Соединения стальных конструкций. Зачем они нужны?
Строительные металлические конструкции отличаются от других товаров и изделий своими габаритами. Их невозможно привести на место монтажа целиком.
На фотографии металлическая кабельная проходная эстакада.
На строительную площадку будущая конструкция будет привозиться по частям. Максимальную длину перевозимого элемента определяется доступным транспортным габаритом. Так называются максимально допустимые размеры груза для перевозки доступным транспортом. Обычно этот вопрос сводится к линейке размеров по длине 6м, 9м, 12м, 15м. При длине отправочной марки больше 18 м перевозка превращается уже в специальную транспортную операцию. Также учитывается ширина и высота, где, например, ширина до 2,6 м – это габаритный груз для автомобильного транспорта (у железнодорожного побольше – до 3,2 м), а изделие большего размера в поперечнике – уже негабарит.
Размеры конструкций по базовым осям, как правило, подгоняют размерам кратным базовому строительному модулю – 300 мм и долям от него.
В зависимости от технологии производства работ и условий монтажа конструкция разбивается на части, блоки, элементы большего или меньшего размера.
Следующий этап будет заключаться в подготовке сборочных единиц будущего сооружения. Так часто те же фермы покрытия собирают на монтаже из отдельных монтажных блоков или элементов, чтобы смонтировать уже на место целиком.
Что и делает вопрос соединения элементов металлической конструкции между собой один из ключевых в ее проектировании.
Монтаж блока несущих ферм с траверсами и проходными мостиками открытой конвейерной галереи
Виды соединений металлических элементов между собой
Соединения элементов металлических конструкций могут быть сварные или болтовые, есть сложившаяся практика применения, те же элементы фермы (отправочные марки) стыкуются между собой на сварных соединениях, а вот уже монтажные стыки ферм (соединения отправочных марок (монтажных единиц) между собой) и их крепления к опорным конструкциям – болтовые.
Подобное разделение продиктовано и соображениями возможностей контроля качества, технологичностью изготовления и монтажа.
Сварные соединения проще контролировать в заводских условиях, чем на строительной площадке. Сборка на болтах при качественном изготовлении отправочных марок, технологичнее и проще на монтаже.
Сварочные работы на площадке требуют большей квалификации и влияние человеческого фактора выше, чем установка болтов с помощью ключей и гайковертов.
Болтовые соединения уменьшают влияние человеческого фактора и являются более надежными и прогнозируемыми. Поэтому на сложных конструкциях невозможно полностью уйти от болтовых соединений.
Отметим, что есть узлы металлических конструкций, которые принципиально не могут быть сварными, но это тема отдельного разговора.
Приведем распространенный пример из конструкторской практики.
Это крепления второстепенных балок относительно большого пролета к главным балкам (колоннам).
Чаще всего в этом случае применяются болтовые соединения. Это обеспечивает шарнирное крепление одной балки к другой.
Стык балок перекрытия
Характерными особенностями этого соединения является то, что такая конструкция узла передает только опорную реакцию от балки (вертикальное усилие на опоре) и горизонтальное усилие вдоль оси балки, если оно есть. Опорный момент отсутствует. «Чернота отверстий» – разница между диаметром болта и диаметром отверстий в стенке балки и опорной пластине допускает поворот опорного сечения балки, что как раз и позволяет считать такое соединение шарнирным.
Специализируясь на разработке проектов металлических конструкций, мы регулярно сталкиваемся с желанием подрядчиков, выполняющих строительно-монтажные работы, заменить болтовые соединения на сварные и наоборот.
Причины замены болтовых соединений на сварные
Причины таких просьб – ресурсы строительно-монтажных организаций. Одни организации изготавливают элементы строительных конструкций в заводских условиях на удаленных от места монтажа заводах и им удобнее в заводских условиях выполнить отправочные марки, провести контрольную сборку и после этого привезти готовые конструкции на строительную площадку, после чего осуществить монтаж. Каким-то организациям (и это часто встречается на реконструкциях) удобнее выполнять монтаж «по месту», и метод сварки, в таком случае, для них проще и быстрее. Отметим, что есть типы конструкций, которые могут быть только сварными. Как всегда и везде, есть нюансы.
Примеры перехода на сварные соединения
Рассмотрим уже приведенный пример стыка балок: можно ли такой узел корректно выполнить сварным?
Часто монтажники ошибочно переходят на сварное соединение прямолинейно: не ставят болты и обваривают фасонку, соединяющую стенку второстепенной балки и опорное ребро, вваренное в главную.
Здесь опорное сечение балки уже жестко зафиксировано от поворота сварными швами опорной пластины (фасонки), соединяющей второстепенную балку к опорному ребру главной. Поворот опорного сечения в силу жесткости сварного шва невозможен.
В силу этого обстоятельства, такое соединение носит «жесткий» характер и на опоре появляется опорный момент. Момент в узле будет восприниматься не двутавровым сечением балки, а сечением опорной пластины и швов, соединяющих эту пластину к опорному ребру главной балки. Сварной шов, выполненный на строительной площадке, скорее всего не будет равно прочен к основному металлу конструкции. Есть большой риск, что несущей способности такого узла не хватит.
Для работоспособного «жесткого» соединения второстепенных балок к главной, нужно обеспечить восприятие опорного изгибающего момента.
Один вариантов такого решения: соединить второстепенные балки с главной горизонтальной металлической накладкой сверх (ее часто называют «рыбой»).
По нижнему поясу второстепенной балки устанавливают опорные столики.
Конструкция такого узла создает внутри конструкции горизонтальные сварные швы, воспринимающие внутреннюю пару сил от внешнего опорного момента второстепенной балки.
И такое крепление относиться к разряду «жестких» или «жесткой заделки», когда за счет фиксации опорного сечения балки появляется усилие в виде изгибающего момента на опоре. Окончательное решение о пригодности может дать расчет конструктивной схемы и сопоставления расчетных усилий с несущей способностью узла, но такое решение может быть рабочим.
Типы соединений и задание на проектирование
По умолчанию мы, как проектная организация, самостоятельно определяем конструктивные решения, типы конструкций и применяемые опорные узлы и узлы соединений, которые выполняются с применением болтовых и сварных соединений в зависимости от ситуации, если в техническом задании на проектирование не оговорено иное. Например, что предпочтительны сварные соединения.
При длительной работе с Заказчиками, мы учитываем их возможности и знаем, какие соединения для них более экономически и технически выгодны.
Изменения типа соединений может потребовать внесения изменений в проект
Обычно проект проходит следующий цикл – разработка -> согласование -> тендерная процедура для определения подрядчика -> разработка КМД -> согласование КМД -> СМР
И пожелания по замене соединений от подрядчика обычно возникают на стадии разработки КМД. Возможно ли на этой стадии согласовать изменения типа соединений? Да, но после этого необходимо внести изменения в основной раздел – КМ (Конструкции металлические). Решение выполнить такую работу самостоятельно может привести к определенным курьезам.
На проекте, где планировалось устройство сливо-наливной эстакады для погрузки кислотных продуктов в железнодорожный транспорт, монтировалось укрытие для защиты от осадков. Несущие конструкции представляли собой одноэтажную конструкцию, выполненную по рамно-связевой схеме с устройством металлической кровли. Для крепления ригеля поперечной рамы к ее стойкам в проекте был заложен «жесткий» узел примыкания на болтовом соединения типа фланец с восприятием поперечной силы опорным столиком.
Готовая конструкция эстакады в эксплуатации
Проект был разработан, согласован, выдан подрядчику для работы, было даже заказано КМД и мы, как проектировщики, консультировали разработчиков рабочей документации КМД в процессе их работы. После чего выяснилось, что у подрядчика нет достаточных мощностей для изготовления всего того объема отверстий под болты, что был заложен в проекте. Монтажники начали по собственной инициативе переходить с болтовых соединений на сварные.
Для большинства узлов подобная трансформация прошла без особых сложностей, кроме жесткого узла рамы.
С рамным узлом переход к сварному соединению был произведен неграмотно: фланец жесткого узла рамы был напрямую приварен к полке колонны.
И был тем самым выключен, по сути, из работы на опорный момент ригеля поперечной рамы: сварной шов не работает как «дверная петля». Швы работают как угловые или лобовые, то есть на срез и на разрыв-сдвиг. В итоге рамный узел работает за счет того, что вут (усиление балки) упирается в тело колонны, а сверху торец колонны и верхнюю полку ригеля рамы соединяет накладная пластина («рыба»). Эти два элемента создают внутреннюю пару сил, воспринимающую нагрузку на этот узел. Конструкция не перешла в разряд аварийных, но ее работа была ослаблена.
Более правильным было бы вообще убрать вертикальную пластину фланца с опорным столиком и варить ригель рамы с вутом напрямую к полке колонны.
Выводы
Болтовые соединения чаще используются при изготовлении металлоконструкций на заводах и производствах производителя работ, сварные – при монтаже и работе с металлом на месте. Не все болтовые соединения могут быть заменены на сварные, т.к. у них разная схема работы. Часть соединений можно заменить на стадии разработки КМД, однако, только с согласования проектной организации и с последующим внесением изменений в раздел КМ.
Антон Симонов
Главный конструктор