Тема 4: ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА БАЛОК І БАЛКОВИХ КЛІТОК

Лекція 11.

11.1. Ефективні конструкції балок

Основними напрямами розвитку конструкцій, зокрема металевих, є зменшення їх матеріаломісткості, трудомісткості та вартості. Розглянемо, яким чином вирішуються ці завдання у балкових конструкціях.

Зменшенню трудомісткості найбільш радикально сприяє запровадження та розширення прокатування великорозмірних профілів (у тому числі широкополичкових). Після прокатування отримуємо практично готову до застосування балку. Необхідно лише розрізати прокатний профіль на елементи потрібної довжини та прикріпити опорні і, при необхідності, проміжні ребра жорсткості. Такі балки є найдешевшими.

Запровадження сортаменту зварних двотаврових профілів з метою їх виготовлення на потокових лініях спеціалізованих заводів супроводжується значним зменшенням трудомісткості та вартості, оскільки створює передумови для широкої механізації та автоматизації технологічних процесів, масового використання високопродуктивних способів з’єднання на основі автоматичного зварювання.

Трудомісткість і вартість балок зменшуються при використанні однобічних зварних швів та односторонніх ребер жорсткості, широке застосування яких рекомендоване в останній редакції норм (ДБН В.2.6-163:2011). Запроваджуються у виробництво балки, у стінках яких проміжні ребра жорсткості виштампувані.

Для невеликих прольотів і навантажень високоефективними є балки з гнутих профілів (наприклад, прогони з гнутих швелерів), виробництво яких останнім часом інтенсивно зростає. Порівняно з прокатними елементами гнуті профілі потребують менше металу.

Зменшену металомісткість мають також балки з перфорованими стінками та балки, в яких використовують сталі підвищеної й високої міцності (бісталеві та попередньо напружені).

Застосування алюмінієвих сплавів суттєво зменшує масу конструкцій, але при цьому висока вартість матеріалу негативно позначається на техніко-економічних показниках. Використовувати такі конструкції доцільно тоді, коли повністю реалізуються їх особливості: висока корозійна стійкість, немагнітність, відсутність іскор при ударах тощо.

Ефективно зменшити металомісткість конструкцій можна, замінивши дефіцитний метал більш доступним і недорогим матеріалом, наприклад, бетоном (сталезалізобетонні та сталебетонні балки).

11.2. Бісталеві балки

З метою зменшення витрат матеріалу все ширше використовують сталі підвищеної міцності. Але оскільки ці сталі мають більшу вартість (у зв’язку із застосуванням легувальних компонентів і ускладненням технології виплавлення та прокатування), їх використання доцільне лише у найбільш напружених елементах перерізу. У балках такими елементами є полички у середній частині прольоту — зоні дії найбільших згинальних моментів. Менш напружені приопорні ділянки поличок і стінку виконують зі звичайної маловуглецевої сталі. Ці балки називають бісталевими (рис. 11.1).

Особливістю роботи таких балок є те, що у зоні дії максимального згинального моменту матеріал стінки працює за межею текучості. Епюра нормальних напружень у перерізі складна (рис. 11.1, г). Напруження у поличках досягають більших значень, ніж у стінці, а текучість сталі стінки (через нижче значення межі текучості) спостерігається ще за пружної роботи матеріалу поличок. Беручи до уваги можливі несприятливі відхилення міцності сталей (рис. 11.1, б), вважають, що межі текучості матеріалів дорівнюють їх розрахунковим опорам і відповідно позначають для маловуглецевої сталі стінки R_y(w), а для високоміцної частини поличок ‒ R_y(f_).

Несучу здатність такого перерізу можна записати як суму згинальних моментів, які сприймаються поличками M_fта стінкою М_w:

Згинальний момент M_f дорівнює добуткові рівнодійної напружень N_f у кожній з поличок — A_f ‧ R_y(f₎ на плече прикладення цих рівнодійних z:

Аналогічно знаходять згинальний момент, який сприймається стінкою.

Економія матеріалу досягається не тільки за рахунок застосування у поличках сталі підвищеної міцності, але й повнішого використання міцності сталі стінки.

11.3. Попередньо напружені балки

Попереднє напруження є одним з найефективніших способів зниження матеріаломісткості балок. При цьому часто знижується і вартість. Найчастіше економія металу становить 10…20%, вартість знижується на 5…12%. Напружені балки мають підвищену жорсткість, що дає змогу суттєво зменшити їхню висоту і відповідно об’єм будівлі.

Зазначені ефективності найчастіше досягаються шляхом:

- створення у перерізі балки напруженого стану, протилежного за знаком станові від зовнішнього навантаження. Таким чином, при завантаженні у балці спочатку компенсуються зусилля від попереднього напруження і лише після цього вона працює як звичайна. Це подовжує ділянку її пружної роботи;

- використання високоміцних сталей у вигляді затяжок з пучків, тросів, канатів. Правильно підібране значення попереднього натягу затяжок також дає змогу зменшити прогин балки, тобто підвищити її жорсткість.

Методи попереднього напруження балок:

1. Вигин частин перерізу балок у напрямку, протилежному її прогину від зовнішнього навантаження, з подальшим з’єднанням цих частин в один переріз.

Після попереднього вигину і зварювання замикального шва частини балки залишаються деформованими, а в їхніх перерізах діють взаємно зрівноважені залишкові напруження. Накладаючи на цей залишковий деформований стан напруження від зовнішнього навантаження, отримуємо у перерізах такий розподіл напружень, який відповідає шарніру пластичності. Тобто міцність матеріалу всього перерізу використовується повністю, без його пластичного деформування, яке супроводжується надмірними прогинами. Таким чином вдається не лише зекономити матеріал, а й підвищити жорсткість перерізу.

2. Метод попереднього напруження переміщенням опор найчастіше використовують у нерозрізних конструкціях мостів. Переміщують опори (опускають крайні) таким чином, щоб у зонах дії максимальних згинальних моментів від зовнішнього навантаження створити протилежні за знаком зусилля. При додаванні згинальних моментів від зовнішнього навантаження і від переміщення опор відбувається вирівнювання значень згинального моменту по довжині балки, що спрощує конструювання і дає змогу зменшити висоту перерізу.

3. Високоміцні затяжки встановлюють у зонах, де діють найбільші напруження. Нижній пояс проектують значно меншим від верхнього, оскільки його частково замінює затяжка. При натягу затяжки зусиллям N₀ на балку діє згинальний момент M = N₀ ‧e, який зумовлює у перерізах балки нормальні напруження, протилежні напруженням від зовнішнього навантаження. Таким чином, досягають не лише розвантаження балки, а й зменшення нормальних напружень у її перерізах. Балка має зайвий зв’язок (затяжку) і тому є статично невизначеною. Розраховуючи таку балку, доцільно за невідоме приймати зусилля у затяжці. При обчисленні прогинів враховують вигин балки від попереднього натягу затяжки.

У багатопролітних нерозрізних балках, враховуючи, що поблизу опор діють також значні моменти, затяжки встановлюють не тільки у прольотах, але й над опорами відповідно до характеру епюри згинальних моментів.

11.4. Балки з алюмінієвих сплавів

Передумовою ефективного використання алюмінієвих сплаві є зменшення маси конструкцій та витрат, зумовлених транспортуванням і монтажем. Їм властива майже утричі нижча густина порівняно зі сталлю. Водночас для цих сплавів характерний значно нижчий (майже утричі) модуль пружності. Як наслідок балки з алюмінієвих сплавів більше деформуються. Втрата стійкості як загальної, так і місцевої відбувається також при нижчих рівнях напружень.

Сортамент пресованих профілів з алюмінієвих сплавів має обмежену висоту (найчастіше до 400 мм), а тому доводиться раніше переходити на складені перерізи. Водночас алюмінієві сплави обробляються значно легше, ніж сталь, що спрощує виготовлення балок.

Окремі елементи перерізу з’єднують між собою шляхом зварювання, а також болтами та заклепками. Зварювання алюмінієвих сплавів потребує менших енерговитрат, що пояснюється нижчою температурою плавлення. Але не всі сплави можуть бути зварені. Добре зварюються такі сплави, як алюмінієво-магнієві, алюмінієво-марганцеві, високоміцні марок В, 1915 та інші. Сплав 1915 має також здатність гартуватися після зварювання при охолодженні, що забезпечує високу міцність зварних з’єднань без додаткової термообробки.

Сплави, які не зварюються, з’єднують за допомогою болтів і заклепок, виготовлених також з алюмінієвих сплавів. Використовують і сталеві болти, але вони обов’язково мають бути захищені від корозії (наприклад цинкуванням), оскільки у місці контакту залізо ‒ алюміній спостерігається інтенсивна електрохімічна корозія.

Мінімальну та оптимальну висоту визначають так само, як для стальних балок. Тільки загальний конструктивний коефіцієнт k приймають рівним 1,6, а товщину стінки t_w збільшують на 1…12 мм порівняно зі значеннями, отриманими за формулою .

Методика перевірки міцності, стійкості та жорсткості ‒аналогічна, як для сталевих балок.

Алюмінієві сплави мають високу вартість та енергомісткість. Водночас величезні запаси алюмінію у природі порівняно з залізом визначають перспективність його використання.