Что такое металлические балки перекрытия, как их рассчитать и смонтировать?

Что такое балки и из чего изготавливаются

Балка — это важный элемент в конструкции, она ставится для повышения устойчивости и укрепления конструкции. Металлические балки изготавливаются чаще всего из стали, их действие направлено на изгиб. Если сооружение слишком массивное, то балка изготавливается двутавровая, она похожа на две соединенные буквы т. При таком сечении нагрузка на материал распределяется равномерно и повышается сопротивляемость. Балки бывают не только из металлических соединений, есть также деревянные, они используются в более простом строительстве, они не могут изготавливаться с разными видами сечения, поэтому представляют собой обычный брус с разной длиной и шириной.

Типы и особенности металлических перекрытий

Металлоконструкции перекрытий изготавливаются в нескольких типах, в зависимости от их целей использования. Выбор зависит, в первую очередь, от назначения постройки – крупное производственное помещение, многоуровневая квартира, дом, либо просто временное сооружение.

1. Перекрытия из сортового металлопроката

Такие металлические перекрытия хоть и считаются универсальными, но чаще всего используются при возведении крупных объектов, как правило, промышленного назначения. Двутавровое сечение обеспечивает равномерное распределение нагрузки и высокую жёсткость, поэтому проектирование перекрытий промышленных объектов можно проводить с допусками повышенного давления на полы верхних этажей.

Подобные варианты универсальны тем, что существует широкий выбор видов проката, в зависимости от предполагаемых целей использования. В качестве разновидностей чаще всего применяются холодно- или горячекатаный прокат либо просечно-вытяжные листы.

2. Перекрытия с несущими стальными балками

Такие металлические перекрытия довольно просты как в изготовлении, так и в монтаже. Прочность обеспечивается за счёт выдерживания существующих норм по жёсткости материала, а также по правилам распределения нагрузки. На эти металлоконструкции перекрытий можно легко уложить любой тип настила, а сами конструкции могут быть сварными или катаными, в зависимости от сферы применения.

Стальные балки широко используются при возведении высотных зданий большой площади. Применение такого материала увеличивает оперативность создания постройки и позволяет широко использовать возможности по внедрению нестандартных проектов, поскольку балки, в отличие от, например, железобетонных плит, более удобны для работы.

3. Монолитные металлические балки перекрытия

Этот вариант представляет собой набор балок, поверх которого укладываются листы определённого профиля. Использование различных вариантов решетчатых ферм вместо балок, позволяет снизить общий вес конструкции, что очень хорошо подойдёт для строительства домов или перепланировке квартир. Выполняя монтаж перекрытия в квартире можно рассчитывать на общую экономию стройматериалов и в первую очередь бетона и армирующего материала без экономии на прочности.

Изготовление балок перекрытия в виде монолитных конструкций позволяет добиться высокой степени жёсткости при небольшом весе, причём такая технология позволяет оперировать множеством видов профильных форм. Учитывая то, что проект перекрытия в квартире может подразумевать разные степени нагрузки на полы верхних этажей, подобный вариант очень популярный именно для жилых помещений.

Достоинства и недостатки перекрытий из металла

Металлические перекрытия, изготовление которых в последнее время ведётся с использованием современных технологий, отличаются высокой прочностью и простотой в монтаже. В отличие от классических бетонных или деревянных, такие варианты позволяют снизить затраты на стройматериалы, поскольку при повышенных технических характеристиках они значительно меньше в объёмах и проще в изготовлении.

Особенно стоит выделить металлические перекрытия, монтаж которых ведётся в жилых домах или многоуровневых квартирах. Как правило, такие помещения имеют нестандартную планировку, особенно если говорить о таком популярном в последнее время проекте, как постройка лофтов. Деревянные варианты могут быть неприемлемы по тем или иным причинам, а железобетонные и вовсе не удобны в монтаже для комнат с необычным дизайном и планировкой. Именно поэтому как раз металлические перекрытия завоевали большую популярность в подобной сфере использования.

Среди недостатков можно выделить практически единственный – строительные нормы требуют противопожарной защиты подобных элементов. Впрочем, особенной проблемы такое требованием не составляет и все производители могут выполнить не только покрытие изделий огнестойкими сплавами, а и провести антикоррозийную защиту, что значительно увеличит срок службы элементов строительной конструкции.

Совместная работа стальных балок и монолитного перекрытия

При расчете конструкций зданий и сооружений инженер выполняет построение расчетной модели из конечных элементов и, как правило, модель подходит только для одного расчетного случая. В заметке рассмотрим сложности при работе со стальной балочной клеткой, на которую опирается монолитная железобетонная плита.

Представим задачу: необходимо выполнить расчет несущей способности стальной балки, если известны конструкция балок (длина, шаг) и конструкция покрытия. По большинству рекомендаций инженер без труда вычислит грузовую площадь, составит расчетную схему в виде балки, приложит нагрузку и получит изгибающий момент, который и пойдет для проверки сечения.

Рис. 1 Грузовая площадь балки

Алюминиевые и стальные перекрытия, их плюсы и минусы.

В строительстве также часто используется алюминий, точнее его сплавы, он довольно устойчив к воздействию окружающей среды, но не умеет такой устойчивости при весовой нагрузке. В сравнении со стальными, они легче и тоньше, но чаще всего их приходится утолщать для дополнительной прочности. В возведении конструкций можно использовать оба материала, в зависимости от объемов строительства, так как промышленное производство представляет собой более объемные работы с сильными укреплениями, а вот небольшие постройки можно монтировать из алюминия, он экономичен и прост в использовании.

Есть одна важная особенность — металл при воздействии высоких температур плавится, буквально тает, создавая однородную массу, которая не подлежит восстановлению, при этом алюминий, когда нагревается, не превращается в растаявшую лужу, а наоборот, при уменьшении температур восстанавливается до обычного вида. Конечно, не на каждом производстве окружающая среда имеет температуру в 80 градусов, поэтому ухудшения при обычном нагреве не будет. Со стороны химических обозначений, более благородные соединения у железа, а алюминий не получил признания у химиков.

Есть такое понятие, как модуль упругости, оно отвечает за устойчивость материала к регенерации после сильного давления, то есть если действие балки направлено на изгиб, то она не должна прогибаться, поэтому чем больше давление, тем выше должен быть показатель модуля упругости. Алюминиевые сплавы имеют модуль упругости 70.000 МПа, что в три раза меньше такого же показателя у железа. Именно на основании этого строится план расположения балок, рассчитывается их несущая способность.

Межэтажное перекрытие по металлическим балкам

Задача перекрытий в здании – выполнять несущую и ограждающую функции, обеспечивать пространственную жесткость сооружения, его устойчивость, разделять этажи, соединять между собой стены, передавая им нагрузку. В малоэтажном строительстве есть несколько вариантов обустройства межэтажных перекрытий. Один из них – перекрытие по металлическим балкам. Их можно также использовать для устройства чердачных и подвальных перекрытий.

Преимущества металлических перекрытий

Металлоконструкции в отличие от деревянных балок надежнее в плане пожаробезопасности, стойкости к биологической угрозе (плесень, грибок). Они:

• значительно прочнее деревянных балок, при меньшей толщине выдерживают большие нагрузки. Их использование позволяет сэкономить место, дать больше полезного пространства;
• могут быть уложены на пролеты до 24 метров. Двутавровое (швеллерное) сечение металлопроката сохраняет статичность, устойчиво к изменениям амплитуды перекрытий, не подвержено прогибам.

К недостаткам металлических перекрытий многие относят невысокие теплоизоляционные, звукоизоляционные параметры, а также вероятность коррозии. Предотвратить последнюю можно путем тщательной антикоррозийной обработки металла перед монтажом. Чтобы устранить недостатки по звукоизоляции, концы двутавров оборачивают войлоком, наглухо заделывают в кирпичные стены цементным раствором, фиксируют анкерными болтами.

Большой вес металла, возможно, потребует применения крана при монтаже конструкции. Изменить размеры балок, обрезать или нарастить их, используя сварочный аппарат, будет очень трудно. Вследствие этого надо очень точно снимать размеры пролетов, прежде чем заказать металлопрокат на предприятии.

