Проєктування сталевих з’єднань

1. Про цю статтю

Ця стаття описує проєктування з’єднань у модулі важких сталевих конструкцій StatiCAD: з’єднання кінців в’язей, з’єднання кінців балок (шарнірні та моментні), базу колони та креслення деталей з’єднань. По черзі наведено, де задається кожен тип з’єднання, які величини вводяться, які перевірки виконує програма та з якими припущеннями вона працює. Покроковий приклад – у статті Приклад розв’язання: сталева рама з центральними в’язями.

інформація

Версія: Проєктування з’єднань доступне у версіях, де ввімкнено можливості важких сталевих конструкцій (Ultimate і Hybrid); в інших версіях розрахунок з’єднань не виконується. У демо-версії розрахункові рядки та креслення деталей дано лише для перших 3 з’єднань (кінці балок / в’язей і бази колон разом). Статтю написано для версії V.10.1.2.0.

Таблиця 1 – Типи з’єднань

Код	З’єднання	Де застосовується	Підстава
CB1	В’язь із коробчастого / трубчастого профілю з проріззю, приварена до фасонки	Кінець в’язі	ÇYTHYE 13; TBDY 9.6.6 / 9.7.5
CB2	В’язь із кутика / U-профілю, прикріплена до фасонки болтами	Кінець в’язі	ÇYTHYE 13
CB3	I / H в’язь, болтами через чотири з’єднувальні кутики за полички	Кінець в’язі	ÇYTHYE 13
KB1	З одинарною зсувною пластиною	Шарнірний кінець балки	ÇYTHYE 13
KB2	З подвійними кутиками, на болтах	Шарнірний кінець балки	ÇYTHYE 13
KB3	З торцевою пластиною (неповної висоти)	Шарнірний кінець балки	ÇYTHYE 13
KM1	З подовженою торцевою пластиною, на болтах	Моментний кінець балки	TBDY Додаток 9B.2
KM2	З болтовою пластиною полиці	Моментний кінець балки	TBDY Додаток 9B.3
KM3	Зі стиковим швом із повним проваром	Моментний кінець балки	TBDY Додаток 9B.4
KA1	Опорна плита та анкерні стрижні	База колони	ÇYTHYE 13.7 / 13.8

2. Загальні принципи

2.1 Де задається з’єднання

Кожна родина з’єднань має типове для проєкту значення, яке за потреби можна налаштувати для одного елемента.

• Типові значення проєкту: на вкладці Proje Genel Ayarları > Yönetmelik Seçimi біля поля Çelik Birleşim Tasarımı (ÇYTHYE 13) розташовано дві кнопки. «Çapraz birleşimi…» відкриває типове значення для кінців в’язей. Кнопка «Kiriş / kolon ayağı ▾» відкриває меню: Kiriş ucu – mafsallı (KB1 – KB3), Kiriş ucu – moment aktaran (KM1 – KM3) і Kolon ayağı (KA1).
• Для окремого елемента: кнопка «Uç birleşimi…» у властивостях балки налаштовує лівий і правий кінці цієї балки (або в’язі) окремо: «використати типове для проєкту», «особливе для цього кінця» або «без з’єднання». Для бази колони колона вибирається зі списку Kapsam вікна бази колони.

Яке типове значення застосувати до кінця балки, визначає програма: до балок із шарнірним кінцем застосовується типове значення шарнірного кінця балки, до балок із моментним (нешарнірним) кінцем, що з’єднуються зі сталевою колоною на тому самому поверсі, – типове значення моментного.

2.2 Невизначене та недостатнє з’єднання

• Невизначене з’єднання на елемент не впливає. Якщо типове значення залишено «не визначено», ця родина не перевіряється; результат елемента не змінюється.
• Недостатнє з’єднання робить елемент «Недостатнім». Наприкінці аналізу в списку попереджень елементи з недостатніми з’єднаннями наводяться з найбільшими відношеннями.
• Випадки поза межами (тип не відповідає перерізу, моментний тип призначено шарнірному кінцю, балка з’єднується зі стінкою колони) повідомляються окремим інформаційним рядком; результат елемента не змінюється.

