Как передать реакцию швеллера на стойку
Опирание сверху
- Когда применять
- Предпочтительно, когда швеллер можно поставить на оголовок стойки и передать опорную реакцию непосредственным опиранием.
- Путь нагрузки
- Швеллер → опорная плита или оголовок → стойка. Крепление удерживает узел от сдвига, отрыва и поворота по расчётной схеме.
- Обязательные проверки
- смятие и местная устойчивость стенки и полок швеллера у опоры;
- прочность и жёсткость оголовка, стенок стойки и подкреплений;
- сдвиг, отрыв и момент в креплении, устойчивость балки из плоскости.
Это принципиальные схемы, а не рабочие узлы. Толщины, болты и сварные швы назначает конструктор по расчётным усилиям, сечениям и условиям монтажа.
Принципиальная схема верхнего узла. На схемах нет проектных размеров, катетов швов и допусков.
Принципиальная схема бокового узла. Она показывает путь усилия, а не готовый узел для изготовления.
Что именно нужно соединить
В навесе швеллер может быть поперечной балкой, продольной балкой или отдельной балкой типа «Швелер» из расчётной схемы. Для профиля из сортамента используют геометрические характеристики конкретного номера по ГОСТ 8240-97. Высота, ширина полок, толщина стенки и положение радиусов влияют на работу балки и на то, как она сядет на опору.
Первый вопрос не «каким электродом варить», а «какая схема узла нужна». Если балка должна только передать вертикальную реакцию, обычно достаточно опирания. Если соединение должно удерживать поворот сечения, горизонтальную силу или момент, требуется другой узел. Смешивать эти случаи нельзя.
Верхнее опирание через оголовок
При верхнем опирании швеллер лежит на оголовке профильной трубы или на опорной пластине. Вертикальная реакция идёт от стенки и полок швеллера в пластину, затем через ребро или стенку оголовка в стенки трубы и дальше в столб. Сварка фиксирует положение и передаёт предусмотренные расчётом горизонтальные усилия, но сама по себе не превращает шарнирное опирание в жёсткую заделку.
Такой узел подходит для балки, у которой в расчётной модели опора не передаёт значимый момент. Оголовок должен иметь достаточную площадь контакта. Тонкая верхняя стенка трубы может получить местное смятие или потерять устойчивость раньше, чем будет исчерпана несущая способность швеллера. Если реакция приложена между стенками трубы, ставят внутреннее или наружное ребро по проекту.
Боковой столик и его эксцентриситет
При боковом креплении швеллер опирается на столик, косынку или фасонку, приваренную к стенке трубы. Реакция находится сбоку от продольной оси столба. Расстояние от линии реакции до этой оси создаёт крутящий момент. Чем больше вынос, тем сильнее нагружаются столик, сварные швы и стенка трубы.
Проверяют не только срез фасонки. Нужны проверки изгиба пластины, местного изгиба и смятия стенки трубы, передачи усилия через швы, а также кручения самой трубы. Для открытого швеллера отдельно смотрят устойчивость и кручение. Полка должна быть ориентирована так, чтобы рабочий изгиб происходил относительно сильной оси сечения. Поворот швеллера на 90 градусов может резко уменьшить момент инерции и момент сопротивления.
На принципиальной схеме видно, почему боковой столик нельзя оценивать как простую «полку под балку». Реакция сначала попадает в пластину, затем в стенку трубы и только потом распределяется по сечению стойки. Если в этом пути нет достаточной толщины или ребра, локальная деформация становится слабым местом.
Жёсткое или моментное соединение
Жёсткая связь нужна, когда расчётная модель использует передачу изгибающего момента от швеллера в трубу. Момент образует пару сил: сжатие и растяжение в разных зонах сечения. Одного шва по торцу обычно недостаточно. Нужны элементы, которые доведут эти силы до стенок трубы: опорная пластина, ребра, фасонки или оголовок, назначенные проектом.
У жёсткого узла проверяют швеллер у опоры, пластину, ребра, стенку и пояс трубы, сварные соединения и саму трубу на совместное действие сил и момента. Открытый профиль чувствителен к закручиванию, поэтому в расчёте нужно явно задать крутильную работу, а не считать, что два видимых шва автоматически раскрепляют швеллер.
Сильная ось и путь нагрузки
Для балки навеса важно направить большую высоту швеллера в плоскость основного изгиба. В сортаменте ГОСТ 8240-97 характеристики по главным осям различаются. Расчётный момент сравнивают с моментом сопротивления рабочей оси, а прогиб проверяют для той же схемы опирания и нагрузки.
Путь нагрузки должен быть непрерывным:
- покрытие передаёт нагрузку на прогоны;
- прогоны передают её на швеллер;
- швеллер передаёт реакцию на пластину или столик;
- пластина, ребро и стенка трубы передают усилие в столб или продольную балку;
- столб передаёт усилие в фундамент.
Разрыв в любом звене меняет расчётную схему. Например, жёсткий швеллер на тонкой стенке трубы может передать момент не в стойку, а в местную деформацию стенки. Такой узел нельзя считать по одному сечению балки.
Что проверить в сварке
Для угловых швов применяют требования СП 16.13330.2017, п. 14.1.7. Максимальный катет должен быть не больше 1,2 толщины более тонкого свариваемого элемента. Если шов наложен на закруглённую кромку фасонного проката, его катет не должен превышать 0,9 толщины этой кромки.
Минимальный катет назначают по расчёту и таблице 38 СП 16. Значение зависит от вида соединения, способа сварки, марки стали и толщины более толстого элемента. Универсальный катет для любого швеллера и трубы назначать нельзя.
Расчётная длина углового шва должна быть не менее 4 катетов и не менее 40 мм. Для флангового шва СП 16 также ограничивает расчётную длину, кроме случая, когда усилие действует по всей длине шва. Если применяют нахлёстку, её размер должен быть не менее пяти толщин наиболее тонкого элемента. Эти ограничения не заменяют проверку несущей способности шва.
Перед сваркой очищают металл в зоне соединения, проверяют зазор и совмещение деталей, затем фиксируют узел прихватками. Основной шов накладывают в порядке, который не уводит балку от проектного положения. После монтажа удаляют шлак и брызги, осматривают шов, восстанавливают грунт и защитное покрытие. Требования к производству и приёмке монтажных сварных соединений уточняют по СП 70.13330.2012 и применяемой технологической документации.
Частые ошибки
- Швеллер ставят слабой осью к основному изгибу.
- Боковой столик делают без учёта выноса реакции и кручения.
- Шов считают несущим, не проверяя стенку трубы и пластину.
- Тонкую стенку трубы обваривают по периметру без ребра, хотя усилие приложено локально.
- Для жёсткого узла используют расчёт шарнирного опирания.
- Катет выбирают «по толщине трубы», не сверяясь с более тонким элементом и таблицей 38 СП 16.
- После сварки оставляют открытый металл без защиты от коррозии.
Когда нужен инженер
Инженер по проектированию стальных конструкций нужен, если узел воспринимает момент, заметную горизонтальную силу или значительный эксцентриситет, если стенка трубы тонкая, есть ребра и фасонки сложной формы, нестандартная марка стали, несколько балок в одном узле или последствия отказа затрагивают людей и имущество.
Калькулятор навеса помогает получить расчётную схему каркаса и усилия в элементах, но эта статья и виджет не заменяют проект КМ или КМД. Для типового шарнирного опирания всё равно проверяют узел целиком, включая местную работу трубы и сварку. Начните с расчёта навеса, а для отдельной фермы используйте расчёт фермы.