Детали стального соединения для кросс-ламинированных деревянных и стальных гибридных конструкций

Кросс-ламинированная древесина (CLT) и стальные гибридные конструкции представляют собой убедительную синергию природных и инженерных материалов. Комбинация использует прочность, жесткость и пластичность стали с устойчивыми, эстетическими теплотворными и углеродосодержащими свойствами массивной древесины. Эти гибридные системы все чаще принимаются в средних и высотных зданиях, учебных заведениях, медицинских центрах и даже промышленных структурах. Однако производительность таких систем критически зависит от деталей соединения между сталью и компонентами CLT. Хорошо спроектированное соединение не только эффективно переносит силы, но и обеспечивает устойчивость в экстремальных условиях и продлевает срок службы. Эта статья обеспечивает авторитетное, углубленное изучение деталей стального соединения для CLT и стальных гибридных структур, охватывающих типы, соображения дизайна, лучшие практики и новые тенденции. Инженеры, архитекторы и специалисты по строительству найдут действенное руководство для достижения безопасных, долговечных и высокоэффективных гибридных систем.

Роль соединений в гибридных системах древесины и стали

Соединения в гибридных структурах представляют собой механические интерфейсы, где нагрузки переносятся между разрозненными материалами. В отличие от однородных структур, гибриды CLT-сталь вводят сложности из-за различий в жесткости, коэффициентах теплового расширения, влагоиндуцированных движениях и поведении ползучести. Сталь изотропна, пластична и размерностабильна, в то время как CLT является ортотропным, относительно хрупким и может набухать или сжиматься с изменениями содержания влаги. Соединение должно разрешать эти различия, не вызывая концентраций напряжения, локализованного выхода или преждевременного отказа. Кроме того, соединения часто управляют общей производительностью системы и способностью рассеивания энергии, особенно в сейсмических зонах. Правильное детальное соединение гарантирует, что гибридная система ведет себя так, как задумано - означает ли это жесткую диафрагму, гибкое звено или сустав с заторможенным трением. Поэтому инвестиции в конструкцию соединения не являются запоздалой мыслью, но фундаментальным детерминантом успеха.

Материальные свойства, информирующие дизайн подключения

Характеристики перекрёстно-ламинированной древесины

CLT состоит из нескольких слоев ортогональных пиломатериалов, обычно с использованием ели-сосны-пихты или других хвойных пород. Ключевые свойства, влияющие на соединения, включают:

Характеристики стальных компонентов

Сталь, используемая в соединениях, обычно колеблется от 50 класса (345 МПа) до высокопрочных болтов (A325 или A490).

Типы деталей стального соединения для CLT

Доступно несколько типов соединений, каждый из которых подходит для конкретных путей нагрузки и ограничений конструкции.

Сплетенные соединения

Встроенные соединения являются одними из наиболее распространенных из-за их простоты, проверяемости и регулировки. Типичная деталь включает стальную пластину (поршневую пластину, базовую пластину или кронштейн), установленную на поверхности CLT или встроенную в углубление, с болтами, проходящими через пластину и панель CLT. Болты обычно оснащены шайбами для распределения несущих напряжений.

Коннекторы для стрижки

Сдвигательные соединители передают в основном силы сдвига (например, на границе между стальным пучком и плитой или стеной CLT). Общие примеры включают стальные углы, каналы или T-секции, закрепленные в CLT с винтами, болтами или периметровыми U-кронштейнами. В составных системах пола CLT-стальной конструкции иногда используются головные шпильки, приваренные к балке и встроенные в панель CLT, хотя шпилька, лежащая на древесине, может быть проблематичной. Альтернативы включают использование тонкого бетонного наконечника для переноса сдвига через шпильки, при этом CLT действует как опалубка. Для вертикальных стен сдвига соединения на основании часто состоят из скобок с откидным верхом и скобок с углом сдвига, аналогичных тем, которые используются в светло-кадровой древесине, но увеличены для толщины и жесткости CLT.

Проклятые связи

Самонарезные винты стали популярной альтернативой болтам для соединения стали с CLT, особенно для небольших скобок или там, где требуется быстрая установка. Винты могут быть наклонены при 45° до 60° для повышения сопротивления вытягиванию. Они предлагают преимущества:

Для больших нагрузок могут использоваться несколько винтов, расположенных в кольцах или сетках.Пропускная способность определяется отводом винтов, протягиванием головы и изгибом стальных пластин.

Клейковинные штаны

Стержни из клееной стали (также называемые креплениями типа дольки с эпоксидными или полиуретановыми клеями) обеспечивают высокую прочность и жесткость, особенно для натяжных соединений, перпендикулярных зерну. В CLT просверливается отверстие, заполненное конструкционным клеем, и вставляется резьбовый стержень. После отверждения стержень действует как крепление. Эта деталь используется для конечных зерновых соединений или там, где имеет значение визуальный вид (стержень может быть скрыт). Однако контроль качества клеевого впрыска, время отверждения и температурная чувствительность требуют тщательного исполнения. Стержни из клееной стали часто сочетаются со стальной пластиной снаружи для распределения нагрузки.

Зажимные устройства

Зажимные соединения захватывают панель CLT, не проникая в нее, таким образом сохраняя целостность древесины и избегая проникновения влаги. Как правило, стальной канал или пара углов распространяется вокруг края панели, зажимаемого сквозными болтами. Сжатие передается через трение или подшипник. Эти соединения полезны там, где ожидается разборка или где нежелательно сверление (например, в исторической сохранности или тонких панелях). Сила зажима должна быть достаточной, чтобы предотвратить проскальзывание при конечных нагрузках, но не настолько высокой, чтобы это вызывало дробление CLT.

Дизайнерские решения для стальных соединений CLT

Проектирование соединений для гибридных структур требует целостного подхода, объединяющего структурный анализ, материаловедение и строительную логистику.

Механизмы переноса нагрузки

Соединения должны противостоять осевому напряжению, сжатию, сдвигу, изгибу моментов и кручению. Каждый тип нагрузки требует различной геометрии соединения. Например, для мгновенного соединения (например, в шарнирно-колоннном соединении) могут потребоваться стальные коленные брекеты, фланцевые пластины или настраиваемые секции. Понимание пути нагрузки и распределения между несколькими крепежами имеет решающее значение. Для сложных конфигураций рекомендуется проводить эластичный анализ с использованием пружинных моделей или методов конечных элементов. Емкость соединения - это не просто сумма индивидуальных емкостей крепежа; следует учитывать групповые эффекты, снижение жесткости и хрупкие отказы.

Размещение движений

Дифференциальное расширение и сокращение между сталью и CLT могут вызывать напряжения. Коэффициент термического расширения стали составляет примерно 12 × 10−6 / ° C, в то время как CLT составляет около 3-5 × 10−6 / ° C. Изменения температуры могут создавать требования к смещению, особенно в соединениях с длинным пролетом. Кроме того, усадка влаги CLT может вызывать зазоры или рыхление. Решения включают щелевые отверстия для болтов, удлиненные отверстия в пластинах или использование эластичных наполнителей. Для высоких зданий, суставы движения в соединениях от пола до стен должны допускать вертикальную и боковую деформацию.

Дюктильность и энергетическая диссипация

В сейсмических регионах соединения должны обеспечивать пластичность и рассеивание энергии. Предпочтительным элементом пластичности является стальной компонент. Стратегии проектирования включают:

Факторы долговечности (μ) для соединений часто ниже, чем для систем из цельного стали; необходимы тщательные испытания и квалификация. Производители могут предоставлять предварительные квалифицированные детали соединения на основе полномасштабного тестирования.

Огнестойкость

Огонь является критическим фактором проектирования для гибридных конструкций. Сталь быстро теряет прочность выше 400°C, в то время как CLT-заводы медленно. Соединения должны быть защищены для поддержания требуемого рейтинга огнестойкости (FRR). Методы защиты включают:

Испытания на огнестойкость в соответствии со стандартами ASTM E119 или EN 1995-1-2 должны подтвердить эффективность соединения. Соединение должно предотвращать распространение пламени через соединения и поддерживать грузоподъемность в течение требуемого периода времени.

Долговечность и защита от коррозии

Влажность является врагом деревянных соединений. Сталь должна быть оцинкована горячим способом (минимум 85 микрон на ASTM A123) или покрыта прочной системой краски. В районах с высокой влажностью или воздействием солей (например, прибрежные среды), может быть указана нержавеющая сталь (304 или 316) или выветривающая сталь (Кортен). На границе между сталью и CLT прокладка или строительная бумага могут предотвращать попадание воды и электролитическую коррозию. Рекомендуется регулярное обследование доступных соединений, особенно во время строительства (влажная погода) и в первые несколько лет службы.

Лучшие практики для строительства

Реализация на местах должна соответствовать целям проектирования. Общие подводные камни включают несоответствие отверстий, затягивание, вызывающее дробление, и неправильное уплотнение.

Стандарты и коды проектирования

Конструкция стальных соединений CLT регулируется национальными и международными стандартами. Инженеры должны проконсультироваться:

Для сейсмической конструкции ASCE 7 в США или NBCC в Канаде обеспечивают комбинации нагрузки и коэффициенты пластичности. Специальные положения для массивных деревянных зданий (например, код IBC типа IV-B 2021 года) включают требования к детализации соединения.

Документы Европейской технической оценки (ETA) для запатентованных систем подключения (например, Rothoblaas, SFS, Simpson Strong-Tie) обеспечивают проектные мощности для конкретных продуктов.

Пример: гибридное здание CLT-Steel в Портленде

Здание Albina Yard имеет стальную раму с напольными и кровельными панелями CLT. Соединения на слое стального балочного к CLT интерфейсе использовали болтовый стальной угловой разъем с прорезными отверстиями, чтобы обеспечить относительную устойчивость к конструкции и тепловое движение. Соединение было разработано для передачи сдвига диафрагмы, позволяя панели CLT скользить во время отверждения бетонных настилов. Измерения поля подтвердили, что прорезьное соединение снижало концентрации напряжений и избегало растрескивания. Этот проект демонстрирует важность сотрудничества между стальными детализаторами, дизайнерами древесины и подрядчиками.

Новые тенденции и исследования

Текущие исследования направлены на повышение производительности и эффективности подключения:

Продолжение исследований позволит усовершенствовать методы проектирования, снизить затраты и расширить применимость гибридов CLT-стальной стали к более высоким и сложным конструкциям.

Заключение

Детали стального соединения являются основой для кросс-ламинированных деревянных и стальных гибридных конструкций. Они должны балансировать структурные характеристики, конструктивность, долговечность и пожарную безопасность при соблюдении различных типов соединений. Выбирая соответствующие типы соединений - болтовые, винтовые, склеенные или зажатые - и применяя строгий дизайн и контроль качества, инженеры могут создавать гибридные системы, которые являются безопасными, эффективными и долговечными. По мере того, как отрасль движется к более высоким массивным деревянным зданиям и более строгим целям устойчивости, мастерство детализации соединений останется определяющей компетенцией. Овладение передовыми методами и следование развивающимся стандартам и инновациям обеспечат, что эти структуры продолжают раздвигать границы современной архитектуры.

Читать далее →