Расчёт балки на прогиб и прочность
СТРОИТЕЛЬСТВО · БАЛКА НА ПРОГИБ
Прикидочный расчёт деревянной балки или стального двутавра для перекрытия: изгибающий момент, напряжение и прогиб по пролёту, шагу балок и нагрузке — с проверкой по СП 64.13330.2017 (дерево), СП 16.13330.2017 (сталь) и предельному прогибу СП 20.13330.2016. Если сечение не проходит — предложит следующее. Не заменяет проектный расчёт для ответственных конструкций.
ПРОЗРАЧНЫЙ РАСЧЁТ
Как проверить балку на прогиб и прочность
- Соберите нагрузку на балку. q_n = (g_n + p_n) × шаг — нормативная, q = (g_n × γf,g + p_n × γf,p) × шаг — расчётная (γf,g = 1,1 для слоёв перекрытия, 1,05 — для веса стального двутавра, γf,p = 1,3 при p_n < 2 кПа и 1,2 при p_n ≥ 2 кПа — СП 20.13330.2016). Для прогиба берётся длительная часть: q_n,дл = (g_n + 0,35 × p_n) × шаг (п. 8.2.3).
- Проверьте прочность. Момент M = qL²/8. Напряжение σ = M/W ≤ R, где для дерева R = R_A × m_дл × m_в (СП 64.13330.2017; R_A — по табл. 3 с учётом размеров сечения: поз. 1а для досок, 1б и 1в для бруса шириной от 11 см; m_дл = 0,66 для перекрытий и кровель под снегом — без этого коэффициента расчёт завышает прочность в полтора раза), для стали R = R_y × γc (СП 16.13330.2017).
- Проверьте жёсткость. Прогиб f = 5·q_n,дл·L⁴ / (384·E·I) не должен превышать предельный f_u из СП 20.13330.2016 табл. Д.1: L/120 при пролёте 1 м, L/150 при 3 м, L/200 при 6 м, L/250 при 12 м, L/300 при 24 м, между узлами — линейная интерполяция. Для дерева используется расчётный модуль E_II = E_ср × m_дл,E × m_в, который меньше среднего модуля упругости.
- Если сечение не проходит — увеличьте высоту (для дерева) или номер двутавра (для стали): жёсткость обычно лимитирует раньше прочности на больших пролётах.
Пример расчёта по шагам
- Нормативная нагрузка на метр балки. (вес перекрытия 0,5 + люди 1,5) × шаг 0,6 = 1,2 кН/м (≈ 120 кг на метр).
- Расчётная нагрузка — с коэффициентами надёжности: (0,5 × 1,1 + 1,5 × 1,3) × 0,6 = 1,5 кН/м.
- Момент посередине пролёта. M = 1,5 × 4² / 8 = 3,00 кН·м.
- Прочность. Момент сопротивления доски 50×200: W = 50 × 200² / 6 = 333 333 мм³ → напряжение σ = 3,00·10⁶ / 333 333 = 9,0 МПа. Допускаемое для 2-го сорта в сухом доме (табл. 3 СП 64, поз. 1а): R = 19,5 × 0,66 × 1 = 12,87 МПа → прочность обеспечена, запас 30 %.
- Нагрузка для прогиба — постоянные и длительные: (0,5 + 0,35 × 1,5) × 0,6 = 0,615 кН/м.
- Жёсткость доски. I = 50 × 200³ / 12 = 33,3·10⁶ мм⁴; модуль упругости с поправками E = 10 000 × 0,9 × 1 = 9 000 МПа.
- Прогиб. f = 5 × 0,615 × 4 000⁴ / (384 × 9 000 × 33,3·10⁶) = 6,8 мм.
- Предел. Для пролёта 4 м по СП 20 — L/167 = 24,0 мм → жёсткость обеспечена, запас 72 %. От полной нагрузки прогиб был бы 13,3 мм — тоже в пределе.
Что означают буквы в формулах
- L
- пролёт — расстояние между опорами, м (поле «Пролёт балки»)
- a
- шаг балок — между осями соседних, м; с полосы такой ширины нагрузка собирается на одну балку (поле «Шаг балок»)
- b
- ширина сечения — узкая сторона доски или бруса, мм (поле «Ширина сечения b»)
- h
- высота сечения — большая сторона, стоящая на ребро, мм; прогиб зависит от неё в кубе (поле «Высота сечения h»)
- gn
- собственный вес перекрытия — настил, утеплитель, стяжка, подшивка, кПа (1 кПа ≈ 100 кг/м²); индекс n — нормативный, то есть реальный (поле «Собственный вес перекрытия»)
- pn
- полезная нагрузка — люди, мебель, вещи по норме, кПа (поле «Полезная нагрузка»; для кровли — снег)
- γf,g
- коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса: 1,1 для слоёв перекрытия, 1,05 для веса стального двутавра (СП 20 табл. 7.1)
- γf,p
- коэффициент надёжности для полезной нагрузки: 1,3 при pn меньше 2 кПа, 1,2 при 2 кПа и выше (СП 20 п. 8.2.7)
- q
- расчётная нагрузка на метр балки, кН/м — с коэффициентами надёжности; по ней проверяется прочность
- qn
- нормативная нагрузка на метр балки, кН/м — реальная, без коэффициентов: (gn + pn)·a
- ψ
- доля длительной части полезной нагрузки: 0,35 для жилья, офисов и залов; 1 для чердаков (СП 20 п. 8.2.3)
- qn,дл
- постоянные и длительные нагрузки на метр балки, кН/м: gn + ψ·pn — от них считается прогиб (СП 20 табл. Д.1); три разных числа с одной буквой q — расчётная, нормативная, длительная
- M
- изгибающий момент посередине пролёта, кН·м
- Q
- опорная реакция — сила на каждую опору, кН: Q = q·L/2 (в карточке результата)
- W
- момент сопротивления сечения, мм³ — отвечает за прочность; для двутавра — Wx из сортамента, см³
- I
- момент инерции сечения, мм⁴ — отвечает за прогиб; для двутавра — Ix из сортамента, см⁴
- σ
- напряжение в крайних волокнах балки, МПа
- R
- допускаемое напряжение: для дерева RA·mдл·mв (12,87 МПа для доски 2-го сорта в сухом доме), для стали Ry·γc (235 МПа для С245)
- RA
- табличное сопротивление древесины изгибу по сорту и размерам сечения, МПа (СП 64 табл. 3: поз. 1а — доски, 1б — ширина 11–13 см, 1в — шире 13 см); Ry — расчётное сопротивление стали по марке (СП 16 табл. В.3)
- mдл
- коэффициент длительной прочности дерева: 0,66 для перекрытий и кровель под снегом (СП 64 табл. 4)
- mв
- коэффициент условий эксплуатации по влажности: 1 в отапливаемом доме, 0,9 без отопления, 0,85 под навесом, 0,75 на улице (СП 64 табл. 9); mб — понижение для сечений выше 50 см (0,96…0,9, табл. 10)
- γc
- коэффициент условий работы стали: 1,0; для балок под залами и магазинами 0,9 (СП 16 табл. 1)
- E
- модуль упругости: для стали 206 000 МПа, для дерева — расчётный Eср·mдл,E·mв = 10 000 × 0,9 × 1 = 9 000 МПа в сухом доме (СП 64 прил. В.2)
- f
- прогиб посередине пролёта, мм
- fu
- предельный прогиб — доля пролёта по СП 20 табл. Д.1 (24,0 мм при 4 м, 30 мм при 6 м)
- 120…300
- знаменатель предельного прогиба по СП 20 табл. Д.1: 120 при пролёте 1 м, 150 при 3 м, 200 при 6 м, 250 при 12 м, 300 при 24 м; между узлами — линейная интерполяция (для 4 м — 167)
СПРАВОЧНИК
Нагрузки, коэффициенты и сортамент
Расчётные сопротивления и коэффициенты — R = R_A · m_дл · Π m_i (СП 64 п. 6.1, ф. (1)). Прогиб проверяется по предельным значениям СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия», прил. Д табл. Д.1 поз. 2а (от постоянных и длительных нагрузок): L/120 при пролёте до 1 м, L/150 при 3 м, L/200 при 6 м, L/250 при 12 м, L/300 при 24 м (значения для помещений высотой до 6 м), между узлами — линейная интерполяция.
| Помещение | p_n, кПа |
|---|---|
| Квартиры, спальни, палаты, террасы | 1,5 |
| Офисы, классы, бытовые помещения | 2 |
| Кухни общественных зданий, лаборатории | 2 |
| Читальные залы | 2 |
| Обеденные залы (кафе, рестораны) | 3 |
| Залы собраний, зрительные, спортивные | 4 |
| Торговые, выставочные залы | 4 |
| Чердачные помещения | 0,7 |
| Балконы (лоджии), сплошная нагрузка | 2 |
| Сорт и позиция | R_A | R = R_A×m_дл×m_в (перекрытие, класс 1–2) |
|---|---|---|
| 1-й, поз. 1а — доска, брус до 11 см | 21 | 13,86 |
| 1-й, поз. 1б — брус шириной 11–13 см | 22,5 | 14,85 |
| 1-й, поз. 1в — брус шире 13 см | 24 | 15,84 |
| 2-й, поз. 1а — доска, брус до 11 см | 19,5 | 12,87 |
| 2-й, поз. 1б — брус шириной 11–13 см | 21 | 13,86 |
| 2-й, поз. 1в — брус шире 13 см | 22,5 | 14,85 |
| 3-й, поз. 1а — доска, брус до 11 см | 13 | 8,58 |
| 3-й, поз. 1б — брус шириной 11–13 см | 15 | 9,9 |
| 3-й, поз. 1в — брус шире 13 см | 16,5 | 10,89 |
| Порода | Коэффициент |
|---|---|
| Сосна, ель (базовые значения табл. 3) | ×1 |
| Лиственница (кроме европейской) | ×1,2 |
| Кедр сибирский (кроме Красноярского края) | ×0,9 |
| Пихта | ×0,8 |
| Дуб | ×1,3 |
| Берёза, бук | ×1,1 |
| Марка | R_y |
|---|---|
| С235 | 225 |
| С245 | 235 |
| С255 | 235 |
| С345 | 330 |
| С355 | 340 |
| № | h, мм | b, мм | Масса, кг/м | Ix, см⁴ | Wx, см³ |
|---|---|---|---|---|---|
| №10 | 100 | 55 | 9,46 | 198 | 39,7 |
| №12 | 120 | 64 | 11,5 | 350 | 58,4 |
| №14 | 140 | 73 | 13,7 | 572 | 81,7 |
| №16 | 160 | 81 | 15,9 | 873 | 109 |
| №18 | 180 | 90 | 18,4 | 1 290 | 143 |
| №20 | 200 | 100 | 21 | 1 840 | 184 |
| №22 | 220 | 110 | 24 | 2 550 | 232 |
| №24 | 240 | 115 | 27,3 | 3 460 | 289 |
| №27 | 270 | 125 | 31,5 | 5 010 | 371 |
| №30 | 300 | 135 | 36,5 | 7 080 | 472 |
Частые вопросы о расчёте балки на прогиб
Как проверить деревянную балку на прогиб?
Прогиб f = 5·q_n·L⁴/(384·E·I), где q_n — нагрузка на балку от постоянных и длительных воздействий (собственный вес плюс 0,35 полезной — СП 20 п. 8.2.3), E — расчётный модуль упругости древесины (не «сырой» табличный, а сниженный коэффициентами длительности и условий эксплуатации). Для балки 50×200 мм на пролёт 4 м с шагом 0,6 м получается f = 6,8 мм при предельном 24 мм — сечение проходит; от полной нагрузки прогиб был бы 13,3 мм — тоже проходит.
Почему нельзя брать модуль упругости древесины «как есть», 10 000 МПа?
СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» (с изм. 1, 2) (прил. В.2, формула (8)) требует расчётный модуль E_II = E_ср × m_дл,E × m_в, где m_дл,E = 0,9 для перекрытий (режим В). Для сухого помещения это даёт E = 10 000 × 0,9 = 9 000 МПа — на 10% меньше «сырого» значения, и без этой поправки калькулятор занизил бы прогиб.
Что такое коэффициент длительной прочности m_дл и почему он обязателен?
СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» (с изм. 1, 2) табл. 4 задаёт m_дл = 0,66 для перекрытий (нагрузка от людей) и кровель под снеговой нагрузкой — расчётное сопротивление древесины умножается на этот коэффициент. Без него формула даёт завышенное R (например, 19,5 МПа вместо 12,87 МПа для 2-го сорта) и калькулятор пропустит сечение, которое по нормам не проходит.
Балка 100×250 мм на пролёт 6 м — подходит?
По прочности — да, 13,2 МПа при допускаемых 13,86 МПа (сорт 1), почти на пределе. По жёсткости — тоже проходит, если считать по СП 20: от постоянных и длительных нагрузок прогиб 22 мм при предельных 30 мм (L/200). Если же взять полную нормативную нагрузку — в запас, как делают многие калькуляторы, — прогиб 36 мм больше предела, и калькулятор предложит следующее сечение 100×275 мм (27 мм).
Как рассчитать балку из стального двутавра?
Момент M = qL²/8, напряжение σ = M/W_x проверяется против R_y×γc (СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» (с изм. 1, 2)), прогиб f = 5q_nL⁴/(384EI_x) — против предельного из СП 20. Для двутавра №20 на пролёт 6 м при q = 6 кН/м получается σ = 146,7 МПа и f = 22,3 мм — оба условия выполняются.
Что делать, если двутавр не проходит по расчёту?
Взять следующий по сортаменту номер — жёсткость (прогиб) на средних и больших пролётах обычно лимитирует раньше прочности. Режим «подобрать автоматически» в калькуляторе перебирает весь сортамент №10–30 и показывает наименьший номер, который проходит оба условия.
Действует ли ещё ГОСТ 8239-89 на двутавры?
Формально нет — документ заменён в РФ с 30.11.2018, ему на смену пришли ГОСТ Р 57837-2017 и позже ГОСТ 35087-2024. Но геометрия профиля №10–30 «с уклоном граней», которую продолжают продавать, от статуса документа не зависит — калькулятор использует эти размеры как актуальный сортамент, подписывая источник.
Как влияет влажное помещение на расчёт балки?
Класс условий эксплуатации 3 и выше (влажность древесины от 15%) снижает коэффициент m_в с 1,0 до 0,9 (класс 3), 0,85 (класс 4а) или 0,75 (класс 4б) — это уменьшает и допускаемое напряжение R, и расчётный модуль упругости E, то есть балка одновременно теряет запас и по прочности, и по прогибу.
Что калькулятор не проверяет?
Устойчивость плоской формы изгиба — узкая высокая балка (h/b больше 4) без раскрепления сжатой кромки настилом может завалиться набок — и скалывание древесины у опор, где балка может расслоиться: обе проверки калькулятор не выполняет и прямо об этом предупреждает. Это прикидочный расчёт для оценки сечения, не проектный документ.
Откуда берётся предельный прогиб балки?
СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия», приложение Д, табл. Д.1, поз. 2а — для балок, перекрытий и настилов, открытых для обзора (эстетико-психологические требования): L/120 при пролёте 1 м, L/150 при 3 м, L/200 при 6 м, L/250 при 12 м и L/300 при 24 м (по примечанию 3 к таблице значения для помещений высотой до 6 м). Для промежуточных пролётов знаменатель интерполируется линейно (примечание 2), поэтому для 8 м предел не L/200, а L/217. Прогиб при этом считается от постоянных и длительных нагрузок, а не от полной.
Источники и допущения
Расчётная схема — балка на двух шарнирных опорах с равномерной нагрузкой, формулы пособия МГСУ (Туснин/Туснина). Расчётное сопротивление древесины R_A берётся по размерам сечения из табл. 3 СП 64: поз. 1а для досок и бруса уже 11 см, поз. 1б для бруса шириной 11–13 см и 1в — шире 13 см (на 7–15 % выше); выше 50 см — поз. 1а с коэффициентом m_б. Коэффициент длительной прочности m_дл = 0,66 (СП 64.13330.2017 табл. 4, режимы В и Г) и расчётный модуль упругости E_II = E_ср × m_дл,E × m_в (не «сырой» E = 10 000 МПа) обязательны — без них расчёт завышает прочность и занижает прогиб; для сечений выше 50 см учтён m_б по табл. 10. Прогиб по умолчанию считается от постоянных и длительных нагрузок (СП 20 табл. Д.1, длительная часть полезной нагрузки 0,35 по п. 8.2.3; для чердаков — полная), предельный прогиб — по узлам таблицы Д.1 с линейной интерполяцией. Двутавры даны по ГОСТ 8239-89 — документ в РФ формально заменён с 30.11.2018, но геометрия профиля, который продают, от статуса документа не зависит; вес двутавра добавляется к нагрузке автоматически, вес деревянной балки (около 0,05 кН/м для доски 50×200) не учитывается. Расчётное сопротивление стали взято по табл. В.3 СП 16 для большей толщины проката (для С245 — 235 МПа при 20–30 мм; при 2–20 мм было бы 240) — в запас. Типовые веса перекрытий в пресетах — практика, не норматив; собственный вес слоёв идёт с γf = 1,1. Модуль упругости дерева в СП дан только для сосны и ели — для других пород применяется то же значение, это допущение калькулятора. Устойчивость плоской формы изгиба и скалывание у опор не проверяются — калькулятор даёт только прикидочную оценку сечения, не проектный расчёт; для ответственных конструкций нужен инженер.
- https://meganorm.ru/Data2/1/4293744/4293744725.htm
- https://meganorm.ru/Data2/1/4293747/4293747667.htm
- https://meganorm.ru/Data2/1/4293745/4293745484.htm
- https://meganorm.ru/Data2/1/4294852/4294852738.htm
- https://internet-law.ru/gosts/gost/11401/
- https://iiesm.mgsu.ru/universityabout/Struktura/Kafedri/Metall_i_der_konstr/teaching-materials/TusninAR-TusninaOA_ProektirovanieIRaschetMetallicheskihKonstrukciy.pdf
Комментарии