Балка стропильная: особенности конструкции

Ферма и балка стропильная являются конструкциями, применяемыми для устройства кровельной системы. Все конструкции несущего типа относятся к подстропильным и стропильным элементам. Стропильные системы перекрывают пролет и служат основанием для кровельного настила.

Подстропильные конструкции, перекрывая 12-ти и 18-ти метровые пролеты между колонами, являются промежуточными опорами для стропильных конструкций, имеющих 6-метровый шаг.

Значения конструктивных стропильных элементов

По характеру восприятия и распределения внутренних и внешних усилий кровельные конструкции подразделяются на балки стропильные и фермы.

Балка представляет собой одноэлементную конструкцию, которая воспринимает нагрузку по всей длине пролета.

В ее сечениях изгибающие моменты вызывают разнозначные нормальные усилия, которые у крайних волокон являются наибольшими.

Стропильная ферма является стрежневой конструкцией, испытывающей нагрузку исключительно в узлах соединения стержней. Нормальные однозначные усилия, вызываемые узловой нагрузкой в стержнях, дают возможность использовать их сечение полностью.

Для сборного железобетона наибо­лее рациональными в последнее время признаны безраскосные фермы, имеющие круговые очерта­ния верхнего пояса. С приблизительно об­ратными соотношениями по высоте в середине про­лета собственный вес фермы в 1,5-2 раза меньше веса балки.

Стропильные балки из железобетона

Виды балок по типу профиля

Балки железобетонные стропильные используют для перекрытия пролетов 18, 12, 9 и 6 метров. Когда перекрываются пролеты от 24 метров, балки по технико-экономическим показателям уступают фермам. Балки длиной 6 и 9 метров преимущественно применяют для выполнения кровель пристроек, а балки в 12 метров длиной – в качестве продольных и поперечных ригелей покрытия.

Балки 18 метровой длины используют как поперечные ригели, на которые производят укладку плит размерами 3х12 или 3х6.

По типу профиля различают следующие типы балок:

• Односкатные с нижним ломаным поясом или параллельными поясами;
• Трапециевидные двускатные, имеющие постоянный уклон верхнего пояса;
• С верхним криволинейным и ломаным поясом.

Различные типы балок применяются при сооружении различных видов покрытий:

• Обычно односкатные балки используются при устройстве кровель с уклоном в одну сторону, к примеру, кровель пристроек.
• Балки стропильные железобетонные с параллельными поясами просты в производстве. Арматурные каркасы в них имеют постоянную высоту. Применяются такие балки при устройстве горизонтальных кровель.
• Наибольшее распространение на двускатных кровлях получили балки, имеющие постоянный уклон верхнего пояса, равный 1:30 для кровель с малым уклоном и 1:12 для скатных. Их основной недостаток – необходимость выполнения арматурных каркасов, имеющих переменную высоту.
• Когда возникает необходимость пропуска инженерных коммуникаций в уровне покрытия, применяют балки двускатные решетчатые пролетом 18 и 12 м.
• Балкам, имеющим очертания верхнего пояса в виде кривой или ломаной линии, присуще наиболее выгодное распределение по длине пролета материалов, нежели у двускатных, обладающих для верхнего пояса постоянным уклоном. Но широкого распространения такие балки не нашли из-за сложной технологии их производства.

Выбор сечения балок

Подбор поперечных сечений и арматуры для железобетонных балок имеет свои особенности:

• Самой экономичной формой для поперечного сечения ригелей является двутавровая со стенкой 60-100 мм. Толщина стенки выбирается в основном исходя из условий размещения каркасов арматуры, уплотнения и укладки бетона в вертикальном положении.
  Толщина стенки у V-образных опор постепенно увеличивается для обеспечения прочности и стойкости к возникновению трещин наклонных сечений, переходя на опоре в трапециевидное или прямоугольное сечение, имеющее ширину, которая равна ширине полок. Тавровое сечение может быть принято для балок длинной 6 и 9 метров.

Совет!
В общем случае в середине пролета высота сечения ригелей назначается 1/10-1/15 пролета. Помимо этого, для двускатных балок в середине пролета высоту сечения определяют типовая высота балки (900 или 800 мм) и уклон верхнего пояса.

• Ширина верхней полки из соображений обеспечения устойчивости при монтаже, транспортировке и надежности опирания плит кровельного покрытия принимается в диапазоне 1/50-1/60 l, что, как правило, составляет 200-400 мм.
  Ширину нижней полки определяют в зависимости от прочности при обжатии бетона полки, размещения напрягаемой арматуры (учитывая диаметр зажимов натяжных устройств), а также необходимой длины площадки опирания на колонну балки.
  Обычно ширина нижней полки равна 200-280 мм. К вертикальной стенке от полок переход осуществляется при помощи вутов с углом наклона около к 45°.
• Решетчатые двускатные железобетонные стропильные балки обладают сечением 200-280 мм. Данные балки более просты в производстве и очень удобны при пропуске различного рода коммуникаций.
• Для производства двускатных балок применяют бетон классов В25-В40. Как напрягаемую продольную арматуру применяют стержневую арматуру классов A-V и A-IV, проволоку высокопрочную класса Bp-II, канаты класса К-7.
  При помощи арматуры класса A-III выполняются продольные конструктивные стержни верхней полки, хомуты полок и каркасы стенки.
  В опорных частях ригелей, в которых появляются большие усилия от предварительного обжатия и реакций опор, необходима установка дополнительной арматуры в виде вертикально расположенных стержней и сеток.

• На стадии обжатия в двускатных балках, имеющих двутавровое сечение, могут возникнуть в верхней полке начальные трещины. В связи с этим такие стропильные железобетонные балки также целесообразно армировать в верхней части ригеля конструктивной напрягаемой арматурой.
  Постановка такой арматуры способствует уменьшению эксцентриситета усилия обжатия и, соответственно, уменьшению в верхней полке растягивающих напряжений.
• Расчетная схема ригелей для покрытий принимается как свободно опертая балка на двух опорах. Учитывая детали опирания на колонны балки, принимается расчетный пролет. Нагрузка на балки от снега и собственного веса покрытия передается на опоры в виде сосредоточенных сил посредством ребер панелей.
  В случае пяти и более сосредоточенных сил фактическая нагрузка заменяется равномерно распределенной эквивалентной. Нагрузки от подвесных грузов, подвесного транспорта и фонаря учитывают как сосредоточенные.
• Расчет стойкости к возникновению трещин и прогибов, подбор поперечной и продольной арматуры выполняется как для простого изгибаемого элемента прямоугольного, двутаврового или таврового профиля для всех стадий работы конструкции.
  Необходимо при этом учитывать, что опасное нормальнее сечение в двускатных балках расположено не в середине пролета, а отстоит на 0,35-0,4L от опоры.
• При воздействии равномерно распределенной нагрузки, при уклоне верхней полки равном 1:12, месторасположение опасного нормального сечения находится на расстоянии 0,37L от опоры.
• В балках с параболическим криволинейным и параллельными очертаниями верхнего пояса нормальное расчетное сечение расположено при равномерно распределенной нагрузке посередине пролета.

Балки из бруса

Стропила из клееного бруса, или клееная балка, являются технологичным современным строительным материалом, созданным с использованием передовых технологий. Широкое распространение клееные стропила получили в США и Европе, благодаря высоким эксплуатационным качествам.

К примеру, в США приблизительно половина межэтажных перекрытий монтируется с применением конструкционного клееного бруса. Этот показатель в странах Евросоюза составляет примерно треть. В несущих конструкциях также применяется конструкционный брус.

Наиболее прочной на изгиб балкой является брус, имеющий соотношение сторон 7:5.

Круглое бревно способно выдержать большую нагрузку, чем брус, который вытесан из него, однако оно обладает меньшей прочностью на изгиб. Зачастую балки прогибаются под давлением на них веса людей, мебели, пола, засыпки. В основном прогиб зависит не от ширины, а от высоты балки.

Соединение двух одинаковых брусов шпонками и болтами, позволяет такой конструкции выдержать груз в 2 раза больший, чем эти оба бруса, которые будут просто уложены рядом. Но свой предел есть и в уменьшении ширины. Если стропила клееные будут чересчур тонкими, они могут изогнуться в сторону.

Совет!
Балки для чердачных и междуэтажных перекрытий должны иметь толщину не меньше 1/24 ее длины.

Подстропильные балки

Балки подстропильные, которые используют в покрытиях с балочными конструкциями стропил, и подстропильные фермы, применяемые в покрытиях со стропильными фермами, имеют следующие особенности:

• Их изготавливают с пучковой арматурой только предварительно напряженными.
• Подстропильная балка и ферма крепятся к колоннам каркаса при помощи болтов или сварки стальных закладных деталей.
• Балки подстропильных конструкций бывают с непараллельными и параллельными поясами.
• Балка подстропильная рассчитывается по схеме однопролетной балки, нагруженной распределенной нагрузкой от собственного веса и в середине пролета сосредоточенной силой (опорная реакция стропильной балки).
• Фермы или балки подстропильных конструкций имеют стальные столики или железобетонные консоли для опирания несущих конструкций покрытий.
• Фермы и подстропильные балки крепят к каркасу, как и основные конструкции покрытия, опирание которых на подстропильные конструкции такое же, как и их опирание на колонны каркаса.
  
• Верхние пояса балок подстропильных конструкций развязаны сплошным диском профилированного настила покрытия.

От правильности выбора стропильных и подстропильных балок зависит надежность всей кровельной конструкции, поэтому к расчету их сечения необходимо подходить со всей ответственностью.