Двутавровая балка — это любой из различных конструктивных элементов с Ɪ- (заглавная буква с засечками «I») или Н-образным поперечным сечением . Технические термины для подобных элементов включают в себя двутавровую балку , двутавровый профиль , универсальную колонну ( UC ), w-образную балку (для «широкого фланца»), универсальную балку ( UB ), прокатную стальную балку ( RSJ ) или двойную Т-образную (особенно в польском , болгарском , испанском , итальянском и немецком языках ). Двутавровые балки обычно изготавливаются из конструкционной стали и служат для самых разных целей в строительстве.
Горизонтальные элементы Ɪ называются фланцами , а вертикальный элемент известен как «стенка». Стенка сопротивляется сдвиговым силам , в то время как фланцы сопротивляются большей части изгибающего момента, испытываемого балкой. Уравнение Эйлера–Бернулли для балки показывает, что сечение в форме Ɪ является очень эффективной формой для восприятия как изгибающих , так и сдвигающих нагрузок в плоскости стенки. С другой стороны, поперечное сечение имеет пониженную грузоподъемность в поперечном направлении, а также неэффективно при восприятии кручения , для чего часто предпочтительны полые структурные сечения .
В 1849 году метод производства двутавровой балки, прокатанной из цельного куска кованого железа, [1] был запатентован Альфонсом Хальбу из Forges de la Providence в Маршьен-о-Пон , Бельгия. [2]
Компания Bethlehem Steel , головной офис которой находится в Бетлехеме, штат Пенсильвания , была ведущим поставщиком прокатной конструкционной стали различных сечений для строительства американских мостов и небоскребов в середине 20-го века. [3] В настоящее время прокатные поперечные сечения в таких работах частично заменены сборными поперечными сечениями.
Существуют две стандартные формы двутавровых балок:
Двутавровые балки обычно изготавливаются из конструкционной стали , но также могут быть сформированы из алюминия или других материалов. Распространенным типом двутавровой балки является прокатная стальная балка (RSJ), иногда неправильно представленная как армированная стальная балка. Британские и европейские стандарты также определяют универсальные балки (UB) и универсальные колонны (UC). Эти секции имеют параллельные полки, показанные как «W-сечение» на прилагаемой иллюстрации, в отличие от переменной толщины полок RSJ, показанных как «S-сечение», которые теперь редко прокатываются в Соединенном Королевстве . Параллельные полки легче соединять, и они избавляют от необходимости в конических шайбах. UC имеют одинаковую или почти одинаковую ширину и глубину и больше подходят для вертикальной ориентации, чтобы нести осевую нагрузку, такую как колонны в многоэтажном строительстве, в то время как UB значительно глубже, чем шире, больше подходят для несения изгибающей нагрузки, такой как элементы балок в перекрытиях.
Двутавровые балки , двутавровые балки, изготовленные из древесины с ДВП или клееным шпоном , или и тем, и другим, также становятся все более популярными в строительстве, особенно жилом, поскольку они легче и менее подвержены короблению, чем цельные деревянные балки . Однако существуют некоторые опасения относительно их быстрой потери прочности при пожаре, если они не защищены.
Двутавровые балки широко используются в строительной отрасли и доступны в различных стандартных размерах. Доступны таблицы, позволяющие легко выбрать подходящий размер стальной двутавровой балки для заданной 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 совместно с другим материалом, как правило, бетоном . Проектирование может регулироваться любым из следующих критериев:
Балка при изгибе испытывает высокие напряжения вдоль осевых волокон, которые находятся дальше всего от нейтральной оси . Чтобы предотвратить разрушение, большая часть материала в балке должна быть расположена в этих областях. Сравнительно мало материала требуется в области, близкой к нейтральной оси. Это наблюдение является основой поперечного сечения двутавровой балки; нейтральная ось проходит вдоль центра стенки, которая может быть относительно тонкой, и большая часть материала может быть сосредоточена в полках.
Идеальная балка — это балка с наименьшей площадью поперечного сечения (и, следовательно, требующая наименьшего количества материала), необходимого для достижения заданного модуля сопротивления сечения . Поскольку модуль сопротивления сечения зависит от значения момента инерции , эффективная балка должна иметь большую часть своего материала, расположенного как можно дальше от нейтральной оси. Чем дальше заданное количество материала находится от нейтральной оси, тем больше модуль сопротивления сечения и, следовательно, тем больший изгибающий момент может быть выдержан.
При проектировании симметричной двутавровой балки для сопротивления напряжениям, вызванным изгибом, обычной отправной точкой является требуемый модуль сечения. Если допустимое напряжение равно σ max , а максимальный ожидаемый изгибающий момент равен M max , то требуемый модуль сечения определяется по формуле: [4]
где I — момент инерции поперечного сечения балки, а c — расстояние от верха балки до нейтральной оси ( более подробную информацию см. в теории балок ).
Для балки с площадью поперечного сечения a и высотой h идеальное поперечное сечение будет иметь половину площади на расстоянии час/2 над поперечным сечением, а другая половина на расстоянии час/2 ниже поперечного сечения. [4] Для этого поперечного сечения,
Однако эти идеальные условия никогда не могут быть достигнуты, поскольку материал необходим в стенке по физическим причинам, в том числе для сопротивления изгибу. Для балок с широкими полками момент сопротивления сечения приблизительно равен
что превосходит показатели, достигаемые 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 демонстрируют малое сопротивление скручиванию и подвергаются секционной деформации под действием крутильной нагрузки. Для задач с преобладанием кручения коробчатые балки и другие типы жестких секций используются вместо двутавровых балок.
В Соединенных Штатах наиболее часто упоминаемая двутавровая балка — это широкополочная (W) форма. Эти балки имеют полки, внутренние поверхности которых параллельны на большей части их площади. Другие двутавровые балки включают формы American Standard (обозначаемые S), в которых внутренние поверхности полок не параллельны, и H-образные сваи (обозначаемые HP), которые обычно используются в качестве свайных фундаментов. Широкополочные формы доступны в классе ASTM A992, [5] который в целом заменил старые классы ASTM A572 и A36. Диапазоны предела текучести:
Как и большинство стальных изделий, двутавровые балки часто содержат некоторое количество переработанных материалов.
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 документируются общие подходы, Проектирование допустимой прочности (ASD) и Проектирование коэффициента нагрузки и сопротивления (LRFD), (начиная с 13-го издания) для создания таких конструкций.
В Соединенных Штатах стальные двутавровые балки обычно специфицируются с использованием глубины и веса балки. Например, балка "W10x22" имеет глубину приблизительно 10 дюймов (254 мм) с номинальной высотой двутавровой балки от внешней поверхности одной полки до внешней поверхности другой полки и весит 22 фунта/фут (33 кг/м). Балки с широким сечением полки часто отличаются от своей номинальной глубины. В случае серии W14 они могут быть глубиной до 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 приблизительно 250 миллиметров (9,8 дюйма) (высота двутавровой балки от внешней поверхности одного фланца до внешней поверхности другого фланца) и весит приблизительно 33 кг/м (22 фунта/фут; 67 фунтов/ярд). [8] Двутавровые балки по-прежнему доступны в американских размерах у 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 приблизительно 250 мм (9,8 дюйма) (высота двутавровой балки от внешней поверхности одного фланца до внешней поверхности другого фланца) и весит приблизительно 33 кг/м (22 фунта/фут). [9]
В Индии двутавровые балки обозначаются как ISMB, ISJB, ISLB, ISWB. ISMB: Indian Standard Medium Weight Beam, ISJB: Indian Standard Junior Beams, ISLB: Indian Standard Light Weight Beams и ISWB: Indian Standard Wide Flange Beams. Балки обозначаются в соответствии с соответствующей сокращенной ссылкой, за которой следует глубина сечения, например, ISMB 450 , где 450 — глубина сечения в миллиметрах (мм). Размеры этих балок классифицируются в соответствии с IS:808 (согласно BIS ). [ требуется ссылка ]
В Соединенном Королевстве эти стальные секции обычно указываются с помощью кода, состоящего из основного размера, обычно глубины, -x-меньший размер-x-масса на метр-заканчивающегося типом секции, все измерения метрические. Таким образом, 152x152x23UC будет секцией колонны (UC = универсальная колонна) приблизительно 152 мм (6,0 дюймов) глубиной, 152 мм шириной и весом 23 кг/м (46 фунтов/ярд) длины. [10]
В Австралии эти стальные секции обычно называют универсальными балками (UB) или колоннами (UC). Обозначение для каждого из них дается как приблизительная высота балки, тип (балка или колонна) и затем единичная метрическая ставка (например, 460UB67.1 — это универсальная балка глубиной приблизительно 460 мм (18,1 дюйма), которая весит 67,1 кг/м (135 фунтов/ярд)). [6]
Ячеистые балки являются современной версией традиционной зубчатой балки , которая приводит к балке примерно на 40–60% глубже, чем ее исходная секция. Точная конечная глубина, диаметр ячеек и расстояние между ячейками являются гибкими. Ячеистая балка до 1,5 раз прочнее своей исходной секции и поэтому используется для создания эффективных конструкций с большими пролетами . [11]
