Детали стального соединения для консольные конструкции и свесы

Введение

Консольные конструкции и свесы повсеместно встречаются в современном строительстве, от балконов и навесов до мостовых палуб и проекций крыши. Стальные соединения, поддерживающие эти проекционные элементы, должны быть спроектированы с исключительной тщательностью, поскольку весь путь нагрузки зависит от целостности одной опорной линии. В отличие от просто поддерживаемых балок, имеющих несколько точек реакции, консольный полностью полагается на свое фиксированное соединение для передачи изгибающих моментов, сдвига сил и торсионных нагрузок в поддерживающий элемент. Провал в этих деталях соединения может привести к катастрофическому коллапсу, что делает их правильную конструкцию не только вопросом производительности, но и общественной безопасности.

В этой статье представлен всеобъемлющий обзор деталей стального соединения, специально предназначенных для консольные конструкции и свесы. Он охватывает типы соединений, механизмы переноса нагрузки, соображения проектирования, детализирование практики и требования к коду. Информация предназначена для руководства инженеров-строителей, изготовителей и детализаторов в создании прочных, код-совместимых и экономичных соединений для проецирования стальных элементов.

Фундаментальное поведение консольных соединений

Любое стальное соединение, поддерживающее консоль, должно противостоять трем основным действиям: вертикальному сдвигу, моменту изгиба и — в зависимости от геометрии — торсионному.Момент, требуемый при опоре, является продуктом длины консольного и приложенной нагрузки (включая собственный вес). Поскольку момент является самым высоким на фиксированном конце, соединение должно быть спроектировано для передачи этого момента без чрезмерного вращения или выхода. Кроме того, соединение должно обеспечивать достаточную жесткость вращения, чтобы удерживать отклонения в пределах исправности.

Механизмы переноса моментов

Момент передаётся через соединение путём развития растяжения и сжатия сил на противоположных сторонах нейтральной оси соединительных элементов.В соединении с болтовым моментом это достигается путём обеспечения болтов как на натяжных, так и на сжатых флангах наряду с сдвигающими болтами в паутине.Момент переноса сварных соединений через полнопроникающие канавки сварных швов на флангах и филе сварных швов на паутине, создавая непрерывный путь нагрузки.

Типы консольные структуры и их требования к соединению

Различные консольные приложения предъявляют различные требования к соединениям:

Загрузки и силы в коннекторе Cantilever Connection Design

В качестве первого шага в разработке конструкции соединения следует рассмотреть следующие нагрузки, часто в сочетании с предписаниями руководящего строительного кодекса (например, ASCE 7 в Соединенных Штатах):

Все комбинации нагрузки применяются для определения максимального факторизованного момента (M u) и факторизованного сдвига (V u) на соединительной поверхности. Эти значения определяют выбор и пропорциональную пропорцию болтов, сварных швов, пластин и жесткости.

Типы стальных соединений для кантилеверов

Моментные соединения

Моментные соединения являются наиболее распространенным типом для консольные, поскольку они обеспечивают необходимое вращательное удерживающее устройство.

Ширные связи

Хотя чистое сдвигающее соединение не может противостоять моменту, оно часто используется в сочетании с моментостойкими элементами. Для консольные соединения сдвига используются в основном в точках, где момент теоретически равен нулю (например, во внутренних опорах непрерывных лучей) или как часть гибридного соединения, где сдвига передается независимо. Общие сдвигающие соединения включают:

  • Таблички сдвига: Вертикальная пластина, приваренная к поддерживающему элементу и прикрепленная к лучевой паутине.
  • Двухугольные соединения: Два угла, завинченные или сваренные к лучевой паутине и опоре.
  • Насадочные соединения: Застывший или незастывший угол сиденья, поддерживающий нижний фланж, с верхним углом для боковой устойчивости.

Пиннированные соединения

Уплотненные соединения намеренно допускают вращение. Они редко используются в качестве единственной опоры для консольного луча, потому что любое вращение на опоре приведет к значительному отклонению консольного конца. Однако зажатые соединения появляются в навесных базовых пластинах консольных колонн или во временных структурах, где требуется контролируемое движение. В постоянной работе, если закреплённое соединение используется на опоре консольного луча, навес должен быть спроектирован как луч с моментальным высвобождением — эффективно делая его просто поддерживаемым пролетом со свободным концом, который не является истинным консольным лучом.

Подробности подключения в глубине

Конец соединения плит

Конечные пластинчатые соединения широко используются для консольные балки, прикрепленные к колоннам или стенкам. Пластина сварена к концу балки либо с помощью сварного канавочного сварного шва, либо комбинацией филеварочных сварных швов. Толщина пластины определяется для того, чтобы избежать посторонних действий в болтах при растягивающих силах. Для тонких конечных пластин часто добавляются затвердевающие элементы , чтобы увеличить жесткость и уменьшить пощипывание болтов. Круг затвора должен быть расположен для максимизации рычага и минимизации необходимого количества болтов. AISC Design Guide 16 обеспечивает всестороннее руководство по промывным и расширенным соединениям концевых пластин.

Базовые соединения плит для консольных колонн

Когда колонна проецируется вверх в виде консольного элемента от основания, соединение базовой пластины должно противостоять переворачивающему моменту и сдвигу. Базовые пластины обычно имеют размеры для распределения фланцевых сил колонны в бетон, используя анкерные стержни для развития напряжения на подъёмной стороне. Толщина базовой пластины регулируется напряжением подшипника под сжатием и изгибом в пластине из-за напряжения анкерной палочки. Грута помещается между пластиной и бетоном для обеспечения полного подшипника. Для устойчивых к моменту базовых пластин иногда свариваются между фланцами колонны и базовой пластиной для передачи высоких моментов.

Связь с затяжным моментом с помощью риффенер

Там, где тяжелые моменты должны быть переданы с болтовыми соединениями, затвердевшие становятся необходимыми. Эти затвердевшие соединители (часто называемые пластинами непрерывности) помещаются на опорный элемент напротив консольные фланцы. В колонке затвердевшие выравниваются с натяжением и сжатием фланцев соединенного луча, чтобы предотвратить выход колонны или изгиб фланга. Затвердевшие соединения момента с затвердевшими требуют тщательного выравнивания и часто используют предварительно загруженные высокопрочные болты (ASTM A325 или A490), установленные в затвердевающих критических соединениях для обеспечения немедленной жесткости.

Сварные консольные соединения

Сварные соединения распространены в консольные сборки, изготовленные в магазине, где качество может быть лучше контролируемым. Для передачи в самый высокий момент на флангах используются полные канавочные сварные швы (CJP), а на сварных швах филе используются в паутине. Сварной металл должен соответствовать или превышать прочность базового металла. Отверстия доступа к сварке предусмотрены в паутине пучка, чтобы позволить сварку через фланцы и снизить концентрации напряжения. Послесварная термообработка может потребоваться для толстых секций для снятия остаточных напряжений.

Контейнерные соединения Plate Cantilever Connections

В гибридных стальных-древесных или стальных бетонных консолях листовые пластины - тонкие стальные пластины, зажатые между деревянными или бетонными элементами, - передают сдвиг и момент от консоля в боковую опору. Стальная пластина часто вытягивается за пределы опоры и болтается или сваряется. Детализация должна учитывать дифференциальную усадку и ползучесть в не стальном материале. Эти соединения менее распространены в чистой стальной конструкции, но появляются в ремонтных работах или композитных палубах.

Конструкция, специфичная для Cantilevers

Усталость и циклическая погрузка

Кантилеры, поддерживающие движущиеся нагрузки (например, балки крана, мостовые кантилеверы), подвержены усталостному отказу при соединении. Необходимо проверить категории деталей от AISC 360 или Еврокод 3. Сварные соединения обычно имеют более низкое утомляющее сопротивление, чем болтовые соединения; поэтому для приложений с высоким циклом предпочтительны болтовые моментальные соединения с предварительно загруженными болтами в критическом состоянии скольжения. Все детали должны устранить резкие изменения жесткости и избежать повторных поворотов, которые концентрируют напряжение.

Защита от коррозии

Внешние кантилеверы подвергаются воздействию погоды и требуют защиты от коррозии. Горячее цинкование является обычным явлением, но необходимо учитывать зазоры для болтов. После сварки и шлифования применяются системы окраски, соответствующие стандартам SSPC. Кревицкая коррозия может возникать при болтовых соединениях, где влага захвачена; поэтому целесообразным является герметизация шайб или герметика между подделывающимися поверхностями.

Конструктивность и эректильная толерантность

Кантилеверные соединения часто возводятся на высоте, требуя тщательного планирования доступа и выравнивания. Моментные соединения со многими болтами трудно подогнаны, если нормальные допуски сверления слишком плотные. Использование короткосортированных отверстий в одном элементе может облегчить выравнивание без чрезмерного снижения прочности. Соединение также должно позволять временное крепление во время монтажа до закрепления смежных конструктивных элементов.

Эстетические соображения

В архитектурном сталелитейном производстве соединение может быть оставлено открытым. Чистые линии, симметричные шаблоны болтов и минимальные пластины гусеев усиливают визуальную привлекательность. Скрытые соединения с использованием изогнутых шпиль или резьбовых вставок могут быть указаны для балконов, где опорная сталь должна быть скрыта. Однако скрытые соединения должны по-прежнему обеспечивать требуемую емкость момента и быть проверяемыми.

Методы анализа консольных соединений

Ручные расчеты, основанные на упругом методе (сбалансированный дизайн) или более экономичном пластиковом дизайне, могут быть использованы. компонентный метод , впервые предложенный Eurocode 3, разбивает соединение на отдельные компоненты (болтовой ряд в напряжении, столбчатая паутина в сжатии, конечная пластина в изгибе и т. Д.) и собирает их в пружинную модель для определения жесткости и прочности. Анализ конечных элементов (FEA) все чаще используется для сложных геометрий, что позволяет детально моделировать натяжение болта, форму сварки и поведение нелинейного материала. Примером проверки FEA является работа, описанная в Журнал исследований конструкционной стали .

Изготовление и эрекция лучшие практики

Подключение моментного соединения имеет решающее значение: зазоры на фланцевых сплайсах должны быть минимальными, чтобы избежать введения эксцентриситетов. Шимы могут использоваться, но должны быть тщательно разработаны для поддержания притяжения болта. Последовательности сварки должны минимизировать искажения; например, сварка из центра наружу и чередование между флангами. Сварные соединения требуют надлежащего затягивания - поворот гайки или калиброванные методы крутящего момента - и проверка для подтверждения предварительной нагрузки.

Перед эрекцией консольный луч должен быть закаптан, если отклонение мертвой нагрузки является значительным. Следует учитывать эксцентриситет соединения: если соединение не сосредоточено на опоре, P-дельта-эффекты усиливают момент. Временная фиксация необходима для предотвращения опрокидывания консольные во время сборки.

Инспекция и техническое обслуживание

Все сварные консольные соединения должны проходить неразрушающее тестирование (НДТ) - ультразвуковое или магнитное тестирование частиц для канавочных сварных швов, а также визуальный осмотр плюс прокол красителя для филе сварных швов. Вращенные соединения в скольжение-критических соединениях требуют проверки крутящего момента. План технического обслуживания должен включать периодические проверки на коррозию, усталостные трещины (особенно вблизи сварных пальцев) и расшатывание болтов. Для консольные швы длительного действия, мониторинг отклонений может обеспечить раннее предупреждение об ухудшении соединения.

Применимые кодексы и стандарты

В Северной Америке основными ссылками являются AISC 360-22 (Освоение структурных стальных зданий) и AISC Seismic Provisions (AISC 341) для сейсмических моментов. Спецификации RCSC (Исследовательский совет по структурным соединениям) регулируют использование болтов. В Европе Eurocode 3: Design of Steel Structures - Part 1-8 охватывает соединения. Многие местные юрисдикции также имеют дополнительные требования к консольным структурам, особенно в ветровых или сейсмических зонах.

Пример: типичное соединение консолей с консолью

Рассмотрим 3-метровый консольный балкон, изготовленный из балки W310×52. Коэффициентный момент на опоре составляет 250 кН·м, а факторный сдвиг - 80 кН. Выбирается болтовое контурное соединение на конце щитка 350-й марки, толщина 25 мм, сваривают к балке сварными швами CJP на фланцах и двусторонними филе-сварками на паутине. Четыре 24-мм диаметра A325 болты в два ряда (наружная строка 300 мм от центра балки, внутренняя строка 100 мм от центра) обеспечивают сопротивление натяжению. Колонка фланца усилена пластинами непрерывности напротив флангов балки. На концевом листе между рядами болтов добавляются штиффереры для уменьшения порывистого действия. Соединение анализируется по процедурам AISC Manual, а напряжение болта от порывистых сил проверяется. Окончательная конструкция удовлетворяет критериям прочности и жесткости, а балкон отклоняется на 14 мм под живой нагрузкой, хорошо под предел

Заключение

Детали стального соединения для консольные конструкции и свесы требуют тщательного внимания к пути нагрузки, детализации, изготовлению и установке. Выбор типа соединения - будь то момент-сопротивление, сдвига или прикола - зависит от конкретных требований конструкции, включая величину сил, усталостное воздействие, коррозионную среду и эстетические требования. Современные методы проектирования, включая анализ на основе компонентов и FEA, позволяют инженерам оптимизировать производительность соединения при сохранении безопасности. Соблюдение кодов, таких как AISC 360 и Eurocode 3, в сочетании с надлежащим контролем качества в сварке и болтовании, гарантирует, что консольные соединения будут надежно служить для срока службы конструкции. Поскольку конструкции зданий продолжают толкать пролеты дольше и формирует более смелый, важность надежных, хорошо детализированных стальных соединений остается первостепенной.