Расчет деревянной балки на растяжение
Иллюстрация автора
На данной странице приведен расчет деревянной балки на прогиб и на допустимую нагрузку в соответствии с требованиями науки о сопротивлении материалов (сопромат).
По тексту статьи, попытаюсь максимально доходчиво разложить каждый аспект по полкам простыми словами. При вычислении параметров — беру расчетные данные древесины, опираясь на 3-й сорт, т.к. другие сорта очень тяжело найти, и к нашему сожалению, 90% идет на экспорт из страны.
Вычисления занимают немного времени и все они в конце концов сводятся к расчету на действие изгибающего момента (определение момента сопротивления + допустимый прогиб).
Ниже приведена основная таблица зависимости габаритов Вашей балки и момента сопротивления, как раз к которому и сводится весь расчет.
Момент сопротивления прямоугольного сечения деревянной балки
В качестве примера для расчета беру стандартную длину пиломатериала — 6 метров и шаг между балками — 60 см. (Конечно же эти параметры будут у каждого свои)
Основные понятия:
- Шаг балок (a) — расстояние между осями (центрами) балок;
- Длина балки (L) — длина пиломатериала;
- Опорная длина (Loп) — длина части балки, опертая на опорную конструкцию;
- Расчетная длина (Lo) — длина балки между центрами площадок опирания;
- Длина в свету (Lсв) — ширина помещения (от опоры до опоры).
Расчет начинается с функционального назначения помещения. Если наш этаж — жилое помещение, средняя нагрузка, временно создаваемая людьми при проживании — равна 150 кг./кв.м. или 1,5 кПа (Р1). Обязательным параметром в расчете служит коэффициент надежности, равный — 1,2 (К1), который намеренно увеличивает запас конструкции на 20%.
Теперь, просчитываем нагрузку от собственного веса перекрытия (Р2). Она равна весу самих балок + обшивка снизу + утеплитель + черновой и чистовой полы. В среднем, данное значение составляет так же 150 кг/кв.м., что и берем в расчет. На данном этапе закладываем коэффициент запаса 1.3, т.е. 30% (К2). Коэффициент закладывается приличный, так как в дальнейшем пол может быть заменен на более тяжелый или решим подвесить тяжелый потолок.
Считаем суммарную нагрузку: Рсумм = Р1*К1 + Р2*К2 = 1,5 * 1,2 + 1,5 * 1,3 = 3,75 кПа
Считаем нормативную нагрузку: Рнорм = Р1 + Р2 = 1,5 + 1,5 = 3 кПа
Следующий этап, вычисление расчетной длины (Lo). В качестве примера, принимаем площадку опирания балки на стену Lоп = 120 мм., поэтому расчетная длина составляет:
Lo = L — 2 (Lоп/2) = L — Lоп = 6 — 0,12 = 5,88 м.
Далее, считаем нагрузку на балку: Qрасч = Pсумм * a = 3,75 * 0,6 = 2,25 или 225 кг/м. (чем больше шаг балок, тем выше нагрузка на балку)
Далее, нормативная нагрузка: Qнорм = Pнорм * a = 3 * 0,6 = 1,8 или 180 кг/м.
Определяем расчетное усилие:
Максимальная поперечная сила: Q = (Qрасч * Lo)/2 = 6.6
Максимальный изгибающий момент: M = (Qрасч * Lo^2)/8 = 9.72
Выше мы определили главные составляющие балки, теперь сам расчет:
Действие изгибающего момента:
M/W < Rи, где:
W — момент сопротивления поперечного сечения,
Rи — расчетное сопротивление древесины изгибу (Для 3-го сорта древесины = 10 МПа.)
Из вышеуказанной формулы, получаем требуемый момент сопротивления W = M/Rи,
W = 9.72 / 10 = 0.972 = 972 куб.см.
Возвращаемся к вышеуказанной табличке (приводил в самом начале статьи), где уже в готовом виде представлены значения моментов сопротивления и выбираем сечение, округляя в большую сторону.
P.S. Если у вас нестандартная балка, то момент вашей балки можете получить по формуле: W = (b*h^2)/6, как и все значения в приведенной табличке.
Зеленым цветом обведены подходящие значения
Как видите, очень много сечений, удовлетворяющих нашему расчету. Итак, выбираем балку (1056 > 972) с шириной b=110 мм. и высотой h=240 мм.
Когда выбрали балку, делаем проверку — считаем допустимый прогиб, и если он нас не удовлетворит по эстетическим параметрам (сильный провис, несмотря на надежность конструкции), выберем сечение с более высоким моментом сопротивления поперечного сечения балки.
Расчет на прогиб:
Вычисляем момент инерции: I = (b*h^3)/12 = 110*240^3/12 = 12672 см^4
Определяем прогиб по формуле: f= 5/384 * (Qнорм * Lo^4)/(E*I) , где:
Е — модуль упругости для древесины, принимается 10 000 МПа.
Итак, f = 0.0130208 * (1.8 * 1195.389)/(10 000 * 12672) = 2.21 см.
Получив прогиб (провис) по вертикальной центральной оси — 2,21 см., нам его требуется сравнить с табличным значением по эстетико-психологическим параметрам (см. таблицу Е.1)
Предельные прогибы
По таблице, мы имеем вертикальные предельные прогибы L/ххх. Чтобы сопоставить наше значение с данной характеристикой, нужно получить параметр предельно допустимых величин, поэтому делим расчетную длину на прогиб Lo/f = 5,88/2,21 = 266. Данный параметр обратно пропорционален длине, поэтому он должен быть выше, а не ниже — чем табличный.
Так как мы в расчете использовали балку длиной 6 м., то находим соответствующую строку и ее значение в таблице Е1:
Полученный нами параметр сравниваем с табличным значением прогиба: L/266 < L/200 (прогиб меньше табличного), следовательно прогиб нашей балки будет меньше, поскольку он свободно вписывается в условие.
Выбранная балка — проходит по всем расчетам! На этом всё! Пожалуйста пользуйтесь!
___________________________________
Далее, на канале планируется серия материалов о способах устранения прогиба балок без подпорок и колонн.
Так же в следующих статьях я опишу расчеты швеллеров и двутавровых балок. Поговорим о широкополочных двутаврах, где и какие разновидности оптимальней применять уменьшая высоту перекрытий и увеличивая прочность.
Если данные темы интересны, подписывайтесь намой канал!
Зная тригонометрию, вам не придётся скакать по крыше с рулеткой. Практические примеры
Как определить высоту объекта вблизи или на расстоянии? Основные 5 способов!
История о сносе: «А разрешение на стройку? Да ладно, потом получим!»
Источник
Для того чтобы начать расчет, выберите один из предложенных вариантов:
Балка – это элемент строительных несущих конструкций, который широко используется для возведения межэтажных перекрытий. Перекрытия, в свою очередь, предназначены для разделения по высоте смежных помещений, а также принятия статических и динамических нагрузок от находящихся на нем предметов интерьера, оборудования, людей и т.д.
В большинстве случаев, для частного домостроения используются деревянные балки из цельного бруса, отесанного бревна, клееных досок или шпона. Эти материалы, при правильном подборе параметров, способны обеспечить необходимую прочность и жесткость основания, что является залогом долговечности постройки.
Мы предлагаем вам выполнить онлайн расчет балки перекрытия на прочность и изгиб, подобрать её сечение и определить шаг между балками. Также вы получите набор персональных чертежей и 3D-модель для лучшего восприятия возводимой конструкции. Программа учитывает СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011) и другие справочные источники.
Точный и грамотный расчет деревянных балок в сервисе KALK.PRO, позволяет узнать все необходимые параметры для сооружения крепкого перекрытия. Все вычисления бесплатны, есть возможность сохранения рассчитанных данных в формате PDF, плюс доступны схемы и 3D-модель.
Содержание
- Инструкция к калькулятору
- Расчет балок перекрытия вручную
- Виды балок
- Подбор сечения балки
- Расчет балки – Пример
- Длина балки
- Определение расчетной нагрузки
- Максимальный изгибающий момент
- Требуемый момент сопротивления
- Момент сопротивления балки перекрытия
- Расчет балки на прочность
- Расчет балки на прогиб (изгиб)
- Конечные параметры балки
- Методика расчета балок перекрытия из клееного бруса и отесанного бревна
Инструкция к калькулятору
Наш сервис предоставляет на выбор два вида расчета однопролетных балок перекрытия. В первом случае, вам предлагается рассчитать сечение балки при известном шаге между ними, во втором случае, вы можете узнать рекомендуемое значение шага между балками при выбранных характеристиках сечения. Разберем работу калькулятора на примере, когда ваша задача заключается в нахождении сечения балки.
Для расчета вам понадобится знать ряд обязательных начальных параметров. В первую очередь это характеристики самой балки:
- ширина сечения (толщина), мм;
- длина пролета балки (на изображении BLN), м;
- вид древесины (сосна, ель, лиственница…);
- класс древесины (1/К26, 2/К24, 3/К16);
- пропитка (есть, нет).
В случае, если вы не знаете толщину предполагаемой балки, в первом блоке следует выбрать пункт «Известно соотношение высоты сечения балки к её ширине — h/b» и указать значение 1,4. Эта наиболее оптимальная величина, которая получена эмпирическим методом и указывается во многих справочниках.
Затем нужно указать условия, в которых будет эксплуатироваться перекрытие:
- температурный режим (< 35 °C .. > 50 °C);
- влажностный режим;
- присутствуют постоянные повышенные нагрузки или нет.
После этого, сконфигурируйте конструкцию и заполните поля калькулятора:
- длина стены дома по внутренней стороне, м;
- шаг между балками, см;
- полная длина балки (на изображении BFL), м;
- нагрузка на балку, кг/м2 ;
- предельный прогиб в долях пролета.
При необходимости впишите стоимость одного кубометра древесины, для того чтобы узнать общую стоимость всех пиломатериалов.
Также, обратим внимание, что обычно шаг балки не делают меньше 0,3 м, так как это нецелесообразно с экономической точки зрения и больше 1,2 м, так как возможен прогиб чернового пола со всеми вытекающими последствиями.
Когда вы нажмете кнопку «Рассчитать», сервис произведет расчет балки онлайн и выведет на экране рекомендуемые значения сечения подобранной балки.
Кроме того, в блоке «Результаты расчета» вы сможете узнать:
- параметры балки при расчете на прочность;
- параметры балки при расчете на прогиб;
- максимальный прогиб балки, см.
Квалифицированный расчет перекрытия по деревянным балкам — залог долговечности сооружения и безопасность для вашей семьи.
Расчет балок перекрытия
Самостоятельный расчет деревянной балки перекрытия – это долгое и нудное занятие, которое обязывает вас знать основы инженерных дисциплин и сопромата. Без определенных навыков и знаний, вручную подобрать материал, рассчитать необходимое сечение или шаг балки – не просто тяжело, а порой и невозможно. Тем не менее, мы попытаемся вам рассказать об основных характеристиках, которые нужны для вычислений и по какому алгоритму работает наш калькулятор.
Виды балок
В настоящее время, деревянные балки, используемые для изготовления перекрытий, можно разделить на два принципиально разных вида:
- цельные;
- клееные.
Исходя из названия становится понятно, что в первом случае, это будет цельный кусок древесины определенного типа сечения (чаще всего это брус на 2 или 4 канта), во втором случае, это клееная балка из досок или шпона LVL.
Несмотря на низкую стоимость, по ряду объективных причин, деревянные балки из цельной древесины в последнее время используются все реже. Качественные показатели этого материала значительно уступают клееному дереву: низкий модуль упругости способствует появлению больших прогибов в середине пролета (особенно это становится заметно при расстоянии между несущими стенами более 4 метров), при высыхании на балках появляются продольные трещины, которые приводят к уменьшению момента инерции прогиба, отсутствие пропитки подвергает древесину воздействиям вредителей и гниения.
Благодаря современным технологиям, клееные балки не имеют подобных недостатков. Их структура однородна и волокна ориентированы по всем направлениям – повышается общая прочность и модуль упругости материала, он получает защиту от растрескивания, а специальная пропитка обеспечивает повышенный уровень пожаробезопасности и устойчивости к влаге. Эти балки разрешено использовать при проемах в 6-9 м и можно рассматривать, как полноценный аналог железному перекрытию.
Цельная деревянная балка
Клееная балка из досок
Клееная балка из шпона
Обрезанное бревно
Подбор сечения балки
Для того чтобы подобрать сечение балки самостоятельно вручную, нужно иметь огромный багаж знаний в сфере сопромата, ведь вам потребуется применять на практике большое количество формул и коэффициентов, поэтому для начинающего мастера это достаточно сложная и не совсем нерациональная задача. Наш калькулятор должен помочь произвести приблизительный расчет деревянного перекрытия и сэкономить значительное количество времени. Однако пользователь должен понимать, что ни одна программа не заменит настоящего специалиста, так как принцип работы сервиса построен на обработке стандартных табличных величин и не может учитывать конкретных ситуаций.
Расчет балок перекрытия из дерева намного проще выполнить с помощью нашего калькулятора. Вам не нужно держать в голове много формул и переживать за неприведенную ошибку!
Расчет балки – Пример
Алгоритм работы программы для расчета балок основывается на СП 64.13330.2011 (Актуализированная редакция СНиП II-25-80). Для большей наглядности, мы разберем расчет однопролетной балки на прогиб и прочность в примере, кратко описывая основные этапы вычисления и формулы.
Длина балки
Расчетная длина балки определяется значением длины пролета и запасом для укладывания их на стену.
Узнать протяженность между пролетами не составляет трудности – с помощью рулетки замерьте расстояние, которые необходимо перекрыть балками, и к полученному числу добавьте величину заделки в «гнезда» равную 300 мм (по 150 мм на сторону) или более.
В случае, когда вы собираетесь крепить балки на специальные металлические крепления, длина пролета будет равна длине балки.
Если ваше помещение имеет неправильную форму, например, 4х5 м, правильнее будет использовать балки меньшей длины, т.е. 4 м, а не 5 м.
Определение расчетной нагрузки
Для того чтобы правильно рассчитать нагрузку на деревянную балку, нужно определить все виды оказываемых воздействий на перекрытие.
Величину нагрузки можно узнать двумя путями: использовать СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия и с его помощью высчитать все необходимые коэффициенты вручную, а затем сложить их, или же можно взять нормативные данные из справочников. Если вы произведете все расчеты правильно, то первый вариант будет более точен, однако никто не застрахован, что при выполнении долгих громоздких вычислений не будет допущена ошибка.
Поэтому для получения приблизительного расчета, целесообразнее взять стандартные величины и применять их в последующих формулах. Согласно справочникам, для межэтажных перекрытий расчетная нагрузка обычно составляет 400 кг/м2, а для чердаков – 200 кг/м2.
Типовые нагрузки для межэтажных перекрытий — 400 кг/м2 и чердаков – 200 кг/м2 применимы не во всех ситуациях. Если подразумевается, что на основание будет воздействовать ненормально большой вес, например, от тяжелого оборудования – необходимо произвести корректировку начальных параметров.
Максимальный изгибающий момент
Изгибающий момент – момент внешних сил относительно нейтральной оси сечения балки или другого твёрдого тела, иначе простыми словами, это произведение силы на плечо.
Максимальный изгибающий момент, соответственно, принимает наибольшее значение, которое может выдержать данное тело без нарушения целостности.
Если на балку будет действовать равномерно распределенная нагрузка (в калькуляторе реализован именно этот случай), то значение максимального изгибающего момента будет равно:
Изгибающий момент (формула): Mmax = q × l2 / 8
- q – величина нагрузки на перекрытие;
- l – величина пролета перекрытия.
Требуемый момент сопротивления
Момент сопротивления – это способность материала оказывать сопротивления к изгибу, растяжению или сжатию. Для того чтобы определить это значение для деревянной балки, нужно воспользоваться готовой формулой:
Требуемый момент сопротивления (формула): Wтреб = Мmax / R
- Мmax – величина максимального изгибающего момента;
- R – величина расчетного сопротивления древесины.
Отдельно нужно рассказать о величине R. Она имеет целый ряд поправочных коэффициентов, которые нужно учитывать при расчете балки, если вы хотите получить максимально точный результат. Полная формула выглядит так:
Расчетное сопротивление древесины (формула): R = Rи × mп × mд × mт × ma × γсc × …
- Rи – расчетное сопротивление древесины изгибу, подбираемое в зависимости от расчетных значений для сосны, ели и лиственницы при влажности 12% согласно СП 64.13330.2011;
- mп – коэффициент перехода для других пород древесины;
- mд – поправочный коэффициент принимаемый в случае, когда постоянные и временный длительные нагрузки превышают 80% суммарного напряжения от всех нагрузок;
- mт – температурный коэффициент;
- ma – коэффициент принимаемый в случае, когда дерево подвергается пропитке антипиренами;
- γсc – коэффициент срока службы древесины.
- … – существуют другие менее важные коэффициенты, однако при расчетах они практически не используются, так как величина поправки слишком незначительна.
Получается, что по сути, величина R это произведение расчетного сопротивления древесины изгибу и различных поправок. В большинстве случаев для получения ориентировочного результата, эти поправки не учитываются, а значение R принимается равным Rи.
Момент сопротивления балки перекрытия
В зависимости от формы сечения балки (квадрат, прямоугольник, круг, овал…) формулы нахождения фактического момента сопротивления будут отличаться. В наших калькуляторах применяются только два типа профиля: прямоугольный и тесаное бревно. Мы продолжим разбирать алгоритм на примере прямоугольного сечения:
Момент сопротивления балки (формула): W = b × h2 /6
- b – ширина балки;
- h – высота балки.
Расчет балки на прочность
Для того чтобы определить подходит балка по прочности или нет, нужно чтобы момент сопротивления балки перекрытия (W), равнялся или был больше требуемого момента (Wтреб ):
Wтреб ≤ W
Но вычислить реальный момент сопротивления балки перекрытия мы не можем, так как не известна ее высота. В этом случае нужно или воспользоваться перебором сечений, исходя из условия, что наиболее оптимальное соотношение высоты к ширине 1,4:1, или же просто принять W = Wтреб, в силу того, что мы не нарушаем условий заданной формулы. Также, после этих манипуляций станет известен параметр h.
Онлайн калькулятор KALK.PRO расчета балки на прочность оперативно вычислит нужное сечение, чтобы перекрытие выдержало расчетную нагрузку БЫСТРО и БЕСПЛАТНО.
Расчет балки на прогиб (изгиб)
Методика определения прогиба балки значительно проще. При распределенной нагрузке, применяется формула:
Прогиб балки (формула): f = (5 × q × l4 ) / (384 × E × I)
- q – величина нагрузки на перекрытие;
- l – величина пролета перекрытия;
- E – модуль упругости;
- I – момент инерции.
Первые два параметра нам известны, модуль упругости для древесины обычно принимается равным 100 000 кгс/м², хотя это и не всегда так, а момент инерции, в зависимости от формы сечения, рассчитывается по разным формулам. Для прямоугольника:
Момент инерции (формула): I = b × h3 /12
- b – ширина балки;
- h – высота балки.
Собирая все в кучу, мы получим итоговую формулу расчета прогиба балки:
Прогиб балки (итоговая формула): f = (5 × q × l4 ) / (384 × E × (b × h3 / 12))
После того, как вы получите искомое значение, нужно сравнить его с величиной допустимого (предельного) прогиба балки в долях от пролета. Этот параметр устанавливается СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции»:
Элементы конструкций | Максимальный прогиб балки, не более |
1. Балки междуэтажных перекрытий | L/250 |
2. Балки чердачных перекрытий | L/200 |
3. Перекрытия при наличии стяжки/штукатурки | L/350 |
Например, для межэтажных перекрытий при длине пролета равной 400 см мы получим условие – 400/250, т.е. предельно возможный изгиб в данной ситуации 1,6 см.
Если ваше значение f превышает его, необходимо изменять сечение балки в большую сторону, до тех пор, пока оно не станет меньше величины предельного прогиба.
Наш калькулятор прогиба деревянной балки сам подберет нужные параметры сечения и избавит вас от сложных громоздких вычислений.
Конечные параметры балки
После того, как вы подберете сечение при расчете на прочность и прогиб/изгиб, можно будет определить минимально допустимые параметры балки.
Предположим, что при расчете на прочность вы получили сечение – 165х150 мм, а при расчете на прогиб – 239х150 мм. Очевидно, что в подобной ситуации следует выбирать наибольшую величину, то есть значение на прогиб, поскольку если вы сделаете ровно наоборот, перекрытие выдержит нагрузку, но очень сильно деформируется и ни о каком ровном потолке не может быть и речи.
В результате расчета несущей способности деревянной балки, мы используем сечение равное 239х150 мм, но тут сталкиваемся с очередной проблемой – балок такого размера серийно никто не производит. В этом случае нужно производить округление обязательно в большую сторону, обычно кратно 50 мм, т.е. нам подойдет балка 250х150 мм. В некоторых ситуациях, можно обратиться к ГОСТ 24454-06, в нем указаны все типовые размеры материалов.
Расчет балки онлайн без знания сопромата – одно из главных преимуществ сервиса KALK.PRO.
Методика расчета балок перекрытия из клееного бруса и отесанного бревна
Технология расчета балок перекрытия из клееного бруса практически не отличается от изделий из цельной древесины. Все этапы работы с калькулятором совпадают и никакие дополнительные коэффициенты вводить не нужно, но при самостоятельном вычислении в формулу нахождения величины расчетного сопротивления (R), нужно будет добавить дополнительный коэффициент kw , который учитывает форму и размер поперечного сечения.
Например, для прямоугольных клееных балок принимаются следующие поправки:
Ширина балки b в см | Коэффициент kw при высоте балки h см | |||||
14-50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 и более | |
b < 14 | 1,00 | 0,95 | 0,90 | 0,85 | 0,80 | 0,75 |
b > 14 | 1,15 | 1,05 | 0,95 | 0,90 | 0,85 | 0,80 |
Также для клееных балок из шпона LVL Ultralam, существует более подробная аннотация с характеристиками на сайте производителя, в которой помимо значений величины R, существует подробные характеристики модуля упругости (E) для каждого вида продукции:
Модуль упругости Е, МПа | ||||
Rb | Rs | R | X | I |
16 000 | 15 600 | 14 000 | 11 000 | 12 700 |
В случае расчета тесаного бревна (лафета), немного изменяются исходные формулы момента сопротивления и момента инерции, так как форма сечения балки отличается от прямоугольной. Помимо этого, есть и отличия в ширине отеса, оно может быть равным половине или трети диаметра, что также приводит к изменению начальных коэффициентов для обеих формул.
Ширина отеса равна 1/2 диаметра | Ширина отеса равна 1/3 диаметра |
Момент сопротивления | |
W = 0,088D3 | W = 0,09781D3 |
Момент инерции | |
I = 0,039D4 | I = 0,04611D4 |
Если у вас возникли проблемы при работе с онлайн калькулятором расчета балки на изгиб, есть вопросы или предложения – оставляйте их в комментариях. Добавляйте сайт в закладки и делитесь со своими друзьям. Убедитесь в высоком уровне сервисов KALK.PRO уже сейчас, вместе мы станем лучше!
Источник