Ба́лка - это конструктивный элемент, представляющий собой горизонтальный или наклонный брус , работающий преимущественно на изгиб . На практике, как правило, горизонтально расположенная балка воспринимает вертикальную поперечную весовую нагрузку, но в отдельных случаях необходимо учитывать влияние и вероятных горизонтальных поперечных сил (например, ветровую нагрузку или при учёте возможного землетрясения ). Нагруженная балка, в свою очередь, воздействует на опоры, которыми могут являтьсяколонны , подвесы , стены или другие балки (перекладины). Затем нагрузка передаётся далее и в итоге, в большинстве случаев, воспринимается конструктивными элементами, работающими насжатие - опорами . Отдельно можно выделить случай ферменной конструкции , в которой стрежни покоятся на горизонтальной балке.Прочностные качества балки зависят от нескольких её характеристик:
площадь и форма её поперечного сечения;
длина балки;
материал балки;
способ её закрепления.
В современных сооружениях используются, как правило, стальные , железобетонные или деревянные балки. Одним из самых распространённых типов поперечного сечения стальной балки является двутавровое сечение. 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. Балка может быть:
По линиям влияния можно определить усилие в данном сечении от любой подвижной и постоянной нагрузок.
Усилие в данном сечении определяется по линиям влияния от постоянной нагрузки в соответствии с рис. 2.5 по формуле:
где J – усилие в данном сечении; F i – сосредоточенный груз; Y i – ордината линии влияния под грузом; q i – интенсивность распределённой нагрузки; – площадь ЛВ искомого усилия в пределах загружения; M i – сосредоточенный момент; – тангенс угла наклона ЛВ в точке приложения момента.
Рис. 2.5. Определение усилий по ЛВ от постоянной нагрузки
За положительное направление внешней нагрузки принимается:
направление F и q сверху вниз;
направление М по ходу часовой стрелки;
Знаки ,, берутся с линий влияния со своим знаком.
Если в данном сечении сооружения от подвижной системы грузов возникает наибольшее значение усилия J , то положение нагрузки является невыгодным. При невыгодном положении нагрузки один из грузов обязательно находится над вершиной линии влияния и называется критическим.
Определение усилий по линиям влияния в случае действия подвижной системы сосредоточенных грузов заключается в отыскании критического груза и производится в следующем порядке:
один из грузов устанавливается над одной из вершин линии влияния, при этом наибольший груз следует устанавливать над наибольшими ординатами линии влияния;
критический груз определяют методом попыток, проверяя, удовлетворяется ли критерий опасного положения нагрузки.
В современных строительных процессах очень часто используют железобетонные, стальные и деревянные балки. Давайте попробуем определить, что это за конструктивный элемент и в чем заключается его предназначение.
Современное строительство - это многообразие материалов и процессов по их обработке. Для укрепления конструкций очень часто используется балка - элемент, который представляет собой горизонтальный либо наклонный брус, чаще всего работающий на изгиб. Именно эта деталь позволяет уменьшать вес металлических конструкций и качественно их укрепить.
В современных строительных процессах балка, размещенная в горизонтальном положении, отвечает за поперечную нагрузку перекрытия. Но некоторые ситуации вынуждают учитывать возможные природные влияния, к примеру, землетрясения, мощные ураганы и прочие катаклизмы.
Вы уже знаете, что такое балка, но как же она воздействует на строительные опоры? Речь идет о подвесах, стенах, колоннах и различных брусках, на которых располагается укрепляющий конструктивный элемент. Балка давит на опоры, передавая им некую часть давления, а в результате последние начинают работать на сжатие.
Ни одно крупное промышленное здание производства и даже большого гаража не обходится без перекрытий, уменьшающих нагрузки на конструкцию и одновременно укрепляющих ее.
Абсолютно все строительные детали и механизмы различаются по типу, размеру и предназначению. «Что такое балка?» - это базовый вопрос. И от него мы перейдем к более сложным понятиям, рассматривая наиболее распространенные виды укрепляющих брусков, работающих на изгиб.
К примеру, имеют параллельные грани и делятся на широкие и колонные типы, каждый из которых имеет собственное предназначение.
Для формирования несущих опорных конструкций в строительстве используют широкополые балки, ведь колонные не способны выдержать настолько мощную нагрузку.
Ранее, отвечая на вопрос о том, что такое балка, мы уже говорили о разнообразии материалов, из которых производят этот конструктивный элемент. Деревянные детали чаще всего используются для формирования перекрытия в каркасных, бревенчатых, брусовых жилых и загородных домах. Только благодаря деревянным балкам можно равномерно распределить нагрузку по плоскости крыши и последнего этажа здания. Благодаря качественным характеристикам этого материала обеспечиваются прочность и устойчивость любого дома.
Кроме того, обработанный специальным раствором брус не подвергается влиянию плесени и огня, а это значит, что строительная конструкция будет надежно защищена от трещин и дальнейшего разрушения.
Балка представляет собой составной линейный элемент несущей конструкции, имеющий минимум две точки опоры (опирается на оба конца) и работающий на изгиб. Использование балки направлено в первую очередь на распределение весовой нагрузки всей конструкции. Наиболее часто применяется горизонтальное использование балки, которая компенсирует вертикальную поперечную нагрузку. А само весовое давление балки компенсируется вертикальными элементами, горизонтальная поверхность которых является точкой опоры для балки. Последующая компенсация приходится на опоры конструкции, если отсутствуют дополнительные промежуточные элементы. Таким образом, взаимокомпенсация весовых нагрузок позволяет обеспечить устойчивость и надежность всей конструкции.
На фото: балки двутавровые в устройстве кровли
Существует большое количество официальных классификаторов элементов строительных конструкций. Ниже будет представлены две наиболее объективные классификационные схемы.
