CC BY
165DOI 10.52170/1815-9265_2021_57_78 УДК 624.94.014.2
А. А. Новоселов
Анализ работы узлов соединения вертикальных связей стальных каркасов многоэтажных зданий
Поступила 03.02.2021
Рецензирование 18.02.2021 Принята к печати 09.04.2021
Для многоэтажных зданий, особенно для высотных, главной нагрузкой можно считать горизонтальную. В связевых и рамно-связевых каркасах основным несущим элементом, обеспечивающим восприятие горизонтальных нагрузок, являются связи. Они обязаны обеспечить неизменяемость здания в целом, а также непревышение допустимых горизонтальных деформаций. Конструирование узла соединения стальных конструкций - достаточно важный элемент проектирования стального каркаса. Не является исключением проектирование узла соединения элемента связи с каркасом.
В статье сделана попытка проанализировать работу узла сопряжения элемента связи с каркасом при различных условиях соединения: центры тяжести всех элементов сходятся в одной точке; два варианта узлов с расцентровкой и два варианта узлов с учетом появления консоли на колонне. Показано влияние величины эксцентриситета приложения элемента связей на усилия в несущих элементах. Приведено сравнение различных вариантов крепления с точки зрения массы каркаса.
С целью определения усилий, возникающих в элементах, применялся вычислительный комплекс для прочностного анализа конструкций методом конечных элементов SCAD Office. Анализ проводился на основе расчетной модели стального каркаса 10-этажного общественного здания с учетом действия ветровых и сейсмических нагрузок. Каркас выполнен по связевой схеме. Конфигурация вертикальных связей v-образ-ная. В модели сечения элементов связей приняты квадратного профиля.
В результате проведенных работ было обнаружено влияние конкретного типа узла на общую массу каркаса. Определены предпочтительные узлы при различных условиях.
Ключевые слова: стальной каркас, многоэтажное здание, связи, узлы связей, несущая способность, расчетные модели.
Сталь можно назвать одним из наиболее широко используемых материалов для строительства зданий. Присущие стали прочность и ударная вязкость являются характеристиками, которые находят весьма широкое применение, а ее высокая пластичность идеально подходит для сейсмического проектирования. Кроме того, применение стальных каркасов при строительстве высотных зданий еще и экономически выгодное решение, что подтверждается в работе [1]. Особенно эффективны стальные каркасы в районах с высокой сейсмичностью площадки строительства.
Для многоэтажных зданий высотой более 30 м, согласно [2], применять рамную систему нецелесообразно. В связи с этим основными несущими элементами каркаса будут колонны, балки перекрытия и система связей. Для зданий повышенной этажности и высотных зданий определяющими нагрузками являются горизонтальные - ветровые и сейсмические [3]. Данные нагрузки в основном воспринимаются системой связей, которые обеспечивают общую жесткость и устойчивость каркаса здания.
Конфигурация вертикальных связей достаточно разнообразна. На рис. 1 представлены возможные конфигурации связей на вертикальных плоскостях зданий, приведенные в утвержденном нормативном документе [4] и рекомендуемые в работе [3]. Обращает внимание отсутствие крестовых (х-образных) связей, хотя многие авторы отмечают их более эффективную работу по значительному числу показателей [5-8]. При этом в вышеперечисленных работах также указывается, что крестовые (х-образные) связи не позволяют создавать оконные и дверные проемы в местах их установки. Поэтому чаще всего предпочтение отдается у-образным связям (см. рис. 1, а).
Проектирование узла соединения несущих элементов стальных конструкций является одним из важных факторов, влияющих на надежность будущего здания или сооружения. Удачно выбранное решение узла приводит к уменьшению затрат на материалы и монтажные работы, увеличивает скорость монтажа и, самое главное, обеспечивает нормальные условия эксплуатации здания в определенные гарантийные сроки.
а)
к' N
/г\ 1--1
Г ХЧ 1
б)
в)
г)
д)
/ \
/ \ УгК / 1 J >
е)
Рис. 1. Формы вертикальных связей многоэтажных и высотных зданий: а - v-образные; б, в, д - треугольные; г - крестовые; е - портальные
Далее в статье будет рассмотрена работа узла крепления у-образных связей стальных многоэтажных каркасов к колонне или балке. В качестве сечения связей будет принято квадратное гнутосварное, как наиболее распространенное в последнее время. Кроме того, применение трубчатых элементов рекомендуется при проектировании сейсмостойких каркасов (п. 4.2 в [9]). Каркас будет рассмотрен с учетом воздействия сейсмической нагрузки.
