О проекте
Курсы
Публикации
Контакты
ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ
Логотип Structuristik
Подкаст
Акции
PlayCAD
Подпишитесь на наши новости
Close
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ STRUCTURISTIK
Даю согласие на обработку персональных данных.
НАМ 5 ЛЕТ! | - 20 000 ₽ НА ВСЕ КУРСЫ
промокод BDAY5
ДЫРОК В БАЛКАХ МНОГО НЕ БЫВАЕТ
В любом современном офисном или жилом здании есть необходимость прокладки инженерных коммуникаций в пространстве межэтажного перекрытия. В зданиях с железобетонными безбалочными перекрытиями эта проблема на стоит так остро как в случае применения композитных перекрытий по стальным балкам. В последнем случае для того чтобы остаться в пределах заданной строительной высоты приходиться идти на различные ухищрения. Одним из таких ухищрений является устройство отверстий (дырок) для прокладки коммуникаций в стенках балок таких перекрытий (Рисунок 1). Само собой, эти отверстия не могут не влиять на несущую способность и жесткость балки и конструкции в целом.
Рисунок 1
Цель исследования
В данной статье приведены результаты исследования влияния отверстий в стенках балок, необходимых для прокладки инженерных коммуникаций, на напряженно-деформированное состояние балок. Оценка влияния производилась путем сравнения деформаций балки с отверстиями с балкой без отверстий. Таким образом оценивалось снижение жесткости балки из-за выполнения отверстий, которая может негативно сказаться на жесткости всего каркаса и распределении усилий в нем.

В литературе существуют рекомендации по назначению мест расположения отверстий, их размеров и размеров обрамления. Так же приводиться необходимые формулы для проверки прочности балок в местах отверстий. Данные рекомендации можно найти в документе INSDAAG - Steel Design Lectures - Chapter 28, а также в документе «AISC Design Guide 02 – Steel And Composite Beams with Web Openings».
Исходные данные
Оценка проводилась на примере рассмотрении балки IPE 750×196 пролетом 9 м. Данный профиль используется в качестве основного для главных балок каркаса МФЗ Лахта 2. Рассмотрены 2 случая граничных условий: 1 — шарнирное опирание, 2 — жесткая заделка. Нагрузка на балку принималась 180 кН/м, что соответствует равномерно распределенной нагрузке 20 кПа. Для каждого случая граничных условий рассмотрены несколько случаев расположения и размеров отверстий. В каждом случае отверстия имеют усиление горизонтальными ребрами (Рисунок 1 и 2)
Рисунок 2
Рисунок 3
Стоит отметить, что производилось сравнение деформаций балки с отверстиями с деформациями балки без отверстий смоделированных элементами оболочек. Это сделано по той причине, что классическая балочная теория не учитывает деформации сдвига ввиду их незначительности. Однако, для рассматриваемого случая разница между балочной и оболочечной моделью достигает 5% для шарнирно опертой балки, и 32% для жестко защемленной балки. Фактором обуславливающем разницу является соотношение высоты сечения к длине пролета, оно составляет 1/12 и является достаточно высоким по сравнению с обычными балками в которых соотношение составляет около 1/20. При значении 1/20 для шарнирно опертой балки сдвиговые деформации будут пренебрежительно малы по сравнению с изгибными. Для жестко защемлённой балки это соотношение должно быть значительно ниже, соответственно разница в деформациях между стержневой и оболочечной моделью больше. Именно стенка балки является элементом, обеспечивающим сдвиговую жёсткость, поэтому выполнение отверстий в стенке будет сказывается в первую очередь на величине сдвиговых деформаций
Результаты
В Таблице 1 приведены результаты для случая шарнирно опёртой балки, в Таблице 2 — для жестко защемленной балки.

Обозначения в таблицах:
d — высота балки
h0 — высота отверстия
a0 — ширина отверстия
Δ - разница деформаций нижней точки середины пролета балки без отверстий и балки с отверстиями (для балки без отвертсий показана разница деформаций стержневой модели и оболочечной)
Таблица 1
Отверстия отсутсвуют
Δ=4,8%
1
2
h0=0,58d
a 0=2.56h0
Δ=-4%
3
h0=0,46d
a 0=2.86h0
Δ=-3,3%
4
h0=0,46d
a 0=2h0
Δ=-2,7%
5
h0=0,58d
a 0=2.56h0
k=2.6d
Δ=15%
6
7
h0=0,46d
a0=2.86h0
k=2.6d
Δ=4,9%
h0=0,46d
a 0=2h0
k=2.6d
Δ=2%
Таблица 2
Отверстия отсутсвуют
Δ=4,8%
1
2
h0=0,58d
a 0=2.56h0
Δ=-5,8%
3
h0=0,46d
a 0=2.86h0
Δ=-4,8%
4
h0=0,46d
a 0=2h0
Δ=-3,9%
5
h0=0,58d
a 0=2.56h0
k=2.6d
Δ=73,6%
6
7
h0=0,46d
a 0=2.86h0
k=2.6d
Δ=29,7%
h0=0,46d
a0=2h0
k=2.6d
Δ=15,9%
При анализе результатов для обоих случаев при расположении отверстий в центре балки можно заметить казалось бы парадоксальную ситуацию — деформации низа балки с отверстиями меньше чем в балке без отверстия (нижняя точка середины пролета). Это объясняется тем что при выполнении отверстия в середине, верхняя часть сечения за счет передаёт нагрузки к краям отверстия, тем самым как бы разгружая нижнюю часть. Там не менее разница для всех трех случаев минимальна за счет того, что отверстия расположено в зоне минимальной поперечной силы.

При размещении двух отверстий ближе к опорам наблюдается естественное увеличение деформаций. Для шарнирно опертой балки это увеличение ощутимо только для случаев 5 и 6, для жестко защемленной балки для всех случаев с двумя отверстиями 5−7. Это происходит из-за того, что отверстия расположены в местах где поперечная сила имеет существенное значение.
Выводы
При выполнении статических расчётов каркаса влиянием отверстий на жесткость балок можно пренебречь при соблюдении всех нижеописанных указаний.

При назначении размеров отверстий и их расположения в шарнирно опертых балках следует руководствоваться документами INSDAAG - Steel Design Lectures - Chapter 28 и «AISC Design Guide 02 – Steel And Composite Beams with Web Openings». Проверку прочности ослабленного сечения балки следует производить по указаниями в документе «AISC Design Guide 02 – Steel And Composite Beams with Web Openings».

При назначении отверстий в рамных балках каркаса, следует проявлять особую осторожность и по возможности избегать их. При необходимости назначения отверстий в данных балках, их размеры следует назначать минимально возможными и располагать их в зонах минимальной поперечной силы. Для реальной оценки влияния отверстий на жесткости балки, а также проверку прочности можно выполнить используя, оболочечную модель балки с отверстиями.
ПУБЛИКАЦИИ