В своем развитии металлоконструкции имеют тенденцию к уменьшению их металлоемкости. В этом контексте сварные балки решают проблему уменьшения массы несущих конструкций. В балке, работающей на изгиб, наиболее напряженная зона – полка. Стенка нагружена в меньшей степени. Следовательно, основная масса металла должна находиться в полках, а в стенках – меньшая доля.
Сварка позволяет создавать рациональные профили. Именно благодаря применению сварки удается создавать балки разнообразных размеров – высотой до 3…4 м и более, а также любой длины. Кроме того сварка позволяет наиболее рациональным образом сочетать размеры горизонтальных листов, часто называемых поясами, с вертикальной стенкой. Применяются балки с толстыми широкими поясами в сочетании с высокими тонкими стенками. Пояса часто выполняются не только из листового проката, но и из других профилей, например прокатных швеллеров, а также при необходимости из гнутых профилей. Пояса могут состоять из двух листов и более, при необходимости обладать разными свойствами.
Показателем экономичности сечения балки служит параметр W/A, где W – момент сопротивления профиля, см; A – площадь сечения профиля, кв.см. Чем выше это отношение, тем меньшая масса металла необходима для увеличения сопротивления профиля на изгиб. Однако создавать чрезмерно тонкие вертикальные стенки невозможно из-за недостатка местной устойчивости. Необходим оптимальный выбор размеров.
Прокат двутавровых профилей производительней сварки. Но возможность создавать сварные конструкции с желаемыми соотношениями размеров, снижает расхода металла и делает их более экономичными и более рентабельными по стоимости.
Большое значение имеет характер производства. При крупносерийном производстве нередко оказывается рентабельнее прокатка, а при мелкосерийном и особенно в индивидуальном производстве – сварка. Широкая автоматизация производственного процесса позволит значительно расширить сферу применения сварных конструкций.
Поперечные сечения балок, в особенности двутаврового профиля, иногда изменяются по длине. В некоторых случаях изменяют толщину или ширину горизонтальных листов. Это более целесообразно, нежели изменять толщину вертикальных листов. Иногда горизонтальные пояса делают составными по толщине, если толщина пояса больше или равна 25…30 мм, при этом в менее нагруженных листах число листов уменьшают.
Балки переменного сечения позволяют лучше использовать несущую способность металла по всей их длине. Они дают экономию металла в сравнении с балками постоянного профиля, значительная часть которых работает при напряжениях, значительно меньших допускаемых. В технологическом отношении изготовление балок переменного профиля несколько сложнее. Вопрос выбора конструкций решается с экономических позиций, а иногда и с учетом общей компоновки и эстетики. Большинство типовых балок имеет профиль, постоянный по длине.
Балки применяют в качестве несущих конструкций покрытий, перекрытий, площадок под оборудование, лестниц и т.д. Если балка опираются непосредственно на стенки или колонны, то их называют главными. Балки, опирающиеся на главные балки, называют второстепенными. По балками обычно устраивают настил из железобетонных плит или из стальных листов. Балки проектируют в основном из прокатных (обычных или широкополочных) двутавров, имеющих высоту сечения до 1 м. Если самые большие профили не обеспечивают заданной жесткости, то балки проектируют сварными из трех листов – стенки и двух поясов, укрепляя в необходимых случаях стенку ребрами