Двутавровая балка - I-beam

Этот двутавр используется для поддержки первого этажа дома.

An Двутавровая балка, также известный как Двутавровая балка (за универсальная колонна, UC), ш-образная балка (для «широкого фланца»), универсальная балка (UB), рулонная стальная балка (RSJ), или же двойной Т (особенно в Польский, болгарский, испанский, Итальянский и Немецкий ), это луч с я или ЧАС-образный поперечное сечение. Горизонтальные элементы я находятся фланцы, а вертикальный элемент - это «паутина». Двутавры обычно изготавливают из конструкционная сталь и используются в строительстве и гражданском строительстве.

Перегородка противостоит поперечным силам, а полки выдерживают большую часть изгибающего момента, испытываемого балкой. В Уравнение Эйлера-Бернулли для пучка показывает, что I-образная секция - очень эффективная форма для переноски как изгиб и срезать грузы в плоскости полотна. С другой стороны, поперечное сечение имеет уменьшенную пропускную способность в поперечном направлении, а также неэффективно переносит кручение, для которого полые конструкции часто предпочтительнее.

История

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

Вифлеемская сталь была ведущим поставщиком проката из конструкционной стали различного сечения для строительства мостов и небоскребов Америки в середине двадцатого века.^[2] Сегодня прокатные профили частично вытеснены в такой работе на сфабрикованный поперечные сечения.

Обзор

Типовое сечение двутавров.

Есть две стандартные формы двутавровой балки:

Катаный двутавр, образованный горячая прокатка, холодная прокатка или экструзия (в зависимости от материала).
Плоская балка, образована сварка (или иногда болты или захватывающий ) тарелки.

Двутавровые балки обычно изготавливают из конструкционная сталь но также может быть сформирован из алюминий или другие материалы. Распространенным типом двутавровой балки является рулонная стальная балка (RSJ) - иногда неправильно отображается как усиленная стальная балка. Британский и Европейские стандарты также 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 из дерева с ДВП и / или клееный брус - также становятся все более популярными в строительстве, особенно в жилых, поскольку они легче и менее подвержены короблению, чем массивные деревянные. балки. Однако были некоторые опасения по поводу их быстрой потери прочности в результате пожара, если они не были защищены.

Дизайн

Иллюстрация колебания двутавровой балки в режиме кручения.

Двутавры широко используются в строительная промышленность и доступны в различных стандартных размерах. 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 столбцы.

Двутавры могут использоваться как самостоятельно, так и выступающие. совокупно с другим материалом, обычно конкретный. Дизайн может регулироваться любым из следующих критериев:

отклонение: the жесткость двутавровой балки будет выбрана так, чтобы минимизировать деформацию
вибрация: жесткость и масса выбираются для предотвращения недопустимой вибрации, особенно в условиях, чувствительных к вибрации, например в офисах и библиотеках.
отказ от изгиба уступающий: где стресс в поперечном сечении превышает предел текучести
отказ от изгиба боковой изгиб при кручении: когда фланец при сжатии имеет тенденцию изгибаться вбок, или все поперечное сечение изгибается при кручении
отказ от изгиба местное коробление: если полка или стенка настолько тонкие, что могут изгибаться локально
местная податливость: вызванная сосредоточенными нагрузками, например, в точке опоры балки
разрушение при сдвиге: где Интернет не работает. Тонкие полотна выйдут из строя из-за изгиба, волнистости в явлении, называемом действие поля напряжения, но разрушению при сдвиге также противостоит жесткость фланцев
коробление или податливость компонентов: например, ребер жесткости, используемых для обеспечения устойчивости стенки двутавровой балки.

Дизайн для гибки

Наибольшие напряжения (

{ displaystyle sigma _ {xx}}

) в изгибаемой балке находятся в местах, наиболее удаленных от нейтральной оси.

