двутавр

Двутавр – это любой из различных элементов конструкции с I- или H -образным поперечным сечением . Технические термины для подобных изделий включают двутавровую балку , двутавровый профиль , универсальную колонну ( UC ), w-образную балку (для «широкой полки»), универсальную балку ( UB ), балку из катаной стали ( RSJ ) или двутавровую балку (особенно на польском , болгарском , испанском , итальянском и немецком языках ). 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 полые конструкционные профили часто предпочтительны .

История

В 1849 году был разработан метод изготовления двутавровой балки, прокатанной из цельного куска кованого железа. ^[1] был запатентован Альфонсом Хальбу из Forges de la Providence в Марьен-о-Пон , Бельгия. ^[2]

Компания Bethlehem Steel со штаб-квартирой в Вифлееме, штат Пенсильвания , была ведущим поставщиком прокатной конструкционной стали различного сечения для строительства американских мостов и небоскребов в середине 20-го века. ^[3] Прокатные сечения в настоящее время частично вытеснены в таких работах фабричными .

Обзор

Существует две стандартные формы двутавра:

Прокатный двутавр, формуемый методом горячей прокатки , холодной прокатки или экструзии , в зависимости от материала.
Пластинчатая балка , образованная сваркой (иногда скреплением болтами или клепкой ) пластин.

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 ошибочно воспринимают как армированную стальную балку. Британские и европейские стандарты также определяют универсальные балки (UB) и универсальные колонны (UC). Эти секции имеют параллельные фланцы, обозначенные на сопроводительном рисунке как «W-образное сечение», в отличие от фланцев RSJ различной толщины, обозначенных как «S-образное сечение», которые сейчас редко прокатываются в Соединенном Королевстве . 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 или клееного бруса , или того и другого, также становятся все более популярными в строительстве, особенно в жилых домах, 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.

Дизайн

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:

прогиб : жесткость двутавровой балки будет выбрана так, чтобы минимизировать деформацию.
вибрация : жесткость и масса выбраны таким образом, чтобы предотвратить неприемлемую вибрацию, особенно в местах, чувствительных к вибрации, таких как офисы и библиотеки.
разрушение при изгибе из-за текучести : когда напряжение в поперечном сечении превышает предел текучести.
разрушение при изгибе из-за бокового изгиба при кручении : когда фланец при сжатии имеет тенденцию изгибаться вбок или все поперечное сечение изгибается при кручении.
разрушение при изгибе из- за местного коробления : полка или стенка настолько тонкие, что локально коробятся.
местная текучесть: вызвана сосредоточенными нагрузками, например, в точке опоры балки
провал при сдвиге : разрыв полотна. Тонкие стенки разрушаются из-за коробления и ряби в результате явления, называемого действием поля растяжения , но разрушению при сдвиге также препятствует жесткость фланцев.
коробление или деформация компонентов: например, ребер жесткости, используемых для обеспечения устойчивости стенки двутавровой балки.

Конструкция для гибки

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 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 по формуле: ^[4]

S={\cfrac {M_{\mathrm {max} }}{\sigma _{\mathrm {max} }}}={\frac {I}{c}}

,

где $I$ — момент инерции поперечного сечения балки, а $c$ — расстояние между вершиной балки и нейтральной осью ( см. в теории балки более подробную информацию ).

Для балки с площадью поперечного сечения $a$ и высотой $h$ идеальное поперечное сечение на расстоянии будет иметь половину площади $.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num{display:block;line-height:1em;margin:0.0em 0.1em;border-bottom:1px solid}.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0.1em 0.1em}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);clip-path:polygon(0px 0px,0px 0px,0px 0px);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}⁠ h / 2 ⁠$ над сечением и другая половина на расстоянии $⁠ h / 2 ⁠$ ниже поперечного сечения. ^[4] Для этого сечения

I={\frac {ah^{2}}{4}}\,;\quad S={\frac {1}{2}}ah

.

Однако эти идеальные условия никогда не могут быть достигнуты, поскольку материал необходим в сетке по физическим причинам, в том числе для сопротивления короблению. Для широкополочных балок момент сопротивления составляет примерно

S\approx 0.35ah

что превосходит результат, достигнутый с помощью прямоугольных и круглых балок.

Проблемы

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, коробчатые балки вместо двутавровой балки используются и другие типы жестких сечений.

Формы и материалы в США

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:

A36: 36 000 фунтов на квадратный дюйм (250 МПа )
A572: 42 000–60 000 фунтов на квадратный дюйм (290–410 МПа), наиболее распространено 50 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа).
A588: Аналогичен A572.
A992: 50 000–65 000 фунтов на квадратный дюйм (340–450 МПа).

Как и большинство стальных изделий, двутавровые балки часто содержат переработанные материалы.

Стандарты

Следующие стандарты определяют форму и допуски стальных профилей двутавровых балок:

Европейские стандарты

EN 10024 , Горячекатаные конические фланцевые двутавровые профили. Допуски по форме и размерам.
EN 10034 , Стальные конструкции двутавровые и двутавровые. Допуски по форме и размерам.
EN 10162 , Холоднокатаные стальные профили. Технические условия поставки. Допуски на размеры и поперечное сечение.

Руководство AISC

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.

Другой

DIN 1025-5
ASTM A6 , балки американского стандарта
БС 4-1
IS 808 – Размеры горячекатаных стальных балок, колонн, швеллеров и угловых секций.
AS/NZS 3679.1 – стандарт Австралии и Новой Зеландии ^[6]

Обозначение и терминология

В Соединенных Штатах стальные двутавровые балки обычно указываются с учетом глубины и веса балки. Например, балка «W10x22» имеет глубину примерно 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 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 индийского стандарта, 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 ссылка ]}

В Соединенном Королевстве эти стальные профили обычно обозначаются кодом, состоящим из основного размера, обычно глубины, -x - второстепенного размера, -x - 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

Ячеистые балки представляют собой современную версию традиционной зубчатой балки , в результате чего 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]

См. также

С-образная балка, также известная как структурный швеллер или параллельный фланцевый канал (PFC).
DIN 1025 - стандарт DIN, определяющий размеры, массу и свойства сечения набора двутавровых балок.
Открытая стальная балка
Железобетон
Стальная конструкция
Структурный угол
Т-образная балка
Сварное отверстие для доступа

Ссылки

^ Форсайт, М. Конструкции и строительство при сохранении исторических зданий. п. 179.
^ Томас Дердак, Джей П. Педерсон (1999). Международный каталог историй компаний . Том. 26. Сент-Джеймс Пресс. п. 82. ИСБН 978-1-55862-385-9 .
^ «Ковка Америки: история Bethlehem Steel» . Доплата за утренний звонок . Утренний звонок . 14 декабря 2003 года. Архивировано из оригинала 27 апреля 2011 года . Проверено 24 сентября 2010 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Гир и Тимошенко, 1997, Механика материалов , Издательство PWS.
^ Стандартные спецификации ASTM A992?A992M для профилей из конструкционной стали . Американское общество по испытаниям и материалам . 2006. doi : 10.1520/A0992_A0992M-06A .
^ Перейти обратно: ^а ^б Горячекатаный прокат и конструкционная сталь – пятое издание. Архивировано 10 апреля 2013 г. в Wayback Machine — Onesteel . Проверено 18 декабря 2015 г.
^ Руководство AISC по стальным конструкциям, 14-е издание
^ Справочник по стальным конструкциям (9-е изд.). Канадский институт стальных конструкций . 2006. ISBN 978-0-88811-124-1 .
^ Руководство IMCA по стальным конструкциям , 5-е издание.
^ «Структурные разделы» (PDF) . Корус Строительство и Промышленность. Архивировано из оригинала (PDF) 15 февраля 2010 года.
^ «Ячеистые балки – Kloeckner Metals UK» . kloecknermetalsuk.com . Проверено 13 мая 2017 г.

Дальнейшее чтение

Эшби, МФ (2005). Выбор материалов в механическом проектировании (3-е изд.). Оксфорд; Бостон: Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 9780750661683 . См. главу 8, разделы 8.4 («Лаги перекрытия: дерево или сталь?») и 8.5 («Повышение жесткости стального листа»).

Внешние ссылки

[1] Форсайт, М. Конструкции и строительство при сохранении исторических зданий. п. 179.

[2] Томас Дердак, Джей П. Педерсон (1999). Международный каталог историй компаний . Том. 26. Сент-Джеймс Пресс. п. 82. ИСБН 978-1-55862-385-9 .

[MorningCallSupplement2003-3] «Ковка Америки: история Bethlehem Steel» . Доплата за утренний звонок . Утренний звонок . 14 декабря 2003 года. Архивировано из оригинала 27 апреля 2011 года . Проверено 24 сентября 2010 г.

[Gere-4] Перейти обратно: ^а ^б Гир и Тимошенко, 1997, Механика материалов , Издательство PWS.

[5] Стандартные спецификации ASTM A992?A992M для профилей из конструкционной стали . Американское общество по испытаниям и материалам . 2006. doi : 10.1520/A0992_A0992M-06A .

[onesteel-6] Перейти обратно: ^а ^б Горячекатаный прокат и конструкционная сталь – пятое издание. Архивировано 10 апреля 2013 г. в Wayback Machine — Onesteel . Проверено 18 декабря 2015 г.

[7] Руководство AISC по стальным конструкциям, 14-е издание

[8] Справочник по стальным конструкциям (9-е изд.). Канадский институт стальных конструкций . 2006. ISBN 978-0-88811-124-1 .

[9] Руководство IMCA по стальным конструкциям , 5-е издание.

[10] «Структурные разделы» (PDF) . Корус Строительство и Промышленность. Архивировано из оригинала (PDF) 15 февраля 2010 года.

[11] «Ячеистые балки – Kloeckner Metals UK» . kloecknermetalsuk.com . Проверено 13 мая 2017 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]