Согласно п. 15.4.14 [10], крепление связей следует осуществлять на болтах класса точности В, при этом в случае значительных усилий в элементах связей их крепление необходимо производить на монтажной сварке. Такие же требования применяются к узлам сопряжения связей в европейских странах (п. 2.6 в [11]). Подобное решение отражено в нормах по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий [9]. Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что для тяжелонагруженных элементов связей нужно применять как болтовое соединение, так и сварное.
Еще одним важным вопросом является конструирование узла соединения элемента
связи, колонн, балок. Чаще всего при моделировании схемы здания или сооружения конструкция узлов соединения неизвестна и система соединения разрабатывается после выполнения расчета и подбора сечения элементов. В расчетной схеме здания элементы связей моделируются с центрированием в точке пересечения колонны и балки. В реальности при конструировании, особенно при больших нагрузках, прикрепление раскосов связей к колонне или балке приводит к расцентровке [9]. В работе [12] указывается, что при конструировании данного узла не всегда возможно отцентрировать элементы, кроме того, в отдельных случаях выгоднее выполнить расцентровку, чтобы сделать стык более компактным.
Все узлы крепления элемента связи можно разделить на четыре принципиальных варианта, приведенных на рис. 2 (узлы даны для у-образных связей). В работе [12] отмечается, что при больших усилиях в связях в каркасах с трубчатыми колоннами целесообразно крепить фасонку раскоса непосредственно к ригелю. Авторы учебника [2] указывают на то, что раскосы связей можно крепить как к колонне, так и к балке, в зависимости от того, какое крепление конструктивно удобнее.
в)
г)
Рис. 2. Узлы сопряжения связей с каркасом здания: а - вариант 1; б - вариант 2; в - вариант 3; г - вариант 4
Узлы сопряжения по вариантам 1 (см. рис. 2, а) и 2 (см. рис. 2, б) достаточно сложно отцентрировать, узлы по вариантам 3 (см. рис. 2, в) и 4 (см. рис. 2, г) легко центрируются, но имеют недостатки. Узел по варианту 3 обладает недостаточной жесткостью из-за плоскости за счет гибкости фасонки. В узле по варианту 4 создается дополнительная консоль, жестко соединенная с колонной, и, как следствие, возникает дополнительный момент.
В первую очередь обратим внимание на узлы вариантов 1 и 2 (см. рис. 2, а и б соответственно). Оценку напряженного состояния узла проведем на основе 10-этажного здания с металлическим каркасом. Шаг колонн в месте установки связей - 6 м, высота этажа - 3,6 м. На здание действует горизонтальные силы -ветровая и сейсмическая.
Для оценки влияния эксцентриситета выполнялись расчеты пространственной модели в расчетном комплексе SCAD. Связи крепились к колоннам и балкам с различными эксцентриситетами от 50 до 400 мм. Фиксирова-
лись усилия, возникающие в ближайших элементах. На рис. 3, а, б приведены схемы узлов модели здания по вариантам 1 и 2 соответственно с обозначениями элементов, результаты расчетов приведены в табл. 1 и 2.
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:
- независимо от варианта крепления (к колонне или балке) раскоса связей продольные усилия в элементах изменяются незначительно, не более чем на 10 %, и не могут привести к существенному изменению сечения элементов и, как следствие, к увеличению общей массы конструкции;
- при креплении раскоса к балке из-за увеличения эксцентриситета происходит рост момента, возникающего в балке, почти в три раза, и в колонне - также в три раза, при этом следует обратить внимание, что при эксцентриситете до 150 мм увеличение действующего момента в балках незначительное, а в колонне - на 30 %;
а) б)
Рис. 3. Схемы узлов крепления элемента связей: а - вариант 1; б - вариант 2
Таблица 1
Усилия в элементах узла при креплении раскоса связи на балку (вариант 1)
Величина е, м Величина продольной силы в элементах, кН Величина момента в элементах, кНм
Кв Кн Б: Б2 Р Кв Кн Б1 Б2 Р
0 -3 701 -4 319 407,7 407,7 -612,7 -22,2 -22,2 -60,9 0,0 0
0,05 -3 680 -4 293 407,5 -22,6 -614,0 -23,8 -23,8 -62,8 24,8 0
0,10 -3 682 -4 285 405,8 -28,0 -608,5 -27,5 -27,5 -64,8 48,5 0
0,15 -3 675 -4 274 407,7 -33,5 -609,2 -31,7 -31,7 -67,0 71,9 0
0,20 -3 667 -4 257 413,2 -38,3 -618,1 -36,3 -36,3 -69,3 95,9 0
0,25 -3 645 -4 238 415,8 -46,2 -616,5 -42,7 -42,7 -80,8 118,1 0
0,30 -3 630 -4 215 418,7 -55,3 -613,7 -50,0 -50,0 -94,8 139,1 0
0,35 -3 614 -4 190 421,9 -65,2 -609,9 -58,2 -58,2 -107,9 159,1 0
0,40 -3 595 -4 161 426,4 -76,3 -606,5 -67,1 -67,1 -120,3 178,2 0
Таблица 2
Усилия в элементах узла при креплении раскоса связи на колонну (вариант 2)
Величина е, м Величина продольной силы в элементах, кН Величина момента в элементах, кНм
Кв Кн Б1 Р Кв Кн Б1 Р
0 -3 701 -4 319 407,7 -612,7 19,6 18,3 -60,9 0
0,05 -4 146 -4 293 413,4 -612,5 29,6 29,6 -60,6 0
0,10 -4 140 -4 288 420,4 -615,2 41,0 41,0 -60,4 0
0,15 -4 134 -4 282 427,5 -618,0 52,3 52,3 -60,1 0
0,20 -4 129 -4 276 434,7 -621,0 63,6 63,6 -59,8 0
0,25 -4 123 -4 271 442,0 -624,1 74,9 74,9 -59,5 0
0,30 -4 117 -4 265 449,5 -627,0 86,1 86,1 -59,2 0
0,35 -4 110 -4 258 457,0 -630,8 97,2 97,2 -58,9 0
0,40 -4 104 -4 252 464,6 -634,4 108,3 108,3 -58,6 0
- при креплении раскоса к колонне наблюдается рост момента, возникающего в колонне, почти в шесть раз, при этом условно дополнительно возникающий момент можно вычислить по формуле
Мд = Np cos a e • 0,5, где Мд - дополнительный момент, возникающий в колонне; Np - усилие в раскосе связи; a -угол наклона раскоса связи; e - величина эксцентриситета приложения силы от раскоса связи.
В качестве следующего этапа рассмотрим работу узла крепления раскоса связи по варианту 4 (см. рис. 2, г). Схема узла приведена на рис. 4.
Для данного случая было рассмотрено три варианта величины консоли е - 500, 550, 600 мм. При значительных усилиях меньшие значения консоли конструктивно не получаются. В анализируемой схеме реальное значение при заданных сечениях - 560 мм. Результаты расчета приведены в табл. 3.
Рис. 4. Схема узла по варианту 4
Таблица 3
Усилия в элементах узла при креплении раскоса связи по варианту 4
Величина е, м Величина продольной силы в элементах, кН Величина момента в элементах, кНм
Кв Кн Б1 Б2 Р Кв Кн Б1 Б2 Р
0 -3 701 -4 319 407,7 407,7 -612,7 -22,23 -22,24 -60,89 0 0
0,50 -3 708 -4 324 405 405 -603 27,5 -27 -52,95 -23 0
0,55 -3 708 -4 324 405 405 -603 28,31 -27,42 -52,78 -25,07 0
0,60 -3 709 -4 325 405 405 -602 29,1 -27,83 -52,77 -27,09 0
Как и для вариантов узла крепления 1 и 2, продольные усилия в элементах практически не меняются, изменения составляют не более 2 %. Изменения моментов в балках также несущественны, если не менять величину сечения балки по длине. Наибольшие изменения момента происходят в колонне. Момент в части колонны, находящейся выше узла, изменяет знак, но при этом его величина изменяется в просчитанных вариантах на 25 %, что значительно меньше, чем в вариантах 1 и 2.
Вариант узла 3 (см. рис. 2, в) по схеме работы подобен варианту 4. Для варианта 3 наиболее важным дополнением будет являться его несущая способность из плоскости рамы.
Для определения степени влияния типа узла на общую массу каркаса был проведен сравнительный анализ массы каркаса при вариантах узлов 1, 2, 4 в сравнении с вариантом без расцентровки соединения раскоса связей.
Условия соблюдались следующие:
- для вариантов 1 и 2 величина эксцентриситета составляла 300 мм;
- для варианта 4 величина консоли соответствовала 550 мм.
Результаты расчета приведены на рис. 5. Из их сравнения ясно, что в целом масса каркаса по варианту 4 практически не отличается от массы по варианту с отсутствием расцен-тровки крепления раскоса. Варианты 1 и 2 требуют большего объема металла, увеличение составило 7,5 и 5,5 % соответственно.
