Многообразие и широкое применение несущих систем быстровозводимых зданий и металлических каркасов, активных по вектору обуславливает широкую номенклатуру элементов стальных конструкций и сечений, используемых в этих системах. Это, в свою очередь, создает многообразие узлов соединения, основными из которых являются узлы связей, ферм и основных элементов пространственных систем, рассмотрению чего и посвящена данная статья.
Узлы связей
Системы связей проектируют всегда только с шарнирными соединениями к основному каркасу. Поэтому крепление связей к другим несущим элементам в основном осуществляется через узлы на болтах обычной прочности
Связи можно широко использовать для обеспечения визуального и композиционного эффекта. Наружные металлоконструкции связей формируют узлы с прозрачно наблюдаемой механикой работы и явным конструктивным предназначением, что формирует современный урбанизированный облик архитектурной оболочки здания.
Узлы ферм
В зависимости от величины пролета и параметров нагрузки, а также иных конструктивных, экономических или эстетических требований, фермы быстровозводимых зданий могут иметь многообразные очертания поясов, геометрию и топологию, соответственно в разных случаях оказываются применимыми различные типы узлов.
Основными типами сечений, применяемых с современных ферменных конструкциях быстровозводимых зданий, являются спаренные уголки и профили замкнутого сечения. Примыкание элементов решетки ферм к поясам возможно как через листовые элементы – фасонки, так и непосредственно встык. Через листовые фасонки организуются в частности узлы ферм из парных уголков.
Такие узлы работают преимущественно как шарнирные, однако достаточно трудоемки в изготовлении и заметны визуально. Широкое распространение получили фермы из замкнутых профилей и труб с непосредственным примыканием элементов решетки к поясам. Это делает конструкцию эстетически более привлекательной и значительно сокращает трудоемкость изготовления, однако приводит при этом к появлению дополнительных изгибающих моментов в узлах. Непосредственное примыкание элементов из труб требует также высокой технологичности для вырезания торцов труб и квалифицированного проведения сварочных работ.
Как правило, все узлы современных ферм быстровозводимых зданий выполняются сварными на заводе. В то же время для транспортировки на строительный участок от завода-изготовителя фермы должны быть разбиты на отдельные отправочные марки, которые имеют длину не более 15 м и не более, чем 3,85 м по высоте. Это создает потребность в организации монтажных стыков, которые могут выполняться как сварными, так и на высокопрочных болтах, как показано на примере стыковки элементов из труб. Кроме того, если монтажные стыки играют важную архитектурную роль, они требуют тщательного продумывания их расположения и конструктивного решения. Если доставка отправочных марок стандартной длины на строительный участок затруднена, например, для труднодоступных, горных районов и т. п., элементы ферм быстровозводимых зданий поставляются отдельно, «россыпью». При этом их крепление в узлах осуществляется на обычных либо высокопрочных болтах. Это решение также актуально для ферм из легких тонкостенных гнутых профилей, сварка которых невозможна. Однако такие решения имеют очень ограниченное применение – ориентировочно до 20 м, так как при этом возрастает длительность строительства и влияние человеческого фактора. Кроме того, повышенная податливость отдельных болтовых соединений негативно влияет на деформативность и прогибы конструкции в целом. Выбор типа примыкания элементов из труб определяется с учетом конструктивных, архитектурных, технологических и экономических требований. Соединения между трубчатыми профилями может быть следующих типов:
а) Фланцевое соединение с внешним размещением болтов
б) Накладки на высокопрочных болтах
в) Фланцевые соединения с внутренним размещением болтов
Монтажные узлы трубчатых элементов по длине могут также быть организованы с помощью сварки . При этом, как правило, элементы соединяются фигурными накладками из труб большего диаметра, которые обвариваются по контуру и на подкладных кольцах. В шарнирных узлах крепления элементов на болтах обычной прочности стыки при необходимости могут быть скрыты специальными кожухами, что создает визуальную однородность конструкции быстровозводимых зданий. В то же время следует помнить, что применение закрывающих декоративных элементов затрудняет технические осмотры и понижает коррозионную устойчивость конструкций. Также для закручивания гаек в узлах замкнутых сечений могут быть предусмотрены окна, которые впоследствии завариваются пластинами либо делаются в местах, не влияющих на несущую способность элементов. Решения тяжелых ферм требуют разбивки на отправочные монтажные марки не только по длине, но и по высоте, поэтому, как правило, элементы решетки в них поставляются на строительный участок отдельными марками, а закрепление в узлах осуществляется на многоболтовых фрикционных соединениях с контролируемым натяжением. Стандартное применение описанных конструкций можно увидеть в аутригерах и диафрагмах жесткости, где их высота может составлять целый этаж, а также в высотных зданиях с системами несущего каркаса из вертикальных ферм.
Узлы пространственных систем
Узлы пространственных ферм быстровозводимых зданий принципиально не отличаются от узлов плоских ферм. В том случае, если пояса имеют криволинейные очертания, может потребоваться разработка специальных узловых примыканий и применение высокотехнологичного оборудования при изготовлении. Перекрестные фермы имеют промежуточные узлы, свойственные обычным плоским ферменным конструкциям. В то же время монтажные стыки отправочных элементов перекрестных ферм требуют особенного внимания. Их конструктивная сложность и соответственно визуальная громоздкость повышаются с увеличением количества примыкающих стержней. Узлы укрупнения перекрестных ферм организуются на монтажной сварке с помощью круглых стержней или труб, а также высокопрочных болтов. Узлы стержневых структурных конструкций в зависимости от способа соединения элементов подразделены на три основные группы:
Среди болтовых соединений распространение получили узлы, в которых плющеные рифленные концы трубчастых элементов заводятся в зубчатые прорези узловой детали и фиксируются накладкой на сквозной шпильке; также широко используются узлы с торцевым примыканием гнутосварных профилей, болты при этом закручиваются через оставляемые окна. Последние наиболее надежны, технологичны и применяются во многих архитектурно обусловленных случаях. Единственным недостатком таких узлов является наличие окон для постановки болтов в профилях, которые ослабляют сечение и делают их восприимчивыми к внешней агрессивной среде.
Комбинированные соединения преимущественно используют элементы с выточенными отверстиями, в которые закручиваются трубчатые элементы с центральным продольно расположенным болтом и гайкой. Преимуществом комбинированных соединений является максимальная унификация и быстрота монтажа, однако такие узлы плохо воспринимают поперечные усилия, вызывающие изгиб болта.
Болтовые и комбинированные соединения максимально технологичны, но должны иметь высокую геометрическую точность для того, чтобы образованные ими системы могли сойтись при монтаже. Сварные соединения, в отличие от болтовых, допускают наибольшие монтажные допуски, хотя приваривание элементов структурного покрытия на монтаже малотехнологично и экологически нецелесообразно. В то же время сварные соединения в узлах создают максимальную жесткость и способность к восприятию поперечных усилий, что позволяет выполнять самые невероятные архитектурные формы быстровозводимых зданий.