Основні типи з’єднань у сталевих каркасних конструкціях
Будівлі зі сталевим каркасом вимагають участі спеціалістів з деталізації сталевих конструкцій, щоб забезпечити міцні структурні з’єднання між балками та колонами, оскільки необхідно адекватно враховувати дію структурних навантажень. Будівельні з’єднання між парами балка/колона можна реалізувати за допомогою зварювання, болтового кріплення, заклепування та шарнірного або жорсткого обмурювання. Зварники можуть сплавляти сталеві елементи між собою, утворюючи міцний обмежений стальний шлях передачі навантаження, що є бажаним при підвищенні жорсткості каркаса проти згинального моменту. Болти застосовують у разі потреби у гнучких і рухомих конструкціях. Такі кріпильні елементи для структурних з’єднань, наприклад болти класу міцності 8.8, мають значні переваги, коли підрядникам з будівництва конструкцій потрібно вносити корективи до з’єднань безпосередньо на місці — це особливо важливо під час сейсмічного посилення будівель або коли структурні з’єднання не підходять ідеально. Заклепкові з’єднання вважаються застарілими й зустрічаються переважно в історичних спорудах. Їх перевага полягає в здатності витримувати коливання завдяки унікальному процесу формування без нагрівання. Шарнірні з’єднання дозволяють часткове обертання конструктивних елементів, що є важливим для мостів, щоб забезпечити їх розширення та стискання через зміни температури. Жорсткі з’єднання виконують прямо протилежну функцію порівняно з шарнірними: вони фіксують конструктивні елементи в одному положенні. Це є фундаментальним для хмарочосів, які повинні сприймати бічні навантаження, щоб забезпечити загальну стабільність. Хоча їх естетична цінність також важлива, інженери-конструктори повинні враховувати також простоту та швидкість монтажу, витрати, пов’язані з конструкцією, та очікуваний рівень технічного обслуговування споруди в майбутньому.
Зварні та болтові з’єднання балок із колонами
Зварювання забезпечує міцність, кращий контроль і повне дотримання вимог EN 1993-1-8
Зварювання балки з колоною у сталевих каркасах призводить до збільшення загальної жорсткості та забезпечує краще розподілення навантажень по всій конструкції каркаса. Зварні шви повного проплавлення, виконані правильно, є ефективнішими для створення міцних з’єднань порівняно зі з’єднаннями, виконаними за допомогою болтів, особливо коли такі міцні з’єднання піддаються постійним навантаженням протягом тривалого часу. Єврокод EN 1993-1-8 став у галузі стандартом з низки вагомих причин. Ці специфікації передбачають залучення кваліфікованого персоналу, який добре обізнаний із своїми обов’язками та відповідальністю, у тому числі й щодо інспекції зварних швів. Більшість майстерень проводять ультразвукове контролювання для виявлення потенційних дефектів зварних швів. Такі зварні з’єднання усувають проблеми, пов’язані з використанням болтів (наприклад, ослаблення болтів), однак їх проектування та виконання на місці вимагають від робітників більшої відповідальності та обережності. Зокрема, необхідно контролювати погодні зміни, що виникають під час процесу зварювання.
Болтові з'єднання: кінцева плита, опорна та фін-плита
З точки зору збирання модулів болтове з'єднання забезпечує найбільші переваги в сталевих каркасних конструкціях. Наразі найпоширенішими й найбільш загальноприйнятими типами з'єднань є такі три:
— з'єднання з кінцевою плитою, які забезпечують передачу згинального моменту від нижнього до верхнього розтягнутого елемента або від нижнього до верхнього стиснутого елемента (і навпаки).
— опорні з'єднання, які забезпечують вертикальну підтримку за допомогою нижніх кутових кронштейнів.
— системи з'єднань з фін-пластинами, які дозволяють швидше збирати конструкції на місці за рахунок однієї площини зрізу.
Більшість систем, описаних вище, розроблено з метою досягнення цілі, пов’язаної з урахуванням змін у структурних допусках та модифікаціях. Під час нещодавніх структурних випробувань розширені кінцеві плити (EEP) показали покращення міцності на вигин на 15 % порівняно з конструкціями зі зрізаними кінцями. Полеві коригування дозволяють забезпечити більший ступінь змінності в процесі виготовлення та проектування конструкцій, ніж це може бути необхідно в інших випадках.
Коефіцієнт з’єднання Зварне Болтове
Швидкість монтажу Повільна (зварювання на місці) Швидка (попередньо виготовлені елементи)
Гнучкість модифікації Обмежена Гнучка
Складність перевірки Вимагає неруйнівного контролю (НК) Візуальна перевірка
Стійкість до вібрації Вища Вимагають контргайок
Проектні розгляди щодо безпечних і економічних з’єднань сталевих каркасів
Передача згинальних моментів, пластичність та ефективність вузла
Сталеві каркасні конструкції досягають оптимальної ефективності, коли з’єднання забезпечують відповідний баланс передачі згинального моменту та деформації. У разі жорстких з’єднань необхідно досягти балансу між надмірним прогином і достатнім розподілом навантажень на інші елементи конструкції. У разі шарнірних з’єднань ці вимоги є навіть більш вираженими, оскільки такі з’єднання повинні мати достатню обертальну гнучкість, щоб запобігти концентрації напружень, які призведуть до руйнування під дією навантаження. Дуктильність має вирішальне значення при сейсмічному проектуванні. Під час сейсмічного збудження потрібне розсіювання енергії за рахунок контрольованих деформацій з’єднань до заздалегідь визначеної схеми руйнування. Загальна ефективність з’єднань безпосередньо впливає на загальну вартість конструкції. За умови правильного проектування з’єднань потрібну експлуатаційну характеристику можна досягти з меншим витратами матеріалу, зберігаючи при цьому необхідну жорсткість. Не є незвичним, що проектування з’єднань посідає одне з перших місць у пріоритетах інженерів-конструкторів, особливо коли потрібно забезпечити моментну стійкість з’єднання на рівні 90 %, але при цьому зберегти його здатність до обертання. Це, як правило, вимагає компромісів та взаємних поступок між різними експлуатаційними параметрами.
Документація щодо проектування та збирання конструкцій з перерізу у формі літери H
Під час монтажу на місці дотримуються протоколу: високоміцні кріпильні елементи затягують до приблизно 70 % максимального моменту затягування, забезпечуючи при цьому вирівнювання балки в межах допустимого відхилення L/500. До тих пір, поки не буде досягнуто повної міцності щонайменше 75 % з’єднань, конструкції потребують тимчасового підкосу. Це мінімізує ускладнення під час монтажу на місці, оскільки затягування болтів, як правило, ускладнює роботу через погане вирівнювання. Рівномірний розподіл навантаження по всій конструкції забезпечує її оптимальну роботу.
Часто задані питання
Які типи з’єднань використовуються в сталевих каркасних конструкціях?
Зазвичай з’єднання класифікують як зварні, болтові, заклепкові та шарнірні (або фіксовані) з’єднання.
Які переваги мають зварні з’єднання в сталевих каркасних конструкціях?
Перевагою зварних з’єднань є підвищена жорсткість, а отже — краща робота перерізу під навантаженням завдяки ефективному розподілу навантаження при тривалому рівномірному навантаженні.
Які переваги мають болтові з’єднання в сталевому будівництві?
Переваги болтового з’єднання випливають із модульної конструкції, гнучкості при повторній конфігурації та конструктивних допусків, що спрощують регулювання на місці.
Як принципи проектування впливають на з’єднання каркасу в сталевих конструкціях?
Принципи проектування сталевих конструкцій спрямовані на забезпечення балансу між передачею згинального моменту, пластичністю та ефективністю вузлів, щоб конструкція була безпечною, довговічною та економічною.