Двутавровая балка

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны )

Фактическая точность этой статьи оспаривается . Соответствующее обсуждение можно найти на странице обсуждения . Пожалуйста, помогите обеспечить надежный источник спорных утверждений . ( Сентябрь 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Использование внешних ссылок в этой статье может не соответствовать политикам или рекомендациям Википедии . Пожалуйста, улучшите эту статью , удалив лишние или неприемлемые внешние ссылки и преобразовав полезные ссылки, где это уместно, в сноски . ( Октябрь 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Этот двутавр используется для поддержки первого этажа дома.

Двутавра , также известный как H-балки (для универсальной колонки , UC ), W-балки (для «широкой полки»), универсальные балки ( УБ ), стальной прокат подхвата ( RSJ ), или двойной Т (особенно в Польский , болгарский , испанский , итальянский и немецкий ) представляет собой балку с двутавровым или Н- образным поперечным сечением . Горизонтальные элементы I - фланцы, а вертикальный элемент - это «паутина». Двутавры обычно изготавливаются из конструкционной стали и используются в строительстве и гражданском строительстве.

Перегородка противостоит поперечным силам, а полки выдерживают большую часть изгибающего момента, испытываемого балкой. Уравнение балки Эйлера – Бернулли показывает, что двутавровое сечение является очень эффективной формой для восприятия как изгибающих, так и поперечных нагрузок в плоскости стенки. С другой стороны, поперечное сечение имеет пониженную способность в поперечном направлении, а также неэффективно выдерживает скручивание , для чего часто предпочтительны полые структурные секции .

История [ править ]

Метод изготовления двутавровой балки из цельного куска стали был запатентован Альфонсом Хальбоу из компании Forges de la Providence в 1849 году ^[1].

Bethlehem Steel была ведущим поставщиком проката из конструкционной стали различного сечения для строительства мостов и небоскребов Америки в середине двадцатого века. ^[2] Сегодня прокатанные поперечные сечения частично вытеснены в таких работах изготовленными поперечными профилями.

Обзор [ править ]

Типовое сечение двутавров.

Есть две стандартные формы двутавровой балки:

Прокат двутавровый, полученный горячей прокаткой , холодной прокаткой или экструзией (в зависимости от материала).
Пластинчатая балка , образованная сваркой (или иногда скреплением болтами или заклепками ) пластин.

Двутавровые балки обычно изготавливаются из конструкционной стали, но также могут изготавливаться из алюминия или других материалов. Распространенным типом двутавровой балки является рулонная стальная балка (RSJ), иногда неправильно отображаемая как усиленная стальная балка . Британские и европейские стандартытакже укажите универсальные балки (UB) и универсальные колонны (UC). Эти секции имеют параллельные фланцы, в отличие от фланцев RSJ различной толщины, которые сейчас редко прокатываются в Великобритании. Параллельные фланцы легче подсоединять, и они избавляют от необходимости использовать конические шайбы. UC имеют равную или почти равную ширину и глубину и больше подходят для вертикальной ориентации для несения осевой нагрузки, например, колонны в многоэтажной конструкции, в то время как UB значительно глубже, чем их ширина, и больше подходят для несения изгибающей нагрузки, такой как балка элементы в полах.

Двутавровые балки - двутавровые балки, изготовленные из дерева с ДВП и / или клееного бруса, - также становятся все более популярными в строительстве, особенно в жилых домах, поскольку они легче и менее подвержены деформации, чем массивные деревянные балки . Однако были некоторые опасения по поводу их быстрой потери силы в огне, если они не были защищены.

Дизайн [ править ]

Иллюстрация колебания двутавровой балки в режиме кручения.

Двутавровые балки широко используются в строительной отрасли и доступны во множестве стандартных размеров. Имеются таблицы, позволяющие легко выбрать подходящий размер стальной двутавровой балки для заданной приложенной нагрузки. Двутавры могут использоваться как в качестве балок, так и в качестве колонн .