Изгибаемая балка испытывает высокие напряжения вдоль осевых волокон, наиболее удаленных от нейтральная ось. Во избежание выхода 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, требующая наименьшего количества материала), необходимая для достижения заданного модуль сечения. Поскольку модуль сечения зависит от значения момент инерции, большая часть материала эффективного луча 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 ${ displaystyle sigma _ { mathrm {max}}}$ а максимальный ожидаемый изгибающий момент составляет ${ Displaystyle М _ { mathrm {макс}}}$ , то требуемый модуль сечения определяется выражением^[3]

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

куда ${ displaystyle I}$ - момент инерции поперечного сечения балки и ${ displaystyle c}$ расстояние от вершины балки до нейтральной оси (см. теория пучка Больше подробностей).

Для балки площади сечения ${ displaystyle a}$ и высота ${ displaystyle h}$ , идеальное поперечное сечение будет иметь половину площади на расстоянии ${ displaystyle h / 2}$ над сечением, а другая половина на расстоянии ${ displaystyle h / 2}$ ниже поперечного сечения.^[3] Для этого сечения

{ 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 упругости составляет приблизительно

{ displaystyle S приблизительно 0,35ач}

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

вопросы

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 задач с преобладанием кручения коробчатые балки и другие типы жестких секций используются вместо двутавровой балки.

Формы и материалы (США)

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 обычно заменил старые марки ASTM A572 и A36. Диапазоны предела текучести:

A36: 36,000 psi (250 МПа )
A572: 42 000–60 000 фунтов на квадратный дюйм (290–410 МПа), из которых 50 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа) наиболее распространены
A588: Похоже на: A572
A992: 50 000–65 000 фунтов на квадратный дюйм (340–450 МПа)

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

Стандарты

Следующие стандарты определяют форму и допуски стальных профилей двутавровых балок:

Евронормы

EN 10024, Фланец конический горячекатаный I секции - Допуски по форме и размерам.
EN 10034, Конструкционная сталь двутавровых и двутавровых профилей - Допуски по форме и размерам.
EN 10162, Профили стальные холоднокатаные - Технические условия поставки - Допуски на размеры и поперечное сечение

Руководство AISC

В Американский институт стальных конструкций (AISC) издает Руководство по стальным конструкциям для проектирования конструкций различной формы. Он документирует общие подходы, Допустимая прочность конструкции (ASD) и Расчет коэффициента нагрузки и сопротивления (LRFD), (начиная с 13-го изд.) Для создания таких дизайнов.

Другой

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

Обозначение и терминология

Двутавр широкополочный.

в Соединенные Штатыстальные 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 КанадаСтальные 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 Мексикастальные 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 Индия Двутавры 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 БИС ).^{[нужна цитата ]}
в объединенное Королевствоэти 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 Австралияэти 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

Ячеистые балки - это современная версия традиционных "зубчатая балка ", в результате чего пучок получается примерно на 40–60% глубже, чем его родительская секция. Точная конечная глубина, диаметр ячеек и расстояние между ячейками являются гибкими. Ячеистая балка до 1,5 раз прочнее, чем ее родительская секция, и поэтому используется для создания эффективных крупнопролетные конструкции.^[10]

Смотрите также

DIN 1025 - стандарт DIN, который определяет размеры, массы 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

дальнейшее чтение

М. Ф. Эшби, 2005 г., Выбор материалов в механическом проектировании, Эльзевир. См. Главы 8.4 - 8.5

внешняя ссылка

[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 Bethlehem Steel». Дополнение к утреннему звонку. Аллентаун, Пенсильвания, США: Утренний звонок. Подробная история компании от журналистов сотрудников Morning Call.

[Gere-3] а ^б Гир и Тимошенко, 1997 г., Механика материалов, Издательство PWS.

[4] «Стандартные технические условия ASTM A992? A992M для профилей из конструкционной стали». Американское общество испытаний и материалов. 2006. Дои:10.1520 / A0992_A0992M-06A.

[onesteel-5] а ^б Горячекатаный прокат и стальные конструкционные изделия - Издание пятое В архиве 2013-04-10 в 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 оригинал (PDF) 15 февраля 2010 г.

[10] «Ячеистые балки - Kloeckner Metals UK». kloecknermetalsuk.com. Получено 13 мая 2017.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]