Балка перекрытия — это горизонтальный несущий стержневой элемент, который воспринимает нагрузку от настила перекрытия и распределяет её на вертикальные несущие конструкции здания.
Виды балочных перекрытий
Перекрытия зданий подразделяются на балочные и безбалочные. Балочный тип перекрытия предполагает использование балок, расположенных в одном или нескольких направлениях, в то время как безбалочные перекрытия выполняются в виде плит, которые при необходимости дополняются капителями.
Перекрытия балочного типа могут выполняться из различных материалов: железобетона, дерева или стали. Стальные балочные перекрытия широко применяются при строительстве общественных зданий разного назначения — офисов, школ, торговых и выставочных центров, а также часто используются в складских и логистических комплексах.
Одним из вариантов устройства стальных балочных перекрытий является использование сборных железобетонных плит, которые могут опираться как на верхнюю полку балок, так и размещаться внутри их сечения. Во втором случае ригель скрыт в теле перекрытия, что позволяет увеличить полезную высоту помещения — до 40 см на этаж. Кроме того, применение сборных железобетонных плит обеспечивает высокую скорость монтажа и минимизацию мокрых процессов на строительной площадке.
Рисунок 1 — Перекрытие со скрытым ригелем
Наиболее распространённым вариантом настила для стальных балочных перекрытий является монолитный железобетон, устраиваемый по несъёмной опалубке из профилированного листа. При этом возможно обеспечение совместной работы жб-плиты и балок с помощью специальных сдвиговых упоров (например, стад-болтов), что позволяет реализовать композитную сталежелезобетонную конструкцию с улучшенными характеристиками: большей жёсткостью, сниженной металлоёмкостью и уменьшенной высотой сечения.
Рисунок 2 — Сталежелезобетонное перекрытие
Из каких элементов состоят балочные перекрытия
Балочное перекрытие состоит из главных и второстепенных балок. Главные балки опираются на колонны или стены, а второстепенные — на главные балки. На главные балки приходится большая нагрузка, так как они перекрывают большую грузовую площадь, тогда как второстепенные балки нагружаются значительно меньше. Система, образованная главными и второстепенными балками, называется балочной клеткой.
При проектировании балочных клеток обычно ориентируются на следующие параметры:
-
Высота главных балок принимается в пределах 1/13–1/15 от пролёта
-
Высота второстепенных балок — 1/20–1/30 от пролёта
- Шаг второстепенных балок обычно составляет от 2 до 5 метров. Его выбирают так, чтобы разделить пролёт на равные части, при этом шаг определяется с учетом действующих нагрузок и типа используемого настила
На что обращать внимание при выборе ориентации главных и второстепенных балок
Рамная система и направление главных балок
Если главные балки жёстко сопряжены с колоннами, то они выполняют функцию ригелей рам, воспринимающих горизонтальные нагрузки и обеспечивающих поперечную жёсткость здания. Поэтому при определении ориентации главных и второстепенных балок в первую очередь необходимо определить расположение рам и связей, опираясь на исходные данные проекта.
Важно учитывать, что жёсткость рамы увеличивается при уменьшении длины ригеля, поэтому главные балки, выполняющие роль ригеля, рекомендуется располагать в меньших пролётах: как видно на Рисунке 3, горизонтальные перемещения каркаса снижаются при расположении жестких узлов в коротких пролётах.
Рисунок 3 — Сравнение горизонтальной жёсткости каркаса при расположении рам в разных пролётах
Помимо обеспечения поперечной жёсткости, применение рамных узлов также позволяет уменьшить изгибающий момент в центре пролёта и снизить прогиб балки. Благодаря этому можно перейти на меньшие сечения балок и сократить металлоёмкость конструкции. Однако, в то же время, применение рамных узлов усложняет изготовление и монтаж, поэтому их количество следует минимизировать и не размещать рамы во всех пролётах.
После определения необходимого числа и расположения ригелей рам, в том же направлении в остальных пролётах размещают главные балки. При таком подходе главные балки крепятся к полкам колонн, а не к их стенкам, что, помимо прочего, является более рациональным с точки зрения работы узлов.
Рисунок 4 — Пример расположения главных балок и ригелей рам
Варианты ориентации балок в зависимости от сетки колонн
Для сеток колонн с квадратной ячейкой второстепенные балки воспринимают меньшую нагрузку по сравнению с главными, поэтому для них применяются меньшие размеры сечений. В случае сеток колонн с прямоугольной ячейкой существуют два типа конструктивных решений балочных перекрытий:
- Главные балки ориентируют по большему пролёту, а второстепенные — по меньшему.
- Главные балки располагают по меньшему пролёту, а второстепенные — по большему.
В первом варианте возникает значительная разница в сечениях: второстепенные балки получаются менее массивными по сравнению с главными. Во втором варианте сечения главных и второстепенных балок можно подобрать близкими по высоте. При этом оба варианта, как правило, не имеют существенных различий по металлоёмкости.
Рисунок 5 — Варианты ориентации главных и второстепенных балок
Выбор оптимальной схемы раскладки балок часто определяется необходимостью интеграции инженерных коммуникаций. Если высота главных и второстепенных балок существенно различается, пространство между ними удобно использовать для прокладки инженерных систем — в этом случае отверстия выполняются только в главных балках. Если же высоты сечений схожи, отверстия приходится делать и в главных, и во второстепенных балках.
Ориентация второстепенных балок по большему пролёту может быть целесообразна при значительных нагрузках на перекрытие, когда в противном случае возникает необходимость применения сварных сечений, что может значительно увеличить трудоёмкость изготовления конструкций.
В зависимости от геометрии перекрытия и расположения колонн представленные варианты могут различаться по количеству отправочных марок при одинаковой металлоёмкости. При этом разница в стоимости изготовления и монтажа балок разного сечения, как правило, несущественна, поэтому основная экономия достигается за счёт сокращения общего количества элементов. Этот аспект также необходимо учитывать при компоновке балочного перекрытия.
Балки перекрытия — какие выбрать
Балки перекрытия выбираются с учетом требований прочности и жёсткости. При небольших пролётах и значительных нагрузках подбор ведется по первой группе предельных состояний — прочности или устойчивости; в таких случаях целесообразно применять сталь повышенной прочности (пример балочного перекрытия из высокопрочной стали).
Однако на практике подбор балок часто осуществляется по условиям предельных прогибов, исходя из эстетико-психологических и физиологических требований (Приложение Д.2 СП 20.13330.2016). В таком случае также есть опция строительного подъема балок, которая обеспечивает достижение конструкциями проектной формы под действием эксплуатационных нагрузок.
Поскольку балки перекрытия работают преимущественно на изгиб, наиболее эффективным для них является двутавровое сечение (при равной площади сечения момент инерции двутавра будет на порядок выше, чем у прямоугольного сечения). Кроме того, применение двутаврового сечения облегчает компоновку узлов сопряжения, поэтому оно является наиболее распространённым вариантом для балок перекрытия.
Подбор сечения балок перекрытия в зависимости от пролёта, а также варианты узлов крепления для различных типов перекрытия приведены в альбомах типовых технических решений:
