Балка из дерева и металла

Обновлено: 30.06.2024

Балки перекрытия – это опорные несущие конструкции в доме, необходимые для распределения различных типов нагрузок от вышележащих элементов и сооружений: предметов интерьера, верхних этажей, крыши. В зависимости от габаритов строения и типа предполагаемой эксплуатации, межэтажные перекрытия возводят либо из металлических двутавров, либо из более дешевых деревянных балок (цельных, клееных).

Для большинства частных домов, перекрытия на основе балок являются более практичной и эффективной альтернативой монолитным перекрытиям.

Что такое балка перекрытия?

Балка перекрытия – закрепленная опорами прямолинейная несущая конструкция с горизонтальным или наклонным расположением. Все получаемые нагрузки от балок переходят к опорам, в роли которых могут выступать стены, колонны, с последующим распространением между прочими конструктивными элементами сооружения. Верхняя часть балки обычно выступает полом для верхнего помещения, нижняя играет роль потолка для комнаты снизу.

Требования к балкам

Надежное перекрытие подразумевает подбор определенных параметров для балок (длина, толщина, шаг. ), которые выводятся теоретическим путем с помощью специальных расчетов и, в свою очередь, зависят от материала, площади и формы поперечного сечения, а также от способа крепления.

Для частного строительства особенно востребованы балки перекрытия из дерева, сочетающие в себе высокую прочность, надёжность и лёгкость монтажа. Стальные, ж/б и комбинированные вариации задействуются, как правило, в промышленном строительстве и при обустройстве объектов, на которых предполагается повышенная нагрузка на балки.

Однако в любом случае, перед началом возведения сооружения необходимо проверить:

Балку на прочность. То есть рассчитать совокупные нагрузки на перекрытие. Стандартные величины для чердачного перекрытия – 105 кг/м 2 , межэтажного – 210 кг/м 2 , в исключительных случаях до 400 кг/м 2 .
Балку на жесткость. То есть рассчитать балку на прогиб и он должен не превышать значений указанных в таблице:

Выполнить подобные операции самостоятельно без профильного образования достаточно сложно, поэтому если вас интересует расчет балки онлайн – вы можете рассчитать все необходимые величины на нашем функциональном калькуляторе. Программа не требует специальных навыков.

Виды балок перекрытия – преимущества и недостатки

Деревянные балки

Их чаще всего выбирают в качестве перекрытий в домах из дерева, бруса, в кирпичных домах и домах, построенных из газосиликатных блоков для мансардных перекрытий, а также в случаях, если хотят сэкономить на материалах, либо если мощность фундамента не рассчитана на тяжелые перекрытия между этажами, а также при нестабильных грунтах на участке.

Основной материал, используемый для балок подобной вариации – древесина лиственной и хвойной породы, тщательно просушенная и прошедшая специальную обработку, что позволяет улучшить её эксплуатационные и технические параметры. Подобное балочное перекрытие включает в себя непосредственно сами балки, утеплитель, накат и пол.

Преимущества:

удобство и простота монтажа;
приемлемая стоимость;
незначительный вес изделия.

Недостатки:

высокий уровень огнеопасности;
подверженность поражению жуком-короедом;
возможное гниение конструкции с течением времени;
конструкция перекрытия по деревянным балкам применяется только до четвертого этажа.

С целью упрощения расчета деревянной балки и выбора для нее сечений и шага мы приводим таблицу, которая поможет определиться с предварительным выбором сечений для однопролетных деревянных балок. Вам остается только собрать нормативные нагрузки:

При монтаже деревянные балки перекрытия укладываются на поперечные опоры, которыми может служить дополнительный брус, либо армопояс, залитый по периметру кладки стены. Поперечные опоры служат для равномерного распределения нагрузки на стены, и далее на фундамент дома. Части балок, укладываемые на стены, оборачиваются гидроизоляционным материалом. Обычно используют рубероид, при этом торцы не изолируют, что позволяет балке «дышать».

Самое главное при выборе материала для перекрытий по деревянным балкам — внимательно подбирать качественную древесину без трещин, повреждений, хорошо высушенную, с пропиткой от возгорания и гнили, а также с подходящим для постройки расчетным сечением балок.

В частном строительстве частая практика — использование монолитных бетонных перекрытий, либо других видов наиболее прочных перекрытий на нижних этажах постройки, и одновременное использование балочных перекрытий на более высоких этажах — например, мансарде. Делается это с целью облегчения общих нагрузок на фундамент.

Стальные балки

Металлические балки перекрытия выполнены из высокопрочного стального сплава по технологии горячего или холодного катания. Конструктивно представлены в виде двутавра, швеллера или уголка, при этом двутавровые балки имеют наибольшую востребованность и популярность. Укладка возможна, как «плашмя», так и на ребро.

допустимы пролеты большей длины, нежели при использовании балок из дерева;
стойкость к воздействиям биологического характера и гниению;
огнеустойчивость.

высокая цена;
возможно образование коррозии;
низкие звуко- и теплоизоляционные параметры;
для монтажа требуется специальная техника.

Железобетонные балки

Железобетонные балки перекрытия – оптимальный вариант для крупномасштабного строительства, способный выдержать даже существенные внешние нагрузки при большой длине обустраиваемого пролёта. Нагрузочные параметры представлены на очень высоком уровне.

отсутствие прогибов;
повышенная несущая способность;
формирование длинных пролётов с различными формами.

сложность монтажа;
потребность задействования специализированной техники.

Комбинированные балки

Комбинированная балка выполнена на основе сразу нескольких материалов, например, дерева и ОСП. Их использование распространено в частном строительстве при создании каркасных домов. Изделия могут иметь различную форму, но наибольшую распространённость имеет комбинированная двутавровая балка, способная эффективно сопротивляться разного рода внешним нагрузкам, выдерживая даже значительные напряжения.

отличные прочностные данные;
стойкость к деформированию;
незначительный вес.

высокая цена;
неудобство утепления плитным материалом.

Технические характеристики – как не ошибиться при выборе

Деревянные балки эффективны при закрытии пролёта в 2,5-4 м. Максимальная длина – 6 м, при большей протяжённости не обойтись без монтажа опорных колонн или иных конструкций.

Крепление стропил к балкам перекрытия из дерева осуществляется посредством стальных пластин, уголков и скользящих опор. При определении сечения за стандарт принимают общую нагрузку в 350-400 кг/м 2 для перестраховки. Оптимальное соотношение высоты и ширины изделия 1,4:1. Необходимая длина деревянных балок перекрытия определяется размерами того пролета, который они будут перекрывать, дополнительно нужно учесть размеры заступов на стену — не менее 12 см, для бруса — не менее 15 см.

Ширина доски для балки варьируется в пределах 4-20 см, высота 10-30 см, диаметр брёвен может достигать 11-30 см. В зависимости от габаритов балки, шаг укладки составляет 0,3-1,2 м (как правило, 0,6-1 м).

Расстояние между балками перекрытия из металла колеблется в пределах 1-1,2 м. Номер (размер) балки при нагрузке в 400 кг/м 2 выбирается исходя из длины обустраиваемого пролёта и шага укладки. Так, при пролёте в 6 м и шаге 1-1,2 м оптимален 20 двутавр (высота 20, ширина 10 см); пролёт 4 м, шаг 1-1,2 м - №12 (высота 12, ширина 6,4 см); пролёт 3 м, шаг 1-1,2 м - №10 (высота 10, ширина 5,5 см).

Современная бетонная балка перекрытия способна закрыть проём длиной в 3-7,5 м, а укладка проводится с шагом в 1-1,5 м. Минимальная высота элемента составляет 1/20 часть длины пролёта, ширина рассчитывается исходя из пропорции 5:7 (5 - ширина, 7 - высота).

Размеры балок перекрытия комбинированного типа могут быть самыми разными. Для серии W наибольшая длина составляет 6 м, категория L предусматривает длину до 13,5 м. Основное отличие между группами заключается в типе бруса. В первом случае это струганое изделие, прошедшее камерную сушку, во втором - клееные балки перекрытия, соединённые из отдельных элементов посредством особой технологии, что придаёт итоговому продукту повышенную жёсткость, прочность и надёжность.

Особенности деревянных и металлических двутавровых балок для перекрытий

Двутавровые балки применяются для создания перекрытий между этажами, лестницами, на чердаках, балконах и мансардах.

Их отличие от обычных профильных балок состоит в том, что они имеют более легкий вес и своеобразную форму, за счет чего быстрее происходит их монтаж.

Двутавровые балки перекрытий бывают деревянными и металлическими, но они встречаются также и в виде ЖБИ.

Каковы основные особенности двутавров, из чего состоит их конструкция, какие нормативные требования к изделиям предъявляются, нюансы монтажа и средняя рыночная стоимость в РФ, предлагаем узнать из представленной статьи.

Особенности двутавров

Главной особенностью изделий данного типа является то, что они сделаны в виде горизонтального бруса, который при схематическом изображении толщины (сечения), в разрезе напоминает буку Т на подложке, или, если повернуть балку в другую сторону – толстую букву Н. Также внешний вид некоторые специалисты считают отдаленно похожим на рельсы.

Форма изделий в виде буквы Н сделана для удобства монтажа различных типов конструкций, в которых двутавровым балкам отводится важная укрепляющая и несущая роль. Но особое значение они имеют в качестве одного из элементов основы перекрытий любого возводимого строения.

Стандартный размер двутавра имеет вид: 14,0 х 73 х 7,5 (см), но встречаются и другие его разновидности. Каждое изделие имеет в наличии собственную маркировку, в виде буквенно-цифровых обозначений.

Двутавры обладают хорошим и качественными характеристиками, важными из которых являются прочность, устойчивость и возможность выдержки несущих конструкций.

В строительстве балки устойчивы к высоким нагрузкам и внешним проявлениям атмосферных перепадов. Также они не реагируют на механические воздействия, имеют высокие показатели плотности к сжатию, идеально адгезируются с различными типами веществ. Перечисленные особенности позволяют использовать изделия при постройке конструкционных элементов каркасных зданий и сооружений.

Двутавровые балки широко используются не только в строительстве частных домов, но и при возведении промышленных построек. Изделия незаменимы в работе с ЖБ-плитами, лестницами, пролетами, кровлей.

Двутавры имеют легкий вес, что удобно при транспортировке и монтаже. Для крепления материалов используют уголки, анкеры, заклепки, болты, сварку, металлические крючки, лаги.

Самые распространенные двутавры – металлические и деревянные. ЖБИ выполняют на заказ для панельных домов из монолита и железобетона. Первый тип производят из хороших профилей (качественных марок стали), их делят на:

Горячекатанные балки получают в заводских изделиях путем выплавки при высокой температуре (прокатка стана), из углеродистой и прокатной стали, а также алюминиевых сплавов. Сварные формируют в цехах специальной техникой сварки, которая придает изделиям характерную форму, не подверженную скручиванию.

отсутствие швов (монолитность):
большой выбор типоразмеров;
наличие в продаже (есть на рынке всегда).

Деревянные вырезаются на фабричных станках с помощью плотницких приспособлений. Они бывают как цельные, так и сформированные из трех частей.

Железобетонные двутавры готовят в специальных формах, путем заливки по армированным прутьям состава бетона высокой марки (М300, 400, 500).

Каждый из представленных двутавров, в зависимости от вида, подходит для возведения гражданских и промышленных объектов, поэтому имеет соответствующие технические характеристики, к которым относят прочность, плотность, устойчивость к температурным и механическим воздействиям, воде и огню.

Так, например, изделия из дерева пропитывают специальными составами, которые препятствуют возгоранию, и могут долго не воспламеняться, если в здании начался пожар.

Самая популярная в строительстве двутавровая многоразовая балка из хвойных пород деревьев – БДК-1. Она имеет сечение 40 х 80 (мм), и следующие стандартные размеры:

1 500-4 500 (мм) – длина;
80 (мм) – ширина;
200 (мм) – высота.

При этом врезка зубьев в древесину или плотную фанеру составляет 13 (мм). При этом древесные двутавровые балки крепятся не только на крепежные элементы, но и на клей самой высокой плотности (D4000), например, «KESTOKOL».

Недостатками металлических двутавров считают увеличение веса конструкции и нагрузка на фундамент, у сварных – трудоемкость процесса.

Также по классификации, помимо стандартных (Б), различают двутавры широкополочные (Ш), колонные (К), монорельсные (М), специальные (С), узкополочные (У), дополнительные (Д), которые широко применяются в народном хозяйстве для возведения построек различного характера и сложности.

Основные требования к изделиям

Важные технические требования для двутавров обозначены в технических нормативах, к которым относят:

Перечисленные технические нормативы в начальных разделах всегда предлагают отсылки к другим ГОСТам, СНиПам и СТО. Они касаются используемого материала, расчетов, распределения по размерам, условий хранения и других важных нюансов. Но общим для всех требований является то, что они должны быть:

крепкими и прочными;
маркированными, в зависимости от типа;
устойчивыми после монтажа;
хорошо адгезироваться с различными веществами и элементами крепежа, используемыми для строительных и отделочных работ;
правильно распределять нагрузку, с учетом воздействия на фундаментную основу;
быть пожароустойчивыми, сейсмостойкими, водостойкими и морозоустойчивыми;
использоваться одновременно с пароизоляцией и гидроизоляцией;
иметь различные типоразмеры;
изготавливаться из качественных материалов, произведенных в заводских условиях;
обладать долговечностью при эксплуатации.

Требования могут дополняться и изменяться, так как строительные технологии с каждым годом развиваются и расширяются. Готовые изделия всегда можно приобрести в специализированных магазинах, на сайтах производителей или у их прямых партнеров.

Длина двутавровой балки может достигать 12-15 (м). Если для строительства промышленного объекта нужны двутавры большей длины, предприятие делает для заказчика индивидуальный заказ.

Технические характеристики и размеры

Данные качества касаются таких понятий, как прочность, габариты и вес изделий, требования к которым указаны в нормативных документах – ГОСТах и СНиПах (перечислены в разделе выше). Двутавровые балки по своим техническим характеристикам должны обладать следующими качествами:

Обеспечивать достаточную прочность, устойчивость и жесткость всей конструкции.
Надежно фиксировать отдельные элементы каркаса.
Снижать нагрузку и равномерно распределять ее по отношению к фундаментному основанию.
Быть морозоустойчивыми и пожаробезопасными.
Соответствовать маркировке (Н, Ш, М, К, С, А, В, Б) и распределению длины: мерная, немерная, кратная.
Кривизна двутавровой балки не может составлять более 2% длины.
Прогиб стенки, обозначаемый в расчетах, как f, не может быть более 0, 15 (S).

Таблицу технической характеристики для двутавровой балки можно представить таким образом, как на фото ниже:

На фото указаны длина, ширина, количество изделий в 1 т, сечение, заводской присвоенный номер. По маркировке балки определяется не только высота изделия, но и его работоспособность, а также последовательность расчетов.

Принцип расчета

Проведение расчетов двутавров основано на том, что низ его работает на растяжение, а верхняя – на сжатие. При этом стенки принимают поперечные силовые нагрузки.

Из дерева

Характеристики и показатели деревянных двутавров указаны в приложениях нормативов ГОСТов, и имеют вид таблиц, как на рисунке ниже:

Используя данные таблицы, характеризующие древесину, при расчетах используются следующие величины:

общая высота;
толщина;
модули – растяжения, изгиба, сжатия и упругости;
глубина паза;
длина самого пролета;
шаг балок;
показатель нормативной нагрузки;
процентные условия эксплуатации изделия, зависящие от влажности и других атмосферных величин.

Используются также многочисленные коэффициенты, которые используются профессиональными инженерами. Для двутавров используют такие формулы, как:

Хk – норма прочности;
kmod – коэффициент нагрузки и содержания влаги;
γm – коэффициент, характеризующий материал.

Ed – показатель жесткости;
Emean – средний модуль упругости.

Используемый частный коэффициент (γm), согласно нормативам, чаще всего равен показателю 1,2. Поскольку двутавры различаются друг от друга по показателям качества древесины, то и расчет у них неодинаковый. Большое значение уделяется дополнительным коэффициентам и показателям, например, гибкости элемента двутавра λ, который вычисляется по формуле:

Lc – длина поверхности между сечениями, если происходит сжатие;
b – показатель ширины балки.

Пример:

Рассчитать гибкость полки, если двутавры имеют шаг 1,25 (м). Указано, что у них не между собой промежуточных распорок, за исключением концов.

Согласно условию задачи, длина поверхности между сечениями при сжатии Lc = L = 4 (м). Исходя из общей формулы, определяем коэффициент гибкости полки:

λ = 3.464 * 4 / 0.075 = 185

Ответ: коэффициент равен 185.

Металлических

Для металлических двутавров чаще всего рассчитывают прогиб, а также изгиб, которые применяются для балочных типов, номеров 1-6. Здесь можно воспользоваться удобным калькулятором расчета, при отсутствии времени, по типам двутавров, можно при помощи онлайн-калькуляторов. Так, например, в этом может помочь сайт.

При расчетах металлических двутавров всегда используют показатели:

A и B – расстояния от основной опоры до точки нагрузки;
L – длина пролета (по минимуму);
Fmax – балочный прогиб по максимуму, согласно технической таблице внизу:

В расчетах со стальными двутаврами также используют величины: количество (К), Ry – показатель сопротивления, Fбалки – прогиб и запас (З), сечение (М). Для удобства проведения математических расчетов часто используют онлайн-калькуляторы, один из которых здесь. Данный калькулятор проводит расчеты в отношении консольных и опорных балок, где используется также q – масса изделия в кг/м.

Необходимо вычислить прогиб для балок – максимальный момент сопротивления сечения Му, если L = 4,5 (м) уложена параллельно короткой стены, q = 6, количество балок равно 8.

Согласно формуле, учету веса по таблице СНиПа:

My = (q х L2) /8 = 6 х 4502/8 = 151875 (кгс/см2).

Ответ: 151875 (кгс х см).

Пример 2, который можно соединить с показателем первого примера.

Максимальный момент сопротивления балки Wy, при указанном условием расчетном сопротивлении стали (2150 кгс/см2) рассчитать легко, на основании деления изгибающего момента на показатель сопротивление стали. В соответствии с формулой, это будет выглядеть так:

Wy = 151875 / 2150 = 70,6 (см3).

Ответ: 70,6 (см3) – максимальное сопротивление двутавра данного типа.

Величины, использующиеся в различных расчетах двутавровых балок, имеют следующий вид:

Использовать для работы можно этот калькулятор.

При выборе габаритов двутавра учитываются тип и характеристики возводимого объекта, а также нагрузки на конструкцию здания.

Процесс монтажа своими руками

Этапы монтажа двутавровых балок из дерева по техническим нормам включают в себя следующие шаги:

На цементную стяжку несущих стен или деревянные прокладки, укладывают доски, которые с помощью анкеров крепят к заранее установленным конструкциям (ограждениям).
На них укладывают балки, имеющие шаг 50-60 (см), или другой, согласно проекту, но не менее представленных величин.
Балки прикрепляют к доскам с помощью гвоздей и саморезов, концы их обязательно оборачивают гидроизолятором.
Поперечные связи между изделиями формируют за счет распиливания балки на отрезки.
Низ подшивают OSB листами или плотной фанерой.

Все остальные работы с обустройством слоев проводятся по принятому плану работ. Иногда, в домах из оцилиндрованных бревен балки могут устанавливаться с помощью врезки или врубки. Для этого в стенах формируются проемы заданной глубины и толщины. Укрепляются балки профилированными изделиями, пластинами, анкерными соединениями.

Металлические двутавры устанавливаются чаще в монолитных, кирпичных и панельных домах прямо по армированному поясу, с учетом размеров шагов:

Шов пояса могут приваривать и укреплять крупными болтами по сделанным отверстиям.
Все проходы и отверстия зажимаются хомутами и надежно привариваются к армировке конструкционной стены.
Низ подшивается материалом, который задуман по проекту, или формируется опалубка, и делается черновой пол из монолита.

ЖБ-балки крепятся по типу металлических. Они имеют монтажные петли, с помощью которых их удобно укладывать, а затем их приваривать к армированным прутьям армопояса. Затем занимаются обустройством перекрытия, и формированием слоев пирога чердака.

В процессе работы необходимо строго соблюдать технику безопасности и последовательность действий монтажа. От качества уложенных балок, учета строительных нюансов (маркировки, состава, крепежа) зависит качество формирования черновой поверхности чердачного, межэтажного или лестничного перекрытия.

Плюсы и минусы использования

Многочисленные отзывы на социальных площадках в отношении двутавров позволяют узнать от специалистов и пользователей следующие преимущества любого типа двутавровых балок:

Выдерживание нагрузок и распределение их, без влияния на фундаментную основу.
Прочность, жесткость и долговечность.
Удобство транспортировки.
Несложный монтаж.
Большой выбор изделий, возможность индивидуальных заказов у производителей.
Нулевой крутящий момент.
Устойчивость к механическим, сейсмическим и атмосферным воздействиям.
Монолитность и устойчивость швов у стальных изделий.
Доступность в цене.
Высокая несущая способность.
Отсутствие растрескивания и деформации.

Минусами пользователи считают:

У деревянных – низкий показатель огнестойкости, из-за особенностей материала.
У металлических – склонность к коррозии.
У ЖБ – постепенное разрушение.
Возможность производства изделий только на крупных предприятиях.

Плюсом для двутавров является также то обстоятельство, что монтаж с ними можно проводить круглый год.

Отзывы

По анализу отзывов (большому количеству плюсов) можно сделать вывод о том, что двутавровые балки всегда будут востребованы в строительстве, так как минусов у них практически нет, а имеющиеся связаны больше с периодом эксплуатации.

С мнениями пользователей можно ознакомиться здесь, здесь и здесь.

Средние цены по РФ

Стоимость всех двутавровых балочных изделий на март 2021 г. составляет, в среднем, по РФ:

Стальные:
- за 1 т – 51 700 рублей;
- за 1 м – от 845 до 16 350 рублей.
Деревянные:
- 1 м – от 220, 300, 430 до 900 рублей.
ЖБ:
- 1 шт. – от 850 до 4 500 рублей, до 22 340 – подкрановые, самые большие.

На общую стоимость влияют размеры и количество двутавровых балок. Имеет значение также страна (производитель) и регион РФ. Самые дорогие расценки на двутавры в МО, СПБ и северных областях.

Прайсы с расценками присутствуют на сайтах официальных производителей двутавровых балок.

Заключение

Двутавры выполняют важную роль в установке межэтажных, чердачных, лестничных, мостовых и кровельных перекрытий. Они выполнены из металла, дерева и из ЖБ-материала.

В продаже двутавры продаются только в маркированном виде. Их маркировка включает в себя следующую расшифровку: первые 2 цифры – это высота профиля в сантиметрах, индекс из букв –тип профиля по ширине, рядом ставят шифр производителя, затем – габариты и номер нормативного документа.

Приобретать изделия дешевле всего на специализированных сайтах от прямых производителей. Изделия имеют различное сечение, которое определяется инженером при разработке проекта постройки.

Какие бывают фермы перекрытий: деревянные, металлические и другие

В переводе с латинского термин «ферма» означает прочный, а фактически, это прямолинейные стержни, соединенные в узлах, куда прикладывается совокупность сил.

Точное понятие о предмете, расчетах и нагрузках дает сопромат и строительная механика.

Особенность стержневой системы в ее геометрической неизменности, когда при необходимости заменяют жесткие узлы на шарнирные. Если отсутствует расцентровка и вне узловая нагрузка, в элементах создается усилие на растяжение и сжатие.

Применялись фермы с древних времен, сейчас выпускают в основном для строительной индустрии, элементы отличаются по материалам изготовления, конструктивным особенностям и назначению.

Что это за балки?

Историки считают, что первым инженерным сооружением у древнего человека была ферма. Сейчас даже дети могут создать, эту уникальную по сути строительную конструкцию в виде шалаша. Более ценным примером служит скатная крыша со стропилами, стойками и раскосами.

Получается, что собрать подобного вида сооружение смогут все, но не многим дано делать расчет сечения стержней по заданным нагрузкам. Здесь главенствует сложная наука сопромат. Среди студентов даже ходит поверье, кто сдаст этот предмет без проблем, может создавать семью. А потребность в сквозных стержневых конструкциях увеличивается. В состав которых входит:

верхний и нижний пояс;
решетки;
вертикальные стойки;
наклонные раскосы.

Фермы отличаются от строительных балок постоянным сечением и прочностными свойствами материалов изготовления, на них будут воздействовать максимальные нагрузки. Эти строительные элементы могут менять только высоту.

Размер параметра зависит от пролетов. Хотя фермы, это те же балки перекрытия только не сплошные, а сквозные, которыми также перекрывают расстояние между опорами здания. Для производства применяют материал:

древесину;
металл;
железобетон;
пластик.

Справка. При изготовлении изделий используют в основном только жесткие узлы. На шарнирные происходит условная замена, чтобы максимально упростить расчеты.

Определение номинального напряжения конструкции, показанной на рисунке происходит по стандартным уравнениям равновесия. С жесткими узлами сооружение становится статистически неопределимой системой. А условная замена на шарнирные позволяет получить близкий по значению результат.

Классификация по разным направлениям

Конструкторы создали в большом количестве, разные по формам и видам строительные фермы перекрытия. Конструктивным элементам понадобилась сортировка. В общую классификацию входят описание основных параметров.

По признакам определяют:

назначение;
материал изготовления;
конструктивные особенности – тип поясов, решеток и способ опирания.

Конструкции бывают:

обычными;
комбинированными;
с напряжением.

Элементы отличаются величиной усилий, их выпускают:

легкими, одностенчатыми;
тяжелыми, двустенчатыми, применяют для крупных сооружений.

Балку характеризует назначение:

башенное;
крановое;
мостовое;
опорное;
стропильное;
гидротехническое;
транспортное.

Конструктивные особенности отличаются поясами двухпоясными и трехпоясными, которые имеют высокое сопротивление на изгиб горизонтальных плоскостей с повышенной устойчивостью на сжатие по периметру. Внешний контур наделен определенными габаритами, длиной, высотой и уклоном, имеет тип:

вспарушный;
параллельный;
рыбчатый;
многоугольный;
параболический;
трапецеидальный;
треугольный.

Обратите внимание. На общественных зданиях применяют установку вспарушных и рыбчатых конструкций. В промышленном строительстве используют параллельные пояса.

Внешним контуром воспринимаются продольные силы, на решетки приходятся поперечные нагрузки.

Решетки тоже устанавливают разные:

крестовые;
раскосные;
ромбические;
треугольные.

Сооружения опираются на опоры в виде колонн, стен, подстропильных балок. Отсюда произошло разделение на тип:

балочный;
двух или многоопорный;
арочный;
вантовый;
рамный;
комбинированный.

Поперечное сечение стальных конструкций определяется по виду прокатного профиля:

уголка;
трубы;
швеллера;
тавра или двутавра.

У металлических ферм крепят прогоны, устанавливают уголки с резьбой для болтов.
Односкатные кровли строят с деревянными фермами, опирание стропильных ног осуществляется на стены строения.

У двускатных кровель висячих, наслонных и арочных, стропила ставят на мауэрлат, внутреннюю стену, поддерживают прогоном.

Открытые профили при парном соединении больших по длине элементов, могут функционировать по отдельности.

Когда происходит сжатие, чтобы они не сгибались в разные стороны, необходима установка соединительных прокладок. Если соединение осуществляют встык, применяют фасонку, уровень толщины которой зависит от нагрузок.

Требования к материалам

Конструкция должны быть надежной, крепкой и устойчивой, так как на ферму приходятся основные нагрузки. Чтобы в узлах или точках крепления, самого слабого звена был надлежащий уровень жесткости, сборку выполняют без зазоров в местах соединения. Изготовление происходит в соответствии с нормативными документами:

– нормы на подстропильные сооружения, действует с 01.01.2017 г. – регулирует производство стальных ферм. – указывает на технические условия железобетонных конструкций. – ГОСТ 7566-94 – установлены размеры, правила по маркировкам для двутавровых балок.

Стандарты разработаны для конкретизации общих строительных правил:

Характеристики

В зависимости от типа пояса, конструктивных форм, выпускают разные по размерам балки (6, 8, 12 метров). Стандартные параметры указаны в таблице:

Решетки тоже имеют характерные особенности:

Расчет

Ученые из сферы математики, механики разработали и применяют простые и сложные методы для расчета нагрузок.

Справка. При использовании аналитического способа строят графики сил, рассекают конструкцию. Сквозное сечение с вырезкой узлов подойдет для расчета статически определяемой фермы.

Для этого нагрузки на балку сводят к слабым точкам соприкосновений со стеной. Находят реакцию опор по аксиоме из теоретической механики. Где говорится, что несвободные тела можно принять за свободные, если их связи заменить действием реакций сил, которые ограничивают движение тел.

В данном случае используют уравнения равновесия. Берут узел с 2 стержнями, условно убирают его, заменяют, разрезанные стержни на их реакции, направленные из элемента. По правилу знаков у растянутого стержня положительная сила.

Расчет сооружений выполняют специалисты на стадии проектирования объекта, правильность которых влияет на безопасность эксплуатации сооружения. Самостоятельно можно определить нагрузки, которые выдержит конструкция в узлах. Основные силы распределяются по типу:

Постоянному, куда входит вес фермы вместе с системой.
Временному – усилия подвесных устройств.
Кратковременному – атмосферные осадки и ветра.

Постоянное расчетное усилие определяют с учетом площади, где будет собираться груз. К примеру, чтобы рассчитать кровельную нагрузку применяют формулу:

S = (m + m1 : cos a) x c

m – вес конструкции вместе со связями;
m1 – масса объекта;
a – горизонтальный наклон в верхнем поясе;
c – расстояние между балками.

Грамотное проектирование стропил делает строительство крыши на порядок дешевле.

Расчет фермы на видео:

Монтаж сооружений из любого материала происходит в соответствии с чертежами. Крупные элементы поднимают стреловыми кранами, используют оттяжки, чтобы снизить раскачивание конструкции.

Справка. Для крепления к железобетонным колоннам и кирпичным стенам используют анкерные болты. Устройство начинают с того участка, где предусмотрено расположение связей.

Первые балки крепят с расчалками, их снимают после закручивания болтов, сваривания стыков.

Плюсы и минусы применения

Каждая конструкция вне зависимости от характеристик имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с аналогичными продуктами, но из другого материала.

Плюсы деревянных устройств:

легкие для обустройства;
отличный уровень несущей способности;
хорошая звукоизоляция;
сравнительно небольшой вес.

у стандартных балок меньше толщина перекрытия;
сложное производство высококачественных изделий;
высокая стоимость.

Металлические сооружения отличаются:

длительным сроком эксплуатации;
низкими транспортировочными расходами;
высокой прочностью.

Но металлический каркас трудно установить из-за значительного веса конструкции.

Средние расценки

Стоимость изделий нужно уточнять непосредственно у продавца или производителя. Для примерной ориентации можно ознакомиться с расценками из разного временного периода.

Прайс лист на фермы из металла:

В Москве изготовят изделие для навесов из профильных труб, конструкцию для коттеджа за 5500 руб. Любой вид продукции – профильный, арочный, для ангаров и гаражей предлагают купить в Михеево за 4300 руб. В Омске можно приобрести стропильную ферму за 1200 руб. В Тюмени продают железобетонные балки по 2500 руб.

Ферма сооружение серьезное, поэтому не стоит самостоятельно приступать к изготовлению или монтажу, если на это нет профессиональных навыков.

И расчет лучше доверить проектировщику, так как для этого используют сложные формулы, нужны специальные знания. Цены постоянно меняются, их необходимо уточнить ближе к началу строительства.

Изгибная жесткость металлодеревянных балок

Рассматривается такой вид конструкций, как металлодеревянные балки различного профиля. Проведен анализ существующих конструктивных решений, произведен патентный поиск. Произведено предварительно сравнение различных металлодеревянных балок, требующее дальнейшего изучения.

Ключевые слова: металлодеревянная балка, двутавр, составная конструкция, изгибная жесткость.

Современная практика показывает, что в строительстве наибольшее распространение нашли клееные деревянные балки пролетом 6–24 м [1]. Их применение, несмотря на высокую технологичность, сдерживается высоким расходом древесины [1,2].

В целях уменьшения расхода материала в строительной практике применяются двутавровые балки. В таких конструкциях верхний и нижний пояса изготавливаются из высококачественной древесины, а стенка может быть представлена различными материалами, например:

– ориентированно-стружечная плита [5,6];

Древесина и сталь — одни из наиболее практичных материалов в строительстве [13]. Оптимальное комбинирование эффективных свойств материалов способствует высокой целесообразности их сочетания для обеспечения несущей способности конструкции при снижении ее массы, уменьшения срока строительства и снижения эксплуатационных расходов.

Главная проблема комбинированных двутавровых балок, включая металлодеревянные — обеспечение прочности соединения стенки с поясами из цельной или клееной древесины [13]. Известными способами соединения стальных листов с деревянным каркасом являются — гвозди, самонарезающие винты, дюбели, вклеенные стержни и т. д.

Ретроспективный анализ исследований российских и зарубежных авторов С. П. Тимошенко, С. Б. Турковского, А. А. Ильюшина, Д. И. Журавского, В. Фейрберна, М. Хуботта, Х. Вагнера и др. [14,15,16,17,18] в области разработки конструкций металлодеревянных двутавровых балок показал новые конструктивные решения балок со стенкой из стальных листов, включенных в общую работу конструкции. Таковыми являются, например, деревометаллические балки Калинина С. В. [11]; Кузнецова И. Л., Актуганова А. А., Трофимова А. П. [1] и балки типа HTS [19], различающиеся типом конструкции, способом крепления металлического листа к деревянным поясам, конструктивной схемой.

В работе Калинина С. В. [11] рассматривается деревометаллическая балка со стенкой из стальных профилированных листов с ориентацией гофров вдоль поясов (рис.1).

Рис. 1. Общий вид деревометаллической балки со стенкой из стальных профилированных листов с ориентацией гофров вдоль поясов

Деревянный каркас рассматриваемых балок включает в себя цельный или клееный верхний и нижний пояса, которые соединяются между собой вертикальными ребрами жесткости с шириной равной ширине поясов. В результате того, что гофры стального профилированного листа имеют горизонтальную ориентацию, стенка включается в общую работу балки на изгиб, тем самым увеличивая геометрические характеристики поперечного сечения и снижая расход материалов.

