Двутавровая балка — это любой из различных элементов конструкции с I или H -образным поперечным сечением . Технические термины для подобных изделий включают двутавровую балку (для универсальной колонны , UC ), w-образную балку (для «широкой полки»), универсальную балку ( UB ), катаную стальную балку ( RSJ ) или двойную Т-образную балку (особенно на польском языке ). болгарский , испанский , итальянский и немецкий ). Двутавровые балки обычно изготавливаются из конструкционной стали и используются в самых разных строительных целях.
Горизонтальные элементы I называются фланцами , а вертикальный элемент известен как «паутина». Стенка сопротивляется силам сдвига , а полки сопротивляются большей части изгибающего момента , испытываемого балкой. Уравнение балки Эйлера -Бернулли показывает, что I-образное сечение является очень эффективной формой для восприятия как изгибающих , так и сдвиговых нагрузок в плоскости стенки. С другой стороны, поперечное сечение имеет пониженную несущую способность в поперечном направлении, а также неэффективно выдерживает кручение , для чего часто предпочитаются полые конструкционные профили .
Метод изготовления двутавровой балки, прокатанной из цельного куска кованого железа, [1] был запатентован Альфонсом Хальбу из компании Forges de la Providence в 1849 году . [2]
Bethlehem Steel была ведущим поставщиком катаной конструкционной стали различного сечения для строительства американских мостов и небоскребов середины двадцатого века. [3] Сегодня прокатные сечения в таких работах частично вытеснены фабричными .
Существует две стандартные формы двутавра:
Двутавровые балки обычно изготавливаются из конструкционной стали , но также могут быть изготовлены из алюминия или других материалов. Распространенным типом двутавровой балки является прокатная стальная балка (RSJ), которую иногда неправильно отображают как армированную стальную балку . Британские и европейские стандарты также определяют универсальные балки (UB) и универсальные колонны (UC). Эти секции имеют параллельные фланцы (показаны как «W-образное сечение» на сопроводительном рисунке), в отличие от фланцев RSJ различной толщины (показанных как «S-образное сечение»), которые сейчас редко прокатываются в Великобритании. Параллельные фланцы легче соединять и устраняют необходимость в конических шайбах. UC имеют равную или почти равную ширину и глубину и больше подходят для вертикальной ориентации, чтобы нести осевую нагрузку, например, колонны в многоэтажных конструкциях, в то время как UB значительно глубже, чем ширина, и больше подходят для восприятия изгибающих нагрузок, таких как балка. элементы полов.
Двутавровые балки — двутавровые балки, изготовленные из дерева с ДВП и/или клееным брусом , — также становятся все более популярными в строительстве, особенно жилом, поскольку они легче и менее склонны к деформации, чем цельные деревянные балки . Однако существуют некоторые опасения по поводу их быстрой потери прочности при пожаре, если они не защищены.
Двутавровые балки широко используются в строительной отрасли и доступны в различных типоразмерах. Имеются таблицы, позволяющие легко выбрать подходящий размер стальной двутавровой балки для данной приложенной нагрузки. Двутавровые балки могут использоваться как в качестве балок, так и в качестве колонн .
Двутавровые балки могут использоваться как сами по себе, так и в сочетании с другим материалом, обычно бетоном . Проектирование может регулироваться любым из следующих критериев:
Балка при изгибе испытывает высокие напряжения вдоль осевых волокон, наиболее удаленных от нейтральной оси . Чтобы предотвратить выход из строя, большая часть материала балки должна располагаться в этих областях. В зоне, близкой к нейтральной оси, требуется сравнительно мало материала. Это наблюдение лежит в основе поперечного сечения двутавровой балки; нейтральная ось проходит вдоль центра стенки, которая может быть относительно тонкой, и большая часть материала может быть сосредоточена на кромках.
Идеальная балка — это балка с наименьшей площадью поперечного сечения (и, следовательно, требующая наименьшего количества материала), необходимая для достижения заданного момента сопротивления сечения . Поскольку момент сопротивления зависит от значения момента инерции , в эффективной балке большая часть материала должна располагаться как можно дальше от нейтральной оси. Чем дальше заданное количество материала находится от нейтральной оси, тем больше момент сопротивления сечения и, следовательно, большему изгибающему моменту можно противостоять.
При проектировании симметричной двутавровой балки, способной противостоять напряжениям из-за изгиба, обычно отправной точкой является требуемый момент сопротивления сечения. Если допустимое напряжение равно σ max и максимальный ожидаемый изгибающий момент равен M max , то требуемый момент сопротивления определяется формулой [4]
где I — момент инерции поперечного сечения балки, а c — расстояние между вершиной балки и нейтральной осью ( более подробную информацию см. в теории балки ).
Для балки с площадью поперечного сечения a и высотой h идеальное поперечное сечение на расстоянии будет иметь половину площадичас/2над сечением, а другая половина на расстояниичас/2ниже сечения. [4] Для этого сечения
Однако эти идеальные условия никогда не могут быть достигнуты, поскольку материал в сетке необходим по физическим причинам, в том числе для сопротивления короблению. Для широкополочных балок момент сопротивления составляет примерно
что превосходит результат, достигнутый с помощью прямоугольных и круглых балок.
Хотя двутавровые балки отлично подходят для однонаправленного изгиба в плоскости, параллельной стенке, они не так хорошо работают при двунаправленном изгибе. Эти балки также мало сопротивляются скручиванию и подвергаются короблению в сечении под действием скручивающей нагрузки. Для проблем, связанных с кручением, вместо двутавровой балки используются коробчатые балки и другие типы жестких сечений.
В Соединенных Штатах чаще всего упоминается двутавровая балка с широкой полкой (W). Эти балки имеют полки, внутренние поверхности которых параллельны на большей части своей площади. Другие двутавровые балки включают формы американского стандарта (обозначаются S), в которых внутренние поверхности полок не параллельны, и двутавровые сваи (обозначаются HP), которые обычно используются в качестве свайных фундаментов. Формы с широкими фланцами доступны из класса ASTM A992 [5] , который обычно заменил более старые марки ASTM A572 и A36. Диапазоны предела текучести:
Как и большинство стальных изделий, двутавровые балки часто содержат переработанные материалы.
Следующие стандарты определяют форму и допуски стальных профилей двутавровых балок:
Американский институт стальных конструкций (AISC) публикует Руководство по стальным конструкциям для проектирования конструкций различной формы. В нем документированы общие подходы: расчет допустимой прочности (ASD) и расчет коэффициентов нагрузки и сопротивления (LRFD) (начиная с 13-го изд.) для создания таких расчетов.
В Соединенных Штатах стальные двутавровые балки обычно указываются с учетом глубины и веса балки. Например, балка «W10x22» имеет глубину примерно 10 дюймов (254 мм) (номинальная высота двутавровой балки от внешней поверхности одной полки до внешней поверхности другой полки) и весит 22 фунта/фут (33 фунта). кг/м). Балки с широким фланцевым сечением часто отличаются от своей номинальной глубины. В случае серии W14 их глубина может достигать 22,84 дюйма (580 мм). [7] '
В Канаде стальные двутавровые балки теперь обычно указываются с использованием глубины и веса балки в метрических единицах. Например, балка W250x33 имеет глубину примерно 250 миллиметров (9,8 дюйма) (высота двутавровой балки от внешней поверхности одной полки до внешней поверхности другой полки) и весит примерно 33 кг/м (22 фунт/фут; 67 фунтов/ярд). [8] Двутавровые балки по-прежнему доступны в размерах США от многих канадских производителей.
В Мексике стальные двутавровые балки называются IR и обычно указываются с использованием глубины и веса балки в метрических единицах. Например, балка «IR250x33» имеет глубину примерно 250 мм (9,8 дюйма) (высота двутавровой балки от внешней поверхности одной полки до внешней поверхности другой полки) и весит примерно 33 кг/м (22 фунт/фут). [9]
В Индии двутавровые балки обозначаются как ISMB, ISJB, ISLB, ISWB. ISMB: балка среднего веса по индийскому стандарту, ISJB: юниорские балки индийского стандарта, ISLB: легкие балки индийского стандарта и ISWB: балки с широкими полками индийского стандарта. Балки обозначаются согласно соответствующей сокращенной ссылке, за которой следует глубина сечения, например, ISMB 450 , где 450 — это глубина сечения в миллиметрах (мм). Размеры этих балок классифицированы согласно IS:808 (согласно BIS ). [ нужна цитата ]
В Соединенном Королевстве эти стальные профили обычно обозначаются кодом, состоящим из основного размера (обычно глубины) - х - второстепенного размера - х - массы на метр - заканчивающегося типом сечения, причем все измерения являются метрическими. Таким образом, 152x152x23UC будет секцией колонны (UC = универсальная колонна) глубиной примерно 152 мм (6,0 дюйма), шириной 152 мм и массой 23 кг/м (46 фунтов/ярдов) длины. [10]
В Австралии эти стальные профили обычно называют универсальными балками (UB) или колоннами (UC). Обозначение каждой из них указывается в виде приблизительной высоты балки, ее типа (балка или колонна), а затем единицы измерения в метрах (например, 460UB67.1 — это универсальная балка глубиной примерно 460 мм (18,1 дюйма) и весом 67,1 кг. /м (135 фунтов/ярд)). [6]
Ячеистые балки представляют собой современную версию традиционной « зубчатой балки », в результате которой балка получается примерно на 40–60% глубже, чем ее родительская секция. Точная конечная глубина, диаметр ячеек и расстояние между ячейками являются гибкими. Ячеистая балка до 1,5 раз прочнее основной секции и поэтому используется для создания эффективных большепролетных конструкций. [11]