По итогам проведенного исследования можно сделать вывод, что для крепления элементов раскосов связей наиболее оптимальным можно считать вариант 4 (см. рис. 2, г). В случае применения расцентровки узла предпочтение следует отдавать варианту, при котором раскос связи крепится к балке (вариант 2, см. рис. 2, б).
380
372
370
ев О
g 350
о
I 340
330
Без
расцентровки
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 4
Рис. 5. Сравнение результатов расчетов каркаса с различными вариантами узла соединения
раскоса связей
Библиографический список
1. Разумова О. В. Эффективность применения стальных конструкций в жилищно-гражданском строительстве // Металознавство та термiчна обробка металiв. 2016. № 2 (73). С. 68-71.
2. Металлические конструкции: специальный курс / под ред. Е. И. Белени. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Стройиздат, 1991. 685 с.
3. Ведяков И. И., Конин Д. В., Одесский П. Д. Стальные конструкции высотных зданий. М. : АСВ, 2014.
4. СП 294.1325800.2017. Конструкции стальные. Правила проектирования. Свод правил // Техэксперт : сайт. URL: http://docs.cntd.ru/document/456088764 (дата обращения: 25.01.2021).
5. Khan M., Khan F. A., Siddiqui B. Seismic Analysisofa Multi-Storey Building using Steel Braced Frames // International Research Journal of Engineering and Technology. 2019. Vol. 6, № 4. P. 2440-2445.
6. Kumar S., Singh H., Bharj R. S. A seismic study of steel braced RC frame with different arrangements // International Journal of Research in Management, Science & Technology. 2017. Vol. 5, № 1. P. 1-6.
7. Tafheem Z., Khusru S. Structural behavior of steel building with concentric and eccentric bracing: A comparative study // International Journal of civil and structural engineering. 2013. Vol. 4, № 1. P. 12-19.
8. Новоселов А. А., Хусенова И. А. Влияние типа связей на деформативность каркаса многоэтажного здания со стальным каркасом // Вопросы строительства и инженерного оборудования объектов железнодорожного транспорта : материалы науч.-практ. конф. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2017. С. 27-34.
9. СН РК 5.04-07.2004. Пособие по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий (в развитие СНиП РК 2.03-04-2004) / Комитет по делам стр-ва и жилищно-коммунального хоз-ва, Мин-во индустрии и торговли Республики Казахстан. Астана, 2005. Ч. 2. 46 с.
10. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Свод правил : актуализированная редакция СНиП II-23-81* // Техэксперт : сайт. URL: http://docs.cntd.ru/document/456069588 (дата обращения: 25.01.2021).
11. Технический кодекс установившейся практики ТКП EN 1993-1-8-2009 (02250). Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Ч. 1-8. Расчет соединений / Мин-во архитектуры и стр-ва Республики Беларусь. Минск, 2010. 123 с.
12. Joints in Steel Construction. Simple Connections / The Steel Construction Institute and The British Constructional Steelwork Association. L., 2002. 502 р.
Analysis of Joint Behaviour in Vertical Bracings of Steel Frames for Multi-Storey Buildings Abstract. Horizontal stresses can be considered the main load for multi-storey buildings, and especially for high-risers. Bracings are the main bearing element providing the perception of horizontal stresses in braced and frame-braced frames. Bracings are responsible for ensuring the entire building stability, and for providing non-exceedance of permissible horizontal deformations in buildings. The joint design for steel structures is a rather important element in designing of a steel frame. The joint designing of bracing connection with the framework is no exception.
272 с.
А. А. Novoselov
This paper attempts to analyze the behaviour of bracing joint and framework under various connection conditions: the centre of gravity of all elements converging at one point; two joint variants with decentering, and two joint variants with the cantilever existence on the column. The effect of the eccentricity value from the application of the bracing element for the forces in bearing elements has been shown. The comparison of various fastening options in terms of the framework has been given.
The computational complex for the strength analysis of structures by the finite element method SCAD Office for determining the forces which arise in the elements has been used. The analysis was carried out using a design model of the steel frame in a ten-storey public building, taking into account wind and seismic loads. The framework is made by the braced structural diagram. The vertical bracings configuration is V-shaped. The model takes bracings with the square profile cross-section.
The conducted work resulted in discovering of the particular joint influence on the total framework. The preferred joints under various conditions have been determined.
Key words: steel frame; multi-storey building; bracing; bracing connection design; resistance; design models.
Новоселов Алексей Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Здания, строительные конструкции и материалы» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: naa@stu.ru
