Соединение балок с колоннами и балок между собой в конструкциях быстровозводимых зданий и металлических каркасов, активных по сечению обуславливает широкую номенклатуру элементов стальных конструкций и сечений, используемых в этих системах. Проектирование таких соединений и узлов имеет ряд особенностей и нюансов, рассмотренных в данной статье.
Узлы балочных систем
Узлы примыкания второстепенных балок к главным, как правило, рассматриваются как шарнирные и осуществляются на болтах обычной прочности классов 4.8 – 8.8 с классом точности «В». Принципиально существуют два типа примыканий: поэтажное, когда второстепенные балки или прогоны настила устанавливаются на верхний пояс главной балки; и соединение в одном уровне, когда верхние пояса второстепенных и главных балок располагаются на одной отметке. В современной практике строительства наибольшее распространение нашло соединение в одном уровне, поскольку оно имеет намного меньшую строительную высоту перекрытия, что важно с точки зрения архитектурной привлекательности и эксплуатации.
Узлы с вертикальными ребрами
Примыкание второстепенных балок к главным в одном уровне может быть осуществлено через ребро, которое приваривается к стенке и полкам главной балки. Непосредственное присоединение второстепенной балки при этом осуществляется на болтах через отверстия в стенке. При больших нагрузках, характерных, например, для длиннопролетных балок и перекрытий промышленных быстровозводимых зданий, на стенку наваривается добавочная пластина. Болтовые соединения в таких узлах работают на срез и смятие. Кроме того, ребро и стенка либо соединительная пластина в узле рассчитываются на срез по ослабленному отверстиями сечению, а ребра с большой консолью, что может быть вызвано широкой верхней полкой главной балки – на изгиб . Чтобы сократить путь трансляции усилий в соединении, полки второстепенных балок могут быть подрезаны. Узлы с вертикальными ребрами технологически просты в исполнении и монтаже. Однако если есть требования к визуальной однородности конструкций, может потребоваться установка подвесного потолка либо иных закрывающих конструкций.
Узлы с торцевыми пластинами
Соединение балок может быть также осуществлено через торцевые пластины, приваренные встык к стенке и нижней полке второстепенной балки. Верхняя полка второстепенной балки при этом подрезается, а болты проходят через стенку и могут использоваться также для крепления балки с другой стороны. Глубина подрезки обычно составляет 50 мм, а длина надреза равняется половине ширины верхнего пояса главной балки плюс 10 мм. Узлы соединения балок с торцевыми пластинами технологически более сложны и требуют повышенной точности изготовления и монтажа, однако создают визуальную однородность перекрытия для открытых конструкций.
Монтажные стыки балок
В современном массовом строительстве балки в основном поставляются на строительный участок едиными отправочными марками. Однако при использовании длиннопролетных балок, габарит которых превышает 15 м, необходимо разбивать балку на более короткие составные элементы с последующим укрупнением на участке перед монтажом. Монтажные стыки должны обеспечивать равнопрочность сечений, и их стремятся располагать в местах с минимальными напряжениями. Как правило, для организации монтажных стыков используются узлы на фланцах и накладках, соединяемых высокопрочными болтами с контролируемым натяжением. Возможны также монтажные узлы с использованием сварных стыковых швов с полным проваром.
Соединение балок с колоннами
Шарнирные узлы примыкания с накладками из уголков
Шарнирное примыкание балки к двутавровой колонне может быть, в частности, обеспечено с помощью накладок из металлических уголков. В зависимости от величины опорной реакции применяется односторонний уголок либо уголки с двух сторон. Один из уголков может быть приварен к полке колонны в заводских условиях, если это не затрудняет монтаж. Также уголки могут идти отдельными элементами, которые крепятся к балке непосредственно на участке при монтаже. Как правило, крепление уголков к полке колонны осуществляется на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением, а крепление к стенке балки – на болтах обычной прочности. Рекомендуемые минимальные размеры уголков в большинстве случаев составляют 100x10 мм, уголки выступают за пределы балки на величину 10-15 мм, чтобы компенсировать монтажные зазоры. Для этого в уголках также обустраиваются овальные отверстия для крепления к балке.
Шарнирные узлы примыкания через ребро
Еще более простое конструктивное решение шарнирного узла примыкания балок к колоннам может быть осуществлено через вертикальные ребра. Выступающие ребра привариваются на заводе к полке колонны или стенке, в зависимости от ориентации примыкания балок в перекрытии. Крепление балок к ребрам осуществляется при монтаже на болтах обычной прочности. С одной или двух сторон балки обустраиваются овальные отверстия, чтобы обеспечить шарнирно-подвижный узел и компенсировать монтажный зазор. Такое решение является экономичным и удобным, а поэтому наиболее распространено. Кроме того, оно имеет минималистический вид.
Шарнирные узлы примыкания с накладками и опорным столиком
Для того, чтобы обеспечить безопасное и фиксированное положение балки при опирании на монтаже, в колонне может быть предварительно установлен опорный столик из уголка. После закрепления балки к полке колонны через ребра или уголки столик может быть демонтирован и переставлен на новое место монтажа либо оставлен. При последнем варианте следует учитывать, что поперечная сила передается только через основные элементы, удерживающие стенку балки, хотя наличие столика повышает конструктивную надежность узла и поперечную устойчивость элемента балки. В то же время следует иметь в виду, что все решения с передачей поперечной силы на колонну через вертикальные элементы с болтовыми соединениями имеют конструктивные ограничения и не пригодны для примыкания длиннопролетных либо сильнонагруженных конструкций. Если при шарнирном примыкании балки к колонне действуют значительные опорные реакции, применяют опорный столик из толстой пластины, которая приваривается к колонне на заводе вертикальными угловыми швами. Толщина такой пластины должна быть достаточной, чтобы учесть все допуски при монтаже балки и возможные горизонтальные перемещения при работе под нагрузкой. Балка может крепиться к колонне, как и в предыдущих примерах, через ребро или уголки, но болты при этом применяются только для того, чтобы зафиксировать балку при монтаже и не допустить значительных горизонтальных смещений под нагрузкой. Поскольку нижняя полка балки не в полной мере способна передавать вертикальные реакции, для улучшения работы соединения применяют также торцевые опорные пластины с выступающим вниз ребром, которое, опираясь на опорный столик, работает на смятие. Верхний торец столика, а также торцевого опорного ребра в случае его наличия, должны быть фрезерованы с целью плотного прилегания и надежной трансляции усилий.