Швеллер в узлах каркаса: типовые решения сопряжений и расстановка связей

Почему швеллер – оптимальный выбор для каркасных конструкций

Сначала нужно разобраться, почему швеллер так часто выбирают для строительства каркасных зданий. Этот П-образный профиль, который отличается уникальным сочетанием характеристик. Это делает его эффективным и универсальным.

Например, нужна балка, которая должна выдерживать значительные изгибающие нагрузки. Двутавр в этом случае был бы подходящим вариантом, но у него есть существенный недостаток – его сложно соединять с другими элементами, особенно когда нужно приварить что-то к стенке профиля.

Открытая конфигурация швеллера же обеспечивает гибкость при проектировании узлов. К нему можете приваривать косынки, фасонки, другие профили практически под любым углом. При этом доступ к внутренней поверхности стенки остается удобным.

С точки зрения механики швеллер работает как балка с односторонним расположением полок. Это создаёт асимметрию относительно одной из осей. Но именно эта особенность позволяет создавать компактные и технологичные узловые соединения.

При соединении двух швеллеров «коробом» (стенками друг к другу), то получается конструкция, близкая по жесткости к двутавру. Но при этом обеспечивается возможность пропускать коммуникации внутри этого короба или размещать дополнительные связи.

У швеллера номер 20 (высота 200 мм) при массе всего 18,4 кг на погонный метр момент сопротивления относительно оси Х-Х составляет 152 см³. Это позволяет ему работать как основная балка перекрытия в пролетах до 6 метров при стандартных нагрузках жилых и общественных зданий. Но технологичность соединений швеллера значительно выше, чем у двутавра с аналогичной несущей способностью.

Принципы проектирования узлов

Нужно разобрать базовые принципы, которые используют инженеры при проектировании узловых соединений. Они универсальны и применимы к любым типам каркасов, независимо от их назначения и масштаба.

Обеспечение передачи усилий по кратчайшему пути. Когда усилие от одного элемента переходит к другому через узел, то оно должно проходить максимально прямолинейно, без резких изменений направления. Каждый изгиб траектории силового потока создает дополнительные напряжения. Они могут привести к появлению трещин или деформаций. Поэтому в правильно спроектированных узлах оси соединяемых элементов либо пересекаются в одной точке, либо максимально близки.

Равнопрочность узла и соединяемых элементов. Для понимания сути этого принципа нужно представить цепь, в которой одно звено слабее остальных. Именно оно разорвется под нагрузкой. Так же работают и узлы каркаса. Их расчетная несущая способность должна быть не меньше, а лучше на 10-15% больше несущей способности примыкающих к ним элементам. Это создает запас прочности и гарантирует, что при экстремальных нагрузках разрушение начнется с самого конструктивного элемента, а не с узла. Это даст время на эвакуацию людей и предотвращение аварии.

Обеспечение жесткости узла. Он не должен быть шарниром, если только это не предусмотрено расчетной схемой. Любые податливости в соединениях приводят к перераспределению усилий в каркасе. Жесткость узла обеспечивается за счет достаточной толщины фасонок, правильного расположения ребер жесткости и качественных сварных швов. Инженерные расчеты показывают, что узел считается жестким, если его деформация под нагрузкой не превышает одной пятидесятой от деформации самого элемента.

Четвертый принцип связан с технологией изготовления и монтажом. Даже идеально рассчитанный узел может стать проблемой, если его невозможно качественно сварить в заводских условиях или собрать на строительной площадке.

Поэтому профессионал всегда учитывает необходимость обеспечения свободного доступа для создания швов, проварки стыков с двух сторон. Нужно оставить достаточно места для подвода сварочной горелки. От этих мелочей зависит прочность конструкции.

Типовые узлы сопряжения швеллера с колоннами

Наиболее распространенное сопряжение – примыкания балок из швеллера к колоннам каркаса. Этот узел является одним из самых нагруженных во всей системе, так как через него передаются усилия от перекрытий и кровли на вертикальные несущие элементы.

Если колонна выполнена из двутавра, то классическое решение предполагает установку торцевой фасонки. Это стальная пластина толщиной от 10 до 16 мм. Она приваривается к полкам колонны. Швеллер-балка примыкает к этой фасонке своей стенкой и приваривается по контуру.

Тут важно обеспечить совпадение центра тяжести швеллера с осью колонны. Если этого не сделать, то возникнет крутящий момент. Он создает дополнительные напряжения в узле. Для центрирования конструктивных элементов применяются 2 метода:

1. Использование двух швеллеров, установленных полками друг к другу и разведенных на такое расстояние, чтобы их общий центр тяжести совпал с осью колонны. Расстояние между швеллерами рассчитывается индивидуально в зависимости от номера профиля. Но обычно он варьируется от 80 до 150 мм. Пространство между швеллерами используется для установки связевых элементов или может оставаться свободным для прокладки коммуникаций.
2. Если использование парных швеллеров невозможно, то одиночный швеллер смещают относительно оси колонны так, чтобы его центр тяжести оказался на нужной позиции. Для восприятия возникающего крутящего момента устанавливаются дополнительные ребра жесткости или косынки. Такое решение используется при наличии специфических архитектурных или эксплуатационных требований.

Отдельно нужно разобрать узел опирания швеллера на колонну через опорный столик. Это решение применяется, когда нужно обеспечить простое опирание балки без передачи изгибающего момента. К колонне приваривается консольная пластина, на которую опирается нижняя полка швеллера.

Такой узел работает только на передачу вертикальной опорной реакции, не препятствует небольшим поворотам балки. Длина опирания в этом случае особенно важна. Она должна быть не менее 100 мм для обеспечения устойчивости балки к опрокидыванию.

Если у колонны составное сечение, например, она состоит из двух швеллеров, соединенных в короб, то появляются дополнительные возможности для конструирования узла. Балка может пропускаться между полками швеллеров колонны и привариваться непосредственно к их стенкам.

В результате образуется очень жесткий и надежный узел. Но он требует точной подгонки размеров и усложняет монтаж. Такое решение оправдано в зданиях с повышенными требованиями к жесткости каркаса, например, в цехах с мостовыми кранами или в районах с повышенной сейсмической активностью.

Соединение швеллеров в пролете

Иногда возникает необходимость состыковать 2 швеллера по длине для перекрытия больших пролетов. Стандартная длина проката составляет 12 метров, и если нужен пролет 15 или 18 метров, то без стыкового соединения не обойтись.

Самое надежное решение – заводское наращивание балки с использованием стыковых накладок. На стенку швеллера с двух сторон устанавливаются стальные пластины. Их толщина равна или чуть меньше толщины стенки швеллера. Накладки привариваются по контуру сплошными швами. Также они устанавливаются и на полки. Общая площадь сечения всех накладок должна быть не менее 110% от площади сечения стыкуемого элемента. Это обеспечивает равнопрочность соединения.

Важно правильно расположить стык по длине балки. Многие считают, что он должен быть посередине пролета, но это глубокое заблуждение. В этом месте действует максимальный изгибающий момент, поэтому нельзя ослаблять в нем сечение.

Правильное решение – размещать стык в точках с минимальными изгибающими моментами. Они располагаются на расстоянии 1/4 или 1/5 пролета от опоры. В этих точках момент составляет всего 50-60% от максимального, что значительно снижает требования к стыку.

При соединении болтами подход меняется. Накладки крепятся высокопрочными болтами класса прочности 8.8 или 10.9. Их количество рассчитывается с учетом усилий, которые передаются через стык.

Для швеллера номер 20 в типовой балке перекрытия обычно нужно от 8 до 12 болтов диаметром 16 или 20 мм на каждую накладку. Такое соединение предпочтительнее сварного с точки зрения монтажа, так как не требует использования специального оборудования на площадке и может выполняться в любых погодных условиях.

Существует также вариант диагонального стыка, когда торцы швеллеров срезаются под углом 30-45⁰ и свариваются встык. Такое решение дает обеспечивает высокую прочность и жесткость. Но тут нужна очень точная подготовка кромок и квалифицированный сварщик. Диагональные стыки применяются в особо ответственных конструкциях, где недопустимы даже минимальные податливости соединения.