровые

Изделия имеют оригинальное строение: сверху и снизу имеются уширенные элементы, в середине размеры уменьшены до предельно допустимых показателей. Двутавровая деревянная балка для перекрытий по показателям прочности не уступает другим вариантам, а при изготовлении существенно снижается расход древесины.

Такие изделия успешно монтируются на длинных пролетах, они имеют малый вес и не деформируются под нагрузками. Кроме того, на них проще закрепить коммуникации.

Однако такие балки отличаются сложностью изготовления – не каждом городе есть производства, занимающиеся заготовкой таких стройматериалов.

Круглые или овальные

Такие балки обычно используются для монтажа чердачных перекрытий. Они имеют максимальную устойчивость на изгиб и выдерживают большие нагрузки. При этом использование материалов с круглым и овальным сечением требует точных расчетов. Согласно строительным требованиям, их максимальная длина не должна превышать 7,5 погонных метров.

Способы выполнить расчет и проверку на прогиб

Причина, по которой СНиПы устанавливают столь драконовские ограничения, проста и очевидна. Чем меньше деформация, тем больше запас прочности и гибкости конструкции. Для прогиба менее 0,5% несущий элемент, балка или плита все еще сохраняет упругие свойства, что гарантирует нормальное перераспределение усилий и сохранение целостности всей конструкции. С увеличением прогиба каркас здания прогибается, сопротивляется, но стоит, с выходом за пределы допустимой величины происходит разрыв связей, и конструкция лавинообразно теряет жесткость и несущую способность.

Просчитать прогиб конструкции можно несколькими способами:

  • Воспользоваться программным онлайн-калькулятором, в котором «зашиты» стандартные условия, и не более того;
  • Использовать готовые справочные данные для различных типов и видов балок, для различных опор схем нагрузок. Нужно только правильно идентифицировать тип и размер балки и определить искомый прогиб;
  • Посчитать допустимый прогиб руками и своей головой, большинство проектировщиков так и делают, в то время как контролирующие архитектурные и строительные инспекции предпочитают второй способ расчета.

Измерив, насколько просела балка потолочного перекрытия, можно с 99% уверенностью определить, находится ли конструкция в аварийном состоянии или нет.

Как исправить ситуацию

Чтобы выполнить усиление балок перекрытий, можно пойти двумя путями:

1. повышение несущей способности;
2. уменьшение нагрузки.

Первый вариант самый распространенный, поскольку снижение нагрузки означает переоборудование помещения под другое назначение, что сделать сложно и не всегда возможно. Чтобы воспользоваться вторым, нужно рассмотреть несколько вариантов усиления балки.

К таким способам относятся:

1. Наращивание сечения. Важно отметить, что есть смысл делать накладки сверху или снизу. Дополнительная ширина не даст такого эффекта. Это можно объяснить формулами, по которым рассчитываются балки. Для наращивания используют деревянные доски, которые закрепляют на балки.

2. Установка промежуточных опор. Чаще всего здесь не рассматривается усиление стойками, поскольку их опирание будет происходить на нижележащее перекрытие. Можно использовать подкосы, но только при условии гармоничного вписания их в интерьер.

3. Металлические обоймы. Металл крепят с двух сторон. Для небольших повреждений можно применять полосовую сталь. Для серьезных деформаций лучше выбрать швеллер. Важно предусмотреть гидроизоляцию между металлом и деревом в обязательном порядке.

4. Прикрепление накладок из углепластика. Такой композитный материал – не распространенное решение, но стоит его рассмотреть. Крепление осуществляется на клей, элементы достаточно легкие для выполнения работ своими руками.

Усиление стоит выполнять только после выбора среди предложенных вариантов наиболее оптимального для каждого случая в отдельности.

Усиление деревянными или металлическими протезами

Усиление концов балки деревянными протезами

Усиление металлическими протезами

Усиление углепластиком (углеволокном)

Схема расположения листов углепластика

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Костюм сварщика из хлопка
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector