Несуча здатність балки обмежується майже в усіх випадках випучуванням стиснутого поясу. Це виникає лише тоді, коли досягнуто межу текучості після вирівнювання напружень по всьому стиснутому поясу. Лише за наявності сильних бічних закріплень може бути підвищено допустиме крайове напруження до області зміцнення будівельної сталі. Під час оцінювання несучої здатності слід брати до уваги фактичний розподіл напружень. За припущення лінійного розподілу напружень несуча здатність була б занижена. Явища нестійкості слід досліджувати особливо ретельно.
Вирахування отворів у балках, навантажених на згин
На розтягнутому боці балки діє послаблення перерізу, як і у розтягнутих стрижнів (розрив розтягнутого пояса по ослабленому перерізу). Для відхилення отворів у цьому сенсі діють ті самі правила, що й для розтягнутого стрижня.
Оскільки отвори, заповнені заклепками, на стиснутій стороні балки дуже мало впливають на розподіл напружень і деформацій, а несуча здатність здебільшого обмежена бічним втрачанням стійкості стиснутого пояса, величина ослаблення перерізу в балках симетричного перерізу не впливає істотно на несуче навантаження. Тому вже F. Hartmann поставив питання, чи потрібно взагалі враховувати ослаблення отворами в симетричних балках. Для несиметричних перерізів (стиснута сторона міцніша) вирахування отворів на розтягнутій стороні балки може стати визначальним для несучої здатності. За часто повторюваного навантаження отвори мають значний вплив, навіть якщо вони розташовані на більшій відстані від крайніх волокон.
Сьогодні в розрахунку несучої здатності перерізу на згин використовують брутто- та нетто-переріз (поряд з іншими визначальними видами руйнування). Руйнування за брутто-перерізом відбувається в частині перерізу, не ослабленій отворами. Руйнування за нетто-перерізом відбувається по перерізу, ослабленому отворами, а площа, що враховується, є брутто-площа, зменшена на площу всіх отворів.
Заклепки в шийці та в головці
Під час згину, крім нормальних напружень, виникають також зсувні напруження, які в балках із паралельними поясами пропорційні поперечній силі Q. У складених перерізах зсувні напруження в контактних поверхнях між окремими прокатними профілями сприймають заклепки, що їх з’єднують. Розподіл зсувних сил T у стінці є параболічним, у поясах — майже прямолінійним. У балок із важкими поясами T у стінці мало відрізняється від середнього значення Tm, яке часто є достатнім для першої оцінки.
Мал. 1
Заклепки в голові (рис. 1b) разом мають сприймати силу шпангоута TK < TH. Сила шпангоута між окремими поясними ламелями ще менша і для випадку на рис. 1c розподіляється на більшу кількість заклепок.
Продовження балки
Поздовжнє нарощування вертикального листа потрібне, коли висота листа більша за ширину листів, які є в наявності. Воно може бути потрібне також з огляду на виготовлення та транспортування. Підкладки й заклепки в поздовжньому нарощуванні одного носія повинні сприймати ту саму силу TL, яку мав би ненарощений лист у поздовжньому стику. Оскільки послаблення отворами в підкладці є такими самими, як і у вертикальному листі, товщина підкладки має бути більшою або дорівнювати товщині ребра.
Рис. 2 - Поздовжнє продовження вертикального листа
Поперечне стикування під навантаженням на згин може бути по-різному закрите накладками. Рис. 3 показує кілька можливостей монтажного стику, у якому продовжено лише вертикальний лист. Якщо накладки розміщені лише між поясними кутниками (рис. 3a), то залишаються непокриті смуги вертикального листа під поясними кутниками. Тоді кутники і заклепки в зоні стику вертикального листа значно більше навантажені, тому цей вид стиків слід обмежувати менш важливими з’єднаннями з малими силами. Завжди слід надавати перевагу повністю покритому стику. Окремі накладки на вертикальних полицях кутників сприймають поздовжні напруження цієї смуги, але лише незначною мірою беруть участь у сприйнятті поперечної сили. Певне покращення в цьому дає рис. 3c. За великих сил слід прагнути до накладок по всій висоті вертикального листа (рис. 3d), що передбачає розрив поясних кутників. Накладки набувають товщини полиці кутника; за великих товщин кутників застосовують вирівнювальні підкладки, щоб заощадити на зайвій товщині накладки.
Рис. 3 - Поперечний стик (заводський) вертикального листа
Продовження вертикального листа під навантаженням поперечною силою: Балка в місці стику навантажена лише силою Q (M = 0). Для стику з однаковими відстанями між заклепками (рис. 4) слід припустити, що сили в заклепках NiQ приблизно відповідають відповідному елементу площі e*t стикового з’єднання, тобто що сили в заклепках розподілені так само, як і напруження зсуву по висоті балки, NiQ = e*t*τi = e*Ti. Проте під час розрахунку на міцність беруть рівномірний розподіл на всі n заклепки NiQ = Q/n.
Рис. 4 - Продовження вертикального листа з розподілом поперечної сили
Рис. 5 показує заводське_ з’єднання вертикального листа (поясні кутики та ламелі з’єднані в іншому місці).
Мал. 5
Згин з нормальною силою: Балки, які одночасно навантажені моментами згину і нормальними силами, розраховують за тими самими принципами та за припущення лінійного розподілу напружень. За повного виключення заклепок в обох поясах корисний переріз і положення нульової лінії не залежать від випадку навантаження, тож напруження від M і N можна просто додати. Навантаження заклепок у накладці визначається суперпозицією сил від часткових випадків навантаження M, відповідно N.
Спирання і приєднання несучого елемента
Тут буде розглянуто лише найпоширеніше з численних рішень. Під час оцінювання завжди слід зважати на додаткові сили, що виникають через відхилення від більш-менш ідеалізованих розрахунків міцності.
Просте спирання однієї балки на верхній пояс іншого будівельного елемента можливе, коли доступна велика будівельна висота. Нормальним випадком є жорстке з’єднання заклепками або болтами. На рис. 6 показано нормальне спирання суцільних I-подібних прогонів у будівництві, яке так само дає змогу уникнути свердління у вузьких I-полицях. У даному разі балки слід убезпечити від перекидання, а також від поперечних сил (рис. 7 і 8). У мостобудуванні балки часто спарюють (рис. 9); нерухоме спирання поздовжньої балки на поперечну балку (рис. 10). За більших опорних сил балки слід підсилювати підігнаними кутниками або привареними профілями (рис. 8 до 10). У складених балках навантаження слід передавати в ребро.
Рис. 6 - Кріплення кроквяних ніг
Рис. 7 і 8
Рис. 9 і 10
Приєднання ребра: На рис. 11 і 12 показано з’єднання I-профілів, які використовуються у будівництві як звичайні приєднання. Виріз отримує велике заокруглення, щоб уникнути тріщин у ребрі елемента. Пружне защемлення від приєднання ребра дає певне підвищення несучої здатності. Описані деформації, щоправда, безпечні за переважно спокійного навантаження, наприклад у старіших мостах.
Рис. 11. - Нормальні з’єднання I-риґеля з перпендикулярним торцевим перерізом
Рис. 12 - Нормальні з’єднання з обрізаними кінцями I-профілю
Жорсткі на згин з’єднання виконують тоді, коли потрібне з’єднання без зміни кута (безперервні опори, жорсткі кути рам) або коли існує небезпека руйнування внаслідок втоми за змінного навантаження, особливо у залізничних мостах. Можна використовувати ламелі для безперервності, жорсткі на згин з’єднання, жорсткі на згин кути, кути рам.
- Ламелі для неперервності – Якщо потрібно приєднати елементи, що лежать в одній площині, тоді з’єднують обидва верхні пояси ламелою або підв’язкою для неперервності. Так заклепки з’єднання звільняються від сил розтягу і уникаються великі деформації.
Рис. 13 - Приєднання з ламеллю для неперервності
Рис. 14 — Приєднання поздовжніх балок a) мосту на автостраді; b) залізничного мосту
- Жорсткі на згин з’єднання – Такий вид з’єднання зустрічається у суцільних консолях пішохідних доріжок дорожніх мостів. За менших моментів їхній вертикальний лист приєднаний лише двосічно між кутиками для жорсткості головної балки. Прикладений момент через елементи жорсткості розподіляється на всю висоту головної балки, тобто вводиться в її пояси як система сил.
Рис. 15 і 16
- Кути, жорсткі на згинання – Кути, жорсткі на згинання між колонами і підбалками в будівництві, слід так конструювати, щоб кут був незмінним і не виникало жодних локальних перевищень напружень. Надійні з’єднання в кутах утворюються, наприклад, за рис. 16, коли використовують крильчасті листи, або за рис. 100, коли момент защемлення в поясах колони сприймається як пара сил.
- Кути рами – На багатокутних рамах продовження можна виконати в точці зламу, якщо різниця кутів невелика; з’єднані стрижні перекриваються підв’язками, як натягнуті й стиснуті стрижні. Зусилля обертання зосереджені в місці зламу і мають бути сприйняті ребрами жорсткості. На рис. 101 слід звернути увагу на різницю в перекритті продовження та ребрах жорсткості залежно від напряму згинального моменту і відхиляючих сил. У разі великих сил і значної різниці кутів уникають, щоб продовження потрапляло в сильно викривлену частину рами. Продовження поблизу кутів рами дають кращу конструктивну форму і полегшують виготовлення. Приклади з клепаними універсальними продовженнями по обидва боки точки зламу подано на рис. 102a і рис. 102b, на якому кут складається зі звареної частини. На рис 103 показано жорстке на згин з’єднання стійки рами з безперервною поперечиною.
Рис. 17a
Рис. 17b
Косі з’єднання: На розглянутих досі з’єднаннях ребра взаємно були розташовані перпендикулярно. Якщо ж кут не є прямим, тоді кутники (рис. 18) розвертають, а на дуже гострих кутах застосовують клиноподібні підкладки. Використати підв’язки для безперервності та опорні елементи в даному випадку так само, як і для прямих з’єднань. Зігнуті з’єднувальні листи (рис. 19) пов’язані з великим ексцентриситетом і значними додатковими силами. Виготовлення косих з’єднань полегшується, коли використовують приварені з’єднувальні пластинки (рис. 20).
Мал. 18
Мал. 19
Мал. 20