Specifics of Joining of Metal Structures

Существуют различные виды соединений металлических конструкций. Для разного рода элементов есть несколько различных способов, которые отличаются надёжностью, долговечностью, лёгкостью монтажа и экономичностью. Рассмотрим какие бывают способы соединения металлических элементов, а также конкретные узлы, которые применяются при возведении зданий и сооружений.

Способы соединений металлоконструкций:

· Сварной – это неразборный способ соединения металлических деталей, за счет оплавления кромок этих элементов вместе с присадочным материалом, образованием сварочной ванны с последующим ее затвердеванием и кристаллизацией

· Болтовые соединения. С помощью болтов собирают быстровозводимые здания и сооружения. Для ненагруженных конструкций используются обычные болты. Чаще всего используются высокопрочные или фрикционные болты

· Заклепочные – неразъемное соединение на заклепках (скобах). Заклепки реже используются для ответственных сооружений, но в некоторых случаях предпочтителен именно такой способ соединения

Соединение строительных стальных конструкций регламентируется отдельными требованиями ГОСТ 23118.

2.1. Узлы соединения прогонов с фермой

Стальной прогон в виде швеллера (4) крепится к большей полке не равнополочного уголка (2) болтами (3). Уголок меньшей стороной приваривается к стальной ферме (1). Отличается тем, что прогон поднят над фермой, а не крепится к ней. Достоинством является точная центрация усилия от прогона относительно точки пересечения осей, проходящих по центрам тяжести стержней фермы.

Недостатком является необходимость, в зависимости от нагрузок и профилей прогонов, осуществлять центрацию усилия от прогона относительно точки пересечения осей.

Использование: в большепролетных зданиях

Рисунок 1 - Узел опирания прогона на ферму:

1 – стальная ферма; 2 – большая полка не равнополочного уголка; 3 – болты; 4 – швеллер

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.1

Стальной прогон в виде швеллера (1) крепится к меньшей полке неравнополочного уголка (3) болтами. Уголок большей стороной и прогон привариваются к стальной ферме (2)

[8]

.

При наклонном опирании швеллерные и профили в виде швеллера должны быть направлены концами полок вверх по склону, поскольку такое расположение обеспечивает лучшие условия для крепления и снижает крутящий момент прогона, возникающий при внецентренно приложенной нагрузке относительно центра изгиба сечения.

Использование: в большепролетных зданиях.

Рисунок 2 - Узел опирания прогона на ферму:

1 – швеллер; 2 – стальная ферма; 3 – меньшая полка неравнополочного уголка

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.2

2.2. Узлы стропильных ферм

Стандартная сборка фермы состоит из равнополочных уголков (1). Уголки, привариваются к фасонке (2), заведённой между ними.

Фасонки ферм с треугольной решеткой должны быть оформлены с прямоугольным контуром, а с диагональной решеткой в виде прямоугольной трапеции.

Применяются в фермах из парных равнополочных уголков.

Рисунок 3 - Узлы соединения решетки фермы с поясами:

1 – равнополочные уголки; 2 – фасонка

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.3

2.3. Узлы сопряжения стропильной фермы с колонной

Свободное опирание фермы (1), из парных стальных уголков, на колонну. Фасонка (2) приваривается к опорной плите колонны (3).

Применяется при опирании стальной фермы на железобетонную колонну

Рисунок 4 - Узел опирания фермы на колонну сверху:

1 – свободное опирание фермы; 2 – фасонка; 3 – опорная плита колонны

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.4

Для создания шарнирного узла, можно опереть ферму (1) на колонну (3) сверху, но в таком случае необходимо использование дополнительной стойки (над колонной) (2). Верхний пояс закрепляют на фасонке (4) над колонной стойки грубыми или обычными болтами. Отверстие в фасонке на 5-6 мм больше диаметра болта, так как для такого соединения используют обычный болт и узел не смог бы воспринять усилия от опорного момента и обеспечить шарнирное сопряжения. Нижний пояс приваривается фасонкой к опорному ребру, который крепится к надколоннику болтами.

Применяется при опирании стальной фермы на стальную колонну

[3]

.

Рисунок 5 - Узел опирания фермы на колонну сверху над колонной стойкой:

1 – ферма; 2 – дополнительная стойка; 3 – колонна; 4 – фасонка

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.5

Жесткое соединение стропильной фермы (1) с колонной (2). Ферма расположена сбоку от колонны и устанавливается фасонкой (4) на опорный столик (3), а усилия от опорного момента воспринимаются фланцевым соединением на болтах или сварными узлами.

Для использования такого вида соединения, как шарнир, необходимо фланец верхнего узла сделать очень тонким (= 8 – 10 мм) и небольшой длины, а расстояние между болтами сделать очень большим (= 160 – 200 мм).

Применяется при опирании стальной фермы на стальную колонну, для уменьшения высоты здания

Рисунок 6 - Узел опирания фермы на колонну сбоку:

1 – стропильная ферма; 2 – колонна; 3 – опорный столик; 4 – фасонка

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.6

2.4. Узлы сопряжения балок с колонной

Опирание балки (1) на колонну (2) сверху. Нагрузка на колонну передается через опорное ребро (3), которое приваривается к балке. Для правильной передачи нагрузки ребро выступает на 15-20 мм.

Применяется в зданиях с балочным перекрытием и покрытием.

Рисунок 7 - Узел опирания балок на колонну сверху:

1 – балка; 2 – колонна; 3 – опорное ребро

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.7

Аналогичен предыдущему, только балки (1) соединяются между собой. Две балки прикручиваются в нижней части опорных ребер (2). Если болты закрепить в верхней части получится жесткое соединение. Применяется в зданиях с балочным перекрытием и покрытием

[6]

.

Рисунок 8 - Узел опирания балок на колонну сверху:

1 – балки; 2 – опорные ребра

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.8

Ещё один вид опирания балок (1) на оголовок колонны (2). Для передачи поперечной силы балки усиливают ребром (3), которое должно располагаться над полками колонны. С помощью накладки (4) балки соединяются болтами. В данном виде крепления ребро у колонны не требуется. Применяется во временных зданиях с балочным перекрытием и покрытием.

Рисунок 9 - Узел опирания балок на колонну сверху:

1 – балки; 2 – оголовок колонны; 3 – ребро; 4 – накладка

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.9

Шарнирное крепление балки (1) к колонне (2) сбоку. Нагрузка передается только через ту сторону опоры, с помощью которой балка приварена к опорному столу (3). Столик представляет собой прочный лист стали, но возможно использование не равнополочного уголка. Ширина столика на 20 — 40 мм больше ширины балочного ребра (4). Столик должен быть сварен с трех основных сторон. Шарнирное опирание исключает установку ребра в каркасе колонны.

Является более надёжным узлом, ввиду большой длины сварного шва, при этом необходима дополнительная прокладка между балкой и колонной для свободного монтажа. Но это крепление требует большого расхода листового проката и трудоёмкости. Применяется на зданиях с балочным перекрытием, рамной и рамно-связевой каркасной системой

[5]

,

[7]

.

Рисунок 10 - Узел опирания балки на колонну сбоку:

1 – балка; 2 – колонна; 3 – опорный стол; 4 – балочное ребро

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.10

Жёсткий узел сопряжения балки (1) и колонны (2). Накладки (3) привариваются к колонне на заводе, а уже на строительной площадке балка крепится к колонне болтами

[4]

.

Применяется на зданиях с балочным перекрытием, рамной и рамно-связевой каркасной системой.

Рисунок 11 - Узел опирания балки на колонну сбоку:

1 – балка; 2 – колонна; 3 – накладки

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.11

Балки перекрытия (1) в виде швеллера соединяются с основными балками (2) с помощью ребер жесткости (3). Швеллер непосредственно крепится к ребру болтами, без использования накладок.

Применяется на зданиях с балочным перекрытием.

Рисунок 12 - Узел опирания балки на балку:

1 – балки перекрытия; 2 – основные балки; 3 – ребра жесткости

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.12

Двутавровая балка перекрытия (1) крепится к основной с использованием накладки (2). Накладка приваривается к балке перекрытия, а к основной балке (3) крепится болтами, так же как и в прошлом случае к ребрам жесткости (4)

[9]

.

Применяется на зданиях с балочным перекрытием.

Рисунок 13 - Узел опирания балки на балку:

1 – двутавровая балка перекрытия; 2 – накладка; 3 – основная балка; 4 – ребра жесткости

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.13

2.5. Узлы базы колонны

Двутавровая колонна (1) крепится к фундаменту через металлическую плиту (2). Сама плита крепится к фундаменту болтами. Колонна к плите приваривается, помимо этого по центру полок устанавливаются траверсы (3) для равномерной передачи нагрузки и большей устойчивости.

Используется в одноэтажных промышленных зданиях в рамно-связевых системах, как крайняя колонна

[10]

.

Рисунок 14 - Узел опирания балки на балку:

1 – двутавровая колонна; 2 – металлическая плита; 3 – траверсы

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.14

Жесткое опирание двутавровой колонны (1) на фундамент. Колонна приварена к плите (2), соединенной с фундаментом. А по бокам двутавра приварены траверсы (3), которые дополнительно соединены между собой пластинами (4).

Данное закрепление используется при больших высотах колонны и наличии грузоподъёмного оборудования, так как на опорах в таком случае повышенные изгибающие моменты.

Используется для колонн подверженных большим внецентренным нагрузкам (краны высокой грузоподъёмностью).

Рисунок 15 - Узел опирания балки на балку:

1 – двутавровая колонна; 2 – металлическая плита; 3 – траверсы; 4 – пластины

DOI:10.18454/mca.2023.36.1.15

Были рассмотрены узлы соединения прокатных профилей, которые имеют большое распространение в строительстве промышленных зданий. Они способны выдержать огромные нагрузки от работающего оборудования, а правильно подобранные виды соединения помогают передавать эти нагрузки с наибольшей эффективностью.