На фото: железобетонная балка для возведения моста
На фото: деревянная балка в устройстве перекрытия
Двутавровые балки в свою очередь делятся на подкатегории:
Отдельно необходимо рассмотреть такой элемент несущей конструкции, как ригель (иногда имеет наименование: ригельная балка). Ригель в подавляющем большинстве случаев бывает железобетонным и в отличие от стандартной балки является неотъемлемым элементом рамы (балка – это самостоятельный элемент конструкции). Ригель широко используется при устройстве опалубки.
Для расчета прочности балки на прогиб (то есть определение веса, который данный элемент несущей конструкции способен выдерживать без появления деформаций и иных ведущих к разрушению конструкции факторов) требуется учитывать целый ряд факторов, основными из которых являются:
Для расчета максимальной нагрузки на изгиб используют формулы сопромата. Для упрощения процесса можно использовать онлайн-калькулятор, позволяющий получить достаточно точное значение на основании введенных данных.
Выбрать оптимальные профили балки при строительстве – обеспечить долговечность и надежность конструкции!
Строительные балки различного вида – это лаги, ригель, прогон, перекладина, балка перекрытия, обрешетины крыши, стропильные ноги. Они несут конструкцию деревянного настила межэтажных перекрытий. На одно- и двухэтажных зданиях применяются деревянные, а на высотных зданиях – железобетонные и металлические. Основа любой крыши – балочный каркас, выдерживающий вес всей кровли.
Мауэрлат (плотники называют его матицей) – самый толстый брус, который ложится параллельно коньку крыши вдоль оси стены. Нужен, чтобы распределить нагрузки от стропил и веса всей крыши по всей стене здания, а также на внутренние опоры. Нельзя укладывать и крепить ближе 5 см от наружной плоскости стены. Крепится матица с помощью толстой проволоки, вмуровывается с помощью шпилек в кладку стены, а если стена бетонная, крепится к бетону шпильками. Если дом одноэтажный деревянный, можно крепить обыкновенными гвоздями.
В большинстве случаев представляет собой деревянный брус сечением 7х15 см. Если площадь крыши небольшая, можно использовать брус 5х15 см, а если крыша покрывается глиняной черепицей, то брус 8х20 см. Стропила располагаются на расстоянии от 60 см до 1 м друг от друга. Там, где выпадает много снега, уменьшают расстояние до 60 см. При уклоне крыши более 45 градусов можно увеличивать “шаг” до 1,2-1,4 метра. И еще. Когда крыша планируется утепленной, рассчитывается так, чтобы исключить обрезку утеплителя в целях экономии.
Дополнительная опорная балка для подпора стропил, располагается параллельно матице и коньку. По технологии строительства оптимальное расстояние между прогоном и матицей (коньком и прогоном) – 4-5 метров. Если стропила удлиняются до 6 метров, то стык (банта) должен находиться над прогоном, чтобы оба конца стропила легли на него. Иногда бывает, что стропило составное (6+3) метра, а прогон по ширине – 4-5 метра. Тогда стык располагают по отношению к прогону в шахматном порядке.
Сам прогон делается так. Выставляются опорные стойки и на них укладывается прогон, на него и будет опираться стропило. Можно прогон опереть и на продольную по отношению к нему стенку. Затем между верхними прогонами укладываются горизонтальные распирающие балки. Их назначение – не допустить складывания крыши вовнутрь. Укладываются так, чтобы не распирать прогон.
Еще большее преимущество имеют так называемые двутавровые деревянные балки и стропила. Высокая удельная прочность позволяет использовать их в длинных пролетах. Они очень прямые, поэтому отсутствует изгибающий момент. Имея точные размеры, универсальны – подходят при возведении крыши, потолка и пола. Бесшумные – устраняют скрип полов.
Стабильные – не подвержены деформации. Выгодные – экономят от 40 до 60 процентов материалов и трудозатрат. Экологичные – мало загрязняют среду. Удобные – обрабатываются и укладываются при помощи обычных плотницких инструментов. Двутавровая деревянная балка идеально подходит для каркаса любой крыши, позволяя увеличивать расстояния между прогонами, поскольку выдерживает большие нагрузки.
Очень популярными в последнее время стали и гнуто-клееные деревянные балки. Применяются, если нужно увеличивать расстояния между прогонами. Легкость, надежность и прочность – их основные преимущества. Они устойчивы к внешней среде, не подвержены биовоздействию, легко обрабатываются. Среди минусов стоит отметить высокую стоимость и отсутствие наблюдений за продолжительностью их службы, ввиду того что материал довольно новый. Также необходимо очень внимательно отнестись к качеству такой продукции, так как несоблюдение технологии приводит к рассыханию и деформации изделий.
Железобетонные балки сейчас широко применяются при возведении каркасных конструкций, в частности, зданий высотой больше одного этажа . Конструктивно они обеспечивают возможность всей конструкции выдерживать большие значения изгибающих моментов. Балочные перекрытия устраиваются на пролетах шириной более 3 м и укладываются на стены на расстоянии не менее 130-150 см друг от друга. Потом соединяются с арматурой плитного перекрытия. Толщина опоры – не менее 22 см. Широко применяются при возведении объектов торговли, развлекательного и промышленного назначения.
Металлические балки самые прочные, применяются при строительстве в основном высотных зданий. Служат основными несущими конструкциями и в силу своей жесткости передают нагрузку к местам опоры: колоннам, стенам, простенкам. Поверх металлических балок устраиваются различные типы покрытий. После установки такой балки в проектное положение ее раскрепляют в несущих конструкциях, устраивают опалубку и устанавливают арматуру. Все растягивающие нагрузки после заливки бетоном воспринимает как раз эта арматура.
