Проектирование стальных соединений

1. Об этой статье

В этой статье описано проектирование соединений в модуле тяжёлой стали StatiCAD: соединения концов раскосов, концов балок (шарнирные и передающие момент), база колонны и лист деталей соединений. По порядку приводится, где задаётся каждый тип соединения, какие величины вводятся, какие проверки выполняет программа и с какими допущениями она работает. Пошаговый пример см. в статье Пример расчёта: стальной каркас с центральными раскосами.

к сведению

Версия: проектирование соединений доступно в версиях, где включены функции тяжёлой стали (Ultimate и Hybrid); в других версиях расчёт соединений не выполняется. В демонстрационной версии выдаются расчётные строки и чертёж детали только для первых 3 соединений (концы балок / раскосов и базы колонн вместе). Статья написана для версии V.10.1.2.0.

Таблица 1 – Типы соединений

Код	Соединение	Где применяется	Основание
CB1	Раскос из коробчатого сечения / трубы с прорезью, приваренный к гусету	Конец раскоса	ÇYTHYE 13; TBDY 9.6.6 / 9.7.5
CB2	Раскос из уголка / швеллера, прикреплённый к гусету болтами	Конец раскоса	ÇYTHYE 13
CB3	Раскос I / H, прикреплённый болтами через четыре уголка к полкам	Конец раскоса	ÇYTHYE 13
KB1	С одной срезной пластиной	Шарнирный конец балки	ÇYTHYE 13
KB2	С двойным уголком, на болтах	Шарнирный конец балки	ÇYTHYE 13
KB3	С торцевой пластиной (частичной высоты)	Шарнирный конец балки	ÇYTHYE 13
KM1	С удлинённой торцевой пластиной, на болтах	Конец балки, передающий момент	TBDY Приложение 9B.2
KM2	С болтовыми пластинами поясов	Конец балки, передающий момент	TBDY Приложение 9B.3
KM3	Со стыковым швом с полным проваром	Конец балки, передающий момент	TBDY Приложение 9B.4
KA1	Опорная плита и анкерные стержни	База колонны	ÇYTHYE 13.7 / 13.8

2. Общие принципы

2.1 Где задаётся соединение

У каждого семейства соединений есть значение проекта по умолчанию, которое при желании можно индивидуализировать для одного элемента.

• Значения проекта по умолчанию: рядом с полем Проектирование стальных соединений (ÇYTHYE 13) на вкладке Общие настройки проекта > Выбор норматива находятся две кнопки. «Узел раскоса…» открывает значение по умолчанию для концов раскосов. Кнопка «Балка / база колонны ▾» открывает меню: Конец балки – шарнирный (KB1 – KB3), Конец балки – передающий момент (KM1 – KM3) и База колонны (KA1).
• Для элемента: кнопка «Концевой узел…» в свойствах балки отдельно редактирует левый и правый концы этой балки (или раскоса): «использовать значение проекта», «особый для этого конца» или «без узла». Для базы колонны колонна выбирается из списка Область в окне базы колонны.

Какое значение по умолчанию применяется к концу балки, определяет программа: к балкам с шарнирным концом применяется значение для шарнирных концов балок, к балкам с концом, передающим момент (без шарнира) и присоединённым на том же этаже к стальной колонне — значение для момента.

2.2 Неопределённое и недостаточное соединение

• Неопределённое соединение на элемент не влияет. Если значение по умолчанию оставлено «неопределённым», это семейство не проверяется; результат элемента не меняется.
• Недостаточное соединение делает элемент «Недостаточным». В списке предупреждений в конце анализа элементы с недостаточными соединениями перечисляются с их наибольшими отношениями.
• Случаи вне области применения (тип не подходит сечению, тип для момента назначен шарнирному концу, балка присоединена к стенке колонны и т. п.) сообщаются отдельной информационной строкой; результат элемента не затрагивается.

2.3 Допустимое отношение

Значение «Отношение ≤» в том же окне (по умолчанию 0,90) — наибольшее допустимое отношение воздействия к несущей способности во всех проверках соединений; оно оставляет запас, чтобы соединение не исчерпалось раньше элемента. Условия геометрии (наименьшее расстояние до края, шаг, толщина шва, пределы таблиц) от отношения не зависят: если они не выполняются, соединение считается недостаточным, и в предупреждении появляется примечание «геометрия».

2.4 Компоновка окна

Все окна соединений имеют одинаковую компоновку: слева исходные данные, справа вверху схема в масштабе, под ней таблица проверки (предельное состояние, воздействие, несущая способность, отношение). При изменении значения таблица и схема сразу обновляются; воздействия берутся из последнего анализа. Если анализ не выполнялся, показываются только геометрия и несущие способности. В окнах значения проекта по умолчанию нижняя строка даёт сводку по всем элементам, использующим значение по умолчанию (сколько недостаточных, наибольшее отношение).

3. Соединения концов раскосов (CB1 – CB3)

Проверяются крепление раскоса к гусету и крепление листа к балке / колонне. CB1 — соединение, в котором раскос из коробчатого сечения или трубы с прорезью приварен к гусету четырьмя продольными угловыми швами; CB2 — раскос из одиночного уголка или швеллера, прикреплённый к листу болтами, CB3 — раскос I / H, прикреплённый к листу болтами через четыре соединительных уголка от двух полок. Воздействие при отметке «По полной несущей способности раскоса» — вероятная несущая способность раскоса (TBDY 9.6.6); при снятии отметки используются усилия D·E. Подробности и ручную проверку см. в разделе 7.8 примера расчёта.

4. Шарнирные соединения концов балок (KB1 – KB3)

Это соединения на сдвиг стальных балок с шарнирным концом (балка – колонна или балка – балка). Воздействие — поперечная сила из огибающей сочетаний нагрузок и (в балках пролёта с раскосами) осевая сила.

4.1 KB1 – с одной срезной пластиной

Рисунок 1 – KB1: конец балки с одной срезной пластиной

Пластина крепится к опоре (полке / стенке колонны или стенке главной балки) двусторонним угловым швом, к стенке балки — одним вертикальным рядом болтов.

Исходные данные: толщина и материал пластины; диаметр и класс болтов; число болтов; шаг s; расстояние до торца e₁ и до края e₂; толщина шва a_w; в соединении балка – балка глубина и длина выреза верхней полки.

Проверки: группа болтов (с эксцентриситетом между линией шва и осью болтов, крайний болт), смятие у отверстий в стенке балки и в пластине, текучесть пластины при сдвиге, разрыв при сдвиге, срез блока и изгиб в пластине, шов пластина – опора; при наличии выреза — сдвиг стенки с вырезом, срез блока и изгиб в сечении выреза.

4.2 KB2 – с двойным уголком

Рисунок 2 – KB2: конец балки с двойным уголком (пример с вырезом)

Два равнополочных уголка крепятся к стенке балки n болтами (двойной срез), к опоре — 2×n болтами; сварки нет. Второе поле в строке «Шаг s / полка b» — длина полки уголка; поле толщины — толщина уголка.

Помимо проверок KB1, выполняются проверки болтов опоры (совместное действие сдвига и растяжения) и, при наличии осевой силы, изгиба полки уголка. В болтах стенки учитывается эксцентриситет (ось болтов – грань опоры); это допущение в запас.

4.3 KB3 – с торцевой пластиной

Рисунок 3 – KB3: конец балки с торцевой пластиной

Пластина частичной высоты крепится к стенке балки двусторонним угловым швом, к опоре — двумя вертикальными рядами болтов (горизонтальный шаг g). Ширина пластины принимается g + 2·e₂. Помимо проверок болтов опоры и изгиба пластины, как в KB2, проверяется сдвиг стенки балки вдоль шва.

4.4 Подобрать автоматически

Кнопка «Подобрать автоматически», сохраняя выбранный тип, ищет соединение с наименьшим числом болтов и самой тонкой пластиной, подходящее для всех концов балок, использующих значение по умолчанию (диаметр болта, число, шаг, размер пластины / уголка, толщина шва). Результат записывается в поля и может быть изменён вручную.

осторожно

Внимание: в шарнирных соединениях концов балок сторона опоры (стенка колонны, стенка главной балки) отдельно не проверяется. Верхний предел толщины по поворотной податливости торцевой пластины не проверяется.

5. Соединения концов балок, передающие момент (KM1 – KM3)

Это детали соединений балка – колонна в каркасах, передающих момент, приведённые в Приложении 9B TBDY 2018. Проверяются только концы, где балка I / H присоединена к полке колонны I / H (в направлении сильной оси колонны).

5.1 Воздействие

Соединение проектируется на вероятный пластический момент балки (9B.1.4):

• M_pr = C_pr·R_y·F_y·W_p; C_pr = (F_y + F_u) / 2F_y ≤ 1,2, для сварного соединения (KM3) 1,4.
• Расстояние пластического шарнира до грани колонны ℓ_h берётся по типу из таблиц Приложения 9B.
• V_uc = (число шарниров)·M_pr / (пролёт между шарнирами) + поперечная сила от вертикальных нагрузок; у грани колонны M_uc = M_pr + V_uc·ℓ_h.
• Коэффициенты несущей способности: 1,00 для пластичных предельных состояний, 0,90 для непластичных (9B.1.4).

5.2 KM1 – с удлинённой торцевой пластиной

Рисунок 4 – KM1: момент-передающее соединение с удлинённой торцевой пластиной (окно значения проекта)

На каждой полке по четыре болта (два снаружи полки, два внутри). Если «Ребро жёсткости t_s» больше нуля, проверяется соединение с рёбрами жёсткости, если ноль — без рёбер.

Исходные данные: толщина, ширина (0: автоматически) и материал торцевой пластины; диаметр и класс болтов; p_fo и p_fi (от наружной / внутренней грани полки до ряда болтов); расстояние до торца d_e; горизонтальный шаг болтов g; шов стенка – торцевая пластина a_w (0: полный провар); толщина рёбер жёсткости колонны t_sl (0: нет).

Проверки: растяжение болтов, изгиб торцевой пластины (линии текучести), сдвиг в выступающей части при соединении без рёбер жёсткости, срез и смятие у отверстий в болтах сжатой полки, шов стенки, изгиб полки колонны; при отсутствии рёбер жёсткости (continuity plate) — местная текучесть, потеря устойчивости и смятие стенки колонны; при их наличии — усилие, воспринимаемое рёбрами.

5.3 KM2 – с болтовыми пластинами поясов

Рисунок 5 – KM2: момент-передающее соединение с болтовыми пластинами поясов (особое для элемента)

Пластины поясов крепятся к полке колонны стыковым швом с полным проваром, к полке балки — двумя рядами болтов; на стенке имеется срезная пластина с одним рядом болтов.

Исходные данные: толщина и ширина пластины пояса (0: полка балки); число болтов пояса в ряду и число болтов стенки; шаг s и горизонтальный шаг g; расстояние до торца e₁ и от грани колонны до первого болта s₁; толщина пластины стенки; шов пластина стенки – колонна a_w; t_sl.

Проверки: болты пояса (срез + смятие), текучесть при растяжении, разрыв, срез блока и сжатие в пластине пояса, срез блока в полке балки, срезная пластина стенки; кроме того, условие наибольшего диаметра болта по Ур. (9B.3).

5.4 KM3 – со стыковым швом с полным проваром

Рисунок 6 – KM3: момент-передающее соединение со стыковым швом с полным проваром

Полки и стенка балки присоединяются к полке колонны стыковым швом с полным проваром. Толщина срезной пластины стенки не может быть меньше толщины стенки балки (9B.4.7a); прочность шва пластина – колонна проверяется по условию 9B.4.7(b) (a_w = 0: полный провар, не проверяется); проверяется сдвиг стенки балки между технологическими вырезами для сварки.

5.5 Пределы применения и рёбра жёсткости

Проверяются пределы применения по Таблицам 9B.1 – 9B.3 Приложения 9B (толщина и ширина пластины, шаги болтов, высота балки и толщина полки, высота колонны, отношение пролёта к высоте, класс болтов); величина, оказавшаяся вне предела, показывается в строке «Геометрия» с примечанием «вне пределов таблицы», и соединение считается недостаточным. Если TBDY 9.3.4.3 требует рёбер жёсткости, а t_sl не задано, соединение также считается недостаточным.

осторожно

Область применения: если балка присоединена к стенке колонны (слабая ось), конец сообщается как «вне области применения». В коробчатой колонне KM2 и KM3 проверяются без проверки стороны колонны; KM1 вне области применения. Торцевой пластины с восемью болтами и соединения с ослабленным сечением балки (9B.5) нет. Зона сдвига в соединении не проверяется; она приводится в строке TBDY 9.3.4.2 отчёта по колонне.

5.6 Подобрать автоматически

Кнопка «Подобрать автоматически», сохраняя выбранный тип, ищет самое лёгкое соединение, подходящее для всех концов, передающих момент и использующих запись. Порядок поиска: толщина рёбер жёсткости → (KM1) ребро жёсткости → диаметр болта → (KM2) число болтов → толщина пластины → шаг болтов g → срезная пластина стенки и шов. В KM3 ищутся только срезная пластина, шов и рёбра жёсткости. Результат записывается в поля и может быть изменён вручную.

осторожно

Если решение не найдено: поиск меняет только размеры соединения; сечения балки и колонны он не затрагивает. Если полка колонны тонкая или узкая (например, присоединение балки IPE 400 к колонне HEB 300 через KM1), не проходит ни одно сочетание пластины / болтов; окно показывает примечание «решение не найдено», и поля не меняются. В этом случае нужно увеличить сечение колонны или изменить тип соединения (KM3 изгиб полки колонны не проверяет). В KM2 Ур. (9B.3) ограничивает диаметр болта по ширине полки балки; в балках с узкими полками (например, в S275 IPE 400 не более M16) болтов пояса и срезной пластины стенки с одним рядом болтов часто не хватает, и подбор решения не находит.

6. База колонны (KA1)

Рисунок 7 – Окно базы колонны: значение проекта по умолчанию

Проверяются опорная плита и анкерные стержни стальных колонн I / H, коробчатого и трубчатого сечения на фундаментном этаже. Окно открывается по пути Общие настройки проекта > Балка / база колонны ▾ > База колонны (KA1).

6.1 Область и исходные данные

Если в списке Область выбрано «Значение проекта по умолчанию», введённые значения применяются ко всем колоннам без индивидуальных настроек; «Колонна для просмотра» определяет, по усилиям какой колонны рассчитываются таблица и схема. При выборе колонны из списка в соседнем поле выбирается для этой колонны «использовать значение проекта», «особое для этой колонны» или «нет базы колонны».

Таблица 2 – Исходные данные базы колонны

Параметр	Пояснение
Толщина tp	Толщина опорной плиты
Длина Lp / ширина Bp	Lp — в направлении сильной оси колонны. 0: автоматически (размер колонны + 4·ea)
fck, A2/A1	Прочность бетона фундамента и отношение площади бетонной поверхности к площади плиты (повышает прочность на смятие; учитывается не более 4)
Диаметр / класс, анкеров на сторону	Анкеры расположены по углам; число на сторону одинаково в двух направлениях
Анкеры, воспринимающие сдвиг	Число анкеров, считающихся воспринимающими сдвиг (0: все). В плите с большими отверстиями все анкеры могут не работать одновременно
Расстояние до края ea	Расстояние от оси анкера до края плиты
Коэффициент трения μ	Сдвиг, воспринимаемый трением по основанию в сжатой колонне (0: не учитывается; раствор 0,55, бетон 0,70)
Угловой шов aw	Шов колонна – плита (0: полный провар, не проверяется)
Длина заделки hef	Длина анкера в бетоне. 0: сторона бетона не проверяется
Конец анкера	Прямой, с крюком или с пластиной / гайкой
Концевая пластина bh	Сторона квадратной концевой пластины в анкере с пластиной
Край фундамента ck	Расстояние от оси анкера до ближайшего края фундамента (0: не ограничено). Ограничивает периметр конуса

Рисунок 8 – Окно базы колонны: запись, особая для колонны

6.2 Проверки и метод

Воздействие — одновременные осевая сила, моменты и поперечная сила каждого сочетания нагрузок на нижнем конце колонны. Каждое сочетание проверяется отдельно по сильной и слабой оси колонны; показывается самый неблагоприятный результат (в таблице указаны определяющее сочетание и ось).

• Смятие бетона (ÇYTHYE 13.7): 0,85·f_ck·A₁·√(A₂/A₁), φ = 0,65.
• Изгиб опорной плиты: на сжатой стороне — консоль плиты, выступающая за колонну; на растянутой — участок между анкером и полкой колонны.
• Растяжение и сдвиг анкеров (ÇYTHYE 13.8 → 13.3.9, совместное действие). При малом эксцентриситете растяжения в анкерах нет; оно возникает при большом моменте или когда колонна растянута.
• Шов колонна – плита.
• Геометрия: наименьшее расстояние до края, шаг анкеров, расположение анкера вне сечения колонны, наименьшая толщина шва.

6.3 Сторона бетона анкера (TS 500)

При введённой длине заделки h_ef проверяется и несущая способность анкера в бетоне. Расчётные прочности принимаются f_ctd = 0,35·√f_ck / 1,5 и f_yd = F_yb / 1,15.

• Анкеровка (прямой и с крюком; TS 500 пункт 9.1.2): l_b = 0,12·(f_yd / f_ctd)·φ ≥ 20φ; при φ > 32 мм увеличивается на 100 / (132 − φ). Анкер с прямым концом рассматривается как стержень периодического профиля (с резьбой по длине), анкер с крюком — как гладкий стержень; при крюке l_b увеличивается в 1,5 раза. Необходимая длина уменьшается пропорционально отношению усилия растяжения в анкере к усилию текучести (не менее l_b / 2 и 20φ). Отношение = необходимая длина / h_ef.
• Конус бетона (анкер с пластиной; аналогия с продавливанием по TS 500 пункт 8.3.1): суммарное растяжение группы анкеров на растянутой стороне сравнивается с несущей способностью V_pr = f_ctd·u_p·h_ef по периметру u_p на расстоянии h_ef / 2 от концевых пластин. Край фундамента c_k ограничивает периметр.
• Смятие концевой пластины (анкер с пластиной; ÇYTHYE 13.7): смятие бетона по площади нетто пластины.

осторожно

Адаптация: в TS 500 отдельного пункта для анкерного стержня нет. Проверки здесь — адаптация правил анкеровки арматуры и продавливания к анкеру; так это и указано в строке отчёта. Скол кромки группы анкеров при сдвиге, раскалывание боковой грани и передача усилия на арматуру фундамента не проверяются; для анкеров вблизи края или с большим растяжением их нужно оценить отдельно.

6.4 Подобрать автоматически

«Подобрать автоматически» ищет решение, подходящее для всех колонн, использующих запись: число анкеров на сторону → диаметр анкера → толщина плиты → расстояние до края → шов → (если задано h_ef) наименьшая достаточная длина заделки. Длина / ширина плиты остаются автоматическими (0). Результат записывается в поля и может быть изменён вручную.

осторожно

Что не проверяется: шпонка на сдвиг, взаимодействие при двухосном изгибе и базы колонн вне фундаментного этажа в область не входят. Если имя колонны изменено, запись базы, особая для этой колонны, не сопоставляется, и колонна возвращается к значению проекта по умолчанию.

7. Расчётный отчёт

Результаты расчёта соединений добавляются в отчёты по стальным элементам: на страницах балок и раскосов для каждого конца — строка соединения (тип, размеры, воздействие, отношения всех предельных состояний, состояние геометрии, ПОДХОДИТ / X), на странице колонны — строка базы колонны. Для элементов с одинаковыми концами записывается одна строка. Отношения, превышающие предел, показываются красным.

8. Лист деталей соединений

Рисунок 9 – Лист деталей: детали концов раскосов и шарнирных концов балок

Команда «Начертить лист деталей стальных соединений» в контекстном меню на экране модели (при выбранном элементе или по пустому месту) открывает на экране чертежа новый чертёж и вычерчивает детали всех соединений, проверенных в последнем анализе. Концы с одинаковыми размерами собираются в одну деталь; под каждой деталью указаны элементы, к которым она применяется. В детали есть элемент, пластина / уголок, схема болтов, швы, размеры и столбец пояснений. База колонны вычерчивается в плане и сбоку.

Рисунок 10 – Лист деталей: концы балок, передающие момент, и базы колонн

к сведению

Правила чертежа: детали вычерчиваются в масштабе. Концы раскосов (CB1, CB2), присоединяемые к углу колонна – балка, вычерчиваются с реальной геометрией угла: грань колонны и балки, угол раскоса θ, многоугольник гусета и длины кромок на двух гранях L_b / L_k. Узлы с разным углом или длинами кромок становятся отдельными деталями. У швов есть символ сварки: у углового шва треугольник и размер a, у стыкового шва с полным проваром знак V. Швы вычерчиваются фиолетовой двойной линией, болты — красным; для них создаются слои CelikBulon и CelikKaynak. Лист не вычерчивается, если анализ не выполнялся или нет проверенных соединений.

9. Допущения и известные ограничения

• TBDY Приложение 9B для моментных соединений даёт только область применения, коэффициенты несущей способности, вероятный пластический момент, положение пластического шарнира и пределы применения; зависимости предельных состояний взяты из шагов ANSI/AISC 358, на которых основано Приложение 9B.
• Для базы колонны ÇYTHYE даёт только смятие бетона и проверку анкера на растяжение + сдвиг; расчёт опорной плиты выполняется по методу прямоугольного блока напряжений Design Guide 1 AISC.
• Сторона бетона анкера проверяется по адаптации правил TS 500 и только при введённой длине заделки (Раздел 6.3).
• В шарнирном конце балки сторона опоры не проверяется (Раздел 4.4).
• Символы сварки на листе деталей упрощены (различия между монтажной / заводской сваркой и знака сварки по периметру нет); в деталях CB3 и концов балок опора условная.
• Результаты соединений относятся к последнему анализу; при изменении соединения или модели анализ нужно выполнить заново.

осторожно

Ответственность: соответствие деталей соединений условиям изготовления и монтажа, качество сварки и местные правила производства работ должен дополнительно оценить ответственный инженер проекта.