Promiennie się uśmiecham

Ta belka dwuteowa służy do podtrzymywania pierwszego piętra domu.

Belka dwuteowa , znana również jako dwuteownik (dla kolumny uniwersalnej , UC ), belka dwuteowa (dla „szerokiego kołnierza”), belka uniwersalna ( UB ), belka stalowa walcowana ( RSJ ) lub dwuteownik (zwłaszcza w polskim , bułgarskim , hiszpańskim , włoskim i niemieckim ) jest belką o kształcie litery I lub H przekrój . Poziome elementy I to kołnierze , a pionowy element to „środnik”. Belki dwuteowe są zwykle wykonane ze stali konstrukcyjnej i są stosowane w budownictwie i inżynierii lądowej.

Środnik opiera się siłom ścinającym , podczas gdy półki wytrzymują większość momentu zginającego działającego na belkę. Równanie belki Eulera-Bernoulliego pokazuje , że przekrój w kształcie litery I jest bardzo wydajną formą przenoszenia zarówno obciążeń zginających , jak i ścinających w płaszczyźnie środnika. Z drugiej strony, przekrój poprzeczny ma zmniejszoną nośność w kierunku poprzecznym, a także jest nieefektywny w przenoszeniu skręcania , w przypadku którego często preferowane są puste w środku kształtowniki konstrukcyjne .

Historia

Metoda wytwarzania belki dwuteowej walcowanej z jednego kawałka kutego żelaza została opatentowana przez Alphonse'a Halbou z firmy Forges de la Providence w 1849 roku.

Bethlehem Steel był wiodącym dostawcą walcowanej stali konstrukcyjnej o różnych przekrojach dla amerykańskich mostów i drapaczy chmur w połowie XX wieku. Obecnie przekroje walcowane zostały w takich pracach częściowo wyparte przez przekroje prefabrykowane .

Przegląd

Typowy przekrój belek dwuteowych.

Istnieją dwie standardowe formy dwuteowników:

Dwuteownik walcowany, formowany przez walcowanie na gorąco , walcowanie na zimno lub wytłaczanie (w zależności od materiału).
Blachownica , utworzona przez spawanie (lub okazjonalnie skręcanie lub nitowanie ) płyt.

Belki dwuteowe są zwykle wykonane ze stali konstrukcyjnej , ale mogą być również formowane z aluminium lub innych materiałów. Powszechnym typem belki dwuteowej jest belka ze stali walcowanej (RSJ) - czasami błędnie renderowana jako belka ze stali zbrojonej . Normy brytyjskie i europejskie określają również belki uniwersalne (UB) i kolumny uniwersalne (UC). Te sekcje mają równoległe kołnierze, w przeciwieństwie do kołnierzy RSJ o różnej grubości, które są obecnie rzadko walcowane w Wielkiej Brytanii. Kołnierze równoległe są łatwiejsze do połączenia i eliminują potrzebę stosowania podkładek stożkowych. UC mają równą lub prawie taką samą szerokość i głębokość i są bardziej przystosowane do orientacji pionowej w celu przenoszenia obciążeń osiowych, takich jak słupy w konstrukcjach wielokondygnacyjnych, podczas gdy UB są znacznie głębsze niż szerokie i lepiej nadają się do przenoszenia obciążeń zginających, takich jak belki elementy w podłogach.

Belki dwuteowe — belki dwuteowe wykonane z drewna z płytą pilśniową i/lub tarcicą fornirowaną — stają się coraz bardziej popularne w budownictwie, zwłaszcza mieszkalnym, ponieważ są zarówno lżejsze, jak i mniej podatne na wypaczanie niż legary z litego drewna . Jednak pojawiły się obawy co do ich szybkiej utraty siły w ogniu, jeśli nie są chronione.

Projekt

Ilustracja belki dwuteowej wibrującej w trybie skrętnym.