2.3 Допустиме відношення

Значення «Oran ≤» (типово 0,90) у тому самому вікні – найбільше допустиме відношення впливу до несучої здатності в усіх перевірках з’єднань; воно залишає запас, щоб з’єднання не вичерпалося раніше за елемент. Геометричні умови (найменша відстань до краю, крок, товщина шва, межі таблиць) від відношення не залежать: якщо вони не виконуються, з’єднання вважається недостатнім, і в попередженні з’являється примітка «геометрія».

2.4 Розташування вікна

Усі вікна з’єднань мають однакове розташування: ліворуч вхідні дані, праворуч угорі схема в масштабі, під нею таблиця перевірок (граничний стан, вплив, несуча здатність, відношення). Після зміни значення таблиця та схема негайно оновлюються; впливи беруться з останнього аналізу. Якщо аналізу не було, показуються лише геометрія та несучі здатності. У вікнах типових значень проєкту нижній рядок підсумовує всі елементи, що використовують типове значення (скільки з них недостатні, найбільше відношення).

3. З’єднання кінців в’язей (CB1 – CB3)

Перевіряється з’єднання в’язі з фасонкою та фасонки з балкою / колоною. CB1 – з’єднання, у якому коробчаста або трубчаста в’язь із проріззю приварена до фасонки чотирма поздовжніми кутовими швами; CB2 – з’єднання, у якому в’язь з одного кутика або U-профілю кріпиться до фасонки болтами; CB3 – з’єднання, у якому I / H в’язь кріпиться до фасонки болтами через чотири з’єднувальні кутики за обидві полички. Коли позначено «Çapraz tam kapasitesine göre», вплив – це ймовірна несуча здатність в’язі (TBDY 9.6.6); якщо позначку знято, використовуються сили D·E. Подробиці та ручну перевірку див. у розділі 7.8 прикладу розв’язання.

4. З’єднання шарнірного кінця балки (KB1 – KB3)

Це зсувні з’єднання сталевих балок із шарнірним кінцем (балка – колона або балка – балка). Вплив – поперечна сила з огинаючої поєднань навантажень і (у балках проліту з в’язями) осьова сила.

4.1 KB1 – з одинарною зсувною пластиною

Рисунок 1 – KB1: кінець балки з одинарною зсувною пластиною

Пластина з’єднується з опорою (полицею / стінкою колони або стінкою головної балки) двобічним кутовим швом, а зі стінкою балки – одним вертикальним рядом болтів.

Вхідні дані: товщина та матеріал пластини; діаметр і клас болта; кількість болтів; крок s; відстань до торця e₁ і відстань до краю e₂; товщина шва a_w; у з’єднанні балка – балка глибина та довжина вирізу верхньої полиці.

Перевірки: група болтів (з ексцентриситетом між лінією шва та віссю болтів, крайній болт), зминання отворів у стінці балки та в пластині, текучість пластини при зсуві, зсувний розрив, блочний зрив і згин у пластині, шов пластина – опора; за наявності вирізу – зсув, блочний зрив і згин у перерізі вирізу стінки з вирізом.

4.2 KB2 – з подвійними кутиками

Рисунок 2 – KB2: кінець балки з подвійними кутиками (приклад із вирізом)

Два рівнополичні кутики кріпляться до стінки балки n болтами (дворізне зрізання), до опори – 2×n болтами; зварювання немає. Друге поле в рядку «Aralık s / kol b» – довжина полиці кутика; поле товщини – товщина кутика.

Додатково до перевірок KB1 перевіряються болти опори (комбінована дія зсуву + розтягу), а за наявності осьової сили – згин полиці кутика. У болтах стінки враховується ексцентриситет (вісь болтів – грань опори); це припущення в запас.

4.3 KB3 – з торцевою пластиною

Рисунок 3 – KB3: кінець балки з торцевою пластиною

Пластина неповної висоти двобічним кутовим швом приварюється до стінки балки, а до опори кріпиться двома вертикальними рядами болтів (горизонтальний крок g). Ширина пластини береться g + 2·e₂. Додатково до перевірок болтів опори та згину пластини з KB2 перевіряється зсув стінки балки вздовж шва.

4.4 Otomatik öner

Кнопка «Otomatik öner» зі збереженням вибраного типу шукає з’єднання з найменшою кількістю болтів і найтоншою пластиною, яке проходить на всіх кінцях балок, що використовують типове значення (діаметр болта, кількість, крок, розмір пластини / кутика, товщина шва). Результат записується в поля, і його можна змінити вручну.

небезпека

Увага: у з’єднаннях шарнірного кінця балки сторона опори (стінка колони, стінка головної балки) окремо не перевіряється. Верхня межа товщини за піддатливістю торцевої пластини до обертання не перевіряється.

5. З’єднання моментного кінця балки (KM1 – KM3)

Це деталі з’єднань балка – колона моментних рам із Додатка 9B TBDY 2018. Перевіряються лише кінці, на яких балка I / H-перерізу з’єднується з полицею I / H-колони (у напрямі сильної осі колони).

5.1 Вплив

З’єднання проєктується за ймовірним пластичним моментом балки (Додаток 9B.1.4):

• M_pr = C_pr·R_y·F_y·W_p; C_pr = (F_y + F_u) / 2F_y ≤ 1,2, у зварному з’єднанні (KM3) 1,4.
• Відстань пластичного шарніра до грані колони ℓ_h береться за типом з таблиць Додатка 9B.
• V_uc = (кількість шарнірів)·M_pr / (проліт між шарнірами) + зсув від вертикального навантаження; на грані колони M_uc = M_pr + V_uc·ℓ_h.
• Коефіцієнти несучої здатності: 1,00 для пластичних граничних станів, 0,90 для непластичних (Додаток 9B.1.4).

5.2 KM1 – з подовженою торцевою пластиною

Рисунок 4 – KM1: моментне з’єднання з подовженою торцевою пластиною (вікно типового значення проєкту)

На кожній полиці по чотири болти (два поза полицею, два всередині). Якщо «Rijitlik levhası t_s» (ребро жорсткості) більше нуля, перевіряється з’єднання з ребром жорсткості, якщо нуль – без ребра жорсткості.

Вхідні дані: товщина, ширина (0: автоматично) і матеріал торцевої пластини; діаметр і клас болта; p_fo і p_fi (від зовнішньої / внутрішньої грані полиці до ряду болтів); відстань до торця d_e; горизонтальний крок болтів g; шов стінка – торцева пластина a_w (0: повний провар); товщина ребра колони t_sl (0: немає).

Перевірки: розтяг болтів, згин торцевої пластини (лінія текучості), у з’єднанні без ребра жорсткості – зсув у подовженій частині, зріз і зминання отворів у болтах стисненої полиці, шов стінки, згин полиці колони; якщо немає ребра колони – місцева текучість, втрата стійкості та зминання стінки колони; якщо воно є – сила, яку сприймає ребро колони.

5.3 KM2 – з болтовою пластиною полиці

Рисунок 5 – KM2: моментне з’єднання з болтовою пластиною полиці (для окремого елемента)

Пластини полиць з’єднуються з полицею колони стиковим швом із повним проваром, а з полицею балки – двома рядами болтів; на стінці є зсувна пластина з одним рядом болтів.

Вхідні дані: товщина та ширина пластини полиці (0: полиця балки); кількість болтів полиці в ряду та кількість болтів стінки; крок s і горизонтальний крок g; відстань до торця e₁ і від грані колони до першого болта s₁; товщина пластини стінки; шов пластина стінки – колона a_w; t_sl.

Перевірки: болти полиці (зріз + зминання), текучість при розтягу, розрив, блочний зрив і стиск у пластині полиці, блочний зрив у полиці балки, зсувна пластина стінки; також умова найбільшого діаметра болта за Рівн.(9B.3).

5.4 KM3 – зі стиковим швом із повним проваром

Рисунок 6 – KM3: моментне з’єднання зі стиковим швом із повним проваром

Полички та стінка балки з’єднуються з полицею колони стиковим швом із повним проваром. Товщина зсувної пластини стінки не може бути меншою за стінку балки (9B.4.7a); несуча здатність шва пластина – колона перевіряється за умовою 9B.4.7(b) (a_w = 0: повний провар, не перевіряється); між отворами для доступу до зварювання перевіряється зсув стінки балки.

5.5 Межі застосування та ребро колони

Перевіряються межі застосування з Таблиць 9B.1 – 9B.3 Додатка 9B (товщина та ширина пластини, кроки болтів, висота балки та товщина полиці, висота колони, відношення прольоту до висоти, клас болта); величина, що виходить за межі, показується в рядку «Geometri» з приміткою «поза межами таблиці», і з’єднання вважається недостатнім. Якщо TBDY 9.3.4.3 вимагає ребра колони, а t_sl не задано, з’єднання також вважається недостатнім.

небезпека

Обсяг: якщо балка з’єднується зі стінкою колони (слабка вісь), кінець повідомляється як «поза межами». У коробчастій колоні KM2 і KM3 перевіряються без перевірки сторони колони; KM1 поза межами. З’єднання з торцевою пластиною на вісім болтів і з ослабленим перерізом балки (9B.5) немає. Панель зсуву у з’єднанні не перевіряється; вона наводиться в рядку TBDY 9.3.4.2 у звіті по колоні.

5.6 Otomatik öner

Кнопка «Otomatik öner» зі збереженням вибраного типу шукає найлегше з’єднання, яке проходить на всіх моментних кінцях, що використовують запис. Порядок пошуку: товщина ребра колони → (KM1) ребро жорсткості → діаметр болта → (KM2) кількість болтів → товщина пластини → горизонтальний крок болтів g → зсувна пластина стінки та шов. У KM3 шукаються лише зсувна пластина, шов і ребро колони. Результат записується в поля, і його можна змінити вручну.

небезпека

Якщо розв’язку не знайдено: пошук змінює лише розміри з’єднання; перерізу балки й колони не чіпає. Якщо полиця колони тонка або вузька (напр., з’єднання балки IPE 400 з колоною HEB 300 через KM1), жодне поєднання пластини / болтів не проходить; у вікні з’являється примітка «розв’язку не знайдено», а поля не змінюються. У такому разі слід збільшити переріз колони або змінити тип з’єднання (KM3 згин полиці колони не перевіряє). У KM2 Рівн.(9B.3) обмежує діаметр болта за шириною полиці балки; у балок із вузькою полицею (напр., у S275 IPE 400 щонайбільше M16) болтів полиці та зсувної пластини стінки з одним рядом болтів часто не вистачає, і пропозиція розв’язку не знаходить.

6. База колони (KA1)

Рисунок 7 – Вікно бази колони: типове значення проєкту

Перевіряються опорна плита та анкерні стрижні сталевих колон I / H, коробчастого та трубчастого перерізів на поверсі фундаменту. Вікно відкривається шляхом Proje Genel Ayarları > Kiriş / kolon ayağı ▾ > Kolon ayağı (KA1).

6.1 Обсяг і вхідні дані

Коли у списку Kapsam вибрано «Типове значення проєкту», введені значення застосовуються до всіх колон без налаштування; «Колона для перегляду» визначає, за зусиллями якої колони обчислюються таблиця та схема. Коли зі списку вибрано колону, у полі поруч для цієї колони вибирається «використати типове для проєкту», «особливе для цієї колони» або «бази колони немає».

Таблиця 2 – Вхідні дані бази колони

Вхід	Пояснення
Товщина tp	Товщина опорної плити
Довжина Lp / ширина Bp	Lp – у напрямі сильної осі колони. 0: автоматично (розмір колони + 4·ea)
fck, A2/A1	Міцність бетону фундаменту та відношення площі бетонної поверхні, більшої за плиту (збільшує несучу здатність на зминання; ефективно не більше 4)
Діаметр / клас, анкерів на сторону	Анкери розташовані за кутовою схемою; кількість на сторону однакова в двох напрямах
Анкери, що передають зсув	Кількість анкерів, які вважаються такими, що сприймають зсув (0: усі). У плиті з великими отворами не всі анкери можуть працювати одночасно
Відстань до краю ea	Відстань від осі анкера до краю плити
Коефіцієнт тертя μ	Зсув, що сприймається тертям по основі в стисненій колоні (0: не враховується; розчин 0,55, бетон 0,70)
Кутовий шов aw	Шов колона – плита (0: повний провар, не перевіряється)
Довжина закладення hef	Довжина анкера в бетоні. 0: сторона бетону не перевіряється
Кінець анкера	Прямий, з гаком або з пластиною / гайкою
Кінцева пластина bh	Сторона квадратної кінцевої пластини в анкері з пластиною
Край фундаменту ck	Відстань від осі анкера до найближчого краю фундаменту (0: необмежено). Обмежує периметр конуса

Рисунок 8 – Вікно бази колони: запис для окремої колони

6.2 Перевірки та метод

Вплив – одночасна осьова сила, моменти та зсув кожного поєднання навантажень на нижньому кінці колони. Кожне поєднання перевіряється окремо по сильній і слабкій осях колони; показується найнесприятливіший результат (у таблиці вказано визначальне поєднання та вісь).

• Зминання бетону (ÇYTHYE 13.7): 0,85·f_ck·A₁·√(A₂/A₁), φ = 0,65.
• Згин опорної плити: на стисненій стороні – консоль плити, що виступає за колону, на розтягнутій стороні – між анкером і полицею колони.
• Розтяг і зсув анкера (ÇYTHYE 13.8 → 13.3.9, комбінована дія). При малому ексцентриситеті розтяг в анкерах не виникає; виникає при великому моменті або коли колона розтягнута.
• Шов колона – плита.
• Геометрія: найменша відстань до краю, крок анкерів, розташування анкера поза перерізом колони, найменша товщина шва.

6.3 Сторона бетону анкера (TS 500)

Коли введено довжину закладення h_ef, перевіряється і несуча здатність анкера в бетоні. Розрахункові міцності беруться f_ctd = 0,35·√f_ck / 1,5 і f_yd = F_yb / 1,15.

• Анкерування (прямий анкер і анкер із гаком; TS 500 пункт 9.1.2): l_b = 0,12·(f_yd / f_ctd)·φ ≥ 20φ; при φ > 32 мм збільшується на 100 / (132 − φ). Анкер із прямим кінцем розглядається як ребристий (з різьбою по всій довжині) стрижень, анкер із гаком – як гладкий стрижень; у анкера з гаком l_b збільшується в 1,5 раза. Потрібна довжина зменшується пропорційно відношенню сили розтягу в анкері до сили текучості (не менше l_b / 2 і 20φ). Відношення = потрібна довжина / h_ef.
• Бетонний конус (анкер із пластиною; за аналогією з продавлюванням TS 500 пункт 8.3.1): сумарний розтяг групи анкерів на розтягнутій стороні порівнюється з несучою здатністю V_pr = f_ctd·u_p·h_ef по периметру u_p на відстані h_ef / 2 від кінцевих пластин. Край фундаменту c_k обмежує периметр.
• Зминання кінцевої пластини (анкер із пластиною; ÇYTHYE 13.7): зминання бетону по площі нетто пластини.

небезпека

Адаптація: у TS 500 для анкерного стрижня окремого пункту немає. Перевірки тут – це адаптація правил анкерування арматури та продавлювання до анкера; у рядку звіту це також зазначено. Відколювання краю групи анкерів під дією зсуву, розкол бічної грані та передача сили на арматуру фундаменту не перевіряються; для анкерів поблизу краю або з великим розтягом їх слід оцінити окремо.

6.4 Otomatik öner

«Otomatik öner» шукає розв’язок, що проходить на всіх колонах, які використовують запис: кількість анкерів на сторону → діаметр анкера → товщина плити → відстань до краю → шов → (якщо h_ef задано) найкоротша достатня довжина закладення. Довжина / ширина плити залишається автоматичною (0). Результат записується в поля, і його можна змінити вручну.

небезпека

Що не перевіряється: зсувний упор, взаємодія двовісного згину та бази колон поза поверхом фундаменту не входять в обсяг. Якщо змінити назву колони, запис бази колони для окремої колони не збігається, і колона повертається до типового значення проєкту.

7. Розрахунковий звіт

Результати з’єднань додаються до звітів по сталевих елементах: на сторінках балок і в’язей – рядок з’єднання для кожного кінця (тип, розміри, вплив, відношення всіх граничних станів, стан геометрії, ВІДПОВІДАЄ / X), на сторінці колони – рядок бази колони. В елементів з однаковими кінцями записується один рядок. Відношення, що перевищують межу, показуються червоним.

8. Аркуш деталей з’єднань

Рисунок 9 – Аркуш деталей: деталі кінця в’язі та шарнірного кінця балки

Команда «Çelik Birleşim Detay Paftası Çiz» (Накреслити аркуш деталей сталевих з’єднань) у меню правої кнопки на екрані моделі (коли вибрано елемент або на порожньому місці) відкриває на екрані креслення нове креслення і креслить деталі всіх з’єднань, перевірених в останньому аналізі. Кінці з однаковими розмірами збираються в одну деталь; під кожною деталлю написано, до яких елементів вона застосована. У деталі є елемент, пластина / кутик, схема болтів, шви, розміри та стовпець пояснень. База колони креслиться як план і вигляд збоку.

Рисунок 10 – Аркуш деталей: моментні кінці балок і бази колон

інформація

Правила креслення: деталі виконано в масштабі. Кінці в’язей (CB1, CB2), що з’єднуються з кутом колона – балка, креслляться зі справжньою геометрією кута: грані колони та балки, кут в’язі θ, багатокутник фасонки та довжини країв на двох гранях L_b / L_k. Вузли з різним кутом або довжинами країв стають окремими деталями. На швах є символ шва: на кутовому шві трикутник і розмір a, на стиковому шві з повним проваром знак V. Шви креслляться фіолетовою подвійною лінією, болти – червоним; для них відкриваються шари CelikBulon і CelikKaynak. Аркуш не креслиться, якщо аналізу не було або немає перевірених з’єднань.

9. Припущення та відомі обмеження

• Для моментних з’єднань TBDY Додаток 9B дає лише обсяг, коефіцієнти несучої здатності, ймовірний пластичний момент, місце пластичного шарніра та межі застосування; залежності граничних станів узято з кроків ANSI/AISC 358, на яких ґрунтується Додаток 9B.
• ÇYTHYE для бази колони дає лише зминання бетону та перевірку анкера на розтяг + зсув; розмірювання опорної плити виконано методом прямокутного блока напружень за AISC Design Guide 1.
• Сторона бетону анкера перевіряється за адаптацією правил TS 500 і лише тоді, коли введено довжину закладення (розділ 6.3).
• У шарнірному кінці балки сторона опори не перевіряється (розділ 4.4).
• На аркуші деталей символи швів спрощено (немає розрізнення монтажного / заводського шва та знака швів по периметру); у деталях CB3 і кінця балки опора схематична.
• Результати з’єднань належать до останнього аналізу; після зміни з’єднання або моделі аналіз слід виконати повторно.

небезпека

Відповідальність: відповідність деталей з’єднань умовам виготовлення та монтажу, якість зварювання та місцеві правила виконання окремо має оцінити відповідальний інженер проєкту.