В текущей статье будут сначала представлены самые частые формы соединений с ребристой плитой, а затем будут перечислены их преимущества и недостатки, причем некоторые из них будут пояснены более подробно. Соединения балки с колонной в данной статье рассматриваться не будут, хотя их применение в общем возможно. Далее не следует пренебрегать техническими вопросами реализации данных соединений, потому что в расчетах стальных соединений практичность соединения часто не учитывается или недостаточно принимается во внимание. Именно потому будут в нашей статье обсуждаться также проблемы данного плана.
Во второй части статьи затем будет показан и объяснен процесс проектирования и расчета соединений ребер с пластиной по норме EN 1993-1-8 [1]. Мы решили рассмотреть несколько расчетов, которые иногда отсутствуют в практике проектирования. Для этого есть множество причин, две наиболее вероятные из них это: Инженеры не хотят, чтобы расчет был слишком сложным, потому что он выполняется «всего лишь» для соединения второстепенной балки. Или ответственный инженер-проектировщик не обладает знаниями о необходимости того или иного расчета.
Настоящая статья должна объяснить необходимость того или иного дизайна. В случае отказа конструкции, аргумент «Раньше все было в порядке и без этого расчета!» уже никак не поможет. При выполнении расчета очень быстро становится очевидным, насколько сложно спроектировать шарнирное соединение с ребристой плитой, и насколько полезной является программа расчетов RF-JOINTS Steel - Pinned для того, чтобы выполнить экономичный расчет по соответствующим нормам с разумным временем обработки данных.
В последнем разделе будет показано, какими значительными недостатками обладают не только соединения с ребристой плитой, но и другие шарнирные соединения. Речь идет о частом значительном уменьшении критического изгибающего момента. Большинство шарнирных соединений, а особенно соединениям с ребристой плитой, нельзя рассматривать как боковое защемление или защемление против кручения, что может у балок, склонных к потере устойчивости, привести к значительному снижению их сопротивления неустойчивости.
Расчет соединений с ребристой плитой
В этом разделе будут показаны и оценены наиболее распространенные формы соединений пластин оребрения, такие как соединения балок с балками, с учетом их преимуществ и недостатков при расчете и проектировании, а также при производстве и сборке. Упомянутые пункты являются лишь предположениями и не претендуют на полноту.
В общем, соединения с ребристой плитой могут применяться как в соединениях балки с колонной, так и в соединениях балки с балкой, причем соединения балки с колонной в статье далее не рассматриваются, потому что для них обычно применяются другие виды шарнирных соединений.
Основная проблема, связанная с соединениями ребристых пластин во время сборки, заключается в том, что невозможно специально компенсировать производственные допуски, такие как превышение длины или малой длины балки, как это возможно при коротких соединениях концевых пластин и двухугловых соединениях. Балки специально изготавливаются с малой длиной согласно максимальному допуску, соответствующему норме. Полученная таким образом малая длина может быть в дальнейшем компенсирована на месте благодаря подкладным пластинам.
К сожалению, данный метод нельзя применить в соединениях с ребристой плитой, поэтому соединения не должны располагаться между двумя колоннами, так как в этом случае может произойти то, что балка будет смонтирована только с большим усилием. Помимо того, что это усложняет сборку, в конструктивную систему вводятся воздействия, связанные с защемлением, чего необходимо избегать.
Большим преимуществом соединений с ребристой плитой является, как правило, меньшее число сегментов конструкции по сравнению с большинством других типов штифтовых соединений. Нет потребности в других мелких деталях, кроме болтов.
Далее представлены два наиболее распространенных типа соединений с ребристой плитой в соединении балки с балкой. Это рассматривается как соединение с «длинной» или «короткой» ребристой пластиной.
Соединение балки с балкой с помощью «длинной» пластины оребрения:
Соединения с «длинной» ребристой плитой характеризуются тем, что в присоединяемой балке не нужен вырез, поэтому ребристая плита длинная. Двумя основными преимуществами этого типа соединения являются, во первых, менее сложное изготовление в мастерской, поскольку не требуется выполнение сложных вырезов, а во-вторых несложное соединение отдельных балок при сборке.
Основным недостатком этого типа соединения является тот факт, что оно часто далеко от бокового ограничения и скручивания. Если в балке возможен продольный изгиб с кручением, важно в расчете балки учесть меньшую жесткость соединения при кручении. Так как расчет стальных конструкций часто выполняет иной специалист, чем тот, кто выполнил расчет соединений, это может привести к сложностям.
Поскольку при использовании этого типа соединения пластина оребрения также приваривается к одной или обеим полкам главной балки, создается своего рода барьер. При применении конструкций горячего цинкования необходимы дополнительные высверливания и вырезы в ребристой плите, чтобы жидкий цинк мог стечь после извлечения из ванны цинкования. Должен ли инженер-проектировщик учитывать это, зависит от заключенного договора. При расчете или проектировании конструкций этими дополнительными отверстиями обычно можно пренебречь.
Однако из-за большого эксцентриситета этого типа соединения потребуется большая толщина ребристой плиты. Это, в свою очередь, приводит к тому, что сварные швы должны быть очень прочными, потому что они должны иметь большее предельное состояние по пределу прочности, чем соединенная пластина, чтобы обеспечить пластичное поведение компонентов конструкции. Важно иметь в виду, что угловые сварные швы с корнем 6 мм и более необходимо сваривать в несколько слоев. Таким образом, соединение быстро становится неэкономичным с точки зрения использования материала и изготовления.
Соединение балки с балкой с помощью «короткой» пластины оребрения:
Данный тип соединения имеет все преимущества варианта с «длинной» ребристой плитой, за исключением гарантированного, несложного монтажа отдельных балок. При меньших расстояниях между балками может получиться так, что отдельная балка не может быть смонтирована на строительной площадке.
Однако, поскольку рабочие площадки и мостки часто предварительно собираются на земле, а затем вставляются и устанавливаются на месте установки целиком или крупными частями (сборка), случай вставки одной балки и возникновение связанных с этим проблем возникает редко. . В любом случае инженер-проектировщик или разработчик должен ознакомиться с монтажной технологией компании-исполнителя.
Дополнительным преимуществом варианта с «короткой» ребристой плитой является довольно небольшой эксцентриситет соединения, что часто приводит к более экономичным результатам, чем у варианта с «длинной» плитой.
Недостатком такого типа соединения обычно является необходимость выполнить вырез во второстепенной балке, что приводит в определенных случаях к трем основным проблемам. Прежде всего, следует упомянуть более сложное изготовление, что, однако, вряд ли относится к современно оборудованным мастерским.
Вторая сложность заключается в более низкой прочности балки в области выреза. Здесь необходимы дополнительные расчеты, которые в некоторых случаях являются решающими. Это особенно актуально, если на обоих концах (то есть на верхней и нижней полках балки) необходимы выемки. Такой случай чаще всего возникает, когда вспомогательная и главная балка почти равны по высоте.
Третья проблема, которая может возникнуть в результате надрезов, возникает только в случае горячеоцинкованных конструкций из высокопрочных конструкционных сталей (начиная с S355). В данном случае необходимо убедиться в том, что в процессе оцинковки в области выреза не образовываются трещины. Это может быть выполнено при помощи расчета конструкции либо путем классификации деталей в соответствии с директивой 022 DASt (Немецкий комитет по стальным конструкциям). Классификация является более типичным случаем.
