Обзор эффективных балочных конструкций

Это балки, выполненные из двух марок стали различной прочности. При этом в наиболее напряженных участках поясов балки применяют сталь повышенной прочности, а на участках, где нормальные напряжения гораздо меньше (стенка и пояса вблизи опор), применяют малоуглеродистую сталь. Такое решение позволяет существенно снизить расход металла при экономически целесообразном ограниченном применении сталей более высокого класса и способствует снижению стоимости на 5-7%.

В бистальных балках применяются стали с пределом текучести 215-250 МПа. В поясах бистальных балок используется сталь более высокой прочности, чем в стенках. Соотношение расчетных сопротивлений стали поясов и стали стенки должно назначаться из условия экономии расхода стали, уменьшения стоимости конструкции, а также обеспечения ее выносливости и рекомендуется не менее 1,4, но не более 2,0.

Сечения бистальных балок принимаются симметричными или асимметричными двутавровыми, или коробчатыми с равными или разными площадями поясов. В зависимости от величины асимметрии сечения и соотношения воспринимаемых усилий оба либо один из поясов выполняются из стали более высокой прочности.

При преобладании одноосного или двухосного изгиба рекомендуются симметричные или асимметричные сечения с малой величиной асимметрии и обоими поясами из стали большей прочности.

При одноосном изгибе и большой асимметрии сечения возможно решение с одним меньшим поясом из стали более высокой прочности.

При одноосном изгибе со значительной величиной продольной силы предпочтительнее сечение с одним большим поясом из стали более высокой прочности.

Балки с перфорированной стенкой

При изготовлении перфорированных балок стенка двутавра разрезается по зигзагообразной линии. Далее обе части балки соединяются в местах примыкания выступов с помощью сварки и в результате получается двутавр с перфорированной стенкой.

Высота конечной конструкции больше, что способствует повышению несущей способности. Хорошо зарекомендовали себя перфорированные балки в виде прогонов пролетом 12 метров. При этом перфорацию рекомендовано начинать с прокатного двутавра № 20.

Балки с перфорированной стенкой могут быть образованы по трём основным формам траектории реза: круглой, зигзагообразной (сотовой) и овальной. У каждой из траекторий реза есть свои преимущества; например, рез в виде сот является безотходным вариантом использования материала, но основным недостатком его является существенный концентратор напряжений в углу перфорации.

При расчете перфорированных балок используют модель, напряжения в которой находят как в обычной балке, ослабленной отверстием, и учитывают действие поперечной силы, изгибающей пояс. Вычисляют геометрические характеристики по сечению с отверстием и проверяют общую устойчивость тоже как обычных балках.

Балки с перфорированной стенкой могут изготавливаться как из одной марки стали, так и из разных (бистальные балки). Как показывают исследования чаще всего в качестве однопролетных балок применяют бистальные балки. В этом случае верхняя часть изготавливается из малоуглеродистой стали с более толстой стенкой, а нижняя часть выполняется из более прочной стали, но с более тонкой стенкой [1].

Бистальные балки с перфорированной стенкой, выполненные из малоуглеродистой стали, при одинаковой несущей способности легче обычных балок на 34-39% и дешевле на 16-20%. Это позволяет сделать их конкурентоспособными по отношению к обычным балкам.

Основными преимуществами перфорированных балок являются:

• Отверстия обеспечивают наименьшую концентрацию напряжений в стенке (это важно для усталостной и хрупкой прочности);
• Отверстия дают возможность прокладки в них коммуникаций;
• Уменьшение веса конструкции (за счет использования балок вместо ферм с аналогичным пролетом).

Балки с гофрированной стенкой

Как известно, в балках большую часть изгибающего момента воспринимают пояса. Стенка воспринимает поперечную силу. Проблема заключается в том, что для обеспечения местной устойчивости приходится увеличивать толщину стенки. Также в пределах стенки устанавливаются ребра жесткости. Данные мероприятия приводят к увеличению массы конструкции. Жесткость, устойчивость, экономичность, прочность можно удовлетворить путем перехода к гофрированной стенке. Гофробалки обладают большей жесткостью, к этому впервые пришел в своей работе Г.А. Ажермачев. В то же время исследования А.А. Файнштейна показали большую экономичность расхода материала на изготовление гофробалок по сравнению с обычными балками на 9-27%.

В результате исследования было установлено, что к основным преимуществам применения сварных балок с гофрированной стенкой относятся большая несущая способность (конструкция эффективно воспринимает изгибающий момент), низкая металлоемкость гофробалок, и, как следствие, уменьшение массы конструкции. Применение данных балок дает возможность перекрывать пролеты до 40 м, а также использовать облегченный фундамент. Данный материал способен выдержать 9-бальное землетрясение, что является высоким показателем сейсмоустойчивости. Благодаря меньшим габаритам конструкций гофробалки проще транспортировать, а оцинкованное покрытие обеспечивает высокую антикоррозийную защиту. В целом, «sin балки» – хорошая замена классическим фермам. При одинаковой высоте балок и ферм металлоёмкость их равна, но трудоёмкость проектирования и изготовления балок ниже, а достойный внешний вид и может стать частью дизайна сооружения.

Установка поперечных ребер смягчает ситуацию за счет уменьшения толщины стенки и в то же время увеличения жесткости балок на кручение, поскольку ребра действуют как мембрана и обеспечивают неизменность контура поперечного сечения.