В данной конструкции в качестве крепления стенок к поясам предлагается применение гвоздей, дюбелей или саморезов. Количество соединительных связей определяется согласно расчету на усилие сдвига, которое возникает между стенками и поясами. Расстановка гвоздей (саморезов) должна удовлетворять требованиям СП 64.13330.2017.

Один из недостатков деревометаллической балки Калинина С. В. — выбор оптимального назначения шага ребер жесткости, требующий высокой квалификации инженера-проектировщика. Уменьшение расчетного шага ребер жесткости улучшает условия работы стенки из-за большого количества точек раскрепления с деревянным каркасом, однако при увеличении количества ребер жесткости происходит перерасход древесины и усложнение технологии изготовления балок.

Балка Кузнецова И. Л., Актуганова А. А., Трофимова А. П. представляет собой балку (рис.2) с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров, которая включает верхний и нижний пояса из древесины и тонкую металлическую стенку с поперечными гофрами из оцинкованной стали [1].

Рис. 2. Общий вид металлодеревянной двутавровой балки [20]. 1 — верхний, 2 — нижний пояса из древесины, 3 — металлическая стенка, 4 — поперечные гофры

Соединение стенки с полками выполняется на клею. Для увеличения местной устойчивости стенки и сдвиговой жесткости металлодеревянной тонкостенной двутавровой балки был разработан второй вариант балки, в котором соединение стенки с полкой выполняется на клею, с усилением цилиндрическими нагелями, вставляемыми в заглубления в полках на клею [1,12,20].

Недостатком металлодеревянной двутавровой балки Кузнецова И. Л., Актуганова А. А., Трофимова А. П. являются дополнительные изгибающие моменты, согласно численным результатам исследования, появляющиеся над ребрами жесткости в верхнем поясе тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки, над поперечными гофрами и в пролете между ними, что требует дополнительного расчета и учета при конструировании [12].

Наиболее эффективной представляется балка типа HTS, которая в течение последних 20 лет зарекомендовала себя как универсальная и экономичная конструкция, применяемая при строительстве жилых домов, возведении промышленных, административных и хозяйственных сооружений (рис.3) [21].

Рис. 3. Применение двутавровых HTS-балок в строительстве

Вертикальная стенка балки HTS волнистой формы, на верхнем и нижнем ребрах зубья в форме «S», которые на глубину 20 мм запрессовываются в древесину поясов через каждые 50 мм (рис.4) [19].

Рис. 4. Двутавровая деревянно-металлическая балка HTS

Среди основных преимуществ HTS балок отмечается высокая прочность, материал устойчив к деформациям, что обеспечивает сейсмоустойчивость. Так 6-метровая HTS балка при нагрузке 2т прогибается не более чем на 7 мм. В результате чего ее можно применять в пролетах длиной до 24 м. HTS балки выдерживают нагрузки до 150кг/м на нижний пояс, показывая высокий показатель усилия на разрыв дерева и стали [19].

Балка в конструктивных схемах является одним из ключевых моментов, сопротивление которой ударной нагрузке зависит от момента сопротивления и от ее изгибной жесткости — способность оказывать сопротивление искривлению (деформации) [22].

Величина изгибной жесткости прямо пропорционально влияет на кривизну балки К [17]:

где М — изгибающий момент, EI — жесткость балки на изгиб.

Изгибная жесткость EJ зависит от материала Е, из которого сделана балка, через J от формы ее поперечного сечения [23, с.355].

В работе «Разработка и исследование металлодеревянной двутавровой балки» [1] было проведено теоретическое и экспериментальное исследования по установлению действительной работы подобных балок, так как отсутствуют методики расчета и данные по их фактической работе. Рассматривался опытный образец балки (рис.5), в котором пояса балок из сосны 2-ого сорта, стенка балки — из оцинкованной стали.

Рис. 5. Опытный образец металлодеревянной двутавровой балки

Экспериментальное исследование показало, что при увеличении испытательной нагрузки интенсивность нарастания прогиба балки увеличивалась, сначала в третьем отсеке стенки балки, а затем и в четвертом. Произошло это в результате выпучивания стенки в угловой зоне, которые расположены вверху и внизу от нисходящих диагоналей отсеков стенки. При увеличении нагрузки с P=500 кг до P=800 кг пояса балки продолжали работать в упругой стадии, однако в зоне потери местной устойчивости стенки было замечено значительное увеличение изгиба [1].

Анализ последних достижений в области строительной науки показывает, что оптимальная комбинация различных материалов в одной конструкции обеспечивает эффективное использование полезных свойств каждого из них. Их применение способствует решению задачи снижения веса, трудоемкости изготовления и стоимости сооружения, тем самым повышая эффективность капиталовложений в строительстве.

Это обуславливает актуальность исследования зарубежного и отечественного опытов, разработку нормативных документов, регламентирующих конструирование и расчет, эффективные технические решения и обоснование целесообразности применения металлодеревянных балок.

Основные термины (генерируются автоматически): HTS, балок, нижний пояс, изгибная жесткость, металлодеревянная двутавровая балка, деревянный каркас, ребро жесткости, деревометаллическая балка, общий вид, поперечное сечение.

Читайте также: