Несущая способность фланцевого соединения балок покрытия

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы, связанные с анализом узлов соединений стальных рамных конструкций. Предметом исследования является сфера строительства, а объектом исследований приняты фланцевые соединения балок покрытий одноэтажных производственных зданий. Для достижения поставленной цели в работе использовались такие методы исследования, как анализ, синтез, описание, обобщение и сравнение. Выявлены основные особенности формирования качества взаимодействия фланцев и высокопрочных болтов в составе узлового соединения балок покрытия. Проведен анализ особенностей проектирования и изготовления фланцевых соединений, применяемых для наиболее распространенных конструктивных решений стальных поперечных рам одноэтажных производственных зданий. Рассмотрены основные направления анализа напряженно-деформированного состояния стальных конструкций при наличии признаков деформации (грибовидности) фланцевого соединения. Полученные в ходе выполнения работы данные дадут возможность оптимизировать состав элементов усиления и понизить трудоемкость работ по созданию и монтажу фланцевых соединений балок покрытий ОПЗ.
Ключевые слова: стальные конструкции, балка покрытия, узлы соединений, фланец. 
Abstract. The article deals with issues related to the analysis of junctions of steel frame structures. The subject of research is the construction sector, and the object of research is the flanged joints of beams of coatings of single-storey industrial buildings. To achieve this goal, we used research methods such as analysis, synthesis, description, generalization, and comparison. The main features of forming the quality of interaction between flanges and high-strength bolts in the structure of the nodal connection of the coating beams are revealed. The analysis of the design and manufacturing features of flanged connections used for the most common structural solutions of steel cross frames of single-storey industrial buildings is carried out. The main directions of analysis of the stress-strain state of steel structures in the presence of signs of deformation (mushroom-like) of the flange connection are considered. The data obtained during the work will make it possible to optimize the composition of reinforcement elements and reduce the labor intensity of work on creating and installing flange connections of OPZ coating beams.
Keywords: steel structures, roofing beam, connection nodes, flange.
Введение. Нарастающие темпы и уровень современного строительства, задачи экономии металла и трудоемкости предъявляют требования по применению экономных конструкций и дальнейшему их совершенствованию. Основа современных мировых тенденций развития строительной индустрии – возрастающая степень заводской готовности строительных конструкций или их элементов. Пространственные стержневые конструкции покрытий применяют для более эффективного промышленного производства строительных конструкций, что позволяет снизить затраты от массовости их выпуска, специализации производства и рациональности конструктивных решений.
В связи с вышесказанным можно с уверенностью сказать, что изучение вопросов, которые касаются несущей способности балок конструкций, являются весьма актуальными.
Анализ применения стальных балок на практике. Значительное большинство конструктивных решений одноэтажных производственных зданий (ОПЗ) ориентировано на формирование целостной конструктивной системы (например, стальной рамной системы) из отдельных конструктивных элементов (например, отправочных марок балок покрытий, сплошной или переменной жесткости), изготавливаемых на предприятиях строительной индустрии [1, 2].
Стальные отправочные марки, включая балки покрытия переменной жесткости, могут использоваться для конструирования рамной конструктивной системы ОПЗ (рис. 1) [3].
Одной из особенностей организации связей между отдельными конструктивными элементами (отправочными элементами) поперечной рамы ОПЗ (рис. 1) является применение фланцевых соединений на высокопрочных болтах [4, 5].
Рисунок 1 - Конструктивное решение поперечной рамы ОПЗ с применением балок покрытия переменной жесткости [3]
Отличительной особенностью и безусловным достоинством фланцевых соединений является высокая технологичность, доступность и простота проектирования, изготовления и монтажа стальных (металлических) конструктивных элементов ОПЗ с их применением.
Стальные балки покрытий на фланцевых соединениях могут использоваться для изготовления отправочных марок и монтажа ОПЗ (рис. 2).
Рисунок 2 - Пример применения стальных балок покрытий ОПЗ на фланцевых соединениях [4]
Технология изготовления фланцевых соединений (для устройства монтажных соединений стальных профилей) предусматривает определенную последовательность устройства сварных швов для организации взаимодействия поперечного сечения профиля балки покрытия с фланцем узлового соединения. Применение сварных швов способно привести к накоплению остаточных деформаций, нарушающих геометрическую форму узлового соединения, в виде грибовидности контактной поверхности фланца (см. рис. 3).
Рисунок 3 - Основные виды грибовидности фланцевых соединений балок покрытий [5]
Соответственно, применение фланцевых соединений при наличии грибовидности фланца, принято считать значительным отклонением от установленного функционального качества, которое способно привести к серьезным аварийным последствиям [6, 7].
Стальные балки покрытий могут быть использованы для создания грибовидности фланцевых соединений ОПЗ (см. рисунок 4).
Рисунок 4 - Грибовидность фланцевых соединений стальных балок покрытий [6]
Нормативные рекомендации однозначно указывают на обязательность устранения грибовидности для достижения плотного соединения контактных поверхностей фланцев. Данное обстоятельство является обязательным для определения параметров несущей способности конструктивных элементов узлового соединения, определяемых при помощи аналитических зависимостей. Для выравнивания дефектных поверхностей предусматривается фрезерование плоскостей, а фактический размер (толщина) фланца принимается с положительным припуском в 5-15 мм именно для фрезерования фланцев [1, 6, 8].
Одним из направлений совершенствования традиционного (нормативного) представления о работе фланцевого узла, является предположение об учете возможных пластических деформаций (грибовидности) фланца на перераспределение усилий в высокопрочных болтах [9, 10].
Был произведен расчет «традиционной» и «уточнённой» схем фланцевых соединений балок покрытий открытых видов (например, двутавровых) профилей [9, 11].
Рисунок 5 - Расчетные схемы фланцевых соединений [9]
В уточнённой схеме несущая способность фланцевого соединения сложится из несущей способности отдельных его частей или совокупности Т-образных элементарных фланцевых соединений, а параметры несущей способности узла характеризуются суммарной прочностью элементарных соединений - болтов и участков фланца.
Заключение. Полученные данные позволяют повысить качество проектных решений за счет оптимизации качественного и количественного состава элементов усиления (ребра жесткости, вуты, обратные фланцы, опорные столики) и снизить трудоемкость изготовления монтажа и эксплуатации фланцевых соединений стальных балок покрытий ОПЗ.
Список используемой литературы:
1. Металлические конструкции, включая сварку / Н.С. Москалев, Я.А. Пронозин, Н.Д. Корсун, В.С. Парлашкевич. - М.: АСВ, 2014. - 353 с.
2. Митюгов, Е.А. Курс металлических конструкций / Е.А. Митюгов. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. - 120 с.
3. Копытов, М.М. Металлические конструкции каркасов одноэтажных зданий / М.М. Копытов. - Томск: Издательство Томского государственного архитектурно-строительного университета, 2012. - 316 с.
4. Марутян, А.С., Чернов, П.С. Фланцевые соединения металлических конструкций / А.С. Марутян, П.С. Чернов // Современная наука и инновации. - 2015. - № 1 (9). - С. 70-79.
5. Смирнова, А.А. Проектирование фланцевых соединений металлических конструкций / А.А. Смирнова // Аллея науки. - 2018. - № 6(22). - С. 500-502.
6. Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций. - М.: СО «Стальмонтаж», ВНИПИ «Промстальконструкция», ЦНИИПСК имени Мельникова, 1988. - 83 с.
7. Zhang, J., Dong, P. Residual Stresses in Welded Moment Frames and Implications for Structural Performance / J. Zhang, P. Dong // Journal of Structural Engineering. -2000. - № 3 (126). - P. 70-78.
8. Крохалев, В.Г, Чебыкин, А.А. Технология изготовления металлических конструкций / В.Г. Крохалев, А.А, Чебыкин. - Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2017. - 180 с.
9. Катюшин, В.В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения / В.В. Катюшин. - М.: Стройиздат, 2005. - 450 с.
10. Шафрай, К.А. Особенности работы фланцевых соединений архитектурно-строительных конструкций. Внецентренное растяжение болтов / К.А. Шафрай // Известия вузов Строительство. - 2013. - № 7. - С. 84-92.
11. Криксунов, Э.З., Перельмутер, А.В., Юрченко, В.В. Расчетные модели фланцевых соединений рамных узлов металлических конструкций и их программная реализация в SCAD office / Э.З. Криксунов, А.В. Перельмутер, В.В. Юрченко // Бюллетень строительной техники. - 2010. - № 1. - С. 56-59.
Транслитерированный список литературы
1. Metallicheskie konstrukcii, vklyuchaya svarku / N.S. Moskalev, Ya.A. Pronozin, N.D. Korsun, V.S. Parlashkevich. - M.: ASV, 2014. - 353 s.
2. Mityugov, E.A. Kurs metallicheskix konstrukcij / E.A. Mityugov. - M.: Izdatel`stvo Associacii stroitel`ny`x vuzov, 2010. - 120 s.
3. Kopy`tov, M.M. Metallicheskie konstrukcii karkasov odnoe`tazhny`x zdanij / M.M. Kopy`tov. - Tomsk: Izdatel`stvo Tomskogo gosudarstvennogo arxitekturno-stroitel`nogo universiteta, 2012. - 316 s.
4. Marutyan, A.S., Chernov, P.S. Flancevy`e soedineniya metallicheskix konstrukcij / A.S. Marutyan, P.S. Chernov // Sovremennaya nauka i innovacii. - 2015. - № 1 (9). - S. 70-79.
5. Smirnova, A.A. Proektirovanie flancevy`x soedinenij metallicheskix konstrukcij / A.A. Smirnova // Alleya nauki. - 2018. - № 6(22). - S. 500-502.
6. Rekomendacii po raschetu, proektirovaniyu, izgotovleniyu i montazhu flancevy`x soedinenij stal`ny`x stroitel`ny`x konstrukcij. - M.: SO «Stal`montazh», VNIPI «Promstal`konstrukciya», CzNIIPSK imeni Mel`nikova, 1988. - 83 s.
7. Zhang, J., Dong, P. Residual Stresses in Welded Moment Frames and Implications for Structural Performance / J. Zhang, P. Dong // Journal of Structural Engineering. -2000. - № 3 (126). - P. 70-78.
8. Kroxalev, V.G, Cheby`kin, A.A. Texnologiya izgotovleniya metallicheskix konstrukcij / V.G. Kroxalev, A.A, Cheby`kin. - Ekaterinburg: Izdatel`stvo Ural`skogo universiteta, 2017. - 180 s.
9. Katyushin, V.V. Zdaniya s karkasami iz stal`ny`x ram peremennogo secheniya / V.V. Katyushin. - M.: Strojizdat, 2005. - 450 s.
10. Shafraj, K.A. Osobennosti raboty` flancevy`x soedinenij arxitekturno-stroitel`ny`x konstrukcij. Vnecentrennoe rastyazhenie boltov / K.A. Shafraj // Izvestiya vuzov Stroitel`stvo. - 2013. - № 7. - S. 84-92.
11. Kriksunov, E`.Z., Perel`muter, A.V., Yurchenko, V.V. Raschetny`e modeli flancevy`x soedinenij ramny`x uzlov metallicheskix konstrukcij i ix programmnaya realizaciya v SCAD office / E`.Z. Kriksunov, A.V. Perel`muter, V.V. Yurchenko // Byulleten` stroitel`noj texniki. - 2010. - № 1. - S. 56-59.