Второстепенные и главные балки перекрытия высотных зданий
|
Второстепенные балки. При выборе типов второстепенных и главных балок решающими являются следующие факторы: - статические — пролет, нагрузка, способ опирания, конструктивная высота, совместная работа с плитой перекрытия, требования к жесткости; - конструктивные — прокладка коммуникаций, выполнение дополнительных конструкций, противопожарные требования; - изготовления — трудоемкость, возможность использования машинного оборудования на заводах, унификация изделий и потребляемого проката; - монтажа - соединения к главным балкам и колоннам, меньшая зависимость от точности изготовления изделия; - экономические — в широком значении, не только учет стоимости стальных конструкций. По статической работе вспомогательные балки могут быть простыми и неразрезными (иногда и неполностью неразрезные в опорах, например когда действующий сдвиг не соответствует несущей способности стыкуемого сечения, иногда с податливыми опорами, например в середине прогибающихся главных балок). С точки зрения унификации, изготовления и монтажа наиболее эффективными являются простые балки (рис. 6.35). С точки зрения статики простая балка имеет много преимуществ - простоту, точность опирания, обеспечение общей устойчивости сжатого пояса плитой перекрытия, совместность работы плиты перекрытия и т.п. При этом для простых балок, как правило, требуется большее потребление стали, обладающей хорошими свойствами по удлинению. Железобетонная плита, которая пересекает опоры простых балок, может иметь на этих опорах небольшие трещины, возникающие из-за поворота балок. Это можно исключить, применив неразрезные балки, и соответствующее армирование железобетонной плиты. Из рис. 6.36 можно понять, что простое опирание менее трудоемко в месте опирания, чем обеспечение неразрезности.  Применяемые профили для конструкций, например для вспомогательных балок перекрытий, можно подразделить: на прокатные профили типов I, IPE, V,V Е; сварные двутавровые профили типа I; облегченные конструкции (например, решетчатые, рамные,перфорированные и т.п.). Прокатные профили. С точки зрения снижения трудоемкости изготовления балок на заводах необходимо прежде всего применять прокатные профили. При проектировании надо учитывать, что сварные профили применяются, когда в сортаменте нет прокатных профилей. В ЧССР прокатывают профили типа I и IPE высотой до 500 мм, а для массового производства профилей более 500 мм рекомендуется производство сварных двутавровых профилей. В других странах прокатываются двутавровые профили с большими высотами, например, по нормам ФРГ DIN 1025, высотой до 1000 мм. При наличии такого сортамента можно обеспечить потребность в сечениях для второстепенных и главных балок. В настоящее время прокатываются в основном балки IPE с параллельными гранями поясов и с облегченными стенками (более тонкие стенки профилей могут не обеспечить восприятие сдвига и обеспечение местной устойчивости). Это прокатные профили конкурентоспособны сварным двутавровым балкам или облегченным, например перфорированным. При применении небольших по высоте прокатных профилей трудно выполнять большие отверстия в стенках. Эту проблему можно решить использованием сварных двутавровых или некоторых облегченных типов профилей, имеющих значительно большую конструктивную высоту, а следовательно, и возможность более просто решить прокладку сетей. Сварные двутавровые профили приходится применять, когда нет прокатных профилей, или если прокатные профили не имеют достаточной жесткости. На выбор сварного профиля часто оказывает влияние необходимость выполнить в стенке большие отверстия для пропуска коммуникаций. Сварные профили, как и все сплошностенчатые конструкции, выгодны для больших нагрузок, средних размеров пролетов и малых конструктивных высот. На всех лучших заводах стальных конструкций изготовляют сварные двутавровые профили полуавтоматами или непосредственно на механизированных линиях. Повышенная трудоемкость изготовления сварных балок по отношению к прокатным компенсируется более низким расходом стали, который достигается применением больших высот балок И изготовления их с размерами, которые точно необходимы по расчету (в отличие от прокатных профилей, высоты и сечения которых изменяются скачкообразно), а также за счет конструктивных выгод, например выдерживания определенной конструктивной высоты, соединений и т.п. Сравнение сплошностенчатых конструкций с решетчатыми показывает, что на решетчатые конструкции затрачивается меньше стали, однако степень механизации их изготовления более низкая и защита поверхности от коррозии и противопожарная защита более сложные. Для сварных профилей механизировано изготовление самого профиля и образование в последующем отверстий, в то же время ребра должны большей частью привариваться ручной сваркой, поэтому прилагаются большие усилия по изменению числа ребер, что является важной компонентой при оптимизации. Отверстия в стенках нарушают типизацию элементов и серийность изготовления. При расположении отверстий необходимо увязать их функциональные требования со статической работой: - отверстия по своим размерам должны быть как можно меньше, при этом силовые потоки должны быть плавными, т.е. преимущественно надо применять круглые отверстия, иметь закругления углов в прямоугольных отверстиях; - располагать отверстия в местах стенки с наименьшими напряжениями, т.е. в местах наименьших перерезывающих сил (как правило, в середине пролета балки и в середине высоты стенки балки); - эффективными являются типизация размещения и размеров отверстий, а также предотвращение возможных изменений и исправлений отверстий в будущем, например путем образования отверстий размерами несколько большими, чем необходимо, или за счет выполнения большого их числа, т.е. с резервом для будущих потребностей.  На рис. 6.37 показаны конструктивные решения больших отверстий, когда ослабление имеет такой характер, что его необходимо восполнить или уменьшить за счет соответствующих мер: более толстой стенки или усиления ее накладкой, усилением круглого отверстия трубой или круговым ребром, разными усилениями отверстий. При выборе типа усиления решающими факторами являются трудоемкость изготовления и статические требования. Балки с перфорированной и составной стенкой. Если надо получить экономию металла и одновременно иметь отверстия для прокладки сетей, то необходимо использовать балки, стенки которых облегчены отверстиями, а именно: балки с перфорированной стенкой, которые изготовляют из прокатных двутавров или швеллеров путем роспуска их на две половины по трапециевидной линии, сдвижкой их относительно друг друга и сваркой их потом в профиль, который имеет высоту больше, чем исходные профили (рис. 6.38); балки с составной стенкой, пояса которых состоят из двух половинок двутавров, разрезанных вдоль, уголков и других профилей. Эти пояса соединены между собой листами, образуя тем самым как бы рамную (типа Виренделя) балку (рис. 6.39).  Эти типы балок со статической точки зрения выгодно применять при небольших перерезывающих силах, т.е. при больших пролетах и небольших нагрузках (например, в кровлях, балках подвесных потолков и т.п.). Для конструкций перекрытий, очевидно, этот тип балок не найдет рационального применения. Кроме того, эти балки относительно трудоемки в изготовлении даже при машинной резке. Для их изготовления необходимо выполнение достаточно большого числа операций: роспуск (резка), правка, соединение с помощью ручной сварки, резка на точную длину и др. Поэтому этот тип балок не может конкурировать с прокатными или сварными балками, в которых вырезают отверстия необходимых размеров. Решетчатые балки самые экономичные по расходу материалов. Это обусловлено тем, что они имеют большую конструктивную высоту (экономия стали за счет поясов) и решетка выполняется из разных профилей, площадь которых может быть подобрана максимально близко расчетным данным. Решетчатые балки применяются для больших пролетов, при небольших нагрузках и достаточной конструктивной высоте. Для конструкций перекрытий вышеприведенные критерии могут быть нарушены из-за того, что при применении решетчатых конструкций без трудностей решаются прокладки коммуникаций, что иногда является решающим критерием. Эти конструкции применяют при пролетах более 9 м. В них стержни имеют относительно малую гибкость и пояса бывают дополнительно нагружены локальными (местными) моментами. Для решетчатых систем принимаются обычно известные предположения, что нагрузка действует центрально и что стержни в одном узле соединены шарнирно. Однако очень часто эти условия не выполняются; нагрузка может действовать вне узлов (например, при непрерывно опирающейся плите пояс испытывает местный изгиб), стержни жесткие (например, неразрезные жесткие пояса), иногда решетка присоединяется к поясам с эксцентриситетом и т.п. Эти особенности надо учитывать при проектировании. Существует много конструктивно-статических решений решетчатых балок: применяются разные системы решеток (со стойками, без стоек, с восходящими, нисходящими и чередующимися раскосами и т.п.), разные типы сечений поясов и решеток, разные конструкции узлов, различные способы опирания плиты перекрытия и тл. На рис. 6.40 показаны возможные различные конструкции решетчатых балок перекрытий. В высотных зданиях балки перекрытий являются массовым элементом, поэтому их конструкция должна быть тщательно обдумана с точек зрения эксплуатации (в том числе противопожарная защита), статической, конструктивной и изготовления. Большая трудоемкость решетчатых балок обусловлена фасонками и соединениями профилей между собой с целью создания целого или сквозного стержня, поэтому решетчатые балки при возможности надо выполнять без узловых фасонок со стержнями из простых профилей.  Безраскосные и раскосные сквозные балки. Решетчатые балки позволяют выполнять разводку коммуникаций, но для разводок часто применяются и большие прямоугольные короба, пересечение которых трудно осуществить с решетчатыми балками. С этой точки зрения наиболее пригодными являются сквозные безраскосные, так называемые рамные (балки Виренделя) балки, наиболее простые в изготовлении (рис. 6.41). Возможно применение и комбинированных рамно-стержневых систем. Такие балки можно выполнить из жестких поясов, способных воспринимать изгиб (например, из двутавровых сечений), а в местах наименьших перерезывающих сил (т.е. в середине балки) раскосы не выполнять. Перерезывающие силы в этом месте воспринимаются за счет изгиба жестких поясов при совместной их работе со стойками, которые соответствующим способом за-конструированы на эту работу. В этом случае основные короба проходят через балку в месте, где отсутствуют раскосы (рис. 6.42). Для обеспечения возможности пропуска через решетчатую конструкцию крупногабаритных коммуникаций применяются решетчатые балки с жесткими поясами и с эксцентричным присоединением решетки. Наиболее выгодным решением является решетчатая балка с жестким верхним поясом с присоединением к нему с эксцентриситетом раскосов, при этом раскосы строго центрированы на нижний пояс, который в этом случае испытывает только растяжение (рис. 6.43 ). Главные балки. По сравнению с второстепенными балками главные имеют одинаковые пролеты, но со значительно большими нагрузками, поэтому они наиболее часто выполняются как сплошностенчатые конструкции, а с учетом малого сортамента прокатных профилей — прежде всего в виде сварных двутавровых балок. При необходимости пересечения с ними инженерных коммуникаций в балках делают отверстия.  Если главная балка воспринимает только вертикальную нагрузку, то ее проектируют как простую балку из-за тех же доводов, которые приведены для второстепенных балок. Главные балки наиболее часто присоединяются к колоннам на обычных или высокопрочных болтах с помощью фланцев, выполненных из листа или уголков (рис. 6.44). Если главная балка неразрезная, то возможно опирание ее на колонну путем пропуска ее между двумя ветвями колонны (рис. 6.45, а) или через отверстие в стенке колонны (рис. 6.45, б), либо другими способами. При жестком соединении главных балок с колоннами имеем раму (рис. 6.45, в), а при наличии между колоннами и главными балками раскосов будем иметь стенку жесткости. В этом случае главная балка является элементом вертикальной диафрагмы жесткости, она способна воспринимать горизонтальные нагрузки и участвует в обеспечении жесткости здания. В этом случае главная балка кроме усилий от вертикальной нагрузки имеет и ясно выраженные усилия от воздействий горизонтальной нагрузки.  Главная балка, как наиболее нагруженный элемент перекрытия, большей частью лимитирует высоту перекрытия. Если нельзя увеличить высоту перекрытия, то применяют балки уменьшенного сечения или более прочные марки стали, поэтому для больших пролетов (более 12 м) главная балка часто имеет высоту этажа. В этом случае получается достаточно жесткая и экономичная конструкция, а также могут быть применены следующие решения (рис. 6.46): - сплошностенчатая конструкция, отверстия в которой для коммуникаций выполняются в стенке балок, при этом отверстия конструируются соответствующим образом; - конструкция решетчатая или комбинированная с отдельными рамными или решетчатыми панелями; - решетчатая конструкция с жесткими поясами и раскосами, присоединенными эксцентрично к поясам, или с отсутствующими раскосами в местах наименьших перерезывающих сил (например, в середине пролета для обеспечения эксплуатационного прохода для обслуживающего персонала), или с очень жестким верхним поясом (на подобие железобетонных балок); - рамные системы (Виренделя). |
