Балка (конструкция)

Статическая балка под равномерно распределенной нагрузкой

Балка - это конструктивный элемент в виде стержня ( бруса), который испытывает основном изгиба ^[1].

Изгиб может возникать под действием внешних поперечных сил (сосредоточенных или распределенных по длине балки) и моментов пар сил. Нагруженная балка, в свою очередь, передает нагрузку на опоры, которыми могут быть колонны, подвесы, стены. По принятой классификации в сопротивлении материалов различают три типа опор:

• шарнирно-подвижная, налагает запрет только на перемещение вдоль связи (или перпендикулярно опорной поверхности) единственная опорная реакция действует в этом же направлении; опора допускает перемещение вдоль опорной поверхности и поворот балки относительно закрепленной точки (шарнира)
• шарнирно-неподвижная допускает только поворот балки; реакция этой опоры имеет две составляющие R _x и R _y;
• жесткое защемление исключает возможность перемещения и поворота балки. Реакции зажатия - R _x, R _y и реактивный момент M _R.

1. Классификация балок

В зависимости от числа опор и способа закрепления различают балки: однопролетные, многопролетные, консольные, с зажатыми концами, разрезные, неразрезные и др.. Балка, перекрывающая один пролет и имеет две опоры, называется разрезной. Балка, перекрывающая несколько пролетов и имеет несколько опор, называется неразрезной многопролетной.

По форме поперечного сечения различают балки прямоугольные, тавровые, двутавровые, коробчатые и др.. Выгодные (по несущей способности и расходом материала) формы поперечных сечений балки характеризуются концентрацией материала у верхнего и нижнего краев сечения, где действуют максимальные нормальные нагрузки при изгибе. Прямоугольные сечения целесообразны при относительно большой высоте и малой ширине балки. Балка может иметь постоянный или переменный по величине поперечное сечение. Последнее позволяет уменьшить ее массу.

По назначению балки делятся на основные (продольные, перекрывающие пролет между опорами) и вспомогательные (поперечные, перекрывающие расстояния между основными балками). Система продольных и поперечных балок называется балочной клетки.

Железобетонные балки изготавливают монолитными и сборными. Монолитные балки конструируются в большинстве случаев как многопролетные неразрезные, обычно прямоугольный или таврового сечения. В сборном железобетоне широко применяют однопролетные балки различных сечений: прямоугольного, таврового, двутаврового, полого, П-образного и т. д. Сборные многопролетные неразрезные балки выполняются из нескольких элементов, соединяемых в процессе монтажа.

Получили распространение предварительно напряженные железобетонные балки.

Несущие характеристики балки зависят от ее ряда параметров:

• площади и формы ее поперечного Профиль;
• длины балки;
• материала балки;
• способа ее закрепление.

2. Применение балок

В современных сооружениях используются, как правило, стальные, железобетонные или деревянные балки. Одним из самых распространенных типов поперечного профиля стальной балки является двутавр. Двутавровые балки используют при возведении каркасов зданий и мостов. Также применяют тавровые балки, швеллеры, балки с полым профилем (в частности, трубы), балки с угловым профилем сечения.

Металлические балки применяют главным образом при больших нагрузках. Наиболее эффективными являются металлические балки двутаврового (прокатные и составные) и коробчатого (составные) сечения. Составные балки могут иметь практически неограниченную высоту и несущую способность.

Деревянные балки служат обычно для перекрытия небольших пролетов в виде однопролетных и разрезных конструкций. Выполняются из досок, брусьев, бревен, для увеличения несущей способности конструкций, применяют составные сечения на шпонках, нагелях или клееные.

3. Виды расчетов

Расчет балки обычно проводят на прочность, жесткость и устойчивость по методикам сопротивления материалов. Балки рассчитывают на нагрузки: постоянный (от собственной массы и массы конструкции, опирающейся на нее) и временное или полезное.

Определение реакций опор, изгибающих моментов, поперечных сил и прогибов в статически выдающихся балках производится аналитически или графически на основе уравнений равновесия. Статически неопределимые неразрезные балки рассчитывают обычно с помощью трехчленных уравнений (уравнения трех моментов) при жестких опорах и пятичленных - для упругих опор.

Для расчета балок, лежащих на податливой (например, грунтовой) основе, пользуются расчетными моделями основания.

Подбор поперечного сечения балок производят в основном из условия восприятия изгибающего момента (за нормальными напряжениями). Кроме того, сечение проверяют на действие поперечной силы (касательных напряжений) и главного напряжения.

В отдельных случаях рассчитывают балки на устойчивость.

Источники