Виды и способы соединения клееного бруса
Другие статьи по теме:
- Базовая информация по строительству домов из клееного бруса
- Клееный брус. Особенности материала для строительства
- Видео о строительстве домов из клееного бруса
Содержание
1.Способы соединения стен
2.Продольное соединение
3.Способы углового соединения брус
3.1. Соединение углов бруса с остатком «в чашу»
3.2. Соединения бруса без остатка «в лапу»
4.Способ соединения бруса «Т-образное»
1. Способы соединения стен
При строительстве сруба из бруса важным этапом является соединение двух звеньев между собой.
Соединение требуется в следующих случаях:
- Рубка угла;
- Наращивание по длине в случае, если стандартные размеры недостаточны.
Формируя деревянную стену, нужно точно знать, как собрать клееный брус в местах соединения и примыкания.
Есть стыковки вертикальные и горизонтальные. Сращивание бруса не сильно отличается от сращивания бревна, но имеет свои тонкости.
Классификация типов угловых соединений при рубке срубов из бруса такая же, как для срубов из бревна. Сруб из бруса может быть с остатком («в чашу») и без остатка («в лапу»), замки имеют те же названия: «в охряп», « в курдюк», «в полдерева».
Единственное название, которое не может быть использовано – «в обло»: брус имеет прямоугольную форму и сделать в нем округлую (облую) врубку не представляется возможным.
Существуют способы угловых врубок, присущие только этому виду строительного материала – «на шипах» (коренных или вставных).
Всего существует 4 основных способа соединения:
- Продольное.
- Соединение с остатками;
- Соединение без остатка;
- Т-образное;
Соединение с остатком Соединение без остатка
- Т-образное;
2.
Продольное соединение
Такие варианты характерны, если стена дома имеет нестандартную длину
Максимальная длина клееного бруса может достигать 18 метров. Но всё равно, возможна ситуация, при которой отдельные брусья нужно будет соединить между собой по длине.
Существует несколько типов состыковок по длине:
- соединение в полдерева. срезается у обеих частей бруса половина толщины под прямым углом. дополнительно можно укреплять соединение шурупами.
- соединение со шпонкой. само соединение можно делать в полдерева, но предварительно изготавливаются шпонки, и просверливаются отверстия чуть меньшего диаметра. глубину врезки шпонок в брусья следует принимать не менее 2 см и не более 1/5 высоты.
- соединение с коренным шипом. достаточно трудоёмкое соединение, которое требует большой точности и серьезных навыков в столярном деле.
- соединение на косой замок. наиболее подходящее соединение, когда речь идет о нагрузке по типу изгиба.
при этом такое соединение достаточно просто изготовить. - соединение на накладной замок. довольно сложное по исполнению соединение, которое требует перепада в плоскости соединения, чтобы получился замок. при этом выполняется выпиливание замка в обеих частях древесины
при этом такое соединение достаточно просто изготовить.
Для получения деталей больших габаритов необходимо воспользоваться одним из следующих методов соединения:
- продольное соединение с использованием шпонки и шипа;
- косой замок;
- продольное соединение бруса между собой коренной шип;
- соединение встык;
- соединение в полдерева.
Тип продольного соединения «в полдерева»
Общий вид соединения. Элементы соединения.
Данный тип соединения деревянных элементов при возведении построек из бруса предполагает выпиливание угла в брусе до середины его поперечного сечения.
В одной детали должен получиться выпи углом вниз, а во второй, соответственно, углом вверх.
После подготовительных процедур следует уложить деревянные элементы друг на друга. Самым главным недостатком данного типа соединения является то, что в местах сращивания деревянный брус значительно теряет в толщине, а значит, падают его эксплуатационные показатели.
Этод метод является самым простым. После сращивания бруса, следует дополнительно скрепить его деревянными нагелями.
Тип продольного соединения «на косой замок»
Общий вид соединения. Элементы соединения.
Данный метод сращивания специалисты называют самым сложным, однако данная конструкция очень надежна.
С торцов деревянной детали необходимо выпилить косые элементы. При этом должен быть соблюден определенный угол, повторены необходимые изгибы, а габариты должны полностью соответствовать.
В итоге должен получиться некоторого рода шип и паз, которые в конечном итоге и образуют косой замок. После этого два бруса необходимо соединить, приложив обработанные места друг другу.
Для достижения максимальной надежности и прочности соединения используют специальные деревянные нагели.
Соединения встык производится:
- коренным шипом;
- шпонками.
Тип продольного соединения с коренным шипом
Общий вид соединения. Элементы соединения.
Узел состоит из выпиленных шипа на одном торце бруса, и паза на другом. Соединить коренной шип просто. При монтаже в пропил укладывается утеплитель из джута или войлока. Выпиливая элементы нужно быть точным, так как соединение коренной шип должно быть плотным, герметичным. Только так можно избежать большие потери тепла.
Тип продольного соединения на шпонках
Общий вид соединения. Элементы соединения.
Принцип соединения бруса:
в двух элементах нужно сделать абсолютно одинаковые пазы. После этого обработанные детали укладывают рядом друг с другом так, чтобы пазы соприкасались и вбивают в этот паз шпонку.
Шпонка представляет собой вставной элемент, своего рода клин, который изготавливается из твердых пород дерева. Для деревянного бруса следует использовать деталь из осины. После попадания в подготовленные пазы этот элемент надежно скрепляет два бруса друг с другом.
Шпонки могут отличаться собой геометрической формой и быть:
- прямыми;
- прямоугольными;
- с зазубринами;
- призматическими;
- в форме «ласточкин хвост».
В полдерева – применяется для соединения бруса при строительстве нежилых зданий технического назначения.
С коренным шипом – считается наиболее надежным способом закрепить два материала по горизонтали. Для этого один торец бруса подвергается вырезанию специального паза, а на втором формируется специальный шип. Две готовых части соединяются образуя цельный брус;
С продольным шипом на шпонке – обеспечивает надежное соединение бруса по всей его длине. Технология полностью аналогична угловой установке пиломатериала. Два торца подвергаются вырезанию паза под специальный шип;
С косым замком – наиболее надежное и сложное соединение, которое требует обработки двух частей бруса. На одной части бруса нарезаются специальные шипы и зацепы, а на второй пазы для их крепления. Таким образом соединенные детали образуют крепкий замок.
Брусья крепятся с вырезкой пазов, которые в дальнейшем скрепляются с помощью стальных гвоздей под углом 45 градусов;
3. Способы углового соединения бруса
В зависимости от проектного решения наружных стен из бруса угловые соединения делают двух типов:
- Вариант «с остатком» предполагает выпуски брусьев наружу
- Вариант «без остатка» подразумевает углы без выноса стен за пределы периметра дома.
С остатком «в чашу» Без остатка «в лапу»
«В чашу», согласно которой углы вырубаются с остатком. Это самый распространенный способ, имеющий массу вариаций отечественного и зарубежного происхождения. Минус узловых чаш в ощутимом расходе вовсе не дешевого материала, плюс в отличной теплоизоляции угла. Выглядят рубленные в чашу строения весьма эффектно.
«В лапу» или по-простому «без остатка». Согласно нему контур строения выстраивается четко по плану. При равнозначном с предыдущей технологией расходе материала внутренние габариты строения получаются больше. Рубленные в лапу углы требуют обязательной облицовки, иначе они будут продуваться и мокнуть.
«Без остатка» крепеж отличается ровными краями встык, «с остатком» — брусовые концы на определенном расстоянии выходят за стеновую плоскость под углом 90°.
Это отражается на общей материалоемкости конструкции, поскольку расход брусьев на 50 см увеличивается в сравнении с рубкой встык. Но углы дома из бруса «с остатком» из выступающих фрагментов бревен сильнее защищены от негативного климатического воздействия. Помимо этого, такая технология делает стены устойчивыми.
3.1. Соединение углов бруса с остатком «в чашу»
В чашу брусья соединяются за cчет замочных пазов, которые могут быть нескольких видов:
- Однострочными
- Двусторонними
- Четырехсторонними.
Крепеж односторонним пазом имеет в бруске неглубокий разрез в форме поперечной бороздки. Как правило, таким образом соединяют профилированный брус.
При осуществлении крепления с двухсторонним пазом разрезы формируют с обеих сторон, верхней и нижней, с глубиной 1/4 толщины бруса.
При выполнении четырехстороннего паза разрезы выполняют с 4-х сторон. Наличие поперечных канавок существенно упрощает процесс установки венцов – бревна уплотненно налегают друг на друга, устойчивость такого способа соединения бруса в углах существенно увеличивается.
Тип соединения профилированного бруса в односторонний замочный паз
Общий вид соединения в односторонний замочный паз Элемент соединения.
При таком виде соединения в каждом брусе делается перпендикулярный паз в виде надпила с одной стороны — обычно верхней. Надпил должен подходить по ширине с перпендикулярным сечение бруса.
Тип соединения в двухсторонний замочный паз
Общий вид соединения в двухсторонний замочный паз Элемент соединения
Технология двухстороннего пазового замка подразумевает под собой пропилы с двух сторон бруса т.
е. сверху и снизу. Глубина перпендикулярного пропила примерно равна 1/4 от высоты бруса. Качественное соединение, но требует большого опыта от плотников, дабы не допустить трещины или сколы при пропиле паза и установке бруса.
Тип соединения профилированного бруса в четырехсторонний замочный паз
Общий вид соединения бруса в четырехсторонний замочный паз Элемент соединения бруса.
Тип соединения профилированного бруса в четырехсторонний замочный паз (в «обло»)
Общий вид соединения бруса в четырехсторонний замочный паз (в «обло») Элемент соединения бруса.
При выполнение четырехстороннего замкового паза выпиливают паз со всех сторон профилированного бруса. Такой вариант крепления позволят достичь большой прочности сруба.
Пропилы со всех сторон упрощают возведение сруба — венцы ложатся как конструктор. Соединение углов таким способом очень увеличивает надежность.
Чашечный — является наиболее простым видом углового обустройства.
Угловой крепеж этим методом выполняется в таких вариациях:
• в половину дерева;
• в охряп;
• в курдюк.
«В полдерева»
Данный способ стыковки (наиболее простой) подразумевает вырубку прямоугольного паза глубиной в половину толщины бруса – отсюда и название.
С целью увеличения необходимой плотности укладки вверху бруса помимо чаши формируют дополнительную продольную канавку. После укладки и закрепления поперечного бруса устанавливают бревна очередного венца. Перед укладыванием каждого яруса продольный паз заделывают утеплителем. Для прочности конструкции каждое новое бревно крепится к предыдущему за счет нагелей, что усиливает вертикальную устойчивость поверхности.
«В курдюк»
Прочную и надежную стыковку брусьев обеспечивает дополнительный шип. Внизу чаши вырезают еще один выступ вдоль бруска и поперек чашечного дна. А внизу, поперек паза формируют особую выемку, на которую при установке насаживается курдюк.
Для качественного исполнения соединения такого типа требуются плотники, обладающие высоким уровнем мастерства.
«В охряп»
Соединение, в котором главная задача – правильно рассчитать ширину перемычки. При работе с брусом, за счет его стандартной геометрии, выполнить вырубку можно с использованием шаблона (в отличие от работы с бревном). Безошибочное выпиливание способствует значительному ускорению работы.
Охряп – промежуточный вид соединения бруса в углах между классическими способами с остатком и без. Отличие рубки «в охряп» в том, что снизу и сверху балки вырезаются чаши на 1/4 диаметра.
3.2. Соединения бруса без остатка «в лапу»
Традиционно для бань и домов используются «в полдерева» и «в лапу».
Отличаются они только формой. В полдерева имеет ровные, параллельные грани. При стыковке бруса «в лапу» форму шипов делают трапециевидной. Она чуть сложнее в исполнении, но меньше шансов возникновения сквозных отверстий.
Существуют следующие варианты соединения бруса «в лапу»:
1. Коренные шипы;
2. Встык;
3. Шпонки;
Самым простым вариантом является соединение бруса методом встык. Торцы брусьев при этом ровно обрезают и фиксируют их на углах при помощи стальных скоб или пластин с шипами.
Однако, данный метод стыкования бруса нельзя назвать очень прочным и герметичным. Поэтому его лучше использовать для нежилых хозяйственных построек.
Для защиты углов сруба от продувания и придания дополнительной механический прочности конструкции сруба используют шпонки — прямоугольные и в ласточкин хвост либо используют врубку на коренной шип прямой или полусковороднем.
Шпонки – вертикальные стержни из твердой древесины (дуб, береза, граб).
Тип соединения на прямоугольных шпонках
Общий вид соединения Элементы соединения
При использовании данного способа на брусьях вырезаются специальные прорези и отверстия, в которые в дальнейшем вставляется шпонка определенного размера.
Брусья укладываются торец к торцу и соединяются шпонками. Размер прорези должен быть с учетом углубления вглубь пиломатериала на 8-15 сантиметров, в зависимости от размера бруса
Тип углового соединения сруба на шпонках «ласточкин хвост»
Общий вид соединения Элементы соединения.
Вариант подразумевает сцепление двух брёвен зубьями особой формы.
Брусья под прямым углом направляются друг к другу: один имеет шипы, а другой – пазы. Такой «замок» обеспечивает надёжное крепление без наличия щелей и дарит срубу устойчивость.
От коренного шипа он отличается трапециевидной формой, которая делает зону контакта брусьев более плотной и жесткой.
Тип углового соединения в срубе с коренным шипом
Общий вид соединения Элементы соединения
Оптимальным вариантом стыкования является способ «в теплый угол», также называемый соединением «в коренной шип». На торце бруса при этом вырезается внутренний выступ-шип, который защищает шов от продувания и повышает прочность угла.
4. Способ соединения бруса «Т-образное»
«Т-образное» — соединение часто применяется в тех случаях, когда требуется сооружение внутренних или наружных перегородок.
Изготовление Т-образного торца занимает меньше времени, чем вырезание специальных пазов в бревнах.
Всего существует 4 вида Т-образных соединений:
- Замочного паза на вставном шипе
- Симметричного трапециевидного шипа — сковородня
- Прямоугольного трапециевидного шипа — полусковордня
- Прямого паза на коренном шипе.
Все эти типы соединения выполняются в одной последовательности. С торца бруса, из которого будет строиться перегородка, вырезается шип в том виде, который соответствует выбранному вами типу стыка. А в стенке делается паз соответствующей формы и размеров. Далее, брус для перегородки просто вставляется в паз и фиксируется.
По видам конструктивных решений угловые соединения подразделяют на:
- соединения с остатком;
- соединения без остатка;
- соединения встык;
- Т-образные соединения стен и простенков.
По типам конструкций угловые соединения подразделяют на предназначенные:
- для бревенчатых стен с соединением с остатком:
— соединение в «чашку»
— соединение в «обло»
- для бревенчатых и брусчатых стен с соединением без остатка:
— соединение в «лапу»
- для брусчатых стен с соединением «встык»:
— соединение угла на шпонках
— соединение угла с коренным шипом
- для брусчатых стен с соединением с остатком:
— соединение в «обло» (с замочным пазом)
- для Т- образных соединений стен и простенков:
— соединение в «обло» (с замочным пазом)
— соединение в «чашку»
— соединение cимметричным трапециевидным шипом
— соединение прямоугольным трапециевидным шипом
— соединение прямым пазом
Соединение углов и крепление бруса между собой
Для долговечной эксплуатации дома, а также для того, чтобы он оставался уютным и теплым, необходимо при возведении соблюдать все установленные ГОСТы и нормы.
Особенности креплений
Нагель из дерева – это главный элемент крепления бруса между собой при строительстве домов из бруса.
Выбирая компанию, которая будет вам строить дом, обращайте внимание на тот момент, как она будет проводить фиксирование венцов между собой, – используя нагели или гвозди. Уверенно можно сказать, что компании, которые применяют гвозди – не являются профильными специалистами в области строительства домов.
Нагель из дерева – это достаточно прочный, к тому же, натуральный, элемент крепления, используется специалистами с древних времен. Можно вспомнить множество красивых старинных деревянных домов, которые были собраны без использования гвоздей, и это даст нам понимание того, каким профессионализмом должен обладать современный строитель, собирающий дом с помощью нагелей.
Нагель (шкант) необходимо устанавливать в заранее подготовленное место (просверленное), чтобы в дальнейшем не произошло сдвигов соединенных брусьев.
Производятся они из твердых пород древесины (береза (чаще всего), дуб и бук).
Сечение может быть круглым или квадратным.
Для того чтобы в дальнейшем при усадке дома соединяемые брусья не стали зависать, при возведении дома из бруса нагель утапливают. Применение гвоздей не позволяет дому полноценно усаживаться, материал начинает зависать и образуются щели.
Установка нагелей
- Устанавливать нагели необходимо последовательно. Сначала нужно нанести метки на брус. Это делается с целью исключения попадания следующего ряда нагелей на предыдущий, расстояние между которыекоторыми нужно рассчитывать по требованиям СНиПа. Сверлить отверстия необходимо в вертикальном положении! При этом используя сверло диаметром, равным диаметру шканта.
- Соединять брус можно “в обло” (с остатком) или “в лапу”, «теплый угол» (без остатка). По всей длине между брусьями нужно прокладывать теплоизолирующий материал. Это может быть пакля, войлок или джут.
- Скрепляя брус в угол “с остатком”, вы выбираете прочное соединение, которое мало продувается и не требует дополнительного фиксирования. Прочность обеспечивается также за счет пазов в верхней и нижней частях бруса. Чтобы углы не подвергались продуванию вообще, а также для исключения “мостиков холода”, углы можно проконопатить.
- Также возможно скрепление по типу “теплый угол”. Оно полностью защищает от воздействия ветра. При этом на внутренней поверхности бруса нужно вырубить коренной шип. В брусе, укладывающемся перпендикулярно, сделать паз, и вставить друг в друга. В следующих рядах идет аналогичное чередование.
- Существует тип крепления – “ласточкин хвост”. Это соединение косым или прямым шипом. Косой шип не дает возможность углам расходиться, также он применяется с целью наращивания материала, ведь бывают проекты домов из строганного бруса, где длина стен может достигать более пятнадцати метров.
Прочность обеспечивается также за счет пазов в верхней и нижней частях бруса. Чтобы углы не подвергались продуванию вообще, а также для исключения “мостиков холода”, углы можно проконопатить.В этой статье мы попытались вам объяснить особенности строительства деревянных домов, надеемся, вы не доверите возведение дома вашей мечты некомпетентным застройщикам!
Соединения момента между балками — EngineerExcel
Момент — это сила, которая пытается притянуть балку или другой объект, чтобы повернуть его. Моментное соединение — это тип соединения, которое предотвращает эту вращающую силу, передавая энергию и удерживая две балки на месте.
Что такое моментное соединение между балками?
Моментное соединение представляет собой конструкционное соединение, противодействующее силам изгибающего момента. Хотя эти изгибающие моменты присутствуют во многих предметах повседневного обихода, таких как стулья или кушетки, они чаще всего изучаются в балках. Балка даже под действием силы собственной гравитации будет создавать изгибающий момент, пытаясь повернуть ее по кругу в направлении от исходной точки.
Соединение балка-балка представляет собой сварное соединение между двумя балками. Как правило, одна балка больше похожа на вертикальную колонну, а другая выступает из нее горизонтально. Это обычная структурная опора, используемая в зданиях и мостах.
Часто их называют «консольными балками». Подумайте о вывеске, висящей на здании, с названием магазина. Этот знак действительно висит на балке, прилагая силу момента к концу, соединенному со зданием, пытаясь вырваться из кирпича и раствора.
Типы соединений балок для моментов
Соединения, устойчивые к моменту, чаще всего используются в одноэтажных или многоэтажных зданиях, часто из металлических балок, которые выдерживают большой вес. Существует несколько способов выполнения этих соединений между балками или между стеной здания и балкой. Здесь мы обсудим некоторые из наиболее распространенных типов. Обратите внимание, что мы говорим «соединения балок», часто мы говорим о конфигурации двутавровой балки, распространенном типе конструкционной балки.
Перед тем, как двигаться дальше, важно определить, что такое «торцевая пластина». Торцевая пластина обычно представляет собой плоскую металлическую пластину, приваренную к тонкой вертикальной части двутавровой балки, а затем прикрученную к стене или другой поверхности.
Эта пластина должна быть плотно прижата к допускам по размеру, поскольку она является неотъемлемым конструктивным элементом, который должен входить в двутавровую балку.
Хотя эти тарелки недорогие, у них есть и обратная сторона. После того, как он сделан, нет регулировки его длины или высоты луча. Если торцевая пластина не подходит к двутавровой балке, ее нужно будет переделать.
Часто эти торцевые пластины изготавливаются из стали, хотя они могут быть из разных материалов. Точно так же большинство двутавровых балок изготовлены из конструкционной стали того или иного типа.
Торцевая пластина неполной глубины
Торцевая пластина неполной глубины не растягивает тонкую часть двутавровой балки по длине. Вместо этого он остается в пределах двух горизонтальных расширений, закрывающих двутавровую балку. Этих пластин обычно достаточно для многих применений, поскольку они могут выдерживать до 75% сопротивления сдвигу/моменту, создаваемого балкой.
Торцевая пластина полной глубины
Торцевая пластина полной глубины представляет собой тип стальной торцевой пластины, приваренной по всей длине/высоте двутавровой балки.
Преимущество использования торцевой пластины полной глубины по сравнению с частичной заключается в том, что она обеспечивает большее сопротивление внутреннему моменту, создаваемому балкой. Торцевая пластина полной глубины может покрывать до 100% сопротивления балки.
Удлиненная торцевая пластина
Удлиненная торцевая пластина делает именно это: она выходит за пределы высоты двутавровой балки, выступая над или под ней, или и там, и там, чтобы обеспечить большее сопротивление силе момента, создаваемой балкой и воздействующей на нее. Он может компенсировать более 100% моментной силы, создаваемой балкой, что позволяет добавить больший вес поверх балки или иным образом обеспечивает избыточную поддержку в случае разрушения конструкции.
Удлиненная торцевая пластина с усиленной жесткостью
Удлиненная торцевая пластина с усиленной жесткостью позволяет добавить треугольный клин, приваренный к верхней и/или нижней стороне двутавровой балки. Этот стальной треугольный клин равномерно располагается посередине верхней части двутавровой балки, дополнительно расширяя опору момента, сопротивляющегося соединению, за пределы только области двутавровой балки после ее приваривания.
Соединение вальцовочной балки
Соединение вальцовочной балки похоже на удлиненную торцевую пластину с усиленной жесткостью, но приваривается к нижней части балки, а не к верхней. Кроме того, когда под балкой добавляется арматурный вант, балка отклоняется вверх от стены, как это могут быть стропила дома. Веток намного больше, чем расширение ребра жесткости, и почти существует как вторая, меньшая двутавровая балка, поддерживающая снизу. В то время как бедро обеспечивает гораздо большую поддержку (а также вызывает вторую силу момента на себя), не рекомендуется использовать эти соединения без необходимости, поскольку они требуют жестких допусков и дорогого изготовления.
Уравнения для силы момента между балками
Существует ряд ситуаций, при которых возникает сила момента на соединение балка-балка. Используемые формулы варьируются от случая к случаю, особенно с учетом контекста опор балки. Например, балка, подвешенная только с одного конца, как и в случае вывески магазина, свисающей со стены, будет испытывать изгибающий момент, отличный от конструкционной двутавровой балки здания, приваренной к другим балкам с обеих сторон.
Ниже представлено несколько довольно разнообразных уравнений, которые можно использовать для расчета моментных сил на соединениях балок с балками. Обратите внимание, что уравнения будут выглядеть во многом схожими, изменяясь в зависимости от местоположения приложенной нагрузки (если есть приложенная нагрузка или только внутренняя нагрузка на балку), а также от местоположения и типа опор балки (независимо от того, подвешены ли они). от стены или балки, или поддерживается снизу).
Равномерно распределенная нагрузка для балки, закрепленной на одном конце
Соединение одной балки с равномерно распределенной нагрузкой — это случай, когда балка соединена только с одного конца, при результирующей моментной силе только от веса балки, применяется на присоединяемом конце. Подумайте о балке, прикрепленной к стене, но без вывески, свисающей с нее.
где
- M = момент силы (Н-м)
- w = вес балки (Н)
- l = длина балки (м)
- x = положение вдоль балки, начиная со свободного конца (м)
Здесь сила момента не так велика, как могла бы быть приложенная сила, так как вес балки распределяется по ее длине.
Максимальная сила момента возникает, когда мы берем ее по всей длине балки, однако, если вы хотите построить график увеличения силы момента по длине, вы можете использовать x для обозначения положения вдоль луча.
Сосредоточенная нагрузка на балку, закрепленную на одном конце
Это похоже на случай, когда знак висит на балке, прикрепленной одним концом к стене или другой балке. Здесь нисходящая сила (например, вес знака) тянет вниз в определенной точке, вызывая мгновенную силу в соединении.
Эти два уравнения показывают, как величина индуцируемой моментной силы зависит от того, где вдоль балки сосредоточена нагрузка. Если нагрузка полностью приходится на свободный конец балки, момент будет наибольшим. По мере приближения нагрузки к соединительному стыку она уменьшается. В реальных сценариях инженерам также необходимо учитывать силу момента самой балки, как в примере.
Равномерно распределенная балка, закрепленная на обоих концах
Это случай несущей балки с соединениями на обоих концах, без сосредоточенной нагрузки, только вес самой балки вызывает силы момента.
Здесь балка опирается на оба конца, поэтому сила момента распределяется между обоими фиксированными соединениями. Обратите внимание, что балка также испытывает внутренний момент, наибольший в ее центральной точке. Это верно для любой балки под собственным весом.
Широкополочная балка с соединением моментов колонны из быстрорежущей стали
Джейсон Эриксен, SE
FORSE Consulting, технический советник Института стальных труб
Полые конструкционные секции (HSS) являются эффективными элементами для использования в различных приложениях, включая моментные кадры. Когда балки и колонны являются элементами из быстрорежущей стали, соединения, создаваемые моментом, могут быть рассчитаны с использованием положений Спецификации Американского института стальных конструкций (AISC) для зданий из конструкционной стали, глава K. Таблицы в главе K охватывают различные конфигурации соединений и предоставляют предельные состояния с применимые уравнения прочности.
Когда балки представляют собой широкополочные секции, а колонны — из быстрорежущей стали, существует несколько вариантов моментных соединений, и они будут обсуждаться в этой статье.
Важно помнить, что присоединение к колонне из быстрорежущей стали отличается от соображений присоединения к фланцам широкополочной колонны. Моменты в широкополочных балках сводятся к сосредоточенным силам на полках балки, которые должны быть переданы в колонну. Основное различие между колонной из быстрорежущей стали и колонной с широкими полками заключается в том, как силы от полок балки передаются на стенки колонны, чтобы противостоять сдвигу. В колонне с широкими полками стенка (и, следовательно, жесткость) расположена в центре полки колонны. В колонне из быстрорежущей стали силы, прикладываемые к поверхности колонны, должны передаваться на боковые стенки, которые действуют как стенки. В связи с тем, что стенки из быстрорежущей стали, как правило, тоньше и должны передавать усилия на боковые стенки, толщина стенки из быстрорежущей стали становится решающим фактором для прочности и жесткости моментного соединения между колонной из быстрорежущей стали и широкополочной балкой.
С учетом этих соображений общие типы соединений, обсуждаемые в этой статье, и сопровождающие их рекомендации, как правило, направлены на то, чтобы сосредоточенные силы от полок балки прикладывались как можно ближе к боковым стенкам колонны из быстрорежущей стали, насколько это практически возможно. Две общие рекомендации могут быть сделаны для всех конфигураций подключения; спроектируйте колонну так, чтобы исключить необходимость усиления в месте соединения и сохранить соотношение между шириной колонны и шириной полки балки близким к единице.
По возможности при выборе размера колонны следует учитывать конфигурацию соединения и силы, действующие на колонны из быстрорежущей стали. Более толстые стенки и/или более узкие размеры лицевой стороны колонны могут усилить и придать жесткость стенке колонны и устранить необходимость в дорогостоящих элементах жесткости или армировании колонны. Проще говоря, более тяжелые колонны, как правило, более экономичны, чем усиленные соединения.
Это относится и к соединениям с широкополочными колоннами. Существуют требования по приложению сосредоточенных сил к полкам, которые могут привести к ребрам жесткости или удвоителям в момент соединения (когда стенка колонны или полки недостаточно толстые). AISC рекомендует использовать более тяжелые секции колонн, чтобы избежать дорогостоящего усиления соединения.
Вторая рекомендация — поддерживать оптимальное соотношение ширины колонны и ширины полки балки. Узкие полки балки (по сравнению с шириной поверхности колонны) концентрируют усилие на центральной части стены из быстрорежущей стали, что делает толщину стены более важной.
В этой статье обсуждаются пять наиболее распространенных типов подключения, но в ресурсах, размещенных на сайте, обсуждается несколько других жизнеспособных конфигураций. Эта статья ориентирована на применение в условиях низкой сейсмичности, но есть соединения, подходящие для применения в условиях высокой сейсмичности.
Неразрезная балка
В этом типе соединения балка остается непрерывной через соединение, что устраняет необходимость передачи моментов от балки к колонне.
Это очень экономичное соединение для одноэтажных домов. Соединение балки с верхом колонны не требует передачи момента и может быть выполнено с помощью простой накидной пластины, прикрепленной болтами к полкам балки. Крайне важно обеспечить неплоскую распорку верхней части колонны. Если это не предусмотрено, эффективная длина потери устойчивости колонны может быть значительно больше, чем высота этажа.
Это соединение также можно использовать для нескольких этажей. В этой конфигурации балка сплошная, но колонна «сращена». Стенка балки может быть усилена пластинами или разъемными секциями из быстрорежущей стали, чтобы соответствовать сечению колонны, чтобы обеспечить траекторию нагрузки для осевых нагрузок колонны.
Прямая сварка
Это довольно распространенное соединение, способное передавать значительные моменты с балок на колонну. Однако, если требуемый момент приближается к полной прочности балки на изгиб, может потребоваться одна из других обсуждаемых конфигураций соединения.
В моменты больших нагрузок гибкость стенки из быстрорежущей стали может ограничивать передаваемый момент. Для достижения наилучших результатов используйте более толстую стенку колонны и подумайте о том, чтобы отношение рабочего плоского размера к ширине полки балки оставалось близким к единице. Колонна HSS оценивается с использованием положений главы K Спецификации AISC для поперечной пластины с осевой нагрузкой. Существуют предельные состояния, применимые к полке балки, поверхности колонны из быстрорежущей стали и боковым стенкам колонны.
Сквозная пластина
Соединение со сквозной пластиной сложнее и дороже в монтаже, чем прямое сварное соединение, но оно обеспечивает большую прочность при моменте. В связи с этим колонна разрезается в двух местах, чтобы сквозные пластины на верхней и нижней полках балки проходили через колонну. Это соединение позволяет передавать моменты от балки к балке с помощью фланцевых пластин и не требует передачи усилий через колонну.
При проектировании соединения важно учитывать, как будут возводиться балки. Так как есть верхняя и нижняя плита, балку придется ставить сбоку, если плиты крепятся в цеху. В этой конфигурации для монтажа требуется одна пластина сдвига. Другим вариантом является сварка нижней полки в заводских условиях и сварка верхней полки в полевых условиях, чтобы балку можно было разместить сверху. Когда это сделано, в соединении сдвига появляется больше свободы.
Внешняя пластина мембраны
Соединение внешней пластины мембраны (также известное как вырезная пластина) аналогично соединению сквозной пластиной, поскольку для передачи моментов используются фланцевые пластины. Однако при соединении с внешней пластиной диафрагмы колонна является непрерывной, а верхняя и нижняя пластины обрезаются вокруг колонны. Это немного упрощает изготовление соединения, потому что колонку не нужно разрезать. Однако соединительные пластины шире, чем колонна, что может вызвать архитектурные помехи.
Те же соображения по монтажу, что и для сквозной пластины, относятся к внешней пластине диафрагмы, когда пластины крепятся к колонне в цеху. Соединение с наружной пластиной диафрагмы можно эффективно использовать для одностороннего соединения, поскольку оно позволяет передавать усилия полки балки непосредственно на боковые стенки колонны из быстрорежущей стали.
Плита внутренней диафрагмы
Плиты привариваются внутри трубы в заводских условиях для придания жесткости стенкам колонны из быстрорежущей стали в месте соединения внутренней плиты диафрагмы. Силы полки балки передаются непосредственно через стенку колонны на внутреннюю пластину и через соединение. Сварка внутренних пластин может быть несколько сложной и ограничивает использование этого соединения в Соединенных Штатах. Это очень популярное соединение в Японии, где высокоавтоматизированная заводская сварка делает эти сварные швы более практичными. В связи с этим колонна разрезается только один раз, и балка приваривается непосредственно к колонне.
Поскольку арматура находится внутри самой колонны, это соединение имеет архитектурные преимущества, но при этом обеспечивает способность противостоять большим моментам балки.
Высокая сейсмостойкость
Уже рассмотренные типы соединений могут использоваться для стальных рам с обычным моментом, если вы соответствуете требованиям Правил AISC по сейсмостойкости (AISC 358). Для рам специального и промежуточного моментов моментные соединения должны быть протестированы или предварительно квалифицированы. Наиболее распространенный путь — использовать одно из соединений из Предварительно квалифицированных соединений AISC для специальных и промежуточных стальных моментных рам для сейсмических приложений (AISC 358). Этот документ содержит запатентованное соединение от ConXtech®, в котором используются колонны из быстрорежущей стали и балки с широкими полками. Кроме того, SidePlate® обеспечивает соединения с использованием столбцов HSS, которые имеют отчеты ICC ES как для систем IMF, так и для систем SMF.
Этих отчетов часто бывает достаточно для предварительной квалификации проприетарных соединений.
Ведутся исследования для высокосейсмических соединений с колоннами из быстрорежущей стали. Обширные исследования проводятся в Японии и Европе, где использование колонок из быстрорежущей стали является нормой. Тесты показывают, что подключения к колонке HSS работают хорошо, если они детализированы соответствующим образом. В Японии завершено исследование соединений через пластину и внутреннюю диафрагму (эквивалентно протоколу, требуемому для предварительной квалификации AISC 358). Однако аналогичное тестирование должно быть проведено в США, чтобы соединения были включены в AISC 358.
Ресурсы
Имеются ресурсы для расчета моментных соединений между широкополочными балками и колоннами из быстрорежущей стали. Часть 12 Руководства по стальным конструкциям AISC содержит обсуждение моментных соединений с колоннами из быстрорежущей стали, а Руководство по проектированию AISC № 24 содержит обсуждение конкретных типов соединений, предельных состояний, которые следует учитывать, и включает примеры.