Сварные балки

Одна из основных задач, возникающая при строительстве зданий из металлоконструкций – снижение металлоемкости, и применение сварные балок в строительстве позволяет эффективно реализовывать данную задачу.

Сварные балки, как правило, представляют собой двутавровый профиль, изготавливаемый на заводах металлоконструкций из листового металла путем сваривания между собой стенки и полок. Сварка стальных листов различной толщины позволяет создавать экономичные профили, перераспределяя металл в полки балки, как в наиболее напряженную часть при работе на изгиб. Такой подход позволяет минимизировать металлоемкость общей конструкции здания, поскольку сечения балок конструируются под конкретные нагрузки, которые они должны воспринимать.

Показателем эффективности использования профиля балки служит отношение момента инерции к площади его сечения. Чем выше это отношение, тем меньше металлоемкость конструкции.

В общем виде подход к конструированию сечения сварных балок в строительстве выглядит следующим образом.

1. Конструктивная схема будущего здания моделируется стержневыми элементами, назначаются типы их соединения (жесткое или шарнирное) между собой и конструкцией фундамента.
2. Осуществляется сбор нагрузок, действующих на конструкцию, и их приложение в заданных точках.
3. Выполняется расчет конструкции и определяются усилия и моменты, возникающие в стержневых элементах.
4. Рассчитываются моменты сопротивления сечений, обеспечивающие выполнение требований к устойчивости конструкции по 1-ой и 2-ой группам предельных состояний.
5. Конструируется сечение будущей балки, удовлетворяющее определенным расчетом моментам инерции, а именно, определяется марка стали, назначаются размеры и толщины стенки и полок, задается катет сварного шва.
6. Конструктором определяются ребра жесткости, обеспечивающие устойчивость балки при кручении, конструируются опорные элементы.

Можно выделить следующие основные этапы в изготовлении сварных балок.

• Конструктором разрабатывается раздел проектной документации КМ (конструкции металлические), в который составной частью входят чертежи по сварным балкам.
• На основании проекта КМ разрабатывается рабочая документация раздела КМД, необходимая для изготовления – конструкции металлические деталировочные, согласно которой выполняется раскрой отдельных деталей и последующая сборка в готовую конструкцию.
• Путем раскроя листового металла с использованием станков плазменной резки с ЧПУ производят заготовки стенок и полок будущих балок.
• Выполняется фрезеровка кромок, что обеспечивает качество сварных швов в последующем.
• В специальном кондукторе осуществляется сборка балки и ее подготовка к процессу сваривания.
• Выполнение сварных швов. Процесс сварки стенок и полок выполняется автоматическими и полуавтоматическими сварными аппаратами в среде защитных газов. В последнее время
• Контроль и корректировка геометрии балок, поскольку в процессе выполнения сварных работ может возникать смещение полок и стенок.

Рис. 1. Сварка балки в кондукторе.

В строительстве находят применение несколько видов сварных балок (рис.1).

 Рис. 2. Виды сварных балок

Сварная балка переменного сечения представляет собой двутавр в каждом своем сечении, но при этом высота его стенки изменяется по длине таким образом, чтобы момент инерции соответствовал изгибающему моменту, возникающему в данном сечении под действием нагрузок (рис. 3). Как видно из рисунка, верхний и нижний пояса балки переменного сечения уже не параллельны друг другу, в отличии от балки с постоянной высотой стенки.

Рис. 3. Соответствие профиля рамы из балок переменного сечения возникающим моментам

Балки переменного сечения позволяют добиться максимальной экономии металла, но при этом более трудоемки в изготовлении. Как правило, в этом типе балок применяется высокопрочная сталь С345.

Перфорированные сварные балки или балки с перфорированной стенкой получают в результате разрезания стенки прокатной балки в продольном направлении. Линия разреза, как правило, представляет собой ломаную линию в форме повторяющихся трапеций. Гребни полученных частей стыкуются между собой сварным швом.

Сечение полученной сварной балки при той же металлоемкости имеет  увеличенный до двух раз момент инерции относительно исходной прокатной балки.

Балки коробчатого сечения имеют большую жесткость на кручение, чем двутавровые и используются в конструкциях мостов и мостовых кранов. Балки коробчатого сечения отличаются повышенной сложностью в изготовлении, так как состоят из нижнего пояса, боковых вертикальных стенок, диафрагм, верхнего пояса. Отдельные сварные операции, такие как выполнение соединения диафрагм и стенок невозможно в режиме автоматической сварки из-за малого расстояния между стенками, и выполняются вручную или специальными сварными роботами.