Двутавровые балки могут быть использованы как сами по себе, или действуя композитно с другим материалом, обычно бетоном . Дизайн может регулироваться любым из следующих критериев:

прогиб : жесткость двутавра будет выбрана так, чтобы минимизировать деформацию
вибрация : жесткость и масса выбираются так, чтобы предотвратить недопустимые вибрации, особенно в условиях, чувствительных к вибрациям, таких как офисы и библиотеки
разрушение при изгибе вследствие текучести : когда напряжение в поперечном сечении превышает предел текучести
разрушение при изгибе из-за бокового продольного изгиба : когда сжатый фланец имеет тенденцию изгибаться вбок или все поперечное сечение изгибается при кручении
отказ от изгиба из-за местного изгиба : когда полка или стенка настолько тонкие, что изгибаются локально
местная податливость: вызванная сосредоточенными нагрузками, например, в точке опоры балки
отказ от сдвига : там, где полотно не выдерживает. Тонкие перемычки разрушаются из-за изгиба и волнистости в результате явления, называемого действием поля растяжения , но разрушению при сдвиге также препятствует жесткость фланцев.
коробление или податливость компонентов: например, ребер жесткости, используемых для обеспечения устойчивости стенки двутавровой балки.

Дизайн для гибки [ править ]

Наибольшие напряжения ( ) в балке при изгибе возникают в местах, наиболее удаленных от нейтральной оси.

{\ displaystyle \ sigma _ {xx}}

Изгибаемая балка 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 области, близкой к нейтральной оси, требуется сравнительно немного материала. Это наблюдение является основой поперечного сечения двутавровой балки; нейтральная ось проходит по центру перемычки, которая может быть относительно тонкой, и большая часть материала может быть сосредоточена во фланцах.

Идеальная балка - это балка с наименьшей площадью поперечного сечения (и, следовательно, требующей наименьшего количества материала), необходимой для достижения заданного модуля упругости . Поскольку модуль упругости сечения зависит от значения момента инерции , большая часть материала эффективной балки должна располагаться как можно дальше от нейтральной оси. Чем дальше заданное количество материала находится от нейтральной оси, тем больше модуль упругости сечения и, следовательно, можно противостоять большему изгибающему моменту.

При проектировании симметричной двутавровой балки для сопротивления нагрузкам из-за изгиба обычной отправной точкой является требуемый модуль упругости сечения. Если допустимое напряжение равно, а максимальный ожидаемый изгибающий момент равен , то требуемый модуль упругости сечения определяется по ^{формуле [3]} ${\ displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {max}}}$ ${\ Displaystyle М _ {\ mathrm {макс}}}$

{\ Displaystyle S = {\ cfrac {M _ {\ mathrm {max}}} {\ sigma _ {\ mathrm {max}}}} = {\ cfrac {I} {c}}}

где - момент инерции поперечного сечения балки, а - расстояние верха балки от нейтральной оси (подробнее см. теорию балки ). ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle c}$

Для балки с площадью поперечного сечения и высотой идеальное поперечное сечение будет иметь половину площади на расстоянии выше поперечного сечения, а другую половину на расстоянии ниже поперечного сечения. ^[3] Для этого сечения ${\ displaystyle a}$ ${\ displaystyle h}$ ${\ displaystyle h / 2}$ ${\ displaystyle h / 2}$

{\ Displaystyle I = {\ cfrac {ах ^ {2}} {4}} ~; ~~ S = 0,5 ч}

Однако эти идеальные условия никогда не могут быть достигнуты, поскольку материал в полотне необходим по физическим причинам, в том числе для предотвращения коробления. Для широкополочных балок модуль сечения составляет примерно

S\approx 0.35ah

что превосходит то, что достигается с помощью прямоугольных и круглых балок.

Проблемы [ править ]

Хотя двутавровые балки отлично подходят для однонаправленной гибки в плоскости, параллельной стенке, они не так хорошо работают при двунаправленной гибке. Эти балки также мало сопротивляются скручиванию и подвергаются поперечной деформации под действием крутильной нагрузки. Для решения проблем с преобладанием кручения используются коробчатые балки и другие типы жестких профилей вместо двутавровой балки.

Формы и материалы (США) [ править ]

Ржавый клепаный стальной двутавр

В США чаще всего упоминается двутавровая балка с широкими полками (W). Эти балки имеют фланцы, внутренние поверхности которых параллельны на большей части своей площади. Другие двутавровые балки включают американские стандартные (обозначенные S) формы, в которых внутренние поверхности фланцев не параллельны, и H-образные сваи (обозначенные HP), которые обычно используются в качестве свайных оснований. Формы с широкими фланцами доступны в классе ASTM A992, ^[4], который, как правило, заменил старые классы ASTM A572 и A36. Диапазоны предела текучести:

A36: 36000 фунтов на кв. Дюйм (250 МПа )
A572: 42 000–60 000 фунтов на квадратный дюйм (290–410 МПа), из которых наиболее распространенным является 50 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа)
A588: аналогично A572
A992: 50 000–65 000 фунтов на кв. Дюйм (340–450 МПа)

Как и большинство стальных изделий, двутавровые балки часто содержат переработанный материал.

Стандарты [ править ]

Следующие стандарты определяют форму и допуски стальных профилей двутавровых балок:

Евронормы [ править ]

EN 10024 , Горячекатаный конический фланец I секции - Допуски по форме и размерам.
EN 10034 , Профили I и H из конструкционной стали - Допуски по форме и размерам.
EN 10162 , Профили из холоднокатаной стали. Технические условия поставки. Допуски на размеры и поперечное сечение.

Руководство AISC [ править ]

Американский институт стальных конструкций (МАКО) публикует стальные конструкции Руководства по проектированию конструкций различных форм. В нем документируются общие подходы, расчет допустимой прочности (ASD) и расчет факторов нагрузки и сопротивления (LRFD) (начиная с 13-го изд.) Для создания таких конструкций.

Другое [ править ]

DIN 1025-5
ASTM A6 , Американские стандартные балки
BS 4-1
ИС 808 - Размеры стальных горячекатаных балок, колонн, швеллеров и уголков
AS / NZS 3679.1 - Стандарт Австралии и Новой Зеландии ^[5]

Обозначение и терминология [ править ]

Двутавр широкополочный.

В Соединенных Штатах стальные двутавровые балки обычно указываются с учетом глубины и веса балки. Например, балка W10x22 имеет глубину примерно 10 дюймов (25 см) (номинальная высота двутавровой балки от внешней поверхности одного фланца до внешней поверхности другого фланца) и весит 22 фунта / фут (33 фунта). кг / м). Балки с широким полочным сечением часто отличаются от номинальной глубины. В случае серии W14 они могут достигать 22,84 дюйма (58,0 см). ^[6]
В Канаде стальные двутавровые балки теперь обычно указываются в метрических единицах измерения глубины и веса балки. Например, балка W250x33 имеет глубину примерно 250 миллиметров (9,8 дюйма) (высота двутавровой балки от внешней поверхности одного фланца до внешней поверхности другого фланца) и весит примерно 33 кг / м (67 фунт / ярд). ^[7] Двутавровые балки по-прежнему доступны в размерах для 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 одного фланца до внешней поверхности другого фланца) и весит примерно 33 кг / м (22 фунт / фут). ^[8]
В Индии двутавровые балки обозначаются как ISMB, ISJB, ISLB, ISWB. ISMB: Индийская стандартная балка средней массы, ISJB: Индийская стандартная балка-младший, ISLB: Индийская стандартная легкая балка и ISWB: Индийская стандартная широкополочная балка. Балки обозначены соответствующими сокращенными обозначениями, за которыми следует глубина сечения, например, «ISMB 450», где 450 - глубина сечения в миллиметрах (мм). Размеры этих балок классифицируются согласно IS: 808 (согласно BIS ). ^{[ необходима цитата ]}
В Соединенном Королевстве эти стальные профили обычно обозначаются кодом, состоящим из основного размера (обычно глубины) -x-второстепенного размера-x-массы на метр и заканчивая типом сечения, все измерения являются метрическими. Следовательно, 152x152x23UC будет секцией колонны (UC = универсальная колонна) приблизительно 152 мм (6,0 дюйма) глубиной 152 мм шириной и весом 23 кг / м (46 фунтов / ярд) длины. ^[9]
В Австралии эти стальные профили обычно называют универсальными балками (UB) или колоннами (UC). Обозначение для каждого дается в виде приблизительной высоты балки, типа (балка или колонна), а затем единицы измерения расхода (например, 460UB67.1 - это универсальная балка глубиной примерно 460 мм (18,1 дюйма) и весом 67,1 кг. / м (135 фунтов / ярд)). ^[5]

Ячеистые балки [ править ]

Ячеистые балки - это современная версия традиционной « зубчатой балки », в результате которой балка получается примерно на 40–60% глубже, чем ее родительская секция. Точная глубина обработки, диаметр ячеек и расстояние между ячейками можно изменять. Ячеистая балка до 1,5 раз прочнее, чем ее основная секция, и поэтому используется для создания эффективных крупнопролетных конструкций. ^[10]

См. Также [ править ]

DIN 1025 - стандарт DIN, который определяет размеры, массу и характеристики сечения набора двутавровых балок.
Двутавровая балка
Стальная балка с открытой стенкой
Железобетон
Т-образная балка
C-образная балка, также известная как структурный канал или параллельный фланцевый канал (PFC)
Отверстие для доступа к сварке
Стальная конструкция

Ссылки [ править ]

^ Томас Дердак, Джей П. Педерсон (1999). Международный справочник историй компаний . 26 . Сент-Джеймс Пресс. п. 82. ISBN 978-1-55862-385-9.
↑ Утренний звонок (2003). «Ковка Америки: История Вифлеемской стали» . Дополнение к утреннему звонку . Аллентаун, Пенсильвания, США : Утренний звонок. Подробная история компании от журналистов сотрудников Morning Call.
^ a b Гир и Тимошенко, 1997, Механика материалов , Издательство PWS.
^ "Стандартные технические условия ASTM A992? A992M для профилей из конструкционной стали" . Американское общество испытаний и материалов . 2006. DOI : 10,1520 / A0992_A0992M-06A .
^ a b Горячекатаный прокат и изделия из конструкционной стали - Пятое издание. Архивировано 10 апреля 2013 г. на Wayback Machine - Onesteel . Проверено 18 декабря 2015.
^ Руководство AISC по стальным конструкциям, 14-е издание
^ Справочник по стальной конструкции (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) . Corus Construction & Industrial. Архивировано из оригинального (PDF) 15 февраля 2010 года.
^ "Ячеистые балки - Kloeckner Metals UK" . kloecknermetalsuk.com . Дата обращения 13 мая 2017 .

Дальнейшее чтение [ править ]

MF Ashby, 2005, Выбор материалов в механическом проектировании , Elsevier. См. Главы 8.4 - 8.5

Внешние ссылки [ править ]

Веб-сайт Канадского института стальных конструкций
Веб-сайт Американского института стальных конструкций
Сайт Мексиканского института стальных конструкций
Деревянные двутавровые балки
Веб-сайт Британской ассоциации строительных металлоконструкций

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

[MorningCallSupplement2003-2] Утренний звонок (2003). «Ковка Америки: История Вифлеемской стали» . Дополнение к утреннему звонку . Аллентаун, Пенсильвания, США : Утренний звонок. Подробная история компании от журналистов сотрудников Morning Call.

[Gere-3] Гир и Тимошенко, 1997, Механика материалов , Издательство PWS.

[4] "Стандартные технические условия ASTM A992? A992M для профилей из конструкционной стали" . Американское общество испытаний и материалов . 2006. DOI : 10,1520 / A0992_A0992M-06A .

[onesteel-5] Горячекатаный прокат и изделия из конструкционной стали - Пятое издание. Архивировано 10 апреля 2013 г. на Wayback Machine - Onesteel . Проверено 18 декабря 2015.

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

[7] Справочник по стальной конструкции (9-е изд.). Канадский институт стальных конструкций . 2006. ISBN 978-0-88811-124-1.

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

[9] "Структурные разделы" (PDF) . Corus Construction & Industrial. Архивировано из оригинального (PDF) 15 февраля 2010 года.

[10] "Ячеистые балки - Kloeckner Metals UK" . kloecknermetalsuk.com . Дата обращения 13 мая 2017 .