Балки: конструктивная и расчетная схемы

l — расстояние между разбивочными осями;

l_св — расстояние между опорами в свету;

l₀ — расчетный пролет; l_опопорный участок;

δ — расстояние от оси до края элемента.

г)  будем считать, что силы трения по плоскости контакта балки и опоры (или теперь в точке опирания балки) отсутствуют (опоры, в которых пренебрегают силой трения, называют идеальными).

Полученная на основе принятых упрощений схема балки называется ее расчетной схемой.

Расчетная схема любой конструкции вообще и балки в частности — это идеализированное изображение конструктивной схемы, в которой не отражены свойства, незначительно влияющие на точность расчета.

 При этом различать конструктивную и расчетную схемы опор балки. Расчетная схема опоры соответствует конструктивной при принятых упрощениях, если они имеют одинаковые статические и геометрические (или кинематические) признаки.

Под геометрическими признаками подразумевается количество независимых перемещений рассматриваемого сечения (в данном случае концов балки).

Под статическими признаками подразумевается количество реактивных опорных усилий.

Расчетные схемы опор для железобетонной балки. Конструктивная схема правой опоры В.

С точки зрения геометрии такая опора препятствует только вертикальному перемещению конца балки, но допускает горизонтальное перемещение (если пренебречь силами трения), и под нагрузкой происходит поворот торцевого сечения а—Ь на некоторый угол. С точки зрения статики в такой опоре возникает единственная (в рассматриваемом случае вертикальная) реакция V_B по направлению перемещения, которое исключается опорой. Представим расчетную схему опоры в виде одного вертикального стержня с шарнирами по концам.

Схема шарнирно-подвижной опоры:

а) конструктивная схема; б) расчетная схема;

1 — балка до приложения силы F;

2— балка после приложения силы F;

3 — шарнир; 4 — опорный стержень

Расчетная схема правой опоры вполне соответствует конструктивной и по геометрическим признакам, так как опорный стержень препятствует только вертикальному перемещению, и по статическим признакам, так как возникает единственная реакция по направлению опорного стержня. Такая опора (и ее расчетная схема) называется шарнирно-подвижной’. шарнирной потому, что допускает поворот сечения балки на опоре, и подвижной потому, что допускает горизонтальное перемещение конца балки.

Схема шарнирно-неподвижной опоры:

а) конструктивная схема; б) расчетная схема;

1 — балка до приложения силы F;

2 — балка после приложения силы F;

3 — шарнир; 4 — опорные стержни

Конструктивная схема опоры А, С точки зрения геометрии такая опора характерна тем, что препятствует вертикальному и горизонтальному перемещениям и допускает поворот сечения c—d на опоре на некоторый угол. С точки зрения статики такая опора характеризуется возникновением двух составляющих реакций (Н_А и V_A). Представим расчетную схему такой опоры в виде двух опорных стержней: вертикального и горизонтального Полученная расчетная схема левой опоры вполне соответствует конструктивной схеме и по геометрическим признакам, так как опорные стержни препятствуют вертикальному и горизонтальному перемещениям, но не препятствуют повороту сечения, и по статическим признакам, так как по направлению каждого стержня возникает реакция. При этом возникает одна наклонная реакция, которую для удобства расчетов представляют в виде двух составляющих.

Такая опора (и ее расчетная схема) называется шарнирно-не- подвижной: шарнирной потому, что она допускает поворот сечения на опоре, и неподвижной потому, что не допускает никаких линейных перемещений конца балки.

Расчетная схема простой балки на двух опорах. Шарнирно-неподвижная опора также может изображаться в виде двух стержней, образующих треугольник. Оба варианта изображений опоры равноценны как с геометрической, так и со статической точки зрения.

Схема простой балки:

а) конструктивная схема простой балки; б), в) расчетные схемы

В расчетной схеме простой балки не отражается материал, размеры, форма сечения и материал опор, то одной расчетной схеме может соответствовать несколько конструктивных схем.

Построение расчетной схемы часто сопряжено с учетом очень многих факторов. В строительстве наиболее часто встречаются вертикальные нагрузки, но опоры балки также должны обеспечивать ее неподвижность в горизонтальном направлении.

Крепление балки к опоре с помощью анкерного устройства

Опирание балок или плит на кирпичные стены.

Вариант опирания балки на кирпичные стены:

а) фактическая схема: б) деформированная схема;

в) расчетная реальная схема; г) расчетная схема, принимаемая для расчета

Если исходить из принятых выше обозначений опор, то такая балка должна иметь две шарнирные неподвижные опоры. В реальных балочных конструкциях при таком опирании под действием нагрузки в результате деформации балки расстояние между ее концами уменьшается, не встречая сопротивления опор горизонтальным перемещениям концов балки (если нет специальных устройств, препятствующих этому перемещению. Между торцом балки и кирпичной кладкой всегда имеется зазор. Эти обстоятельства дают возможность считать только одну (причем при вертикальной нагрузке — любую) опору неподвижной, а расчетную схему принимать по рисунку г).

Если балка опирается на стены, как показано на рисунке а, что возможно в период строительства, то в расчетной схеме следовало бы считать в соответствии с принятыми упрощениями обе опоры подвижными

Вариант опирания балки в период строительства: а) конструктивная схема; б) расчетная идеальная схема; в) расчетная реальная схема

При отсутствии трения балка превращается в механизм, который начинает двигаться под действием незначительной случайной горизонтальной нагрузки, и поэтому не может быть конструкцией. В реальных конструкциях обязательно присутствует трение, которое обеспечивает неподвижность балки при незначительных горизонтальных нагрузках. Если они могут быть значительными, то необходимы специальные устройства, обеспечивающие неподвижность балки хотя бы на одном конце (анкеры, прихватка сваркой и т.п.).

Балка на двух опорах может иметь один конец свободный, тогда участок балки длиной а, расположенный за опорой, называется консольным. Расчетная схема такой балки рисунок б.

Балка с консольным участком:

а) конструктивная схема; б) расчетная схема.

Опоры, показанные на приведенных рисунках, применяют для сравнительно коротких балок.

Для большепролетных балок и ферм, например, мостовые опоры устраивают иначе. Это вызвано тем, что при большой длине балки ее температурные удлинения (укорочения) значительны и силы трения существенно препятствуют свободной деформации, поэтому опоры надо устроить так, чтобы по возможности уменьшить силы трения. Кроме того, специально обеспечивают свободный поворот сооружений на опорах. Опоры, обеспечивающие свободный поворот (шарнирные опоры), показаны на рисунке. Правая опора выполнена подвижной (катковая опора), что обеспечивает свободу температурных деформаций.

       3.Конструктивная и расчетная схемы консоли (консольной балки)

Балка может быть прикреплена к основанию с помощью жесткой заделки (рис. а). Балку, у которой один конец прикреплен жестко к основанию, а другой свободен, называют консолью. Многие строительные конструкции работают как консоли: балконные плиты, козырьки, карнизные плиты и т.д.

Такая опора с геометрической точки зрения характерна тем, что препятствует вертикальному, горизонтальному и угловому перемещениям опорного сечения. С точки зрения статики такая опора характеризуется тем, что дает три реактивных фактора (V_А1, V_А2 Н_А), причем величины реакций V_А1 и V_А2 зависят от глубины

 Представим расчетную схему консоли в виде трех опорных стержней (рисунок б.) В каждом опорном стержне возникает по одной реакции: Н_А, V_А1, V_А2 Однако в расчетах неудобно иметь дело с реакциями V_А1, V_А2 зависящими от длины заделки, поэтому расчетную схему чаще представляют по рисунку в, где пара сил V_А1, и V_А2 заменена моментом М_А, его называют опорным моментом.

Такую опору принято называть жестко защемляющей или жесткой заделкой. За расчетный пролет  консоли принимают расстояние от края заделки до свободного конца балки.

Защемление строительных конструкций на опорах определяется глубиной заделки , материалом, в который заделывается балка, и специальными мерами, обеспечивающими крепление (постановка анкеров, сварка, замоноличивание и т.д.). Для большинства балочных конструкций, опирающихся на кирпичные стены на глубину 120—250 мм, очень трудно обеспечить полное защемление на опорах. Поэтому при опирании балки без специальных устройств и при небольшой глубине заделки при расчетах защемлением пренебрегают (рисунок о). Расчетную схему такой балки принимают по рисунку б.

Схема консоли:

а) конструктивная схема; б), в) расчетные схемы

Вариант опирания железобетонной балки (плиты) на кирпичные стены:

а) конструктивная схема; б) расчетная схема