Обеспечение устойчивости балок

Балка – изгибаемый элемент, имеет сжатую и растянутую зоны. Пояс сжатой зоны, по существу, является центрально-сжатым элементом и должен при определенных размерах терять свою устойчивость. Но в плоскости максимальной жесткости балка, сама система пластинок, рассчитанная на прочность и по деформациям, не дает сжатому поясу искривляться и терять устойчивость.

Из плоскости максимальной жесткости балка не создает для сжатого пояса такой жесткой поддержки, и он может начать искривляться. При этом растянутая зона препятствует его свободному выпучиванию, и балка начинает поворачиваться, выходя из плоскости максимальной жесткости. Это для изгибаемых элементов с обычным соотношением размеров невыгодно. Положение может стать еще хуже, если нагрузка приложена к верхнему поясу, так как это вызывает закручивание сечения. Напряжения и деформации быстро нарастают, и наступает разрушение. Это разрушение, связанное с изменением формы элемента под нагрузкой, называется потерей общей устойчивости балки (рис. 9.4).

Расчет балок на устойчивость ведется в соответствии с [1, прил. 7*] и выполняется в следующем порядке.

1. Определяется коэффициент. Для сварных двутавров из трех листов, а также для двутавровых балок с поясными соединениями на высокопрочных болтах

где – расстояние между точками закреплений сжатого пояса от поперечных смещений [1, п. 5.15]; – расстояние между осями поясов;.

Для прокатных двутавров

где – полная высота балки; – момент инерции сечения при кручении.

2. По формулам из [1, табл. 77 и 78] в зависимости от количества закреплений сжатого пояса и вида нагрузки находим.

3. Определяем

4. При, при, но не более 1.

5. Проверка общей устойчивости выполняется по формуле

Устойчивость балок не требуется проверять:

а) при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный (железобетонные плиты, плоский и профилированный металлический настил, волнистая сталь и т. п.);

б) отношении расчетной длины балки к ширине сжатого пояса, не превышающем значений, определяемых по [1, табл. 8*] для балок симметричного двутаврового сечения и с более развитым сжатым поясом, для которых ширина растянутого пояса составляет не менее 0,75 ширины сжатого пояса.

Стальные балки, особенно составные, выполняются из нескольких относительно тонких пластинок, соединенных в единое целое уже при прокате с помощью сварки или болтов. При загружении отдельные зоны сечения могут оказаться сжатыми и выпучиться из плоскости пластинки. Это явление называется потерей местной устойчивости.

Потерявшие местную устойчивость зоны перестают воспринимать приходящуюся на них долю нагрузки и перераспределяют ее на сохранившие местную устойчивость участки сечения. Кроме того, потеря местной устойчивости носит случайный характер, делает сечение несимметричным, может вызывать косой изгиб вместо плоского и закручивание. Перегрузка и ухудшение условий работы сечения быстро приводят к потере общей устойчивости и разрушению конструкций.

Сжатие в поясе балки создается нормальными напряжениями в стенке – нормальными касательными местными (от сосредоточенной нагрузки) напряжениями Обозначим соответствующие критические напряжения, способные, действуя отдельно, вызвать потерю местной устойчивости. Условия сохранения местной устойчивости будут иметь вид

Потеря местной устойчивости не опасна, если критические напряжения будут выше соответствующих расчетных сопротивлений:

так как вначале будут достигнуты расчетные сопротивления и исчерпана прочность.

Местные критические напряжения все зависят от гибкости пластинки (размер/толщина) в степени –2. Повышение местных критических напряжений требует увеличения толщины пластинок. Это и есть первый способ обеспечения местной устойчивости элементов балок.

Вторым способом повышения местной устойчивости является введение в конструкцию балок элементов, направленных перпендикулярно к самой большой пластине балки – стенке. Эти элементы, связанные со стенкой и называемые ребрами жесткости, делят стенку на отдельные отсеки, стесняют ее поперечные деформации, улучшают условия закрепления и местную устойчивость. Система ребер жесткости балки приведена на рис. 9.

Рис. 9.1. Ребра жесткости составных стальных балок: 1 – горизонтальные;

2 – дополнительные; 3 – основные поперечные; 4 – опорные

Горизонтальные ребра жесткости обеспечивают местную устойчивость сжатой зоны стенки; дополнительные – ставятся под местные нагрузки; основные поперечные, – кроме того, обеспечивают местную устойчивость стенки от действия касательных напряжений. Опорные ребра жесткости передают опорную реакцию на всю высоту балки. В местах постановки дополнительных, основных поперечных и опорных ребер жесткости местные напряжения от сосредоточенных нагрузок не учитываются.