Несущая способность балки в почти всех случаях ограничена изгибом сжатого пояса. Это возникает только тогда, когда достигнут предел текучести после выравнивания напряжений по всей сжатой полке. Лишь при сильных боковых связях допускаемое краевое напряжение может быть повышено до области упрочнения строительной стали. При оценке несущей способности следует учитывать действительное распределение напряжений. При предположении прямолинейного распределения напряжений несущая способность была бы занижена. Явления неустойчивости следует исследовать особенно тщательно.
Учет отверстий в балках, нагруженных на изгиб
На растянутой стороне балки действует ослабление сечения, как и у растянутых стержней (разрыв растянутого пояса по ослабленному сечению). Для отверстий, пробиваемых в этом смысле, действуют те же правила, что и для растянутого стержня.
Поскольку отверстия, заполненные заклепками, на сжатой стороне балки очень мало влияют на распределение напряжений и деформаций, а несущая способность в основном ограничена боковым выпучиванием сжатого пояса, величина ослабления сечения у балок симметричного сечения существенно не влияет на несущую нагрузку. Поэтому уже F. Hartmann поставил вопрос, нужно ли вообще учитывать ослабление отверстиями у симметричных балок. У несимметричных сечений (сжатая сторона сильнее) вычет отверстий на растянутой стороне балки может стать определяющим для несущей способности. При часто повторяющейся нагрузке отверстия оказывают значительное влияние, даже если они находятся на большом расстоянии от крайних волокон.
Сегодня при расчете несущей способности сечения на изгиб используются брутто- и нетто-сечение (наряду с другими определяющими видами разрушения). Разрушение по брутто-сечению происходит в части сечения, не ослабленной отверстиями. Разрушение по нетто-сечению происходит по сечению, ослабленному отверстиями, а учитываемая площадь равна брутто-площади за вычетом площади всех отверстий.
Заклёпки в шейке и в головке
При изгибе, помимо нормальных напряжений, возникают и касательные напряжения, которые у балок с параллельными поясами пропорциональны поперечной силе Q. У составных сечений касательные напряжения в местах контакта между отдельными прокатными профилями воспринимают заклёпки, соединяющие их. Распределение сил сдвига T в стенке параболическое, в поясах — почти прямолинейное. У балок с тяжёлыми поясами T в стенке мало отличается от среднего значения Tm, которое часто достаточно для первой оценки.
Рис. 1
Заклепки в поясе (рис. 1b) должны вместе воспринимать силу поперечного среза TK < TH. Сила поперечного среза между отдельными поясными листами еще меньше и для случая на рис. 1c распределяется на большее число заклепок.
Продление несущего элемента
Продольное стыковое соединение вертикального листа требуется, когда высота листа больше ширины имеющихся листов. Оно может быть необходимо также с точки зрения изготовления и транспортировки. Подкладки и заклепки в продольном стыке одной балки должны воспринимать ту же силу TL, которую имел бы нестыкованный лист в продольном соединении. Поскольку ослабление отверстиями в подкладке такое же, как и в вертикальном листе, толщина подкладки должна быть больше или равна толщине ребра.
Рис. 2 - Продольное соединение вертикального листа
Поперечный стык, работающий на изгиб под нагрузкой, может быть различными способами перекрыт накладками. Рис. 3 показывает несколько вариантов цехового стыка, в котором продолжен только вертикальный лист. Если накладки находятся только между поясными уголками (рис. 3a), то под поясными уголками остаются неперекрытые полосы вертикального листа. Тогда уголки и заклепки в области стыка вертикального листа значительно более нагружены, поэтому этот вид стыков следует ограничивать менее ответственными соединениями с малыми силами. Всегда следует отдавать предпочтение полностью перекрытому стыку. Специальные накладки на вертикальных полках уголков воспринимают продольные напряжения этой полосы, но лишь незначительно участвуют в восприятии поперечной силы. Некоторое улучшение в этом отношении дает рис. 3c. При больших силах следует стремиться к накладкам по всей высоте вертикального листа (рис. 3d), что предполагает необходимость прерывать поясные уголки. Накладки принимают толщину полки уголка; при больших толщинах уголков используют выравнивающие подкладки, чтобы экономить на излишней толщине накладки.
Рис. 3 - Поперечный стык (в мастерской) вертикального листа
Стыковое соединение вертикального листа при нагрузке поперечной силой: Балка в месте стыка нагружена только силой Q (M = 0). Для стыка с равными промежутками заклепок (рис. 4) следует считать, что силы в заклепках NiQ приблизительно соответствуют соответствующему элементу площади e*t стыкового соединения, то есть что силы в заклепках распределены так же, как и напряжения сдвига по высоте балки, NiQ = e*t*τi = e*Ti. Однако при расчете размеров принимают равномерное распределение на все n заклепок NiQ = Q/n.
Рис. 4 - Продолжение вертикального листа с распределением поперечной силы
Рис. 5 показывает цеховое_ соединение вертикального листа (поясные уголки и ламели соединены в другом месте).
Рис. 5
Изгиб с нормальной силой: Балки, одновременно нагруженные изгибающими моментами и нормальными силами, рассчитываются по тем же принципам и при допущении прямолинейного распределения напряжений. При полном исключении заклепок в обоих поясах рабочее сечение и положение нейтральной линии не зависят от случая нагружения, так что напряжения от M и N можно просто сложить. Нагрузка заклепок в стыке определяется суперпозицией сил от частичных случаев нагружения M, соответственно N.
Опирание и сопряжение несущей конструкции
Здесь будет рассмотрено лишь наиболее обычное из многочисленных решений. При оценке всегда следует учитывать дополнительные силы, возникающие из отклонений от более или менее идеализированных расчётов прочности.
Простое опирание одного несущего элемента на верхний пояс другого строительного элемента возможно, когда в распоряжении имеется большая строительная высота. Нормальным случаем является жесткое соединение заклепками или болтами. На рис. 6 показано нормальное опирание непрерывных I-стропил в строительстве, которое также позволяет избежать сверления в узких I-полках. Несущие элементы в данном случае следует предохранять как от опрокидывания, так и от поперечных сил (рис. 7 и 8). В мостостроении несущие элементы часто парируют (рис. 9); неподвижное опирание продольной балки на поперечную балку (рис. 10). При больших опорных силах несущие элементы следует усиливать подогнанными уголками или приваренными профилями (рис. 8 до 10). У составных несущих элементов нагрузку следует передавать в ребро.
Рис. 6 - Крепление прогонов
Рис. 7 и 8
Рис. 9 и 10
Соединение ребра: На рис. 11 и 12 показаны соединения двутавровых балок, которые применяются в строительстве как обычные соединения. Вырез получает большое закругление, чтобы избежать растрескивания ребра балки. Упругое защемление в соединении ребра приводит к некоторому повышению несущей способности. Описанные деформации, правда, безопасны при преимущественно спокойной нагрузке, например у старых мостов.
Рис. 11. - Нормальные соединения I-образной балки с перпендикулярным торцевым сечением
Рис. 12 - Нормальные соединения с обрезанными концами I-образной балки
Жесткие на изгиб соединения выполняют тогда, когда требуется соединение без изменения угла (неразрезные опоры, жесткие углы рам) либо когда существует опасность разрушения из-за усталости при переменной нагрузке, особенно в железнодорожных мостах. Можно использовать ламели для непрерывности, соединения жесткие на изгиб. углы жесткие на изгиб, углы рам.
- Ламели для непрерывности — Если нужно соединить элементы, лежащие в одной плоскости, то оба верхних пояса соединяют ламелью или подвязкой для непрерывности. Так заклепки соединения освобождаются от растягивающих усилий и избегаются большие деформации.
Рис. 13 - Соединение с ламелью для обеспечения непрерывности
Рис. 14 — Присоединение продольных балок а) моста на автомагистрали; б) железнодорожного моста
- Жесткие на изгиб соединения – Такой тип соединения встречается у сплошных консолей пешеходных проходов автодорожных мостов. При меньших моментах их вертикальный лист соединен только двусторонне между уголками для ребрения главной балки. Введенный момент через ребрения распределяется по всей высоте главной балки, то есть вводится в ее пояса как система сил.
Рис. 15 и 16
- Углы, жесткие на изгиб – Углы, жесткие на изгиб, между колоннами и ригелями в строительстве следует конструировать так, чтобы угол был неизменным и чтобы не возникало никаких местных превышений напряжений. Надежные соединения в углах возникают, например, по рис. 16, когда используются фасонные листы, или по рис. 100, когда момент защемления в поясах колонны воспринимается как пара сил.
- Углы рамы – На полигональных рамах стык может быть выполнен в месте излома, если разница углов невелика; соединенные стержни охватываются обвязками как растянутые и сжатые стержни. Усилия кручения концентрируются в месте излома и должны восприниматься ребрами жесткости. На рис. 101 следует обратить внимание на различие в перекрытии стыка и в ребрах жесткости, в зависимости от направления изгибающего момента и поперечных сил. В случае больших усилий и значительной разницы углов следует избегать, чтобы стык приходился на сильно изогнутую часть рамы. Стыки возле углов рамы обеспечивают лучшую конструктивную форму и облегчают изготовление. Примеры с клепаными универсальными стыками по обе стороны точки излома приведены на рис. 102a и рис. 102b, на котором угол состоит из сварной части. На рис. 103 показано жесткое на изгиб соединение стойки рамы с непрерывной ригельной балкой.
Рис. 17a
Рис. 17b
Косые соединения: В рассмотренных до сих пор соединениях ребра располагались взаимно перпендикулярно. Если же угол не прямой, то уголки (рис. 18) разворачивают, а при очень острых углах применяют клиновидные подкладки. Использовать связи для непрерывности и опорные элементы в данном случае так же, как и при прямых соединениях. Гнутые соединительные листы (рис. 19) связаны с большим эксцентриситетом и значительными дополнительными силами. Изготовление косых соединений облегчается, когда используют приваренные соединительные пластинки (рис. 20).
Рис. 18
Рис. 19
Рис. 20