+7(499) 136 06 90

+7(495) 704-31-86

[email protected]

Узлы опирания металлических балок на металлические колонны


Опорные узлы балки | buildingbook.ru

Опорные узлы балки.

Сопряжения балки со стальными колоннами.

Опирание балки на стальную колонну может быть шарнирным или жестким.

При возможности лучше всего опирать балку сверху и передавать нагрузку по центру профиля колонны. При боковом креплении балки, помимо сжимающей нагрузки в колонне дополнительно возникает момент от действия этой силы из-за того, что появляется эксцентриситет и соответственно это приводит к увеличению нагрузок и перерасходу металла в колонне.

Опирание балки на колонну сверху.

При опирании балки на колонну сверху рекомендуется передавать нагрузку через ребро. Размеры ребра рассчитываются из расчета на смятие по формуле:

 

где F — опорная реакция балки;

Ар — площадь смятия опорного ребра;

Rр — расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности.

Чтобы вся нагрузка передавалась через ребро оно должно не много выступать, но не более 1,5 толщины ребра, обычно это 15-20 мм. Ребро необходимо снизу сострогать, чтобы нагрузка передавалась всей площадью ребра.

Т.к. узел шарнирный для фиксации балки достаточно 2-х болтов с одной стороны. Диаметр болтов принимается 16-20 мм. С затяжкой лучше не переусердствовать — это не фрикционное соединение 🙂

Толщина опорной площадки обычно принимается  20-25 мм, толщина ребер 8-12 мм.

Если имеется угол кровли, ребро нужно сострогать под необходимым углом и добавить шайбы, имеющие скос для болта.

Опирание 2-х балок на колонну сверху.

 

Аналогично предыдущему варианту опираем балки через ребро на оголовок колонны.

Балки соединяем между собой с помощью болтов. Сверху болты устанавливать не стоит если конечно вы не хотите создать жесткий узел.  Между 2-мя ребрами устанавливаем пластинки для того, чтобы не стянуть балки вместе (это может нагрузить колонну моментом на противоположном конце балки).

Также есть вариант опереть 2-е балки на оголовок колонны следующим способом

 

В этом варианте балка нижней полкой ложиться на оголовок колонны.

Для передачи поперечной силы балка усиливается ребром, ребро устанавливаем так, чтобы при монтаже оно оказалось прямо над полкой колонны. Балки соединяем болтами при помощи накладной пластины (для симметричной передачи нагрузки лучше использовать 2-е пластины с 2-х сторон). Как и в предыдущем варианте нет необходимости соединять балки болтами сверху, чтобы не создать жесткий узел.

Ребра на колонне, в этом случае, не нужны.

Между 2-мя балками оставляем не большой зазор около 10-20 мм.

 

Шарнирное опирание балки на колонну сбоку

При боковом креплении необходимо в расчетах колонны учитывать эксцентриситет.

При шарнирном опирании нагрузка передается через опорное ребро на опорный столик. Столик обычно делают из листовой стали или неравнополочного уголка. Высоту опорного столика определяют из условия прочности сварных швов. Целесообразно приварить столик по 3-ем сторонам. Ширину столика делают на 20-40 мм больше ребра балки, чтобы опорное ребро полностью легло на опорный столик.

Диаметр отверстий делают на 3-4 мм больше диаметра болтов чтобы балка не повисла на болтах, а полностью легла на столик.

Опорное ребро балки рассчитывается на смятие по той же формуле, что и для балки опертой сверху.

При шарнирном опирании ребра в колонне не требуются. Между опорным ребром и колонной монтируется прокладка толщиной примерно 5 мм.

Жесткое сопряжение балки с колонной при помощи болтового соединения

Создать жесткое соединение можно с помощью болтового соединения или сварки. Болтовое соединение более технологично — все детали изготавливаются и окрашиваются на заводе, на строительной площадке необходимо лишь установить и затянуть болты.

В данном узле поперечная сила воспринимается также как и в шарнирном узле с помощью опорного столика. Момент передается с помощью болтов на стенки колонны. Между опорным ребром балки и колонной необходимо установить стальные прокладки для плотного прилегания балки и колонны (зазора после затяжки быть не должно).

Количество и диаметры болтов для верхнего пояса необходимо рассчитать исходя из возникающего момента в заделке балки. Болты применяются только высокопрочные. Необходимо контролировать затяжку болтов.

Стенки колонны укрепляются ребрами жесткости.

 

Жесткое сопряжение балки с колонной при помощи сварного соединения

При жестком соединении балки с колонной при помощи сварки, используют накладки, которые крепятся к балке болтами и привариваются к балке и колонне.

 

_____________________________________________________________________

Как найти опорные реакции читайте в статье Построение эпюр балки

Как подобрать сечение стальной балки читайте в статье Расчет балки

 

Posted in Стальные конструкции Tagged Прочностной расчет, Стальные конструкции

Узел сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками

Авторы патента:

Коровяковский Д. И. (RU)

Михайленко Т.Г. (RU)


7 E04B5/10 -


 

Использование: в строительстве многоэтажных зданий и сооружений. Сущность: узел сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками, в состав которого входят: колонна, балки, соединительные элементы, при этом балки имеют ребра жесткости, опираются на опорные столики в виде сварного тавра, для фиксации балок при монтаже применяют уголки, приваренные к колонне, соединение осуществляют с помощью сварных швов. Достоинство предлагаемого узла сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками в том, что наличие опорных столиков, фиксирующих уголков и ребер жесткости в месте опирания балок будут обеспечивать более надежное и удобное для монтажа соединение.

Полезная модель относится к строительству, а именно к сопряжению металлической колонны с балками, и может быть использована в строительстве зданий и сооружений.

Известен узел сопряжения колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками, который состоит из колонны, балок, вертикальных ребер, присоединенных болтами и сварными швами к колонне и к балкам, и горизонтальных накладок сверху и снизу балок, присоединенных болтами к балкам и сварными швами к колонне и балкам. (1)

Недостатком данного узла сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками является то, что данный узел недостаточно удобно монтировать и недостаточно хорошо воспринимаются усилия в узле.

Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение надежности крепления и удобство монтажа.

Технический результат достигается тем, что предполагаемая полезная модель включает колонну двутаврового сечения; балки с ребрами жесткости; приваренные к нижним полкам балок и к колонне опорные столики таврового профиля; приваренные к верхним полкам балок и к колонне горизонтальные накладки, которые при присоединении к стенке колонны одновременно являются ребрами жесткости колонны; нижние накладки, подкреплены снизу ребром; уголки для фиксации балок при монтаже.

Полезная модель поясняется чертежом. На фиг.1 изображен узел сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками, также на фиг.2 изображен разрез А-А, на фиг. 3 - разрез Б-Б, на фиг.4 - разрез В-В, на фиг.5 - разрез Г-Г, на фиг.6 - опорный столик и разрез Д-Д.

Узел сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками, состоящий из: колонны 7; балок 2 с ребрами жесткости 3, в месте опирания балок 2; приваренных к колонне 7 и к нижним полкам балок 2 опорных столиков 4; приваренных к колонне 7 и к верхним полкам балок 2 монтажной сваркой, металлических горизонтальных накладок трапециевидной формы J»; уголков б, приваренных к колонне 7; ребер жесткости 7 колонны 7, приваренных заводской сваркой и подкрепленных ребрами 8, ребер 9, приваренных монтажной сваркой после установки балок 2. Опорный столик 4, в виде сварного тавра, состоит из ребра подкрепления 10 и полки трапециевидной формы 77 и приварен к колонне на заводе.

Данную полезную модель выполняют в следующей последовательности: на опорные столики 4, приваренные к колонне 7, опираются балки 2, их положение фиксируют уголками 6, затем производят сварку нижней полки балки 2 и опорного столика 4. После чего производят сварку горизонтальной накладки 5 и верхней полки балки 2. Затем на ребро жесткости 7 колонны 7 устанавливают смежную балку 2, фиксируют уголком 6 и приваривают к ребру 7. Ребро 9 приваривают монтажной сваркой к колонне и к верхней полке балки.

Достоинство предлагаемого узла сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками в том, что наличие опорного столика, фиксирующего уголка и ребер жесткости в месте опирания балки обеспечивают более надежное и удобное для монтажа соединение.

Использованная литература

1. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов/ Е.И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Ведеников и др.; под общ. ред. Е.И. Беленя, - 6-е изд., перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1986. - 560 с., ил.

Узел сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровыми балками, включающий колонну, балки, соединительные элементы, отличающийся тем, что балки имеют ребра жесткости, опираются на опорные столики в виде сварного тавра, при этом балки при монтаже зафиксированы уголками, приваренными к колонне, причем соединение выполнено с помощью сварных швов.

 

Похожие патенты:

Узел сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровой балкой для опалубки перекрытий // 69107

Узел сопряжения металлической колонны двутаврового сечения с двутавровой балкой для опалубки перекрытий относится к строительству, а именно к сопряжению металлической колонны с балкой, и может быть использована в строительстве зданий и сооружений.

Металлический каркас здания // 125591

Изобретение относится к области строительства, в частности к металлическим каркасам многопролетных зданий

Монтажное стыковое соединение двутавровых балок // 110396

Стан для сборки сваркой двутавровых балок // 123710

Металлодеревянный строительный элемент // 95003

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в качестве самостоятельной многоопорной и консольной горизонтальной, наклонной и вертикальной несущей конструкции, а также в составе других строительных элементов - стеновых панелей, панелей ограждения, поясов ферм и т. п

Узел соединения колонны двутаврового сечения с двутавровой балкой // 83087

Узел сопряжения металлической колонны трубчатого сечения с двутавровыми балками // 57772

Обрамляющий профиль для потолочных конструкций и угловые элементы для него // 123806

Узел сопряжения неразрезных стальных второстепенных балок и стальной главной балки // 120668

Узел этажного монтажа металлических блок-контейнеров // 52031

Металлическая балка, узел соединения железобетонной колонны с металлической балкой и каркас многоэтажного здания (варианты) // 133551

Полезная модель относится к области строительства, в частности к каркасам зданий, узлам соединений железобетонных колонн с балками и металлическим балкам

Составная балка двутаврового сечения // 82730

Конструкция узла наращивания железобетонной колонны // 104585

Устройство для защиты от коррозии подводной части металлических конструкций // 124263

Соединение между колоннами и балками в стальной конструкции

При работе с соединенными узлами в стальном здании требуются следующие основные принципы:

Безопасно и надежно. Анализ силы должен быть максимально приближен к фактическим рабочим условиям, а схема расчета должна соответствовать или быть близкой к фактическим условиям соединения компонента; соединение должно иметь четкий путь передачи усилия и гарантию надежной конструкции.

Простота изготовления, транспортировки и установки. Уменьшить тип узлов; размер сращивания должен оставлять место для регулировки; постарайтесь облегчить работу во время строительства, например: избежать потолочной сварки места сварки, установить монтажную опору.

Экономичный и разумный. Наиболее экономичный метод определяется после всестороннего рассмотрения материалов, производства, конструкции и т. д., а не просто понимается как экономия потребления стали.

Соединения балки-колонны можно разделить на три типа: гибкое соединение (шарнирное), жесткое соединение и полужесткое соединение в зависимости от различной жесткости при вращении.

1.  Гибкое соединение балки и колонны (соединение между осевой колонной и балкой обычно шарнирное)

A. Балка, опирающаяся на верхнюю часть колонны

Рисунок а: Сила реакции подшипника луч передается непосредственно на полку колонны. Между соседними балками оставляют зазор, чтобы было место для регулировки при монтаже. Сила передачи ясна, конструкция проста и удобна. Однако, когда силы реакции двух соседних балок различны, возникает внецентренное сжатие колонны. Когда сила реакции, передаваемая одной боковой балкой, велика, может быть вызвано локальное коробление полки колонны.

Рис. b: Даже если силы реакции двух соседних балок не равны, колонна все равно находится близко к оси. Нижняя часть ребра жесткости полки должна быть сплющена до верха колонны; стенка колонны является основной силовой частью, и ее толщина не должна быть слишком тонкой; под вершиной колонны должны быть предусмотрены ребра жесткости, и ребро жесткости должно иметь достаточную длину, чтобы соответствовать требованиям к длине сварного шва и требованиям к равномерному распределению напряжений.

B Балка поддерживается со стороны колонны

Рисунок а: Когда сила реакции балки мала, балку можно разместить без каких-либо поддерживающих ребер жесткости. Он ставится прямо на воловью ногу колонны и соединяется обычными болтами. Структура проста и конструкция удобна.

Рис. b: Используется при большой силе реакции балки. Сила реакции балки передается на опору концевым элементом жесткости; опора изготавливается из толстого стального листа (толщина которого должна быть больше толщины ребра жесткости) или уголка после усиления и соединяется сварным швом со стороны колонны.

Рисунок c: Когда разница между силами реакции двух соседних балок велика. Сила реакции балки передается через стенку колонны, так что колонна все еще находится в состоянии, близком к осевому напряженному состоянию.

 2. Жесткое соединение балок и колонн (каркасные балки и колонны, как правило, жестко связаны)

Должны выполняться следующие требования:

Обеспечить надежную передачу изгибающего момента и перерезывающей силы сегмента балки на колонну; обеспечивается жесткость соединения, так что соединение не создает явного относительного угла поворота; структура проста и удобна для строительства.

Рисунок а, б: Изгибающий момент и поперечная сила передаются непосредственно на колонну через сварной шов. Можно считать, что изгибающий момент конца балки передается от сварного шва фланца на колонну, а поперечная сила передается от сварного шва стенки на колонну.

Для того, чтобы сварной шов фланцевого соединения можно было сварить в положении плоского шва, вкладыш приваривают со стороны колонны, при этом на торце стенки балки оставляют надрез, а надрез верхний положение вкладыша, нижняя выемка Это соответствует требованиям сварки.

Рисунок c, d: Изгибающий момент конца балки и поперечная сила передаются на колонну с помощью высокопрочных болтов и сварных швов. Поскольку усилие передается на колонну через соединительную пластину и угловую сталь, это конструкция с непрямой передачей усилия.

Поперечные ребра жесткости могут быть предусмотрены в области балки, соединенной с Н-образной колонной, как показано на рис. b и d или могут быть опущены, как показано на фиг. а и в. В последнем случае проверяют прочность и устойчивость стенки колонны и полки.

ОТ: YILI STEEL STRUCTURE

Схемы каркаса - SteelConstruction.info

Большинство форм стального каркаса, используемых в строительстве Великобритании, можно сгруппировать следующим образом:

  • Рамы со связями или «простая» конструкция, в которой балки и колонны рассчитаны только на вертикальные нагрузки. Соединения выполнены как штыревые.
  • Жесткие или неразрезные рамы, в которых рамная конструкция спроектирована таким образом, что соединения между элементами сопротивляются моменту.
  • Арочные конструкции, в которых силы передаются на грунт, в основном за счет сжатия внутри конструкции.
  • Натяжные конструкции, в которых усилия передаются на землю за счет растяжения (или действия контактной сети) и сжатия в стойках или мачтах, как в палатке.


Раскосные рамы с номинально штифтовыми соединениями и вертикальными связями (которые могут быть стальными распорками или бетонным сердечником) представляют собой очень экономичное конструктивное решение и являются наиболее часто используемой конструкционной системой в зданиях. Жесткокаркасные конструкции предпочтительнее, если нет возможности применения вертикальных связей, например, в полностью остекленных фасадах или в большепролетных конструкциях. В раскосных рамах колонны рассчитаны на сопротивление в основном силам сжатия. Колонны, используемые в жестких или неразрезных рамах, также рассчитаны на сопротивление изгибу.

Арочные и натяжные конструкции основаны на свойствах стали на сжатие и растяжение и следуют четко определенным конструктивным принципам. Структуры напряжения обычно связаны с выразительными внешними структурами. Натяжные элементы в виде тросов или стержней обычно крепятся к земле.

Содержимое

  • 1 Компоненты из конструкционной стали
    • 1.1 Стальные балки
    • 1.2 Составные балки
  • 2 Конструктивные системы в многоэтажных домах
    • 2.1 Ячеистые балки
  • 3 Балки с большими отверстиями в стенке
    • 3.1 Неглубокая конструкция пола
    • 3. 2 Сводка пролетов конструктивных вариантов
    • 3.3 Столбцы
    • 3.4 Фермы и решетчатые фермы
    • 3.5 Распорные рамы
    • 3.6 Формы крепления в раскосных рамах
  • 4 Структурные системы в одноэтажных зданиях
    • 4.1 Открытие рамы
    • 4.2 Каркасные конструкции портала
  • 5 Дальнейшее чтение
  • 6 ресурсов
  • 7 См. также

[вверх] Компоненты конструкционной стали

Основные статьи: Стальные строительные изделия, Модульная конструкция, Композитная конструкция

 

Формы открытых горячекатаных стальных профилей

Архитектору и проектировщику доступен широкий ассортимент стальных компонентов, включая:

  • Горячекатаные (открытые) профили, такие как I-, H- и L-профили
  • Конструкционные полые (замкнутые) профили круглой, квадратной, прямоугольной и эллиптической формы
  • Сборные профили, изготовленные сваркой стальных листов
  • Компоненты из литой стали для многократного использования, такие как узлы
  • Компоненты из нержавеющей стали
  • Легкие стальные детали из тонкой полосовой стали
  • Модульные блоки из легких стальных компонентов.


Местные соединения обычно выполняются с помощью болтов, а сварка предпочтительнее для заводских соединений.

Производится широкий ассортимент стандартных профилей из горячекатаной стали, из которых конструкторы могут выбрать профиль, размер и вес, соответствующие конкретному применению. Это балочные профили (UB), профили колонн (UC), швеллеры с параллельными полками (PFC), полые конструкционные профили (SHS) и угловые профили.

 

Формы конструкционных полых профилей (СВС)

 

Компоненты стандартной открытой стальной секции

Современные открытые стальные секции имеют параллельные полки. Серийный размер варьируется с шагом около 50 мм в глубину для более мелких участков и около 75 мм для более глубоких участков. Внутренние размеры между фланцами постоянны, а толщина фланца и габаритные размеры зависят от веса секции. Стандартизация профилей из горячекатаной стали привела к принятию стандартных соединений, которые стали привычными в отрасли.

На рисунке дано объяснение терминов, используемых в отношении открытых горячекатаных профилей. Подробные размеры и характеристики горячекатаных профилей, поставляемых British Steel и Tata Steel, доступны здесь.

[верх]Стальные балки

 

Интеграция комплексных услуг в ячеистые балки с большим пролетом, больница Бишоп Окленд
(Изображение предоставлено Kloeckner Metals UK Westok)

Балки рассчитаны на сопротивление изгибающим моментам и силам сдвига. Формы профилей горячекатаных балок предназначены для достижения оптимальных свойств изгиба при использовании стали. В схемном расчете равномерно нагруженных стальных балок обычно используют сечения с отношением пролет/высота от 18 до 20, т. е. при пролете 8 м стальная балка будет иметь глубину примерно 450 мм. В таблице приведены типичные отношения пролета к высоте для различных типов балок, используемых в различных системах перекрытий. Основные балки проходят между колоннами, а второстепенные балки проходят между основными балками и напрямую поддерживают плиту перекрытия.

Типовое соотношение пролета/высоты
Форма конструкции Соотношения пролета/глубины для различных балочных решений
Второстепенные балки Главные балки
Стальная балка 18-20 13-15
Составная балка 22-25 16-18
Ячеистая балка + 20-27 15-18
Неглубокая балка перекрытия 26-28 -
Стальная ферма + 15-18 12-15

Примечание:
+ Обеспечивает проход коммуникаций через глубину балки

[вверх]Композитные балки

 

Композитная краевая балка с композитным настилом

Стальные балки могут быть спроектированы так, чтобы они взаимодействовали с бетонной плитой за счет использования сдвиговых соединителей, обычно в виде сварных стальных шпилек, которые привариваются на месте через профилированный стальной лист через равные промежутки верхняя полка стальной балки. Показана составная краевая балка с настилом из оцинкованной стали, ориентированным параллельно балке.

Композитное действие значительно увеличивает прочность и жесткость стальной балки и, следовательно, может привести к увеличению пролета при том же размере сечения или, в качестве альтернативы, можно использовать более легкие и мелкие сечения для той же нагрузки и конфигурации пролета. Для эффективной конструкции композитных балок отношение пролета к высоте балки находится в диапазоне от 22 до 25, поэтому композитная балка на 25–30 % тоньше, чем стальная балка, и на 30–40 % легче по весу стали. .

Композитный настил выдерживает нагрузки во время строительства без временных подпорок до пролета примерно до 4 м, в зависимости от профиля настила. Пролеты до 5 м могут быть достигнуты, если плита подпирается во время строительства. Альтернативной формой составной балки является использование сборных железобетонных плит с бетонным покрытием.

[наверх]Конструкционные системы в многоэтажных зданиях

Основные статьи: Многоэтажные офисные здания, Системы перекрытий, Длиннопролетные балки, Фермы, Раскосные рамы, Неразрезные рамы, Композитная конструкция

 

Ростверк перекрытия из несущих балок с пролетом 7,5 м и второстепенных балок с пролетом 9 м в сборной конструкции

Расположение балок перекрытий в зданиях во многом зависит от шага колонн. Колонны по периметру здания, как правило, располагаются на расстоянии от 5 до 8 м, чтобы поддерживать элементы фасада. В большинстве зданий второстепенные балки спроектированы так, чтобы охватывать большее расстояние в сетке перекрытия, так что изгибающий момент, которому они противодействуют, аналогичен изгибающему моменту основных балок, и поэтому они могут иметь ту же глубину, что и основные балки.

Показано расположение балок в сетке 7,5 м x 9 м, в которой первичные балки охватывают более короткое расстояние сетки и выбираются на ту же глубину, что и вторичные балки.

При сварке соединителей через стальной настил верхняя полка стальных балок не окрашивается.

В зданиях с ограниченной высотой потолка, например, в проектах реконструкции, секции UC могут использоваться вместо секций UB в качестве неглубоких, хотя и более тяжелых балок.

 

Коммерческие офисные помещения открытой планировки с длинными пролетами – Vulcan House, Sheffield

Во многих зданиях проектирование более длинных внутренних пролетов обеспечивает более гибкое планирование пространства. Разнообразные системы конструкционной стали могут использоваться для создания либо главных балок с большим пролетом, либо второстепенных балок. Эти системы с большим пролетом обычно используют принципы составной конструкции для повышения их жесткости и прочности и часто обеспечивают интеграцию услуг в пределах их глубины через отверстия в стенках балок.

Конструкция с мелким перекрытием отличается от других форм стальных конструкций тем, что в ней не требуются второстепенные балки, за исключением стяжек для соединения колонн для обеспечения прочности и устойчивости конструкции во время строительства.

[top]Ячеистые балки

Зубчатые или ячеистые балки являются примерами более длинных пролетных элементов, которые имеют большие, как правило, правильные отверстия в толщине стенки. Эти балки достигают преимуществ большей эффективности конструкции за счет увеличения глубины сечения для заданного использования стали и обеспечивают несколько маршрутов для обслуживания. Ячеистые балки имеют большую архитектурную привлекательность из-за их кажущейся легкости и характерного внешнего вида в крышах и полах с большими пролетами.

В зубчатой ​​балке стенка катаного профиля разрезается по длине балки в форме шестиугольной «волны». Две части разделяются, смещаются, а затем свариваются вместе, чтобы получить более глубокую секцию.

  • Изготовление сотовой балки

(Изображения предоставлены Kloeckner Metals UK Westok)

 

Решетка перекрытий из большепролетных ячеистых балок с центральным продолговатым проемом

В ячеистой балке стенка катаного профиля разрезается с образованием круглых или удлиненных отверстий. Диаметр отверстий может варьироваться от 0,5 до 0,8 глубины балки. Ячеистые балки структурно эффективны и предлагают множество архитектурных возможностей. При формовании из прокатных стальных профилей верхняя и нижняя части сотовой балки могут быть разных размеров, а профили могут быть выгнуты до процесса сварки. В этом процессе образуется очень мало отходов, и все обрезки стали на 100% перерабатываются. Пример системы перекрытий с использованием сотовых балок показан справа.

При изготовлении балок из трех стальных листов размеры полки могут различаться, но стенка имеет постоянную толщину. Размеры отверстий также могут варьироваться вдоль балок в соответствии с требованиями обслуживания.

Ячеистые балки наиболее целесообразно использовать для длинных пролетов с умеренными нагрузками, например, второстепенные балки в ростверках перекрытий или в конструкциях крыш. Регулярные круглые отверстия в ячеистой балке очень эффективны для разводки круглых воздуховодов в зданиях с интенсивным обслуживанием. Удлиненные проемы можно разместить ближе к середине пролета (как показано), где поперечные усилия невелики.

 

Изогнутые ячеистые балки крыши
(Изображение предоставлено Kloeckner Westok)

[вверх] Балки с большими отверстиями в стенке

 

Жесткое, большое прямоугольное отверстие в стенке стальной балки

В составных балках могут быть образованы большие отверстия в стенке для прохода коммуникаций в пределах глубины балки. Большие отверстия обычно имеют прямоугольную форму, но более обычные отверстия обычно имеют круглую форму. Сварные ребра жесткости, расположенные горизонтально над и под проемами, увеличивают размер и соотношение размеров проемов, которые можно использовать. Для схемного проектирования составных балок с различными формами проемов рекомендуется:

  • Глубина проема обычно должна составлять от 50 до 70% глубины балки
  • Круглые проемы могут располагаться на расстоянии половины их диаметра (как для сотовых балок).
  • Большие прямоугольные проемы следует размещать в средней трети пролета балки и иметь отношение длины к глубине не более 2, если не используются горизонтальные ребра жесткости.
  • Расстояние между краями прямоугольных проемов или до соединений второстепенных балок, как правило, не должно быть меньше, чем большее из значений глубины балки или длины проема.
  • Для широких прямоугольных проемов горизонтальные ребра жесткости должны выступать не менее чем на 150 мм за проем.
 

Проемы, выполненные в стенках длиннопролетных балок для прохода коммуникаций

Показан поперечный разрез через перфорированную балку. При этом глубина проема составляет 400 мм, а глубина балки 600 мм подходит для пролета до 15 м. Как показано, общая глубина пола с учетом фальшпола и подвесного потолка составляет примерно 1,05 м.

[вверх]Плоская конструкция пола

 

Неглубокая балка перекрытия, поддерживающая многопустотные сборные железобетонные элементы

В неглубоких перекрытиях используются стальные балки, у которых нижняя полка шире верхней полки. Это могут быть собственные прокатные профили, USFB или плоская стальная пластина, приваренная к нижней полке стандартного профиля UC. Более широкая нижняя полка поддерживает плиту перекрытия, так что балка частично заключена в глубину пола, что приводит к структурной системе без нижних балок, что приводит к уменьшению высоты от пола до пола. Плита перекрытия может быть в виде сборных, пустотелых бетонных блоков или глубокого композитного стального настила, в обоих случаях поддерживающего монолитный бетон, который укладывается на уровне или над верхней полкой балки.

Пролеты порядка 6-9 м могут быть выполнены в обоих направлениях. Общая глубина пола обычно составляет от 300 до 350 мм, в зависимости от требований по контролю вибраций пола и обеспечению огнестойкости и звукоизоляции. Частичная заливка стальной балки в бетон означает, что в целом обеспечивается огнестойкость в течение 60 минут, а огнестойкость в течение 90 или 120 минут может быть достигнута за счет дополнительного армирования или защиты нижней стальной плиты.

Балка UC может быть заменена прямоугольной полой секцией (RHS) при использовании в качестве краевой балки из-за ее жесткости на кручение и аккуратной кромки, которую она обеспечивает на линии фасада. Это может быть визуально желательным в некоторых обстоятельствах, например, в случае полностью застекленных фасадов. Кроме того, крепление облицовки к правой секции проще, чем к бетонной плите или стальной секции с кожухом.

[наверх]Сводка пролетов вариантов конструкции

Типовые пролеты и глубина конструкции различных вариантов стальных и бетонных конструкций показаны в таблицах. Общая высота этажа включает зону обслуживания и потолка, а также, при необходимости, фальшпол. Для систем с большими пролетами службы обычно включаются в глубину конструкции, то есть с отверстиями в стенках балок. Общая глубина конструкций и коммуникаций от 1 до 1,2 м (включая 120 мм для потолка) обычно используется при планировании многоэтажных зданий в зависимости от пролета.

 

Диапазон пролетов различных конструкций

Стандартная высота этажа для многоэтажных зданий
Вариант конструкции Глубина конструкции
(от пола до потолка)
(мм)
Конструкция из композитных балок 800 – 1200
Лучи сотовой связи (с сервисной интеграцией)   800 – 1100
Балки цоколя с сборными железобетонными плитами перекрытия 1 200 – 1 450
Неглубокий пол или интегрированные балки 600 – 800

Для офисов и многих других типов зданий высота от пола до потолка составляет 3 м, в этом случае зона от пола до этажа составляет от 4 до 4,2 м. Для некоторых типов зданий допустима внутренняя высота 2,7 м, в этом случае общая площадь этажа составляет 3,6–4 м.

Типовая высота от пола до пола
Тип проекта Стандартная высота от пола до пола + высота (мм)
Офис Престиж 4,0 – 4,2 м
Спекулятивная контора 3,6 – 4,0 м
Проект реконструкции 3,5 – 3,9 м

Примечание:
+ Высота от пола до потолка плюс глубина пола, включая услуги

[вверх]Столбцы

 

Деталь соединения колонн, используемая в высотном здании в Лондоне

Колонны в раскосных рамах обычно имеют форму секций UC, которые соединяются (соединяются) в продольном направлении в соответствующих точках, обычно через каждые два или три этажа в высотных зданиях. Соединения балки с колонной выполняются либо с полками колонны (соединения большой оси), либо со стенкой колонны (соединения малой оси). Также может потребоваться локальное усиление колонн в точках передачи нагрузки, например, для балок с моментными соединениями. Для зданий от 3 до 5 этажей обычно используется колонна UC 254 x 254, а для зданий от 6 до 8 этажей – UC 305 x 305.

Квадратные или круглые полые профили очень эффективны при сжатии из-за их повышенной устойчивости к изгибу по обеим осям по сравнению с открытыми профилями. Как круглые (CHS), так и квадратные (SHS) секции широко используются в качестве тонких колонн. Основной проблемой конструкции является соединение с торцом колонны, которое часто выполняется в виде приваренной оребренной пластины с болтами к стенке балки. Соединения торцевых пластин могут использоваться с распорными анкерами или запатентованными «глухими» креплениями.

Колонны могут быть спроектированы так, чтобы обеспечить большую устойчивость к сжатию и огню за счет бетонной облицовки (в случае Н-образных профилей) и заполнения бетоном (в случае полых профилей). Например, заполнение между полками колонны двутаврового сечения без армирования может увеличить ее огнестойкость до 60 минут при сохранении тех же внешних размеров сечения. Заливка полых профилей бетоном позволяет повысить их огнестойкость до 60 минут без армирования и до 120 минут с армированием.

В таких конструкциях, как портальные рамы, где изгибающие моменты являются преобладающей формой нагрузки, для колонн обычно используются секции UB.

[вверх]Фермы и решетчатые фермы

 

Длиннопролетные изогнутые кровельные фермы
Аэропорт Робин Гуд, Донкастер
(Изображение предоставлено Tubecon)

Фермы и решетчатые фермы используются в системах кровли и полов с большими пролетами. Термин «ферма» обычно применяется к крышам, которые могут быть наклонными, тогда как решетчатые балки обычно используются в качестве длиннопролетных балок перекрытий, которые более нагружены и не имеют наклона.

Фермы и решетчатые фермы часто проектируются так, чтобы их было видно, поэтому выбор используемых элементов и их соединений важен для проектного решения.

Фермы и решетчатые фермы представляют собой треугольные или прямоугольные сборки элементов, работающих на растяжение и сжатие. Слово «решетка» относится к использованию связей N-типа или W-типа вдоль элемента. Верхний и нижний пояса обеспечивают сопротивление сжатию и растяжению общему изгибу, а наклонные элементы связи сопротивляются усилиям сдвига.

Можно создать самые разные фермы крыши. Каждый из них может различаться по общей геометрии и по выбору отдельных элементов внутри них. Фермы могут быть спроектированы так, чтобы следовать профилю крыши, который также может быть изогнутым, тогда как решетчатые балки используются в качестве длинных пролетных балок. Фермы или решетчатые балки могут иметь несколько основных форм и изготавливаются путем скрепления болтами или сварки стандартных секций. Для пролетов до 20 м достаточно использовать уголки, тройники и более легкие пустотелые профили. Для очень длинных пролетов могут потребоваться UC или более тяжелые полые профили. Элементы раскоса обычно легче, чем элементы пояса.

 

Изогнутая треугольная ферма в аэропорту Гамбурга

Распорные (диагональные) элементы обычно располагаются в форме буквы W или N. В форме N ориентация элементов жесткости обычно изменяется в середине пролета, как показано ниже. В форме W элементы часто изготавливаются из трубчатых секций, поскольку они эффективны в качестве элементов жесткости, которые действуют попеременно на растяжение и сжатие. В легких зданиях подъем ветром может быть значительным и может вызвать изменение направления сил, действующих на ферму.

Треугольные фермы часто используются в конструкциях с большими пролетами, так как благодаря своей форме они очень устойчивы. Нормальная форма треугольника направлена ​​вершиной вниз, так что второстепенные балки проходят между верхними поясами. Показан хороший пример изогнутой треугольной фермы в аэропорту Гамбурга. Эти фермы опирались на наклонные трубчатые рычаги.

[вверх]Пространственные рамы

 

Двухслойная пространственная каркасная крыша, закрывающая уличный пейзаж в Victoria Center 9 в Белфасте0003

«Пространственная» рама — это форма конструкции, которая покрывает большие площади с использованием сборок небольших структурных компонентов, соединенных в предварительно сформированных узлах. Они представляют собой трехмерные сборки, которые обычно состоят из элементов растяжения и сжатия, соединенных наклонными связями. Круглые полые профили (CHS) обычно используются в пространственных рамах, поскольку толщина их стенок может варьироваться в соответствии с силами в элементах при сохранении постоянного внешнего диаметра. Существуют три общие формы поддержки пространственных рам, которые определяют силы, которым они подвергаются:

  • Точечная опора колоннами в четырех и более позициях
  • Несколько опор рядами колонн или «деревьями колонн».
  • Непрерывная кромочная опора.


Показан пример многоточечных опор двухслойной пространственной рамы над пешеходной улицей в центре Виктории в Белфасте.

[вверх]Формы крепления в раскосных рамах

 

Крестообразные распорки в All Saints Academy, Cheltenham
(Изображение предоставлено William Haley Engineering Ltd.)

Конструктивные рамы с шарнирными соединениями должны быть раскреплены в вертикальном и горизонтальном направлениях. От формы и расположения раскосов зависит устойчивость здания. Другие элементы, устойчивые к боковым нагрузкам, такие как бетонные стержни, могут быть соединены перекрытиями или горизонтальными связями. Для простоты вертикальные связи часто располагаются в фасаде или внутренних разделяющих стенах. В идеале линия раскосов должна проходить по осевой линии основных колонн, но это может противоречить расположению внутренней обшивки наружных стен, и поэтому может возникнуть необходимость интегрировать раскосы и конструкцию стены, не создавая мостиков холода.

Наиболее распространенная схема крепления в многоэтажном строительстве - это X-, V- или K-образное крепление с использованием стального уголка или круглых полых профилей. Перевернутая V-образная распорка предпочтительна там, где имеются значительные проемы, т.е. двери, требуются в раскосном отсеке.

 

Стяжки, соединенные с круглым кольцом в Х-образной связи для малоэтажного здания

В Х-образной форме элементы обычно рассчитаны только на растяжение, что приводит к более тонким элементам. Натяжные стержни или плоские пластины малоэффективны на сжатие, и, следовательно, при использовании этих элементов усилиям противостоят только растяжения. Показан пример Х-образной связи с использованием стяжек, соединенных с круглым кольцом. Этот тип деталей часто используется как в видимых, так и в скрытых креплениях, но напряжение, которое может возникнуть в галстуке, ограничивается изгибом соединительного кольца.

 

Квадратные пустотелые элементы, используемые в X-образных связях в 10-этажном жилом доме

В формах K и V-образных связей элементы должны быть рассчитаны на сопротивление растяжению и сжатию. Натяжные связи в этом случае невозможны. В рамах с Х-образными связями, использующих круглые или квадратные полые профили (SHS), элементы также могут быть рассчитаны на сопротивление сжатию, а детали сращивания позволяют соединять четыре анкерных элемента в точках пересечения. Показан пример открытой Х-образной связи с использованием профилей SHS. Силы сдвига, которым может противостоять эта система, также зависят от сопротивления срезу болтов в месте соединения.

Плоские стальные пластины могут использоваться, когда требуется их установка в полости кирпичной кладки или в двухслойных разделительных стенах. Обычно плоские пластины используются в Х-образных связях, предназначенных для работы только на растяжение.

[вверх]Конструкционные системы в одноэтажных зданиях

Основные статьи: Одноэтажные промышленные здания, Портальные рамы, Соединения с сопротивлением моменту

 

Устройство одноэтажного здания

Наиболее экономичным способом ограждения большого пространства является использование ряда двумерных «жестких» каркасов, расположенных через равные промежутки вдоль одной оси здания. Для одноэтажных зданий устойчивость достигается в двух направлениях либо за счет использования жесткого каркаса, раскосов, либо за счет поддерживающего действия бетонных стен или ядер. Жесткий каркас может быть достигнут в одном направлении за счет использования соединений, устойчивых к моменту, но редко используется в другом направлении, которое поэтому обычно закрепляется раскосами.

[top]Обнажение рамы

Стальная рама может быть открыта изнутри, но также может выходить за пределы фасада или крыши, образуя внешнюю конструкцию. Структурная форма может быть выражена размещением стального каркаса полностью за пределами облицовки или полностью внутри оболочки здания. Между этими двумя крайностями взаимодействие рамы и облицовки устанавливает дополнительный диапазон визуальных и пространственных отношений.

 

Изогнутая портальная рама с ячеистыми балками

Показан простой пример каркасной конструкции, которая продолжается за пределы ограждающей конструкции здания для создания визуального эффекта. В этом случае перфорированные ячеистые балки увеличивают легкость конструкции, сохраняя при этом ее основную функцию жесткого каркаса.

Там, где стальная конструкция проникает в ограждающие конструкции здания, следует позаботиться о том, чтобы свести к минимуму потери тепла через тепловые мосты.

[вверх]Каркасные конструкции портала

 

Портальная рама с несколькими пролетами во время строительства
(Изображение предоставлено Severfield (Design & Build) Ltd. )

Портальные рамные конструкции являются примерами жестких рам и являются наиболее распространенной формой ограждения для пролетов от 20 до 50 м. Портальные рамы обычно изготавливаются из горячекатаных открытых профилей, хотя они могут быть сформированы из решетчатых или сборных балок. Они раскрепляются условно в ортогональном направлении в боковых стенах и, если разрешено, между внутренними колоннами.

Портальные каркасные конструкции обычно используются в одноэтажных зданиях промышленного типа или ограждениях, где основным требованием является обеспечение большого закрытого объема, например, спортивный зал или распределительный центр. Как таковые, эти сооружения могут не иметь архитектурного значения. Однако основные принципы можно использовать в ряде более интересных архитектурных приложений, например, при формировании изогнутых стропил или при использовании перфорированных балок.

Элементы каркаса обычно состоят из стропил и колонн с жесткими соединениями между ними. Скошенные вуты вводятся для усиления стропил на карнизе и для формирования моментоустойчивых соединений. Крепление крыши и стен имеет важное значение для общей устойчивости конструкции. Элементы каркаса портала показаны на рисунке.

 

Однопролетная симметричная портальная рама

В таблице представлены некоторые общие рекомендации по проектированию конструкций портальной рамы. Минимальный уклон крыши с учетом прогиба обычно принимается равным 6°. Колонны обычно на 50% тяжелее стропил, а высота колонны может варьироваться примерно от одной пятой до двух третей пролета рамы. Расстояние между рамами зависит от пропускной способности прогонов и снеговой нагрузки.

Рекомендации по проектированию рамы портала
Параметр Типовое значение
Пролет портальной рамы от 15 до 50 м
Расстояние между рамами от 5 до 8 м
Скат крыши от 5° до 10°
Глубина стропила Диапазон/50 – Диапазон/60
Отношение пролета к высоте колонны от 4 до 7
Вес колонны (кг/м) от 1,5 до 2 × Вес стропила (кг/м)
Длина бедра 10 % диапазона
Глубина вута 2 × Глубина стропила
Расстояние между прогонами от 1,5 до 2 м +

Примечания:

  • Без кранов и тяжелых дополнительных грузов
  • + Расстояние между прогонами уменьшено вблизи вута для обеспечения устойчивости вута
 

Многопролетное здание, построенное по методу «удара и промаха» во время строительства

Двухпролетные порталы часто проектируются по принципу «попадания и промаха», в котором чередующиеся внутренние колонны заменены продольной балкой позвоночника, которая проходит между «попадающими» колоннами и поддерживает точечную нагрузку от отсутствующей колонны.

Форма мансардной крыши может быть создана из линейных элементов с помощью сварки или болтового соединения. Этот подход можно использовать для изогнутых крыш путем огранки более коротких линейных участков стропил и изменения высоты опор прогонов для формирования изогнутого внешнего профиля.

 

Каркас портала изогнутый со связями в момент соединения

Вместо наклонных стропил можно использовать криволинейные балки. Радиус изгиба обычно такой, чтобы облицовку можно было установить на кривизну крыши. Однако некоторые системы облицовки, такие как глубокие композитные панели, могут быть менее подходящими для крыш со значительной кривизной.

На изображении показано интересное архитектурное решение, в котором шарнирное соединение балки с колонной в раме портала выполнено устойчивым к моменту за счет использования внешнего анкерного элемента к колонне. Таким образом, галстук передает момент столбцу.

[наверх]Дополнительная литература