Dwuteowniki są szeroko stosowane w budownictwie i są dostępne w różnych standardowych rozmiarach. Dostępne są tabele umożliwiające łatwy wybór odpowiedniego rozmiaru belki stalowej dla danego obciążenia. Belki dwuteowe mogą być stosowane zarówno jako belki, jak i słupy .

Belki dwuteowe mogą być stosowane zarówno samodzielnie, jak iw połączeniu z innym materiałem, zwykle betonem . Projekt może podlegać dowolnemu z następujących kryteriów:

ugięcie : sztywność belki dwuteowej zostanie wybrana w celu zminimalizowania odkształcenia
wibracje : sztywność i masa są tak dobrane, aby zapobiegać niedopuszczalnym wibracjom, szczególnie w miejscach wrażliwych na wibracje, takich jak biura i biblioteki
zniszczenie przy zginaniu przez uplastycznienie : gdzie naprężenie w przekroju poprzecznym przekracza granicę plastyczności
zniszczenie przy zginaniu w wyniku bocznego wyboczenia skrętnego : gdy pas ściskany ma tendencję do wyginania się na boki lub cały przekrój wygina się skrętnie
zniszczenie przy zginaniu przez miejscowe wyboczenie : gdy pas lub środnik są tak smukłe, że ulegają miejscowemu wyboczeniu
plastyczność lokalna: spowodowana obciążeniami skupionymi, np. w punkcie podparcia belki
awaria ścinania: gdzie sieć zawodzi. Smukłe wstęgi ulegną zniszczeniu w wyniku wyboczenia, pofałdowania w zjawisku zwanym działaniem pola naprężenia , ale sztywność kołnierzy przeciwdziała również zniszczeniu przy ścinaniu
wyboczenie lub uginanie się elementów: na przykład usztywnień stosowanych w celu zapewnienia stabilności środnika belki dwuteowej.

Projekt do gięcia

Największe naprężenia (

)

w zginanej belce występują w miejscach najbardziej oddalonych od

Belka pod zginaniem wykazuje duże naprężenia wzdłuż włókien osiowych, które znajdują się najdalej od osi neutralnej . Aby zapobiec awariom, większość materiału w belce musi znajdować się w tych obszarach. Stosunkowo mało materiału jest potrzebne w obszarze blisko osi neutralnej. Ta obserwacja jest podstawą przekroju belki dwuteowej; oś neutralna biegnie wzdłuż środka wstęgi, która może być stosunkowo cienka, a większość materiału może być skoncentrowana w kołnierzach.

Idealna belka to taka, która ma najmniejszą powierzchnię przekroju poprzecznego (a zatem wymaga najmniejszej ilości materiału) potrzebnej do uzyskania danego modułu przekroju . Ponieważ moduł przekroju zależy od wartości momentu bezwładności , wydajna belka musi mieć większość swojego materiału jak najdalej od osi neutralnej. Im dalej dana ilość materiału znajduje się od osi neutralnej, tym większy jest moduł przekroju, a tym samym można oprzeć się większemu momentowi zginającemu.

Podczas projektowania symetrycznej belki dwuteowej, aby wytrzymać naprężenia spowodowane zginaniem, zwykle punktem wyjścia jest wymagany moduł przekroju. Jeżeli dopuszczalne naprężenie wynosi $σ max$ , a maksymalny oczekiwany moment zginający to $M max$ , to wymagany wskaźnik przekroju wyraża się wzorem

{\ Displaystyle S = {\ cfrac {M _ {\ operatorname {max}}} {\ sigma _ {\ operatorname {max}}}} = {\ frac {ja }{C}}}

gdzie $I$ to moment bezwładności przekroju poprzecznego belki, a $c$ to odległość wierzchołka belki od osi neutralnej ( więcej szczegółów w teorii belki ).

Dla belki o polu przekroju $a$ i wysokości $h$ idealny przekrój poprzeczny miałby połowę pola w odległości $.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num,.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0 0.1em}.mw-parser-output .sfrac .den{border-top:1px solid}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px} h / 2$ nad przekrojem, a drugą połowę w odległości $h / 2$ poniżej przekroju. Do tego przekroju

{\ Displaystyle I = {\ Frac {ah ^ {2}}} {4}} \ \ quad S = {\ Frac {1} {2}} ah}

Jednak nigdy nie można osiągnąć tych idealnych warunków, ponieważ materiał jest potrzebny we wstędze z powodów fizycznych, w tym odporności na wyboczenie. W przypadku belek szerokostopowych moduł przekroju wynosi w przybliżeniu

{\ Displaystyle S \ około 0,35ah}

co jest lepsze niż osiągane przez prostokątne belki i okrągłe belki.

Kwestie

Chociaż belki dwuteowe doskonale nadają się do zginania jednokierunkowego w płaszczyźnie równoległej do środnika, nie sprawdzają się tak dobrze w zginaniu dwukierunkowym. Belki te wykazują również niewielką odporność na skręcanie i ulegają wypaczeniu przekroju pod obciążeniem skrętnym. W przypadku problemów zdominowanych przez skręcanie belki skrzynkowe i inne rodzaje sztywnych przekrojów są preferowane zamiast belek dwuteowych.

Kształty i materiały (USA)

Zardzewiały nitowany stalowy dwuteownik

W Stanach Zjednoczonych najczęściej wymienianą belką dwuteową jest kształt szerokiego kołnierza (W). Belki te mają półki, których powierzchnie wewnętrzne są równoległe na większości ich powierzchni. Inne belki dwuteowe obejmują kształty American Standard (oznaczone jako S), w których wewnętrzne powierzchnie kołnierza nie są równoległe, oraz pale typu H (oznaczone jako HP), które są zwykle używane jako fundamenty pali. Kształty z szerokim kołnierzem są dostępne w gatunku ASTM A992, który generalnie zastąpił starsze gatunki ASTM A572 i A36. Zakresy granicy plastyczności:

A36: 36 000 psi (250 MPa )
A572: 42 000–60 000 psi (290–410 MPa), z 50 000 psi (340 MPa) najczęściej
A588: podobny do A572
A992: 50 000–65 000 psi (340–450 MPa)

Podobnie jak większość produktów stalowych, belki dwuteowe często zawierają pewne materiały pochodzące z recyklingu.

Normy

Następujące normy określają kształt i tolerancje stalowych profili dwuteowych:

Normy europejskie

EN 10024, Kształtowniki I z kołnierzem stożkowym walcowanym na gorąco – Tolerancje kształtu i wymiarów.
EN 10034 , Konstrukcyjne profile stalowe I i H – Tolerancje kształtu i wymiarów.
EN 10162, Kształtowniki stalowe walcowane na zimno – Warunki techniczne dostawy – Tolerancje wymiarów i przekrojów

Podręcznik AISC

Amerykański Instytut Konstrukcji Stalowych (AISC) publikuje Podręcznik konstrukcji stalowych do projektowania konstrukcji o różnych kształtach. Dokumentuje wspólne podejścia, projektowanie dopuszczalnej wytrzymałości (ASD) oraz projektowanie współczynnika obciążenia i oporu (LRFD) (począwszy od wydania 13.) do tworzenia takich projektów.

Inny

DIN 1025-5
ASTM A6, Amerykańskie Standardowe Belki
BS 4-1
IS 808 – Wymiary stalowych belek, słupów, ceowników i kątowników walcowanych na gorąco
AS/NZS 3679.1 – standard Australii i Nowej Zelandii

Oznaczenie i terminologia

Dwuteownik z szerokim kołnierzem.

W Stanach Zjednoczonych stalowe belki dwuteowe są zwykle określane na podstawie głębokości i ciężaru belki. Na przykład belka „W10x22” ma około 10 cali (254 mm) głębokości (nominalna wysokość belki dwuteowej od zewnętrznej powierzchni jednej półki do zewnętrznej powierzchni drugiej półki) i waży 22 funty/stopę (33 kg/m). Belki z szerokimi półkami często różnią się od ich nominalnej głębokości. W przypadku serii W14 mogą one mieć aż 22,84 cala (580 mm).
W Kanadzie stalowe belki dwuteowe są obecnie powszechnie określane na podstawie głębokości i ciężaru belki w jednostkach metrycznych. Na przykład belka „W250x33” ma około 250 milimetrów (9,8 cala) głębokości (wysokość belki dwuteowej od zewnętrznej powierzchni jednej półki do zewnętrznej powierzchni drugiej półki) i waży około 33 kg/m (22 funty na stopę; 67 funtów na jard). Belki dwuteowe są nadal dostępne w rozmiarach amerykańskich od wielu kanadyjskich producentów.
W Meksyku stalowe belki dwuteowe nazywane są IR i są powszechnie określane na podstawie głębokości i ciężaru belki w jednostkach metrycznych. Na przykład belka „IR250x33” ma głębokość około 250 mm (9,8 cala) (wysokość belki dwuteowej od zewnętrznej powierzchni jednej półki do zewnętrznej powierzchni drugiej półki) i waży około 33 kg/m (22 funt/stopę).
W Indiach belki dwuteowe są oznaczone jako ISMB, ISJB, ISLB, ISWB. ISMB: indyjskie standardowe belki średniej wagi, ISJB: indyjskie standardowe belki Junior, ISLB: indyjskie standardowe lekkie belki i ISWB: indyjskie standardowe belki z szerokimi kołnierzami. Belki są oznaczane zgodnie z odpowiednim skróconym odnośnikiem, po którym następuje głębokość przekroju, na przykład ISMB 450 , gdzie 450 to głębokość przekroju w milimetrach (mm). Wymiary tych belek są klasyfikowane zgodnie z IS:808 (zgodnie z BIS ). ^{[ potrzebne źródło ]}
W Wielkiej Brytanii te profile stalowe są zwykle określane za pomocą kodu składającego się z wymiaru głównego (zwykle głębokości)-x-wymiaru mniejszego-x-masy na metr-zakończonego typem przekroju, przy czym wszystkie wymiary są metryczne. Dlatego 152x152x23UC byłby sekcją słupa (UC = uniwersalna kolumna) o głębokości około 152 mm (6,0 cali), szerokości 152 mm i wadze 23 kg/m (46 funtów/jard) długości.
W Australii te profile stalowe są powszechnie nazywane belkami uniwersalnymi (UB) lub słupami (UC). Oznaczenie dla każdego jest podane jako przybliżona wysokość belki, typ (belka lub słup), a następnie stawka jednostkowa (np. 460UB67.1 to belka uniwersalna o głębokości około 460 mm (18,1 cala), która waży 67,1 kg / m (135 funtów / jard)).

Belki ażurowe

Belki ażurowe to nowoczesna wersja tradycyjnej „ belki ażurowej ”, w wyniku której belka jest o około 40–60% głębsza niż jej przekrój macierzysty. Dokładna głębokość wykończenia, średnica komórek i odstępy między komórkami są elastyczne. Belka ażurowa jest do 1,5 razy mocniejsza niż jej sekcja macierzysta i dlatego jest wykorzystywana do tworzenia wydajnych konstrukcji o dużej rozpiętości.

Zobacz też

Kanadyjski Instytut Konstrukcji Stalowych
Belka C, znana również jako kanał konstrukcyjny lub równoległy kanał kołnierzowy (PFC)
DIN 1025 – norma DIN określająca wymiary, masy i właściwości przekroju zestawu dwuteowników
Belka stalowa otwarta
Wzmocniony beton
Konstrukcja stalowa
Kąt konstrukcyjny
belka teowa
Otwór dostępowy do spawania

Dalsza lektura

Ashby, MF (2005). Wybór materiałów w projektowaniu mechanicznym (wyd. 3). Oksford; Boston: Elsevier Butterworth-Heinemann. ISBN 9780750661683 . Patrz rozdział 8, punkty 8.4 („Legi stropowe: drewno czy stal?”) i 8.5 („Zwiększenie sztywności blachy stalowej”).

Linki zewnętrzne