Единственные ограничения в применении перекрытий по металлическим балкам – финансовая сторона, а также размер, тип строения. Несущая часть постройки, стены здания должны выдерживать вес металлопроката, поэтому прежде, чем покупать материалы, надо рассчитать нагрузки на балочные перекрытия.

Расчет балочных перекрытий

При выборе сечения двутавровых балок, швеллера или уголка учитывают шаг установки (не больше одного метра), ширину пролета, суммарную нагрузку от кровли и наката. Для чердачного перекрытия расчетное значение 75 кг/кв. м. При устройстве межэтажного и цокольного перекрытий рабочая нагрузка увеличивается практически вдвое (150 кг/кв. м), поэтому сечение сортового проката также увеличивают. Он должен обладать достаточной несущей способностью.

Виды межэтажных перекрытий по металлическим балкам

При строительстве частных домов, коттеджей накаты на перекрытие по металлическим балкам делают:

• деревянными, когда проемы между швеллерами заполняют досками. Это вариант сгораемого заполнения;
• с использованием облегченной железобетонной плиты (несгораемое наполнение);
• монолитными;
• монолитными на несущий профнастил, последний имеет высокий профиль и дополнительные ребра жесткости.

Устраивая деревянный настил по металлическим балкам, между двутаврами укладывают деревянные щиты. Снизу к ним прибивают дранку и оштукатуривают потолок нижнего этажа. Для обустройства пола верхнего этажа на стальные балки кладут деревянные лаги, а на них пол. В пространстве между полом и щитами устраивают гидроизоляцию соответствующих элементов, насыпают шумоизоляционный материал.

При использовании сборных железобетонных плит их укладывают на верхние и нижние полки двутавра, делая зачеканку цементным раствором нижних ж/б плит и насыпав на них звукоизоляцию. К балкам снизу приваривают сетку, по которой оштукатуривают потолок. Сверху можно положить ОСП, а затем пол.

Ж/б монолит имеет лучшие характеристики в сравнении с ж/б плитами. Благодаря монолитной структуре, у него лучше параметры теплоизоляции и шумопоглощения. Приступая к расчетам монолитного перекрытия по металлическим балкам, за основу берите наружный периметр несущей стены. Для создания опалубки используйте водостойкую фанеру, удерживайте ее с помощью временных опор. Чтобы самостоятельно рассчитать толщину плиты, выбрать сортамент арматуры либо сетки для армирования, воспользуйтесь соответствующими справочниками и пособиями по проектированию и армированию железобетонных конструкций, СНИПами.

Перекрытия по металлическим балкам: достоинства и недостатки

К качеству и прочности перекрытий в здании любой конструкции предъявляются особенно жесткие требования. Ведь от их надежности зависит сохранение целостности самого дома и безопасность проживающих в нем людей. В настоящее время в строительстве используется два типа перекрытий: балочные и безбалочные. Первые, как более прочные, применяются гораздо чаще.

Для разных типов домов используют как перекрытия по металлическим балкам, так и по деревянным, а также железобетонным. Вид несущих элементов при этом по большей мере зависит от особенностей конструкции здания. Устраивать перекрытия по деревянным балкам допустимо лишь в небольших частных домах, высота которых не превышает трех этажей. В остальных случаях применяются металлические конструкции. У них имеются как свои достоинства, так и недостатки.

Перекрытия по металлическим балкам очень прочны и надежны. Это один из их основных плюсов. Такие балки могут быть использованы для достаточно широких пролетов. Поскольку они подвержены прогибам, наиболее рациональным считается применение швеллерного и двутаврового сечения. Подобные элементы устанавливают в пролеты шириной до 24 метров. При этом шаг между ними должен быть не более одного метра. Металлические балки пожаробезопасны и устойчивы к воздействию грибков и микроорганизмов.

Однако есть у них и недостаток – они подвержены коррозии. Чтобы сделать перекрытия по металлическим балкам более надежными, последние часто оборачивают различными материалами, препятствующими доступу к ним влаги. Подобный же способ используют для того, чтобы улучшить их тепло- и звукоизоляционные качества. В случае необходимости ремонта пораженные коррозией участки укрепляют металлическими пластинами.

Правильный расчет перекрытия по металлическим балкам очень важен. Самое главное в этом вопросе – выбрать прокат с необходимыми характеристиками. Он должен обладать достаточным в каждом конкретном случае запасом прочности. При разработке проекта учитываются такие важные показатели, как ширина пролета, шаг балки, полезная нагрузка на перекрытие

При этом во внимание берется также назначение последнего и его вес. Для чердачного показатель полезной нагрузки не должен превышать 75 кг на м2

Для межэтажного и цокольного – 150 кг на м2.

При устройстве собственно перекрытия используются деревянные накаты либо облегченные железобетонные плиты. Такие конструкции способны выдерживать огромную нагрузку. Иногда применяется и монолитное перекрытие по металлическим балкам. Дело в том, что устраивать опалубку и заливать пролет бетоном без дополнительной опоры снизу достаточно проблематично. К тому же конструкция при этом получается гораздо более надежной. В некоторых случаях для монолитных перекрытий применяются и деревянные несущие элементы.

Основным достоинством такой конструкции, как перекрытие по металлическим балкам, считается ее прочность, а также относительная простота обслуживания и ремонта. Она может выдерживать колоссальную нагрузку, передавая ее на стены и опоры, повышая при этом устойчивость и жесткость всего здания в целом.

Виды и свойства

Балки различают по размерам, им присвоены номера, по которым можно подобрать нужные характеристики индивидуально для строительства:

• Размер «10» — самый маленький по стандартам, используется как перекрытие, укрепляет подвижные элементы в постройках. Можно ставить как направляющую конструкцию для подъемников, при условии, что они небольшие.
• «12» — балка будет чуть больше, и соответственно, выдерживает большее давление. Чаще всего используется как основа рам, устанавливается в механизмы и машины.
• Номер «14» более массивный и помогает создавать более нагружённые перекрытия, подлежит для монтажа в железобетонные конструкции, такие часто ставят в промышленном строительстве.
• «16» балка отличается своей прочностью и может уже быть полноценной опорой, устанавливается не только для обеспечения устойчивости гран-балок, но и для передвижения цехового транспорта по рельсовым линиям.
• Балка «18» может быть использована именно в строительстве зданий, создавая надёжную опору. Если требуется сделать опору для больших механизмов или обеспечение устойчивости широких площадей.
• «20» номер уже входит в число больших балок, она может быть основой для колонны или рам для машиностроения.
• «25» — уже не так часто используется в возведении домов, зато будет надежной порой для любых подъёмных механизмов, даже больших кранов.
• «30» номер также используется в качестве основы для подъема, но в отличие от «25» изготавливается более широким и длинным, это обеспечивает более высокую сопротивляемость при сильных нагрузках.

Применяемые материалы и оборудование

В качестве несущих балок используют различные виды металлического проката:

• двутавр номер 16 или 20;
• швеллер высотой до 20 см;
• уголок, сваренный в силовой каркас.

Для формирования выбранного конструктивного варианта, помимо несущих элементов, потребуются следующие материалы:

• бетонная смесь для формирования цельной основы;
• стандартные блоки из ячеистого бетона для сборно-монолитного варианта;
• строганные доски или готовые бетонные панели для составной конструкции.

Сооружение опалубки потребует применения следующих стройматериалов:

• деревянных щитов или влагостойкой фанеры толщиной 2 см и более;
• полиэтиленовой пленки для гидроизоляции бетонного массива;
• подпорок из металла или древесины, обеспечивающих устойчивость опалубки.

Для разных типов домов используют как перекрытия по металлическим балкам, так и по деревянным, а также железобетонным

Следует также подготовить оборудование:

• бетоносмеситель, ускоряющий процесс приготовления рабочего состава;
• сварочный аппарат, предназначенный для сварки арматурного каркаса.

Специальный инструмент для строительных мероприятий не требуется. Используется набор инструментов, имеющийся в арсенале каждого домашнего умельца.

Исходные данные для расчетов

Для каркаса потолочных перекрытий малогабаритных частных домов обычно используется двутавр 10 – 20 номеров. Характеристики этих профилей приводятся в ГОСТ 8239-72 – их линейные размеры, площади сечения, максимальные моменты сопротивления по вертикали W_y и минимальные моменты инерции J_y.

Необходимо знать тип плит, которые будут опираться на балочный каркас, а также размеры несущего периметра дома. Можно применить пустотные железобетонные плиты ПК-12-10-8 (1180 х 990 мм, масса 380 кг), а размеры дома взять 4,5 х 6 м. Балки укладываются вдоль короткой стены; шаг укладки при таком размере плит равен 1000 мм (стыки плит совпадают с продольными осями балок, при минимальном зазоре 1 см). Это потребуется для расчета распределенной нагрузки, и исходя из нее – линейной нагрузки на балку, вес самой балки по сравнению с распределенной нагрузкой мал, и при вычислении линейной нагрузки им можно пренебречь.

Распределенная нагрузка при таком типе плит будет равна 325 кгс / м2. К этому надо добавить нагрузку возможных перегородок на верхней стороне перекрытия (75 кгс / м2) и возможную временную нагрузку (200 кгс / м2). В итоге нагрузка, распределенная по площади:

Q = 325 + 75 + 200 = 600 кгс / м2,

а линейная нагрузка

q = Q * p = 600 кгс / м = 6 кгс / см.

Эта величина используется в дальнейших расчетах.

Особенности

В подобных разделяющих этажи плитах важнейшую роль играет каркас, собираемый из металлических составляющих и расчёт возникающих нагрузок. В зависимости от величины нагрузки выбирается вид создаваемой межэтажной перегородки. Они могут быть следующих видов:

• Монолитная, на основе силового каркаса из металла.
• Деревянное перекрытие по металлическим силовых элементам.
• Железобетонные сборные основания из плит.

Каждая разновидность имеет свои собственные плюсы и минусы. Однако, из всех названных типов деревянные будут как самыми легкими, так и наименее прочными. Если говорить об остальных двух типах, то монолитное основание по балкам из металла будет несколько сложнее собрать, но, оно позволит избежать использования тяжелой подъемной техники. Основания из железобетона будут собираться быстрее, но, использования тяжелого крана не избежать.

Монтируем перекрытие монолитное по металлическим балкам

После установки металлических балок, сооружения опалубки и обеспечения ее устойчивости производите работы по формированию монолитной плиты из железобетона по следующему алгоритму:

1. Проверьте отсутствие щелей в деревянной опалубке и, если необходимо, загерметизируйте их.
2. Соберите арматурный каркас, применяя металлические прутки с размером сечения 10–12 мм.
3. Уложите каркас в опалубку, обеспечив постоянный интервал до поверхности будущей бетонной плиты 4–5 см.
4. Залейте бетонную смесь в опалубку и тщательно уплотните бетонный массив с помощью вибратора.
5. Не подвергайте твердеющий раствор нагрузкам на протяжении 4 недель и затем демонтируйте опалубку.

Разновидности

Металлические конструкции отличаются по многим признакам. Это рекомендуется учитывать при выборе изделия.

По назначению

С помощью металлических балок можно создать качественное прочное перекрытие, выбрав один из вариантов.

1. Монолитное. В опалубку заливается бетон, производится усиление решеткой из арматуры. Поверхность получается бесшовной, отличается высокой прочностью.

2. Монолитно-сборное. В этом случае помимо металлических балок используются бетонные блоки, которые укладываются на стальной профиль. Участки стыков заливаются бетоном.
3. Составное. Используется комбинация материалов, то есть на несущие металлические изделия укладываются плиты, доски, панели. Этот вариант предполагает создание дополнительного утепления и звукоизоляции поверхности.

По материалу: стальные и алюминиевые

Металлические конструкции могут изготовляться из разных материалов. Самыми популярными являются стальные и алюминиевые балки для перекрытий.

• Стальные изделия изготавливаются из сплава стали способом холодного или горячего катания. Стальные конструкции бывают нескольких видов: уголок, швеллер, двутавр. Из преимуществ стальных балок можно выделить огнеустойчивость, устойчивость к гниению и внешним факторам, высокую прочность.

Основными недостатками являются: высокая стоимость, низкие показатели тепло и звукоизоляции, риск образования коррозии. Монтаж стальных конструкций невозможно осуществлять без привлечения специальной техники.

Алюминиевые балки. При их изготовлении используется не просто алюминий, а его сплавы. В строительстве такие изделия применяются реже, чем стальные аналоги, так как они уступают по показателям устойчивости при сильных нагрузках. Чаще всего алюминиевые балки применяют при строительстве малогабаритных зданий. При возведении промышленных объектов изделия из данного металла применяются только в комбинации со стальными конструкциями.

По конструкции

В современном строительстве применяют несколько разновидностей металлических балок, различных по конструкции.

1. Тавровые. Основное сечение представляет собой стенку и полку в виде буквы «Т».

2. Двутавровые. Сечение металлопроката выглядит как буква «Н». Изделие отличается большей жесткостью, чем тавровое, за счет того, что с противоположной стороны имеет дополнительную полку.

Двутавровые элементы подразделяются на несколько видов, каждый из которых имеет маркировку:

• Б – стандартные двутавры.
• Ш – изделие с широкими полями.
• У – узкополочные конструкции.
• Д – среднеполочные изделия.
• К – колонные балки. Ширина полки такого элемента может равняться высоте изделия.

Существуют двутавры не с параллельными, а с наклонными полками. Их классифицируют на специальные и обычные. Их характеристики регламентирует ГОСТ 19425-74.

Швеллер. Сечение элемента представляет собой букву «П». Эти балки считаются универсальными, применяются во всех сферах промышленности.

Расчет

Чтобы произвести выбор металлического бруса для той или иной конструкции, которая будет нести определённую нагрузку, необходимо произвести расчёт балки на прочность при изгибе. Это можно сделать, рассчитав все параметры самостоятельно по известной методике или воспользоваться онлайн-калькулятором. Для выбора балки перекрытия, делают проверку из условия на прочность, где максимальная прочность стали должна быть больше суммы отношений максимального изгибающего момента в точке действия той или иной нагрузки к осевому моменту, и поперечных сил и площади поперечного сечения в максимально нагруженной точке.

Для определения всех неизвестных параметров этого условия, вычисления проводят поочерёдно.

Сначала определяют максимально нагруженный участок балки. Для этого, строят эпюру поперечных сил и изгибающих моментов. Чтобы построить эпюру, необходимо вычислить все суммарные изгибающие моменты и поперечные силы, действующие на балку, по участкам.

Как правило, в случае металлического бруса перекрытия, расчётную схему заменяют балкой, лежащей на двух шарнирных опорах. В этих опорах возникают реакции сопротивления, у которых необходимо определить их условия:

Когда реакции определены, балку разбивают на участки по опорам. Первый участок находится от одного конца балки до опоры, второй участок располагается между опорами, третий за последней опорой и так далее. Необходимо знать, что если на одном участке имеется точка изменения нагрузки, то её нужно выделить в отдельный участок.

После того, как участки определены, строятся эпюры поперечных сил и изгибающий моментов, и определяется нагруженный участок. Далее, вычисляется осевой момент сопротивления сечения:

По вычисленному параметру производят выбор номера двутавра из сортамента. На этом расчёт балки считается оконченным.

Онлайн

Рассчитывать металлическую балку и производить её выбор вручную довольно трудоёмко и занимает время, которое не всегда можно выделить занятому человеку. Поэтому, стоит довериться расчётам профессионалов.

Но, если заказчик строительства сомневается в экономической целесообразности произведённого строителями расчёта, можно произвести быстрый автоматический расчёт при помощи сайтов, предлагающих данный товар.

Одним из примеров такого калькулятора может быть портал https://svoydomtoday.ru/building-onlayn-calculators/111-raschet-metallicheskoy-balki-perekritiya.html, который предлагает, находясь на сайте, рассчитать расход материала и выбрать балку из сортамента.

Данный калькулятор требует введения следующих исходных данных:

1. Сначала нужно ввести условия эксплуатации металлической балки.
2. После этого характеристики предварительно выбранной металлической балки.
3. Указать нормативную и расчётную нагрузку на балку и произвести расчёт.

В результате, получается минимально возможный при заданных условиях момент сопротивления балки. Из полученного момента можно выбрать балку по таблице сортамента.

Так же определяется минимально допустимый момент инерции, по которому можно выбрать номер профиля из сортамента

Если для строительства в первую очередь важно не допустить прогиб балки, тогда стоит выбирать балку исходя из полученного момента инерции