Балки — конструктивные элементы зданий¶

Балка — это горизонтальный или наклонный строительный элемент (конструкция), воспринимающий преимущественно изгибающие нагрузки и передающий их на опоры — стены, колонны или другие несущие конструкции. Балки относятся к числу наиболее распространённых конструктивных элементов в гражданском и промышленном строительстве: они служат основой перекрытий, крыш, мостовых пролётов, а также входят в состав несущих каркасов зданий.

¶Классификация балок

Балки классифицируют по нескольким признакам.

По назначению:

• Перекрытий — воспринимают нагрузку от пола, мебели, людей и передают её на стены или колонны;
• Кровельные (стропильные) — воспринимают нагрузку от кровли, снега, ветра;
• Прогоны — промежуточные элементы, воспринимающие нагрузку от обшивки и передающие её на фермы или рамы;
• Балки перекрытий подвала и цоколя;
• Ригели — горизонтальные элементы рамных конструкций, соединяющие колонны.

По способу опирания:

• Однопролётные — имеют две опоры;
• Неразрезные — опираются на три и более опор и работают как непрерывные балки;
• Консольные — имеют одну жёсткую заделку и выступающий свободный конец;
• Балки-подвески — подвешены к другим конструкциям.

По поперечному сечению:

• Прямоугольные и квадратные;
• Тавровые;
• Двутавровые;
• Коробчатые (замкнутые);
• Круглые и кольцевые.

По материалу:

• Деревянные — брус, бревно, клеёный брус, клеёные деревянные конструкции;
• Стальные (металлические) — фасонные (двутавры, швеллеры, уголки) или сварные;
• Железобетонные — монолитные или сборные, обычные и предварительно напряжённые;
• Комбинированные (дерево-металлические, бетон-сталь).

¶Расчёт балок

Основной расчёт балки сводится к определению внутренних усилий (изгибающего момента M и поперечной силы Q) и проверке прочности, жёсткости и устойчивости.

Простейшая формула прочности при изгибе:

σ = M / W ≤ R,

где M — максимальный изгибающий момент, W — момент сопротивления сечения, R — допускаемое напряжение для материала.

При расчёте учитывают:

• собственный вес балки;
• постоянные нагрузки (пол, перекрытие, инженерные сети);
• временные длительные нагрузки (мебель, оборудование);
• кратковременные нагрузки (снег, ветер, передвижение людей).

Для деревянных балок дополнительно проверяют расчёт на прогиб (жёсткость) — допустимый прогиб обычно ограничивается величиной L/200…L/250, где L — пролёт. Для железобетонных балок проверяют раскрытие трещин и предварительно напряжённые балки рассчитывают по II группе предельных состояний.

¶Материалы и конструктивные решения

¶Деревянные балки

Деревянные балки применяются в малоэтажном строительстве. Наиболее распространённые сечения — прямоугольные (например, 100×150, 150×200, 200×250 мм). Шаг балок перекрытия обычно составляет 0,6–1,0 м. Для увеличения пролёта применяют клеёный брус, а также двутавровые деревянные балки заводского изготовления, у которых тонкая стенка из OSB или фанеры соединяет верхний и нижний пояса из массива хвойных пород.

¶Стальные балки

Стальные балки изготавливают из горячекатаных двутавров (ГОСТ Р 57837-2017 в России), швеллеров, а также сварных коробчатых и двутавровых сечений. Стальные балки обладают высокой удельной прочностью, что позволяет перекрывать большие пролёты при относительно небольшом весе конструкции. В зданиях стальные балки часто работают совместно с железобетонной плитой перекрытия, образуя монолитный железобетонный балочно-ребристый или балочно-плитный пол.

¶Железобетонные балки

Железобетонные балки — наиболее массовый тип балочных конструкций в многоэтажном и промышленном строительстве. Монолитные балки армируют продольной и поперечной (хомутовой) арматурой. Предварительно напряжённые балки (балки с предварительно натянутой арматурой) позволяют увеличить пролёты и уменьшить сечения. Сборные железобетонные балки заводского изготовления применяются в типовом домостроении.

¶Особенности работы балок

При изгибе в верхней зоне балки возникают сжимающие напряжения, в нижней — растягивающие. Для бетона, который плохо работает на растяжение, нижнюю зону армируют стальной арматурой. При опирании балки на стены или колонны возникают поперечные силы, максимальные, как правило, у опор, поэтому в этой зоне усиливают поперечное армирование (хомутами).

Некоторые балки работают не только на изгиб, но и на сжатие (ригели рам) или растяжение (подвесные конструкции). В мостах и покрытиях промышленных зданий применяют составные балки — фермы, где работа на изгиб заменяется работой отдельных стержней на растяжение и сжатие.

¶Применение

Балки используются практически повсеместно в строительстве:

• в жилых домах — как элементы деревянных и железобетонных перекрытий;
• в промышленных зданиях — как колонны, ригели, подкрановые балки для подъездных кранов;
• в мостах — как основные несущие элементы балочных мостов;
• в эстакадах, тоннелях, плотинах;
• в опалубке и временных конструкциях.

¶История

Деревянные балки применяются с древнейших времён — они служили перекрытиями в жилищах первобытных людей и античных построек. Стальные балки получили распространение во второй половине XIX века вместе с развитием массового производства стали и строительством первых металлических мостов и высотных зданий. Железобетонные балки появились в конце XIX — начале XX века после изобретения железобетона как материала (Жозеф Монье, Джозеф Асплин, Франсуа Эннебек).

¶Источники

• ГОСТ 21.501-2018. Правила выполнения рабочей документации архитектурных и конструктивных решений.
• ГОСТ Р 57837-2017. Балки двутавровые горячекатаные стальные.
• СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия.
• СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры.
• Касьянов Л. А. «Деревянные конструкции».