Жесткое и шарнирное примыкание стальной балки перекрытия к колонне преимущества и недостатки

Обновлено: 28.04.2024

Узлы металлических балок — это соединение нескольких металлических каркасов. Все основные стыковые создаются только в промышленности, то есть идут только в виде заводских вариантов. Благодаря этому удается заметно увеличивать всю длину изготавливаемой продукции. К тому же узлы могут оказаться различного типа, в том числе их делают с удобством для монтажа. Но они обычно изготавливаются в основной строительной площади.

При помощи них можно выполнить соединение отдельно стоящих компонентов, создавая одну единственную общую конструкцию. Кроме того, подобные соединительные части обходятся намного дороже, нежели заводские. Обуславливается все это в потребности дополнительных соединительных материалов, то есть монтажных болтов.

Узлы из металлических балок, колонн, ферм, а также рам

Все основные соединения между ними можно использовать и заводские, а также их выполняют при разработке самого изделия в промышленности. Благодаря этому удастся заметно увеличить общую длину всей продукции. Более того, подобные узлы из металлических балок могут быть изготовлены в монтажном варианте. Тогда производство будет осуществляться на самой площади строительных работ. При помощи них можно будет выполнить соединение отдельно стоящих компонентов, объединив их в одну целую конструкцию. Подобные соединительные работы будут стоить немного дороже общей стоимости заводских. В данном же случае требуются такие же монтажные болты, а делаются они по специальному заказу и только в соответствии с балками.

Таблица размерных характеристик колонных и широкополочных двутавров

Диапазон характеристик	Двутавровые балки
Диапазон характеристик	Широкополочные	Колонные
Высота стенки, мм	193-718	196-431
Ширина полки, мм	150-320	199-400
Толщина стенки, мм	6,0-23,0	6,5-23,0
Толщина полки, мм	9,0-36,5	10-33,5
Масса 1 м, кг	30,6-305,9	41,3-290,8
Количество метров в тонне	3,27-32,7	3,44-24,21

Сопряжения со специальными колоннами из стального материала

Опирающаяся конструкция из балок на колонны может быть сделана в виде шарнирного, а также жесткого крепления. Но все же, по возможности следует опирать балки поверх и подавать всю нагрузку только в центральной части профильного каркаса колонны.

Крепеж с боковой стороны

При крепеже с боковой стороны, кроме сжимающего нагружения во всем каркасе возникает основной момент, когда из-за действия данной силой появляется так называемый эксцентриситет, отчего каркас получает большую нагрузку, таким образом, приводит к излишнему расходу металлического каркаса колонны.

Для того чтобы эта нагрузка могла передаваться правильно и только через каждое ребро, тогда необходимо сделать так, чтобы ребра немного выступали от своего уровня, обычно это может составлять от 15 и до 20 миллиметров. Это же ребро же придется немного отстрогать, чтобы после общая нагрузка могла передаться на всю площадь ребра.

Процесс опирания двух балок с верхней части колонн

Таким же образом, как и в предыдущем необходимо:

опереть их через ребро и довести до головки колонн;
тут их нужно соединить, совместив между собой и закрепить болтами;
с верхней части лучше болты не закреплять, если при этом вам не потребуется сделать узел в жестком варианте;
между ними придется установить соответствующие пластины, чтобы потом лишний раз не пришлось стягивать их вместе.

Помимо этого можно опереть сразу две балки на один оголовок колонны с помощью следующей конструкции

В данной соединительной части главную роль играет балка, расположенная на нижней полкой на самом оголовке каждой колонны.

Чтобы передавать всю поперечную силу ее придется усилить ребром.
Ребро дальше крепим так, чтобы при процессе монтажных работ оно оказалось над самой полкой колонны.
Дальше их необходимо соединить болтами, а также с помощью специальных накладных пластинок (проследите, что вся нагрузка располагалась симметрично).
Здесь тоже не нужно соединять все балки с верхней части, чтобы не образовался узел.
Ребра же на колоннах в данном случае не потребуются.
Между ними лучше всего оставить небольшой проем, размером в 10 или 20 мм.

Шарнирные крепления на колонны с боковой части

При любом креплении с боковой стороны нужно рассчитать все колонны и создать так называемый эксцентриситет. При опирании при помощи шарнирного крепежа нагрузка будет передаваться только через опорное ребро и только на опорный стол. Небольшой столик обычно производят из прочного листового стального материала, но или используют не равнополочного угла. Высота столика может быть определено при условии прочной установки каждого сварного шва. Тут необходимо столик приварить с трех основных сторон. Общую ширину этого столика придется делать с учетом на 20 — 40 мм, немного больше размера балочного ребра.

Общий диаметр всех отверстий создаются на 3 или 4 мм больше диаметральных параметров каждого болта, но только, чтобы она не могла повиснуть на болтах, а наоборот успела прекрасно лечь на данный столик.

При использовании шарнирного опирание ребер в колонну каркаса не потребуется. Между данным ребром, служащим в качестве опоры, а также колонны монтируется металлическая прокладка, толщина, которой не должна превышать 5 мм.

Сопряжение с колоннами в жестком варианте (сварка)

Изготовить жесткую соединительную деталь можно будет только при помощи болтов, но или прибегнуть помощи сварки. Все же болтовой вариант соединения считается более технологичным. Так как в данном случае практически все детали разрабатываются, а также окрашиваются на производстве. При построении каркаса придется их просто установить, а болты потуже затянуть.

Между опорными ребрами, а также колонны придется установить несколько стальных прокладок, чтобы балки и колонны плотно прилегали друг к другу. То есть в данном случае зазора между ними не должно быть.

Максимальное количество необходимых болтов придется рассчитывать только согласно возникающему моменту.

Где применяют двутавровые балки

Двутавровые балки применяются в следующих отраслях:

в машиностроении и вагоностроении;
в подъемно-транспортном оборудовании горных разработок (для армирования шахтных стволов), заводов, мастерских, развлекательных аттракционов;
в жилищном и промышленном домостроении в качестве межэтажных балок и элементов силового каркаса;
в строительстве быстровозводимых сооружений и высотных зданий;
в строительстве мостов, путепроводов и гидротехнических комплексов.

Изделия выпускаются длиной не более 12 метров — ограничение, продиктованное возможностями транспортировки грузов. При использовании в конструкциях практически каждый элемент требует обрезки, удлинения или стыковки с другими в поперечных или иных осях. Поэтому правильные технологии соединений играют важную роль в обеспечении надежности и долговременной эксплуатации конструкций.

Замена швеллерами

На практике при возведении строительных конструкций для получения двутаврового сечения иногда используется сварка швеллеров между собой. Если швеллеры применяются взамен предусмотренных проектом двутавровых балок, такая замена должна согласовываться.
Согласование использования альтернативного материала отражается изменениями, вносимыми в соответствующие разделы рабочего проекта. Возможность замены определяется по результатам поверочных расчётов на прочность, выполняемых проектировщиками.

Способ применяемой сварки швеллеров между собой также определяется расчётом. Это может быть сварка непрерывным или прерывистым швом, либо с применением соединительных накладок.

При сварке швеллеров непрерывным швом, в результате температурных деформаций металла, может произойти скручивание профиля. Избежать этого явления можно, применяя специальные струбцины, а также, накладывая сварочные швы небольшими участками, чередуя при этом стороны соединяемых профилей.

При необходимости удлинить такую конструкцию, осуществляют сварку швеллеров встык. Места стыковых сварочных швов швеллеров, образующих двутавр не должны совпадать друг с другом. Для усиления конструкции сварной шов можно укрепить с помощью накладки.

Технология производства

В типовом варианте, двутавровая балка получают из трех листовых заготовок: стенки и двух полок, привариваемых к её торцам под прямым углом. Изготовление осуществляется на специализированных сборочных линиях, настроенных на выпуск балки определенного размера.

Заготовки перемещаются на специальных катках и предварительно закрепляются в нужном положении зажимными устройствами, оснащенными гидравлическим или пневматическим приводом.

На зафиксированном зажимным устройством участке собираемой балки делаются прихватки сваркой по поясному шву. После этого, балка перемещается по каткам, вновь закрепляется, и сваркой прихватывается следующий ее участок.

Поясной шов проваривается окончательно после того, как вся конструкция оказывается предварительно скреплённой сварными прихватками.

Сварка тавровых соединений стенки с полками осуществляется в автоматическом режиме под слоем флюса. Процесс автоматической сварки может выполняться разными приспособлениями. Это могут быть сварочные манипуляторы, горелки которых варят, перемещаясь по заданным траекториям посредством шарнирных соединений с несколькими степенями свободы.

Также могут применяться более простые устройства типа самоходных сварочных тракторов, гораздо больше подходящих для создания прямолинейных соединений.

Еще один класс устройств, способных автоматически сваривать поясные швы двутавровых балок, это консольные или портальные установки. В их состав, кроме собственно сварочного оборудования, входит аппаратура слежения и контроля качества сварного шва, а также устройства подачи флюса и последующей очистки шва от его остатков.

Такие установки осуществляют сварку под оптимальным углом, составляющим 45 °, чем обеспечивается наиболее благоприятное расположение сварочной ванны, и соответственно, высокое качество сварного шва.

Интенсивный нагрев заготовок в процессе сварки приводит к короблению полок. По этой причине процесс сборки двутавровых балок включает процедуру их выравнивания, осуществляемую на специальных машинах для исправления грибовидности.

На завершающей стадии изготовления производится фрезерная обработка торцов изделия.

Применение двутавра для изготовления центрально-сжатых колонн

Функциональное назначение таких колонн – передача нагрузок, действующих сверху, на основание строения, а через него – на почву. На эти конструктивные элементы оказывают давление продольные силы, приводящие к равномерному сжатию поперечного сечения.

Конструктивные составляющие центрально-сжатых колонн:

Оголовок. Предназначен для фиксации на нем расположенных выше конструкций.
Стержень. Главный несущий элемент.
База колонны из двутавра. Крепится к основанию анкерными болтами. Служит для распределения приложенного усилия по поверхности фундамента.

Колонны из двутавра по виду сечения стержня разделяют на – сквозные (решетчатые) и сплошные. По высоте сечение может быть постоянным по размеру или переменным. При расчете оптимальной конструкции колонны принимают во внимание:

величину прилагаемого усилия;
эксплуатационные условия;
возможности изготовления;
удобство примыкания элементов, обеспечивающих дополнительное поддержание конструкции.

О новой технологии частного домостроения

Сегодня производство сварных двутавровых балок запущено по всей стране, и востребовано даже в частном домостроении. А всему этому виной новые дизайнерские и архитектурные решения! Их современные объемные планировочные проекты требуют особого качества несущего каркаса и надежного перекрытия, которое будет наиболее эффективным при больших пролетах – от 7 метров.

Вы наверняка, замечали насколько загородные коттеджные дома и подобные им постройки по своему только внешнему виду отличается от исконно русской избушки. А вот теперь представьте, насколько отличается их архитектура и принципы строительства! Вот почему стальные двутавровые балки сегодня стали активно применяться для перекрытия пролетов от 4 до 18 м, а для их производства используется как углеродистая, так и низколегированная сталь, которая гарантирует нужные качества и прочность.

Для изготовления таких балок даже существует свой ГОСТ и необходимые сертификаты. Касательные напряжения у них принимаются сплошными стенками, а сжимающие и растягивающие напряжения равномерно распределяются по длине. Чтобы вам было более понятно, роль у такой вертикальной стенки по сути та же, что у зигзагообразной решетки в металлической ферме. Хотя на первый взгляд такие балки не выглядят слишком прочными или монолитными:

Дополнительные функции двутавра в частном домостроении

Сама перекрытие вовсе не обязательно должно состоять только из металлических двутавровых балок. Нередко их используют только в самых напряженных местах, а между металлическими частями устанавливают деревянные двутавры.

Почему так? Дело в том, что для сварки нужна высокая квалификация рабочих. Далее, в обычной литературе и интернет-сайтах нет того многообразия узлов и готовых схем конструкции для установки такого перекрытия, здесь действительно требуется грамотный инженер, и даже мы даем только рекомендации. Кроме того, металл обходится недешево. Да и качество сварки очень важно. Она должна работать долго, даже в условиях коррозии или перемены нагрузок.

Поэтому вот такой вариант не только имеет право на жизнь, но и достаточно практичен:

И, наконец, металлическая двутавровая балка нередко служит дополнительным функциональным элементов, который в любом хозяйстве имеет ценность:

Шарнирное или жесткое опирание балки на колонну??

Шарнирным при таких сечениях и размерах (и при соответственно подразумевающихся усилиях) трудно назвать.
Что-то ребер нет, и вообще как-то неказисто.
Сейчас полнарода сажет "однозначно шарнир", полнарода - наоборот.

Вам стоит проанализировать следующие стороны:
1. Соотношение размеров узла и геометрии всей конструкции.
2. Соотношение жесткостей балки и стойки - читаем строительную механику на тему образования пластического шарнира.
3. С логики инженера проаналировать что вам даст использование шарнира или жесткой связи, в каком случае вы получите наиболее невыгодной состояние как отдельного элемента, так и системы в целом.

жесткий, только вряд ли податливость будет за счет сдвига стенки, скорее за счет изгиба полки и фланцевой пластины

Всем спасибо за ответы. А может можно по другому решить узел опирания балки на колонну?? Через опорное ребро??

смещению верхней полки, вызванной сжатием от изгиба, препятствует только стенка (возник касат напряж). касат напряж вызыв деформацию сдвига. величина этих деформ и соотв податливость узла- это расчет нужен, или эксперимент

Правильно. Однако человек, проделавший мильон таких расчетов, на глаз может определить, кто поддастся в первую очередь.
Для возникновения пластических сдвигов (а упругие не в счет) в стенке (на глаз) не хватит величины деформаций (поворота)- их обеспечит изгиб полок-пластин. Скорее всего. Хрен его знает, вот так вот на глаз разве сразу определишь

- сам узел не разрушится не зависимо от его шарнирности. Осталость проверить саму конструкцию: для расчета колонн используйте жесткое сопряжение, для расчета балки - шарнирное

деформация сжатия от изгиба верхней полки- упругая, а в стенке от сдвига могут быть и пластические
наверное, но даже если она и не потечет- поворот-то будет, иначе зачем в жестком стыке крепить верхн полку.
вобще такие узлы решены для сопряж ригеля со стойкой рамы. ребра надо ставить

P.s
Ильнур: в стенке (на глаз) не хватит величины деформаций (поворота)
деформ поворота осущ за счет укорочения верхн полки от сжатия, а стенка вынуждена препятствовать
этому ввиду отсутствия накладки сверху

Сначала нарисовать - потом спросить, что получилось.
Это - весьма модная тенденция для современных инженеров-конструкторов.
Ответ:
Получилось - не рыба и не мясо.
В повара Вас не возьмут (это-уж точно).

Сначала нарисовать - потом спросить, что получилось.
Это - весьма модная тенденция для современных инженеров-конструкторов.

Уважаемый "Pashaashap" - действительно, если сами знаете, для DJ AntOn(а) скажите про нагрузки, про пролеты ( не бойтесь - мы об этом никому не расскажем, все останется между НАМИ).

Шарнирный или жесткий узел примыкания балки?

Жесткий.
Сварочные швы, как всегда. разложите момент и примите опорный уголок из расчета унификации по верхнему отрывающему усилию. и накладки от колонны.

Все зависит от усилий, которые действуют на балку. Если сварных швов только по балке не достаточно, то шарнирный, если с запасом, то жесткий, но не понятно наличие столика.

Так об этом же и речь. при не хватке длины швов любой узел из жесткого перерастает в шарнирный - аксиома.

Торцевые швы помогут только на вертикальные усилия, если есть осевые усилия по трубе, то это бесполезно.

При таком креплении трубы, явная нехватка сварного шва по длине. Если предположить, что усилия в сечении трубы предельные, то на колонну таким узлом передается в лучшем случае половина. За счет столика может вертикальная составляющая пертечет.

вы не поняли. Углы трубы нельзя трогать, даже если профиль холоднокатанный.
если эта труба является пространственной связью, тогда надо совершенно другое решение этого узла

Если предположить, что усилия в сечении трубы предельные, то на колонну таким узлом передается в лучшем случае половина.

Так или иначе узел не очень удачен.

Узел действительно неудачный! На эту трубу будет опираться витраж и сечение балки подобрано исходя из требований по деформациям (от с.веса витража балка должна прогнуться не более чем на 1/300 пролета и не более чем на 30мм.) В моем случае длина балки - 8м. и прогиб (точно не помню) - 24мм. По несущей способности балка используется на 30%. В общем, когда в скаде сделал узел жестким, получил опорный момент - 1.2т.с.*м. Опорная реакция от с.в. витража -0.9тс., опорная реакция от ветра - 0.3 тс. Еще витраж крепится с эксцентриситетом, и крутящий момент на опоре - 0.9тс. Силы не большие, поэтому и запроектировал такой узел. А сейчас терзают сомнения! Хочу поменять его на такой - см.вложения.

я бы вварил опорную площадку между полками двутавра, а не снаружи - это придаст доп. жесткость сечения. Узел делайте шарнирным - жестким при таких сечениях будет нецелесообразно, тем паче что использование профиля на 30% (непонятно зачем такой огромный запас). Можете трубу опереть на опорный столик между полками двутавра, а сверху уголком приварить конструктивно - вот и будет у Вас шарнирный узел.

Разница перемещений в 6мм вышла из-за изменения опирания узла?

В общем мне видится узел следующим - между полками двутавра привариваете уголок, чтобы плоскость опирания находилась в горизонте, а вторая его сторона уходила вних и была снаружи от стенки двутавра. Получите довольно надежное опирание по вертикальной силе и шарнирный узел. Если есть опасения, то можно использовать неравнополочный уголок с вариациями по сторонам. И трубу я бы поставил в серединку.

Опорные узлы балки

Опирание балки на стальную колонну может быть шарнирным или жестким.

При возможности лучше всего опирать балку сверху и передавать нагрузку по центру профиля колонны. При боковом креплении балки, помимо сжимающей нагрузки в колонне дополнительно возникает момент от действия этой силы из-за того, что появляется эксцентриситет и соответственно это приводит к увеличению нагрузок и перерасходу металла в колонне.

Опирание балки на колонну сверху.

При опирании балки на колонну сверху рекомендуется передавать нагрузку через ребро. Размеры ребра рассчитываются из расчета на смятие по формуле:

где F — опорная реакция балки;

Ар — площадь смятия опорного ребра;

Rр — расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности.

Чтобы вся нагрузка передавалась через ребро оно должно не много выступать, но не более 1,5 толщины ребра, обычно это 15-20 мм. Ребро необходимо снизу сострогать, чтобы нагрузка передавалась всей площадью ребра.

Т.к. узел шарнирный для фиксации балки достаточно 2-х болтов с одной стороны. Диаметр болтов принимается 16-20 мм. С затяжкой лучше не переусердствовать — это не фрикционное соединение 🙂

Если имеется угол кровли, ребро нужно сострогать под необходимым углом и добавить шайбы, имеющие скос для болта.

Опирание 2-х балок на колонну сверху.

Аналогично предыдущему варианту опираем балки через ребро на оголовок колонны.

Балки соединяем между собой с помощью болтов. Сверху болты устанавливать не стоит если конечно вы не хотите создать жесткий узел. Между 2-мя ребрами устанавливаем пластинки для того, чтобы не стянуть балки вместе (это может нагрузить колонну моментом на противоположном конце балки).

Также есть вариант опереть 2-е балки на оголовок колонны следующим способом

В этом варианте балка нижней полкой ложиться на оголовок колонны.

Для передачи поперечной силы балка усиливается ребром, ребро устанавливаем так, чтобы при монтаже оно оказалось прямо над полкой колонны. Балки соединяем болтами при помощи накладной пластины (для симметричной передачи нагрузки лучше использовать 2-е пластины с 2-х сторон). Как и в предыдущем варианте нет необходимости соединять балки болтами сверху, чтобы не создать жесткий узел.

Ребра на колонне, в этом случае, не нужны.

Между 2-мя балками оставляем не большой зазор около 10-20 мм.

Шарнирное опирание балки на колонну сбоку

При боковом креплении необходимо в расчетах колонны учитывать эксцентриситет.

При шарнирном опирании нагрузка передается через опорное ребро на опорный столик. Столик обычно делают из листовой стали или неравнополочного уголка. Высоту опорного столика определяют из условия прочности сварных швов. Целесообразно приварить столик по 3-ем сторонам. Ширину столика делают на 20-40 мм больше ребра балки, чтобы опорное ребро полностью легло на опорный столик.

Диаметр отверстий делают на 3-4 мм больше диаметра болтов чтобы балка не повисла на болтах, а полностью легла на столик.

Опорное ребро балки рассчитывается на смятие по той же формуле, что и для балки опертой сверху.

При шарнирном опирании ребра в колонне не требуются. Между опорным ребром и колонной монтируется прокладка толщиной примерно 5 мм.

Жесткое сопряжение балки с колонной при помощи болтового соединения

Создать жесткое соединение можно с помощью болтового соединения или сварки. Болтовое соединение более технологично — все детали изготавливаются и окрашиваются на заводе, на строительной площадке необходимо лишь установить и затянуть болты.

В данном узле поперечная сила воспринимается также как и в шарнирном узле с помощью опорного столика. Момент передается с помощью болтов на стенки колонны. Между опорным ребром балки и колонной необходимо установить стальные прокладки для плотного прилегания балки и колонны (зазора после затяжки быть не должно).

Количество и диаметры болтов для верхнего пояса необходимо рассчитать исходя из возникающего момента в заделке балки. Болты применяются только высокопрочные. Необходимо контролировать затяжку болтов.

Стенки колонны укрепляются ребрами жесткости.

Жесткое сопряжение балки с колонной при помощи сварного соединения

При жестком соединении балки с колонной при помощи сварки, используют накладки, которые крепятся к балке болтами и привариваются к балке и колонне.

Как найти опорные реакции читайте в статье Построение эпюр балки

Как подобрать сечение стальной балки читайте в статье Расчет балки

Читайте также: