Узел опирания балки на опорный столик

Обновлено: 17.05.2024

Илья Князев
Ведущий инженер-проектировщик, Объединенная строительная компания (г.Владимир).

Всем привет, кто заинтересовался статьей! Меня зовут Илья, я ведущий инженерпроектировщик. В этой статье я продемонстрирую возможности Renga по созданию узлов стальных конструкций. Расскажу по шагам, как сделать базу колонны и узел опирания балки на колонну через опорный столик из швеллера. Кроме того, покажу возможности инструмента Легенда для создания спецификаций к виду на чертеже на примере монолитной железобетонной стены.

«Нужно бежать со всех ног, чтобы только оставаться на месте, а чтобы кудато попасть, надо бежать как минимум вдвое быстрее!» — на мой взгляд, эта цитата очень четко описывает ситуацию, когда организация принимает решение переходить на BIM. Кажется, что все вокруг уже перешли на BIM и только мы еще сидим в CADе. Из привычных плоских чертежей погружаемся в 3Dмоделирование, задаем параметры, продумываем зависимости, и это только для того, чтобы в итоге получить всё те же чертежи. В зарубежных программах не в полной мере реализованы инструменты по оформлению чертежей с учетом наших норм, и это зачастую приводит к срывам срока сдачи проекта. Вдвойне обидно, когда понимаешь, что модель готова, все учтено, а подготовить документацию не успел, потому что элементы оформления пришлось чертить банальными «отрезками». Разработчики программы Renga прекрасно понимали данную ситуацию, поэтому уже на самых ранних этапах развития системы они предусмотрели инструменты для оформления чертежей по нашим требованиям. Это одна из причин, которая заставила меня скачать и установить программу Renga. Вторая причина — патриотизм. Как только я узнал, что программа российская, желание скачать ее удвоилось. Дружелюбный интерфейс и высокая производительность на больших моделях сразу заставили меня полюбить эту программу. Столь же дружелюбным оказался не только интерфейс, но и функционал Renga Structure.

Для демонстрации возможностей системы Renga Structure перейдем к созданию колонны (рис. 1) и узлу опирания балки к колонне через опорный столик из швеллера (рис. 2).

Рис. 1. Модель узла базы колонны

Рис. 2. Модель узла опирания двутавровой балки на колонну через опорный столик из швеллера

Для начала необходимо доработать стили пластин, чтобы замоделировать узел (рис. 3).

Рис. 3. Расположение меню стиля пластин

Рис. 4. Процесс создания стиля опорной пластины

Дальше нам нужно добавить ограничения в этом стиле. Звучит непонятно, особенно когда сталкиваешься с этим в первый раз, но не стоит переживать. Разработчики добавили возможность создания автоматических ограничений — достаточно просто выделить контур c отверстиями и нажать на кнопку справа на панели (рис. 5 и 6). Я бы сказал, что присутствие такой кнопки в программе — это внимание к деталям. И без данной кнопки Стили работали бы, но она значительно упрощает и ускоряет процесс по созданию профилей.

Рис. 5. Добавление автоматических зависимостей

Рис. 6. Кнопка для создания автоматических ограничений

После этого можно добавить необходимые параметры. Мне, например, в данной пластине хочется управлять ее общими габаритами и расстояниями отверстий до края пластины. Кроме того, конечно же, появится необходимость изменять диаметр отверстий для анкеров. Итоговый стиль пластины показан на рис. 7 и 8.

Рис. 7. Итоговый стиль пластины в редакторе профилей

Рис. 8. Стиль опорной пластины с итоговыми размерами

На рис. 9 и 10 показан стиль шайбы.

Рис. 9. Стиль шайбы в редакторе профилей

Рис. 10. Стиль шайбы с итоговыми размерами

Приступим к созданию опорного узла. Для удобства моделирования я добавил еще один уровень и присвоил ему имя Низ колонн. Все элементы базы колонны буду привязывать к этому уровню и задавать им необходимое смещение. Помимо пластин, сама колонна также зависит от этого уровня. Поэтому для того, чтобы узел был сформирован правильно, необходимо задать смещение низа колонны на толщину пластины — в данном случае это значение равно 40 мм (рис. 11).

Рис. 11. Смещение низа колонны на толщину пластины

Рис. 12. Размещение опорной пластины

После размещения опорной пластины необходимо задать ей толщину (40 мм). Результат этого действия можно увидеть на рис. 12.

Следующим шагом будет добавление ребер с фасками. Renga предоставляет очень удобный функционал по размещению элементов (рис. 13). Можно заранее задать необходимое смещение по координатам и разместить пластины в необходимом месте. Обратите внимание на тот факт, что пластины размещаются в плоскости уровня, поэтому нужно задать поворот пластины, чтобы она размещалась перпендикулярно уровню «Низ колонн».

Рис. 13. Размещение ребер жесткости

Для полноты картины мне захотелось добавить анкеры в этот узел, но поскольку в Renga пока нет такого объекта, как анкер, я воспользуюсь инструментом Элемент. 3Dтело анкера вместе с болтами я сделал инструментами AutoCAD и экспортировал в Renga. Дальше дело осталось за малым: необходимо разместить полученные анкеры в уровне Низ колонн со смещением и правильным расположением по отверстиям (рис. 14).

Рис. 14. Расстановка анкеров

Убедившись, что все пластины в данном узле расположены правильно, можно сделать этот узел «Сборкой». Так этим узлом будет гораздо удобнее пользоваться, а также копировать для размещения нескольких сборок опорных узлов колонн в 3Dмодели. И в случае, когда необходимо внести изменения, достаточно будет внести их в сборку, а в модели все изменения во всех скопированных опорных узлах колонн пройдут автоматически (рис. 15). Здесь стоит пояснить, что сборкой можно делать и всю колонну целиком, но в данном примере я хотел показать еще один вариант использования. В сборку я добавил только пластины потому, что у меня имеются разные марки колонн, у которых одинаковые базы, поэтому если мне необходимо будет внести изменения в базу, то я сделаю это один раз, а не для каждого типа колонн. (Может, предложить разработчикам добавить возможность вставлять сборку внутри другой сборки?)

Рис. 15. Сборка опорного узла колонны

Следует также обратить внимание на то, как расположена модель сборки в пространстве и убедиться в правильной привязке к началу координат (рис. 16). Данный момент необходимо контролировать для удобства работы со сборками. Когда мы размещаем сборку в пространстве, точкой вставки является начало координат сборки. Гораздо удобнее привязываться к центру колонны, чем задавать смещение при вставке.

Рис. 16. Сборка опорного узла колонны, вид снизу

Завершив работу со сборкой базы колонны, можно приступить к расстановке этих баз по колоннам (рис. 17).

Рис. 17. Расстановка баз колонн

Теперь перейдем к моделированию балок. Полностью показывать раскладку балок на данный момент я не буду (в следующих статьях покажу новый функционал Renga Structure), но продемонстрирую один из серийных узлов опирания этих балок.

Для начала нам необходимо построить балку, опирающуюся на колонну. Сразу зададим ей необходимый уровень, к которому балка будет привязана (рис. 18).

Рис. 18. Построение балки

С добавленным швеллером узел все ближе подбирается к законченному виду, но до полного завершения необходимо добавить пластины (рис. 19).

Рис. 19. Добавление швеллера

Чтобы добавить пластины в данный узел, мне необходимо было создать еще два типа пластин:

1й тип — ребра двутавровой балки (рис. 20);
2й тип — ребро швеллера.

После расстановки пластин в их проектное положение узел наконец приобретает законченный вид (рис. 21).

Рис. 20. Ребра двутавровой балки

Рис. 21. Законченный вид узла

В проекте внешние ограждающие конструкции сделаны из сэндвичпанелей, а нижний узел примыкания (ближе к уровню земли) выполнен монолитной стеной с последующим опиранием на него сэндвичпанелей. В соответствии с проектом разместим в модели монолитную железобетонную стену и заармируем ее (рис. 22).

Рис. 22. Армирование бетонной стенки

Как я и обещал в начале статьи, продемонстрирую возможности программы по созданию спецификаций при помощи инструмента Легенда.

Самое удобное, на мой взгляд — это то, что можно вынести на лист общий план, на котором будут и колонны, и наша стенка с арматурой, но при этом мы получим в спецификации только арматуру, так как стиль Легенды настроен исключительно на арматурные изделия (рис. 23).

Рис. 23. Лист с Легендой арматурных деталей

На создание данного листа у меня ушло минут пять, а информацию об армировании я получил в полном объеме.

В завершение статьи хотелось бы добавить, что разработчики Renga Structure движутся в нужном направлении хорошими темпами, что очень радует. Программа нетребовательна к «железу» компьютера, имеет отличную производительность и позволяет весьма удобно моделировать в 3Dпространстве

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

Узлы сопряжений

Сопряжения разделяют по конструктивному признаку на опирание сверху и примыкание сбоку (шарнирное или жесткое). Примыкание сбоку может осуществляться либо в виде фланцевого соединения, либо при помощи столиков. Шарнирное сопряжение передает только опорную реакцию, а жесткое передает, кроме опорной реакции, еще и опорный момент.

Опирание балок на колонны

Примеры опирания балок на колонны показаны на фигуре. Обычно в качестве непосредственной опоры, передающей опорное давление на колонну (или консоль), в балках пролетом до 25 — 30 м применяется плоская подушка (плита). На фигуре,а опорные ребра жесткости (опорные планки) поставлены по торцам балок и выпущены книзу на 10 — 15 мм. Фрезерованные (строганые) торцы этих планок фиксируют центральную передачу опорного давления. Нижний пояс балок не касается колонны, но притягивается к ней болтами.

На фигуре наоборот, ребра жесткости расставлены, фиксируя передачу опорных давлений через опорные плиты на ветви колонны (из швеллеров). Толщина опорных плит обычно назначается конструктивно (если только плита не работает на изгиб) и принимается несколько большей, чем толщина пояса балки.

Примыкание балок к колоннам сбоку

На фигуре, а показано шарнирное примыкание (фланцевое) сбоку на болтах. Болты в этом креплении рассчитываются на срез от действия опорной реакции А, увеличенной на 20% (смотрите формулы). Применение черных болтов здесь возможно при опорной реакции примерно до 30 — 35 т. Сварной шов рассчитывается, как было указано выше, на совместное действие касательных и нормальных напряжений (смотрите формулы).

Такое примыкание, как показали опыты, несмотря на расставленные по высоте балки болты, является шарнирным вследствие податливости всего соединения (отгиба полок уголков, податливости гаек, вытяжки болтов и т. д.). Для осуществления жесткого сопряжения необходимо прочно соединить пояса балки с опорной конструкцией.

На фигуре б показан пример такого сопряжения, в котором нижний и верхний пояса присоединены к колонне горизонтальными планками. Это соединение выполнено для нижнего и верхнего поясов балки по-разному для того, чтобы избежать потолочной сварки при монтаже.

Сопряжения по фигуре могут применяться лишь при статической нагрузке, так как они имеют щели, вокруг которых концентрируются напряжения, опасные при динамической нагрузке.

Примыкание балок к колоннам сбоку при помощи столика

На фигуре, а показано шарнирное примыкание балки к колонне сбоку при помощи опорного столика. Это очень простое сопряжение, удобное для монтажа. Опорным столиком обычно служит неравнобокий уголок, полученный путем обрезки части полки. Он воспринимает все опорное давление балки А, которое передается на колонну через швы.

Однако расчетную длину шва l_ш на одной стороне столика обычно определяют, исходя из усилия, равного 2/3А, ввиду возможной перегрузки одной стороны из-за неточности изготовления. Уголки, приваренные к стенке балки, — конструктивные; каждый из них прикрепляется к колонне двумя болтами.

Опорные столики часто делают из толстого листа (δ = 25/30 мм). На фигуре,б показано жесткое сопряжение балки с колонной при помощи опорного столика из толстого листа. Это сопряжение способно воспринять не только опорное давление, передающееся на столик, но также и момент, передающийся с поясов балки на опорную планку (фланец), прикрепленную болтами к колонне. Линия оси упругого поворота узла (нейтральная линия), как показали исследования, проходит примерно на уровне нижнего пояса балки.

Максимальное усилие в двух верхних болтах, расположенных на одной горизонтали и работающих на растяжение, определяется по формуле

Нижнюю кромку опорной планки, выпущенной на 10 мм, строгают так же, как и верхнюю кромку опорного столика. Для полной обеспеченности передачи опорного давления на столик диаметр отверстий в планке назначают на 2 — 3 мм больше диаметра болтов, тем самым не допуская работы болтов на срез. Учитывая работу опорной планки не только на сжатие, но и на изгиб, ее следует делать достаточно толстой (около 16 — 20 мм).

Жесткое сопряжение балок

Жесткое сопряжение балок:

а — сварных;
б — клепанных.

На фигуре показаны примеры жесткого сопряжения второстепенных балок с главными. Опорный момент передается здесь по верхнему поясу через планку, называемую «рыбкой», а по нижнему поясу — через столик. Рыбка имеет уширение по сечению а — б, рассчитанное на восприятие полного усилия N = M/h.

Опорные узлы и сопряжения балок

При опирании балок непосредственно на каменные стены или бетонные конструкции необходимо обеспечить достаточную опорную поверхность для передачи опорного давления. Обычно к балке приваривается опорная плита. Размеры плиты принимаются такими, чтобы давление под плитой не превосходило расчетного сопротивления материала стены.

Опорные узлы балок

Толщина опорной плиты определяется из условия ее изгиба силами отпора, действующими снизу на плиту. Длинная плита во избежание больших деформаций, которые выключают ее из работы, может быть укреплена ребрами жесткости.

При опирании разрезных балок на стальные конструкции могут иметь место следующие виды сопряжений:

этажное сопряжение;
примыкание на болтах или заклепках;
крепление при помощи столиков.

Этажное сопряжение является наиболее простым. Прикрепление балок в этом случае может осуществляться как на болтах, так и при помощи монтажной сварки.

Конструкция примыкания при помощи концевых уголков, осуществляемого на черных болтах или заклепках, имеет весьма широкое распространение. Опорное давление в этом креплении передается через уголки, которые обычно привариваются к стенке двутавра; эту приварку желательно осуществлять в кондукторах, так как отклонение уголков от вертикали приводит к дорогим переделкам на монтаже.

Шарнирные прикрепления прокатных балок

В примыкании по фигуре, в концевые уголки приварены швом, который испытывает не только срез от опорной реакции А, но также и изгиб от момента Ае. Шов у торца стенки балки в расчет не вводится. Рабочий сварной шов должен быть проверен на совместное действие усилий по условной формуле

Прикрепление балок может быть также осуществлено непосредственным примыканием стенки балки к ребрам или другим выступающим частям конструкций. При этом необходимо вырезать полки балки, производя резку по возможности по стенке, а не по полкам.

В примыканиях по фигуре, в и д крепежные болты обычно рассчитывают на срез от опорной реакции балки, увеличенной на 20%, учитывая наличие незначительного опорного защемления.

Крепление при помощи опорных столиков удобно для монтажа, так как дозволяет операцию привертки болтов производить после установки конструкции. В такой конструкции все опорное давление передается на заранее приваренный столик.

Для лучшей фиксации передачи опорного давления на рабочий столик применяют конструкцию, показанную на фигуре, ж. При этом опорное ребро должно быть пристрогано к опорному столику. Однако такое фланцевое крепление требует повышенной точности при изготовлении.

Возможность непосредственной приварки балки к конструкции путем обварки ее по контуру исключается потому, что в этом случае при монтаже должны быть совмещены три операции: подъем, выверка и сварка; что осуществить одновременно почти невозможно, не говоря уже о необходимости повышенной точности резки при изготовлении таких балок.

Узлы и детали стальных балок

Стальные балки воспринимают нагрузки от вышележащих конструкций и передают их на другие элементы (стены, нижерасполо- женные балки, колонны и т.п.), при этом они определенным образом сопрягаются друг с другом. На рис. 7.14, 7.15, 7.16 приведены узлы опирания балок соответственно на кирпичные стены, стальные балки, колонны. Такие узлы достаточно часто применяются в балочных клетках.

Рис. 7.14. Узлы опирания балок на стену: а) балка без опорного ребра; б) балка с опорным ребром;

1 — балка; 2 — опорная плита; 3 — опорное ребро; 4 — анкер;

Рис. 7.15. Узлы опирание балок настила на главную балку: а) этажное опирание; б) опирание в одном уровне;

1 — балка настила; 2 — главная балка; 3 — стальная прокладка;
4 — ребро жесткости главной балки

Понятие о расчете составных сварных балок

Для расчета составных сварных балок принимают обозначения, приведенные на рис. 7.9. Расчет составных сварных балок можно выполнять в следующей последовательности.

1. После сбора нагрузок и определения эпюр моментов и поперечных сил, как и при расчете прокатных балок, принимают сталь. Определяют расчетное сопротивление (учитывая, что балка будет выполняться из листовой стали).

2. По максимальному изгибающему моменту определяют требуемый момент сопротивления:

Рис. 7.16. Шарнирное опирание балок на колонну: а) опирание на верх колонны; б) опирание на опорный столик; 1 — балка; 2 — колонна; 3 — опорный столик; 4 — болты;

5 — ребро жесткости
3. Предварительно принимают высоту балки И в пределах (У₈ - Vj₂)/; толщину стенки назначают по формуле

где h подставляется в метрах, а значение t_w получают в миллиметрах.

4. Уточняют высоту балки, толщину стенки и компонуют сечение балки (устанавливают размеры поясов):
- • определяют оптимальную высоту балки (наиболее экономичную):
где к — коэффициент, принимаемый равным 1,1—1,15; [1]
- • назначают толщину стенки с учетом рекомендуемых соотношений высоты балки и толщины стенки (так, например, при h = = 1 м / = 8—10 мм; при h = 1,5 м t = 10—12 мм);
- • принятая толщина стенки балки проверяется на срез по формуле
• требуемая площадь поясов определяется по формуле

• принимают ширину листов для поясов балки с учетом соотношения bj-/h = (7₃— /₅), но не менее 180 мм, а соотношение между шириной и толщиной пояса не должно превышать

5. Для подобранного сечения определяют моменты инерции, моменты сопротивления, статические моменты инерции и после этого проводят проверку прочности общей и местной устойчивости и жесткости по тем же уравнениям, что используются для расчета прокатных балок. В случае если все условия соблюдаются, сечение балки считается подобранным; если какое-то условие не выполняется, корректируют размеры сечения и выполняют расчеты заново.

Читайте также: