Перекриття з легкої сталі: балки перекриття та діафрагма

Ця стаття розглядає три питання, пов’язані з перекриттям у будівлях із легкої сталі: перевірку балок перекриття (joist), автоматичне генерування балок перекриття шляхом розбиття перекриття з легкої сталі на смуги та перевірку передавання перекриттям як діафрагмою сейсмічних і вітрових сил на панелі. Загальне проєктування балок і колон див. у статті Проєктування балок і колон із легкої сталі, залежності — у статті Теоретичні основи проєктування з легкої сталі. Покроковий застосунок усіх цих можливостей наведено в статті Приклад розв’язання: двоповерхова будівля з легкої сталі.

інформація

У яких редакціях? Розрахунки легкої сталі, а також вкладки Легка сталь у вікнах «Властивості армопояса» та «Властивості перекриття» доступні в редакції StatiCAD Ultimate.

1. Перевірки балок перекриття (HCBTİE 4.8, 7.4, 7.5)

Балки типу «Легка сталь» перевіряються як балки перекриття. У вкладці Легка сталь вікна Властивості армопояса містяться вхідні дані, специфічні для балки перекриття. Ці дані використовуються лише для балок типу «Легка сталь»; значення за замовчуванням (0) йдуть у запас надійності.

Вхідні дані	Значення	За замовчуванням
Верхня полиця безперервно з’єднана з обшивкою	Якщо обшивка перекриття (OSB, фанера, трапецієподібний профнастил) безперервно прикріплена саморізами до верхньої полиці, бічно-крутильна втрата стійкості при додатному моменті (проліт, верхня полиця стиснута) не виникає; Md+ визначається за рядками місцевої та дисторсійної втрати стійкості.	Вимкнено (Lb+ = довжина елемента)
Відстань бічного закріплення нижньої полиці Lb (мм)	При від’ємному моменті (зона опори, нижня полиця стиснута) — відстань між блокуванням, зв’язками (köprüleme) або нижньою обшивкою.	0 = довжина елемента
Тип опори	Автоматично: якщо на кінці немає колони, а є стіна, — обпирання (перевіряється зминання стінки); у колоні вважається, що з’єднання виконано через стінку. Можна вибрати вручну Обпирання або З’єднання через стінку (косинка; перевірки зминання немає).	Автоматично
Довжина обпирання ss (мм)	Довжина обпирання на опорі. HCBTİE 7.4(e) вимагає не менше 40 мм; при меншому значенні видається попередження.	0 = 40 мм
Ребро жорсткості стінки на опорі	Якщо заявлено, замість зминання стінки діють умови 7.4; при згині + зрізі застосовується Формула 4.8.6.	Немає
Навантаження зверху на опорі	Якщо над опорою є стіна або стояк верхнього поверху (дві протилежні місцеві сили), зминання стінки обчислюється за відповідною залежністю.	Немає
Крок балок < 40 см і щонайменше два ряди зв’язків	Другий шлях HCBTİE 7.5: коли відношення прольоту до висоти перевищує 18 або частота нижча за 8 Гц, ця заява знімає попередження щодо вібрації.	Немає

При множинному виборі поля, що відрізняються в вибраних балках, відображаються як невизначені (прапорець сірий, текст порожній, список без вибору) і не застосовуються, доки їх не змінено. Дані зберігаються разом із проєктом; проєкти, збережені до появи цих даних, відкриваються зі значеннями за замовчуванням.

1.1 Виконувані перевірки

• Знакозмінний згин: додатні (проліт) і від’ємні (опора) моменти огинаються окремо. Кожен порівнюється з Md+ і Md−, обчисленими з власною довжиною бічного закріплення та коефіцієнтом Cb (AISI S100 F2.1.1, HCBTİE 1.3). Для консолі та для довжини з проміжним закріпленням приймається Cb = 1.
• Одночасні згин + зріз (HCBTİE 4.8.2): M і V в одному перерізі й в одній комбінації беруться разом. У знаменнику використовується міцність на згин Mdlo без урахування бічно-крутильної втрати стійкості (для стінки з ребрами жорсткості — менше із цього значення та дисторсійної міцності).
• Зминання стінки (HCBTİE 4.8.3): оскільки в 4.8.3 залежність для міцності не наведена, розрахунок виконується за TS EN 1993-1-3 6.1.7.2 (HCBTİE 1.3). На проміжній опорі (балка з легкої сталі, що продовжується в тому самому напрямку) навантаження дорівнює сумі кінцевих зрізів з обох боків. Перерізи зі стінкою Sigma (Σ) і з r/t > 6, hw/t > 200 виходять за межі застосування цих залежностей; у такому разі видається попередження «не вдалося перевірити» (“denetlenemedi”).
• Потреба в ребрі жорсткості стінки (HCBTİE 7.4): для плоскої стінки при h/t > 180 або V > 0,8Vd потрібне проміжне ребро жорсткості.
• Прогин лише від тимчасового навантаження (HCBTİE Таблиця 7.1): межа L/250. Для типу прогину консолі не застосовується.
• Вібрація (HCBTİE 7.5): відношення прольоту до висоти ≤ 18 і оцінка власної частоти однопрогінної балки ≥ 8 Гц.

примітка

На сторінці звіту про балку з легкої сталі наведено рядки зминання стінки, ребра жорсткості стінки та вібрації; рядки геометрії, навантаження, згину, зрізу та прогину показують знакозмінні (додатний/від’ємний момент) значення. Попередження аналізу повідомляють про потребу в ребрі жорсткості стінки, умову вібрації, неперевірюване зминання стінки, довжину обпирання менше 40 мм і, як інформацію, взаємодію моменту та місцевої сили за TS EN 1993-1-3 6.1.11. Автоматичний тип опори ґрунтується на сусідстві колони та стіни на кінці. Якщо сусідство не розпізнано (напр., у деяких колон із легкої сталі багатокутного перерізу), балка вважається консоллю (Cb = 1), а зминання не перевіряється; у такому разі вручну виберіть тип опори Обпирання.

2. Перекриття з легкої сталі: смуги та балки перекриття

Щоб перетворити чотирикутне перекриття на перекриття з легкої сталі, скористайтеся вкладкою Легка сталь вікна Властивості перекриття (вона відображається лише при редагуванні одного перекриття):

1. Позначте прапорець Перекриття з легкої сталі; введіть профіль балки перекриття (зі списку попередньо визначених профілів, напр., CC C200x80x16x2), матеріал (порожньо = S235), найбільший крок балок (мм), напрямок балок (паралельно осі X або Y), тип обшивки та заяву про зв’язки.
2. Позначте прапорець Створити / оновити смуги та балки перекриття при натисканні «Гаразд» і натисніть Гаразд.

Програма ділить проліт на рівні частини так, щоб заданий крок не перевищувався (напр., 4,0 м і 400 мм → 10 проміжків, 9 балок). Балки створюються як армопояси типу «Легка сталь»: обидва кінці з шарнірами M2 + M3, верхня полиця з’єднана з обшивкою (Розділ 1), тип обшивки та крок балок призначені для обертального защемлення обшивки (kφ). Перекриття ділиться між балками на смуги з однаковими властивостями (товщина, G, Q, матеріал); смуги та балки збираються у групу вибору перекриття (якщо групи немає, вона створюється з назвою перекриття).

• Повторне генерування: змініть визначення у вкладці «Легка сталь» будь-якої смуги й підтвердіть через створити / оновити; смуги тієї самої групи та створені балки видаляються, відновлюється початкове перекриття й ділиться за новим визначенням.
• Скасування: зніміть прапорець Перекриття з легкої сталі й підтвердіть через створити / оновити; початкове перекриття повертається, створені балки видаляються.
• Геометрія: дві сторони, паралельні балкам, мають бути паралельні осі (у напрямку X — нижня й верхня сторони, у напрямку Y — ліва й права); інші дві сторони можуть бути косими. Багатокутні (оболонкові) перекриття не підтримуються.
• Навантаження: щоб балки сприймали G/Q на ширині навантаження, у «Загальних параметрах проєкту» рекомендується класичне передавання навантажень і «перекриття не включені в жорсткість системи». При оболонковому передаванні або коли перекриття включені в жорсткість, смуги розподіляють навантаження між балками; якщо крайні балки податливі, навантаження переходить на балки поблизу колон, і аналіз видає попередження.

примітка

Якщо визначення виконано, але смуги та балки не створено, аналіз видає попередження. Кінцеві шарніри, задані для сталевих балок і балок із легкої сталі, застосовуються в скінченноелементному розв’язанні; створені балки перекриття працюють як прості балки.

порада

Для кожного дверного й віконного отвору, в якому закінчуються балки перекриття, поставте перемичку (lento) з легкої сталі; інакше цей кінець балки залишиться без опори, скінченноелементне розв’язання видасть попередження про сингулярну жорсткість, а балки виявляться недостатніми.

3. Діафрагма перекриття з легкої сталі (TBDY 10.5 / HCBTİE 7.4)

На кожному рівні перекриття, для якого задано перекриття з легкої сталі (Розділ 2), аналіз перевіряє передавання перекриттям як діафрагмою сейсмічних і вітрових сил на вертикальні панелі. Вхідні дані розміщені в групі Діафрагма перекриття в нижній частині вкладки Властивості перекриття › Легка сталь (0 = за замовчуванням):

• Питома міцність обшивки на зріз vn (кН/м): норми не наводять значення для перекриття. Якщо залишити 0, за аналогією використовується значення для панелі стіни з Таблиці 10.5 TBDY (OSB 11 мм — 10,2, фанера 12 мм — 11,4 кН/м); для гіпсокартону та невизначеної обшивки перевірка обшивки не виконується. Введіть значення, отримане за випробуваннями (TBDY Додаток 10.C) або від виробника.
• Саморіз кріплення перекриття → верхня полиця нижньої панелі: діаметр і крок (0 → 4,8 мм / 300 мм), за потреби — міцність саморіза на зріз Pnvs від виробника.

Зміна, виконана в одній смузі, при натисканні Гаразд поширюється на всі смуги родини (навіть якщо створити / оновити не позначено). Перевіряється таке:

1. Сила лінії стіни (TBDY 4.5.6.4, з D): панелі нижнього й верхнього поверхів в одному напрямку, що розташовані в межах 20 см, утворюють лінію; F = зріз у верхньому перерізі панелей нижнього поверху − зріз у нижньому перерізі панелей верхнього поверху.
2. Питомий зріз обшивки: v = F/B (B — глибина перекриття на лінії, TBDY Рисунок 10.11) ≤ φ·vn (сейсміка 0,60 / Ω 2,5; вітер 0,65 / 2,0).
3. Колектор (поздовжній елемент передавання): осьова сила вздовж лінії; зростає, якщо стіна не перекриває всю лінію або верхня й нижня стіни зміщені. Порівнюється з міцністю на розтяг профілю балки перекриття.
4. З’єднання перекриття → нижня панель: зріз у верхньому перерізі панелі нижнього поверху (з D) ≤ n·Ps (TBDY 10.3.4). З’єднання панелі верхнього поверху → перекриття наведено в таблиці анкерів панелі (тип анкера на зріз «саморіз»).
5. Сила пояса: у кожній родині перекриття T = C = F·L/(8·B).
6. Отвір: якщо площа отвору перевищує 3 % площі перекриття, перекриття слід моделювати як оболонковий елемент (напівжорстка діафрагма) (HCBTİE 7.4(d)); відношення обчислюється при ввімкнених перевірках нерегулярності.

примітка

Результати наводяться у звіті наприкінці розділу про проєктування балок із легкої сталі під заголовком Діафрагма перекриття з легкої сталі (якщо балки перекриття створено), підсумки по рівнях — на сторінці діафрагми перекриття, недостатності — у попередженнях аналізу та в контрольному списку проєкту (TBDY 10.5 / HCBTİE 7.4). На рівнях, де всі перекриття виконані з легкої сталі, перевірки діафрагми залізобетонного перекриття (TBDY M.7.11) не виконуються.

4. Зміщення осі балки та складена осьова сила

Якщо в «Загальних параметрах проєкту» позначено Враховувати значення Offset1 і Offset2 в матриці жорсткості системи або Враховувати ексцентриситети в матриці жорсткості системи за визначеною віссю, вісь балки моделюється під віссю вузла. Оскільки жорстка діафрагма або опори утримують осьові переміщення вузлів, профіль поводиться як складений переріз, що працює разом з абсолютно жорсткою полицею, і отримує осьову силу, якої насправді немає.

Програма віднімає цю частку від осьової сили кожного випадку навантаження при проєктуванні балок із легкої сталі, як і в залізобетонних балках; момент не змінюється, тобто профіль сприймає повний момент без внеску складеного перерізу. Тому вимикати прапорці зміщення не потрібно. У таблицях результатів скінченноелементних балок необроблена осьова сила й далі відображається. Для важких (гарячекатаних) сталевих балок така корекція не виконується. Залежності див. у статті Теоретичні основи.

5. Поширені запитання

Для балки перекриття я отримую попередження «зминання стінки не вдалося перевірити» (“denetlenemedi”). Переріз виходить за межі застосування залежностей TS EN 1993-1-3 6.1.7.2 (стінка Sigma, r/t > 6 або hw/t > 200). Виберіть переріз C, Z, U або C+ або заявіть ребро жорсткості стінки на опорі.

Для балки перекриття зминання стінки зовсім не обчислюється. Можливо, у автоматичному типі опори на кінці є колона, тому прийнято «з’єднання через стінку», або сусідство на кінці не розпізнано. Якщо балка спирається на стіну, у вкладці Легка сталь виберіть тип опори Обпирання.

Як усунути попередження про вібрацію? HCBTİE 7.5 вимагає відношення прольоту до висоти ≤ 18 і власної частоти ≥ 8 Гц. Виберіть глибший профіль, зменште проліт або зменшіть крок балок до менш ніж 40 см, виконайте щонайменше два ряди зв’язків і позначте цю заяву.

Моменти створених балок перекриття сильно відрізняються одна від одної. Якщо перекриття беруть участь у жорсткості системи як оболонка, обшивка розподіляє навантаження між балками; якщо крайні балки податливі, навантаження переходить на балки поблизу колон. Для проєктування за шириною навантаження виберіть у «Загальних параметрах проєкту» класичне передавання навантажень і не включайте перекриття в жорсткість системи.

Перевірка обшивки діафрагми виявляється недостатньою. Значення vn за замовчуванням за аналогією береться з таблиці панелей стін. Для діафрагм із клинами або частим кроком крайових саморізів введіть у групу Діафрагма перекриття значення за випробуваннями чи від виробника; якщо недостатнє з’єднання, зменште крок саморізів.