1.2. Балки

Балка [4] (гол. balk, от позднелат. balcus) – брус, несущий конструктивный элемент зданий и сооружений, воспринимающий поперечные нагрузки и работающий главным образом на поперечный изгиб. Термин балка является синониму слову ригель. Ригель [7] (нем. Riegel – поперечина) – линейный несущий элемент в строительных конструкциях, расположенный преимущественно горизонтально. Ригель (балка) соединяет колонны и служит для опоры прогонов, плит перекрытия.

Балки – наиболее распространенные строительные конструкции. Их хронология уходит в глубь веков. Так, древние греки применяли для перекрытия зданий только простейший способ, а именно стоечно-балочную систему. Аналитические методы расчета балок основываются на работах А. Навье, которые были выполнены в 1819 г.

В настоящее время балки нашли широкое применение в строительстве самых различных сооружений: в общественных, гражданских и промышленных зданиях; мостах; эстакадах; гидротехнических сооружениях и т.д. Балки просты по конструкции, недороги в изготовлении и надежны в работе. В конструкциях небольших пролетов длиной до 15–20м наиболее рационально применять сплошные балки. В автодорожных и городских мостах пролеты сплошных балок достигают 200м и более.

1.2.1. Типы балок

В зависимости от вида, числа опор и от расположения опорных закреплений различают балки: двухопорные (однопролетные), многоопорные (многопролетные), консольные, шарнирные, с заделанными концами, разрезные, неразрезные и др. Балочная система – несущая строительная конструкция, представляющая в основной схеме балку или совокупность взаимосвязанных балок [4].

Мерой эффективности, т.е. выгодности сечения балки как конструкции, работающей на изгиб, является отношение момента сопротивления к площади сечения, равное ядровому расстоянию p=W/A. Сравнение ядровых расстояний круглого, прямоугольного и двутаврового сечений показывает, что двутавровое сечение выгоднее прямоугольного в два и круглого в три раза, так как в этом сечении распределение материала наилучшим образом соответствует распределению нормальных напряжений от изгиба балки. С точки зрения расхода материала наиболее эффективна двутавровая форма сечения балок.

Балки можно классифицировать по ряду параметров:

1. По назначению: балки рабочих площадок – главные и второстепенные, стропильные, подстропильные и подкрановые в каркасах производственных зданий.

2. Стальные балки бывают прокатными и составными.

3. По типу сечения: одностенчатые (открытые) и двустенчатые (замкнутые), прокатные и составные. Прокатной балкой можно перекрыть пролет до 10–15м. Составные балки изготавливают сварными, реже болтовыми и клепаными. Основной тип сечения балок – двутавровое из трех листов: вертикального – стенки и двух горизонтальных – полок. Трудоемкость изготовления таких балок относительно невелика (при выполнении поясных швов в сварных балках используется автоматическая сварка). Однако двутавровые балки имеют небольшую боковую изгибную жесткость и очень малую жесткость на кручение, в связи с чем необходимо раскреплять сжатый пояс балки для обеспечения ее устойчивости. Составные балки позволяют перекрывать пролеты до 20–30 и более метров.

4. По виду соединений элементов, образующих сечение составной балки – сварное, болтовое и клепанное. Сварные балки наиболее технологичны, имеют простую конструкцию и наименее металлоемки. В ряде случаев (динамическое и циклическое нагружение, работа при низких отрицательных температурах) болтовые и особенно клепаные балки более надежны и долговечны.

5. По конструкции и гибкости () стенки:

– обычные (в прокатных двутавровых балках , в составных );

– тонкостенные балки (), в которых лишний металл как бы изымается из стенки (до 25–35%), что приводит к экономии стали в целом на балку до 12–15%;

– балки с гофрированной стенкой (); гофрированная стенка, в отличие от плоской, обладает большой боковой жесткостью, что повышает жесткость балки в целом, в том числе и на кручение; экономия стали в сравнении с обычной балкой – до 15–20%;

– с перфорированной стенкой; такие балки изготавливают из обычных прокатных путем разрезки стенки газом по ломаной линии и последующей сварки по выступающим частям – «гребешкам»; за счет возникающих отверстий из стенки изымается до 35–40% металла; экономия стали в сравнении с обычными балками до 20% при незначительном увеличении затрат на разрезку и сварку исходных двутавров.

6. По материалу:

• стальные (балка изготовлена из одной стали);

• бистальные (пояса, как более нагруженные элементы балки, – из более прочной стали, стенка – из менее прочной);

• полистальные (в одной балке, как правило, неразрезной, используется три и более стали различной прочности);

• сталежелезобетонные (более нагруженный сжатый пояс объединяется для совместной работы с железобетонным настилом).

7. По статической схеме работы:

– разрезные; наиболее простые по конструкции при изготовлении и монтаже, но и более металлоемкие, чем другие решения;

– неразрезные; более жесткие и экономичные по расходу металла, но и более трудоемкие при монтаже;

– консольные; обладают промежуточными свойствами двух предыдущих схем.