Основные типы соединений в стальной каркасной конструкции
Для зданий со стальным каркасом требуются специалисты по детализации стальных конструкций, чтобы обеспечить надёжные структурные соединения между балками и колоннами, поскольку необходимо корректно учитывать действующие на конструкцию силовые нагрузки. Строительные соединения между парами балка/колонна могут выполняться путём сварки, болтового крепления, заклёпки, а также с использованием шарнирных или жёстких обойм. Сварщики могут расплавлять стальные элементы для их объединения в единое целое, формируя прочный стальной замкнутый путь передачи нагрузок — это особенно желательно при усилении каркаса для повышения его жёсткости против изгибающих моментов. Болтовые соединения применяются тогда, когда требуются гибкие и подвижные конструкции. Такие крепёжные элементы для структурных соединений, например болты класса прочности 8.8, обладают значительными преимуществами в тех случаях, когда строительным подрядчикам необходимо выполнять регулировку соединений непосредственно на строительной площадке — это особенно важно при сейсмическом усилении существующих зданий или когда структурные соединения не совпадают друг с другом идеально. Заклёпочные соединения считаются устаревшими и встречаются преимущественно в исторических зданиях. Их преимущество заключается в способности выдерживать колебания благодаря уникальному процессу формирования без нагрева. Шарнирные (штыревые) соединения допускают некоторое вращение конструктивных элементов, что имеет важное значение для мостов, позволяя компенсировать тепловое расширение и сжатие. Жёсткие соединения выполняют прямо противоположную функцию по сравнению со шарнирными: они фиксируют конструктивные элементы в одном положении. Это принципиально важно для высотных зданий, сопротивляющихся боковым нагрузкам, поскольку обеспечивает их устойчивость. Их эстетическая ценность также важна, однако инженеры-конструкторы должны учитывать удобство и скорость монтажа, затраты, связанные со структурой, а также ожидаемый уровень эксплуатационного обслуживания здания в будущем.
Сварные и болтовые соединения балок с колоннами
Сварка обеспечивает прочность, лучший контроль и полное соответствие стандарту EN 1993-1-8
Сварка балок с колоннами в стальных каркасах приводит к увеличению общей жёсткости и обеспечивает более равномерное распределение нагрузок по всей конструкции каркаса. Сварные соединения полного проплавления, выполненные правильно, обеспечивают более надёжные соединения по сравнению с болтовыми соединениями, особенно при длительном воздействии постоянных нагрузок. Стандарт EN 1993-1-8 стал отраслевым эталоном по ряду заслуженных причин. Эти требования предусматривают привлечение квалифицированного персонала, обладающего необходимыми знаниями в рамках своих обязанностей и ответственности, включая контроль качества сварных швов. Большинство производственных цехов проводят ультразвуковой контроль для выявления потенциальных дефектов сварных швов. Такие сварные соединения устраняют проблемы, связанные с применением болтов (например, ослабление затяжки болтов), однако их проектирование и монтаж на строительной площадке требуют от рабочих повышенной ответственности и внимательности. В частности, необходимо контролировать погодные условия, влияющие на процесс сварки.
Болтовые соединения: соединения с торцевой пластиной, опорные соединения и соединения с фланцевой пластиной
С точки зрения сборки модулей болтовое соединение обеспечивает наибольшие преимущества при возведении стальных каркасных конструкций. В настоящее время наиболее распространёнными и общепринятыми типами соединений являются следующие три:
— соединения с торцевой пластиной, обеспечивающие передачу изгибающего момента от нижнего элемента к верхнему в растянутой зоне или от нижнего элемента к верхнему в сжатой зоне (и наоборот).
— опорные соединения, обеспечивающие вертикальную опору за счёт использования одного или нескольких нижних угловых крепёжных уголков.
— системы соединений с фланцевой пластиной, обеспечивающие более быструю сборку на строительной площадке за счёт применения односрезной плоскости.
Большинство систем, описанных выше, предназначены для достижения цели компенсации изменений в допусках и модификациях конструкции. При недавних структурных испытаниях удлинённые торцевые плиты (EEP) продемонстрировали повышение несущей способности на изгиб на 15 % по сравнению с аналогичными показателями у фланцевых конструкций без выступа.
Тип соединения: сварное / болтовое
Скорость монтажа: медленная (сварка на месте) / быстрая (предварительно изготовленные элементы)
Гибкость модификации: ограниченная / гибкая
Сложность контроля: требует неразрушающего контроля / визуальный осмотр
Устойчивость к вибрации: превосходная / требуются контргайки
Конструкторские аспекты обеспечения безопасных и экономичных соединений стальных каркасов
Передача изгибающих моментов, пластичность и эффективность узлов
Стальные каркасные конструкции обеспечивают оптимальную эксплуатационную эффективность, когда соединения обеспечивают надлежащий баланс передачи изгибающих моментов и деформации. При жёстких соединениях необходимо соблюдать баланс между чрезмерной деформацией и достаточным распределением нагрузок на другие элементы конструкции. В случае шарнирных соединений требования ещё более строги, поскольку такие соединения должны обладать достаточной поворотной податливостью, чтобы исключить концентрацию напряжений, приводящую к разрушению при воздействии давления. Пластичность имеет первостепенное значение при проектировании сейсмостойких конструкций. При сейсмическом воздействии требуется рассеяние энергии за счёт контролируемой деформации соединений до заранее заданного режима разрушения. Общая эффективность соединений напрямую влияет на общую стоимость конструкции. Благодаря грамотному проектированию соединений требуемая эксплуатационная эффективность достигается при меньшем расходе материалов, при этом сохраняется необходимая жёсткость. Нередко проектирование соединений занимает одно из ведущих мест в приоритетах инженеров-конструкторов, особенно когда требуется обеспечить несущую способность соединения по изгибающему моменту на уровне 90 % при одновременной допустимости поворота. Как правило, это требует компромиссов и взаимных уступок между различными эксплуатационными параметрами.
Документация по проектированию и сборке элементов в форме буквы H
При монтаже на строительной площадке применяется протокол затяжки высокопрочных крепёжных изделий до примерно 70 % от максимального крутящего момента при соблюдении допуска по выравниванию балки в пределах L/500. До тех пор, пока 75 % соединений не достигнут полной прочности, конструкции требуют временного раскрепления. Это минимизирует трудности, возникающие при монтаже на площадке, поскольку окончательная затяжка болтов обычно усугубляет такие трудности из-за плохой соосности элементов. Равномерное распределение нагрузки по всей конструкции обеспечивает её оптимальную работу.
Часто задаваемые вопросы
Какие типы соединений применяются в стальных каркасных конструкциях?
Обычно соединения классифицируются как сварные, болтовые, заклёпочные, а также шарнирные или жёсткие соединения.
В чём преимущество сварных соединений в стальных каркасных конструкциях?
Преимущество сварных соединений заключается в повышенной жёсткости, что обеспечивает хорошую несущую способность сечения при длительно действующей равномерной нагрузке благодаря эффективному распределению нагрузки.
Каковы преимущества болтовых соединений в стальном строительстве?
Преимущества болтового соединения обусловлены модульной конструкцией, гибкостью при повторной конфигурации и допусками в конструкции, которые упрощают регулировку на строительной площадке.
Как принципы проектирования влияют на соединения каркаса в стальном строительстве?
Принципы проектирования стальных конструкций направлены на обеспечение сбалансированного переноса изгибающих моментов, пластичности и эффективности соединений, чтобы обеспечить безопасность, долговечность и экономическую целесообразность конструкции.