Пример конструкции соединения ребристой пластины с короткими пазами
В дальнейшей части статьи затем будет показан и пояснен расчет и проектирование соединений с ребристой плитой по норме EN 1993-1-8 [1]. На рисунке 03 показана рассматриваемая рабочая платформа. Ее размер в плане 4,00 м х 4,00 м. С одной стороны платформа подвешена на основной платформе, которая расположена выше, а с другой стороны она соединена с основной конструкцией. Следовательно, платформа может быть «отделена» от общих расчетов за счет опоры, которая не является строго необходимой, но часто помогает иметь более четкие, а иногда и более быстрые расчеты и проектирование.
После (предварительного) расчета в дополнительном модуле Rf-/STEEL EC3 для главной балки было выбрано поперечное сечение IPE220-S235JR, а для балки платформы сечение IPE180-S235JR. Для подвески по конструктивным причинам выбран профиль IPE160-S235JR. Усиление платформы далее не учитывается.
На рисунке 04 показано соединение с ребристой плитой и его наиболее важные размеры. Дальнейшие размеры будут указаны в процессе расчета. Внутренние силы соединения равны:
Перед тем, как будет выполнен подробный расчет и объяснены некоторые его шаги, необходимо упомянуть, что очевидным требованием является следующее: высота ребристой плиты должна быть меньше высоты стенки вторострепенной балки. Это должно помочь избежать контакта между присоединяемой балкой и опорными конструктивными элементами. С этой целью производится первая часть расчета, как будет показано ниже.
Возможное вращение в штифтовом соединении:
Это одна из тех схем, которые легко упускаются из виду на практике, но она гарантирует, что при расчете внутренних сил можно предположить наличие штифтового соединения. В данном расчете предполагается, что точка вращения находится в геометрическом центре тяжести расположения болтов. Затем рассчитывается угол, по которому происходит контакт между полкой балки и несущим конструктивным элементом (в данном случае - стенкой главной балки).
Контакт в общем возможен.
Соединение допускает возникающее вращение 0,45°, расчет выполнен.
Предотвращение преждевременного разрушения сварного шва:
Расчет сварных швов обычно должен выполняться в соответствии с разделом 4 нормы EN 1993-1-8 [1]. В случае относительно небольших нагрузок по сравнению с прочностью на сдвиг соединяемой балки, требуемые сварные швы могут иметь очень небольшую толщину. В этом случае сопротивление сварного шва часто меньше сопротивления других элементов. В результате возможное разрушение соединения характерно хрупким разрушением сварного шва. Соединение практически не обладает пластичностью.
Для сварного шва была выбрана толщина 4 мм. Таким образом, критерий выполнен.
Разрушение отдельных болтов при сдвиге:
Единственная трудность данного расчета - правильное разделение внутренних сил соединения по отдельным болтам. В целом, распределение сил описано в многочисленной литературе, поэтому мы не будем рассматривать его далее.
Пластическое разрушение группы болтов при сдвиге:
Условия данного расчета должны обеспечить возможность пластического перераспределения внутренних сил из фактического состояния в расчетное состояние. Данный критерий не должен быть решающим, это означает, что при данном расчете не должен быть достигнут максимальный коэффициент использования.
Разрушение от смятия болтового отверстия в ребристой плите:
Поскольку число плоскостей сдвига в соединении с ребристой плитой всегда равно 1, составляющие силы соответствуют значениям разрушения при сдвиге. Поэтому нет необходимости в еще одном расчете.
Разрушение от сдвига в сечении брутто ребристой плиты:
Разрушение от сдвига в сечении нетто ребристой плиты:
Прочность на сдвиг группы болтов в ребристой плите:
Расчет прочности на сдвиг группы болтов представляет собой стандартный расчет, выполняемый наряду с расчетом прочности на сдвиг и прочности при смятии отдельного болта, поэтому мы не будем описывать его более подробно. Более подробное представление расчетных формул можно найти в различных учебниках.
Разрушение ребристой плиты при изгибе:
Данный механизм разрушения во многих случаях не действует. Так как расчет ребристой плиты на сопротивление изгибу не требует больших усилий, в большинстве случаев расчет данного значения выполняется. Однако можно исключить, что этот механизм отказа может стать определяющим, если высота пластины оребрения превышает в 2,73 раза плечо рычага z. В этом случае прочность при изгибе всегда выше, чем прочность при сдвиге в сечении брутто ребристой плиты.
Потеря устойчивости при изгибе ребристой плиты:
Об этом расчете часто забывают в практике проектирования. При этом, в неблагоприятных геометрических условиях речь может идти о решающем расчете. Данный расчет основан на старой британской норме для стальных конструкций BS 5950-1 [3] от 2000 года. Более подробное описание содержится в данной норме и литературе с комментариями к норме.
Таким образом, сопротивление продольному изгибу (фактически сопротивление продольному изгибу при кручении) зависит от прочности пластины оребрения на изгиб при поперечном кручении, которая, в свою очередь, зависит от гибкости плиты. Значение прочности может быть взято из британского стандарта BS 5950-1 [3] в таблице 17, при этом необходимо отметить, что конструкционные стали с прочностью S235 не используются или редко используются в Соединенном Королевстве; поэтому для этой стали нет явных значений. Однако можно применить значения прочности стали S275 и предел текучести S235.
Таким образом, теоретически возможно выполнение расчета потери устойчивости при изгибе, который, однако, в данном случае не имеет смысла. Лучше полностью исключить данный тип разрушения ребристой плиты. Для этого необходимо выполнить следующее условие.
Разрушение при растяжении в сечении брутто ребристой плиты:
Данный расчет необходим, только если в соединении действуют нормальные силы. Несмотря на небольшое нагружение от нормальной силы, которое можно считать пренебрежимо малым, данный расчет выполняется для полноты вычислений.
Разрушение стенки балки при растяжении в сечении нетто:
Расчет балки на прочность в области выреза:
Данный расчет часто является определяющим, особенно когда вырезы необходимы с обеих сторон балки. В данном случае необходимо убедиться в том, что возникающие изгибающие моменты и сдвигающие силы безопасны при воздействии на область выреза балки.
Сдвигающей силой можно пренебречь в дальнейшем расчете. Теоретически может быть выполнен расчет по эквивалентным напряжениям, который, однако, не рассматривается в следующем тексте. Мы рассчитаем и проверим только нормальное напряжение от изгибающих моментов и нормальных сил.
Разрушение от смятия отверстия для болта в стенке балки:
Действующие силы соответствуют силам в плите. Однако сопротивление должно быть рассчитано заново из-за различной толщины пластин.
Разрушение от сдвига в сечении брутто стенки балки:
Разрушение от сдвига в сечении нетто стенки балки:
Прочность на сдвиг группы болтов в стенке балки:
Разрушение стенки балки при растяжении в сечении брутто:
Данный расчет необходим, только если в соединении действуют нормальные силы. Несмотря на небольшое нагружение от нормальной силы, которое можно считать пренебрежимо малым, данный расчет выполняется для полноты вычислений.
Разрушение стенки балки при растяжении в сечении нетто:
Разрушение стенки главной балки при изгибе:
Данный расчет необходим у односторонних и двухсторонних, но неравномерно нагруженных соединений с ребристой плитой, при соединении с ребром колонны. Данный расчет также должен быть выполнен, если ребристая плита приваривается только к стенке балки. Конечно, это не является общим правилом, так как ребристая плита на практике будет приварена по меньшей мере к одной полке главной балки. В нашем примере мы специально выбрали данную конфигурацию соединения, чтобы кратко представить этот расчет.
Из-за небольших нормальных сил, расчет бы не был выполнен на практике, так как выход из работы стенки главной балки можно исключить с самого начала.
На данном этапе расчет соединения успешно завершен. Все расчетные условия выполнены.
Здесь следует подчеркнуть, что расчет содержит только одно сочетание нагрузок. Теоретически, расчет должен выполняться индивидуально для всех возможных расчетных сочетаний, однако, в этом случае расчет бы был очень обширным. На практике часто применяются внутренние силы оболочки, что в худшем случае ведет к очень неэкономичным соединениям.
Влияние соединения на устойчивость конструктивного элемента
Наконец, упоминается самая большая проблема, которая возникает с соединениями пластин с ребрами, а также с другими типами штифтовых соединений: большое отклонение от бокового и торсионного защемления. Данное отклонение, в отличие от жестких соединений, часто не является пренебрежимо малым и, поэтому имеет важное значение в обеспечении безопасности.
Следующий текст не покажет один правильный метод проектирования для этой проблемы, а скорее, как инженер-проектировщик может решить эту проблему.
У стальных конструкций, довольно часто инженер, отвечающий за расчет балки, не выполняет расчет всех соединений конструкции. Он, как правило, рассчитывает основания колонн и основные соединения конструкции, а расчет вторичных соединений предоставит выполнить подрядчику. Инженеры и проектировщики данной компании знают, какие соединения лучше всего подходят в их технологии для производства и монтажа.
Большая сложность в данном процессе заключается в том, что проектировщик, отвечающий за расчет балки, едва ли задумывается о том, будут ли соединения вторичных балок выполнены в соответствии с его предположениями в расчете. Он/она может часто предполагать наличие бокового ограничения на кручение на конце балки для балок платформы, несущих риски потери устойчивости при боковом кручении, что иногда может быть проблемой для проектировщика соединений. Вопрос в том, что может сделать проектировщик при расчете балки для того, чтобы упростить работу в последующем проектировании соединения.
Старая немецкая норма для стальных конструкций DIN 18800-2 давала возможность рассчитать вырезы в балке в расчете на продольный изгиб с кручением путем присвоения балке с вырезом коэффициента n = 2,0 (в отличие от коэффициента балки без выреза n = 2,5). В текущем расчете по Еврокоду для потери устойчивости при поперечном кручении это соответствует классификации по более неблагоприятной кривой потери устойчивости при поперечном кручении (например, от кривой потери устойчивости от b до c). Такой учет выемки не предусмотрен в EN 1993-1-1 [2]. Такую переклассификацию кривой потери устойчивости для шарнирных второстепенных балок стальной конструкции следует выполнять всегда, так как это дает последующему проектировщику соединений возможность не обязательно создавать поперечные ограничения и ограничения на кручение. Другая возможность такой реклассификации кривой потери устойчивости заключается в ограничении отношения вторичных балок для потери устойчивости при поперечном кручении до определенного значения (например, 80%).
В расчете соединения проектировщик должен в любом случае выполнить проверку расчета второстепенных балок при более низкой жесткости соединения, что возможно только в том случае, если в первоначальном расчете оставлен определенный запас. Как будет выглядеть данный расчет решать инженеру-проектировщику. К сожалению, технические нормы в данном случае не помогут.
Расчет балки с учетом более низкой жесткости соединения может быть выполнен двумя способами: либо путем учета прямо в опоре с применением торсионной пружины, либо с помощью табличных значений и диаграмм для определения упругого критического момента выгибания.
Второй способ предпочтительнее, особенно если расчет методом эквивалентного стержня выполняется вручную. Так как целью данной статьи не является пояснение этого расчета, мы упомянем ссылки на полезную литературу. Настоятельно рекомендуются статьи [5] , [6] и [7]. К сожалению, соответствующий исследовательский отчет DASt [6] и [7] еще не опубликован, что может быть наиболее полезным источником на немецком языке относительно этой трудности.
Возможность рассмотреть подходящую пружину кручения, безусловно, является подходом к решению, если расчет должен выполняться с использованием общего метода в соответствии с разделом 6.3.4 стандарта EN 1993-1-1 [2] или с расчетом в соответствии с потерями устойчивости при кручении второго порядка. теория. Чтобы получить эти параметры пружины, возможен расчет методом КЭ (например, RFEM).