Связи жёсткости каркаса: проектирование и схемы

Связи жёсткости каркаса — система стержневых элементов, обеспечивающих пространственную жёсткость и устойчивость металлокаркаса здания. Без связей плоские поперечные рамы остаются геометрически изменяемыми в продольном направлении и неспособны воспринимать ветровые, крановые и иные горизонтальные нагрузки. Эта статья разбирает виды связей, принципы расположения по схемам каркаса, расчёт элементов на горизонтальные нагрузки и характерные ошибки проектирования.

Материал носит справочный и образовательный характер. Расчёт несущих конструкций должен выполняться квалифицированным проектировщиком с учётом конкретных грунтовых условий, климатических нагрузок и эксплуатационных требований. Применение приведённых принципов для самостоятельного проектирования без поверки специалистом не рекомендуется.

Назначение связей в каркасе

Типовой каркас одноэтажного производственного здания состоит из поперечных рам, соединённых продольными элементами — прогонами кровли, подкрановыми балками, ригелями. Без специальных связевых элементов каркас обладает достаточной жёсткостью только в плоскости поперечной рамы; в продольном направлении он остаётся геометрически изменяемым.

Связи решают четыре задачи:

• обеспечивают пространственную жёсткость каркаса в продольном и поперечном направлениях;
• воспринимают горизонтальные нагрузки (ветер, торможение крана, сейсмика) и передают их на фундамент;
• уменьшают расчётную длину сжатых элементов, обеспечивая закрепление верхних поясов ферм и колонн;
• обеспечивают совместную пространственную работу всех плоских рам.

Отказ от связей возможен только в рамных каркасах с жёсткими узлами защемления, где устойчивость в плоскости и из плоскости рамы обеспечивается жёсткостью самих узлов. Но и в таких каркасах связи покрытия по верхним поясам ферм обычно сохраняются для закрепления сжатых поясов от потери устойчивости из плоскости.

Виды нагрузок, воспринимаемых связями

На связевую систему действуют следующие нагрузки:

Нагрузка	Направление	Источник
Ветровая на торец	Горизонтальная продольная	Ветровое давление на торцевые стены здания
Ветровая на боковую стену	Горизонтальная поперечная	Ветровое давление на длинные стены
Торможение крана	Горизонтальная продольная	Инерционные силы при разгоне и торможении тележки крана
Поперечный удар крана	Горизонтальная поперечная	Удар тележки о крайнее положение
Удерживающие усилия на сжатые пояса	Малые горизонтальные	Отклонение сжатых элементов из плоскости при работе
Сейсмическая	Любое направление	Для районов с расчётной сейсмичностью

Каждая нагрузка передаётся через определённую группу связей. Ветровая нагрузка на торец — через горизонтальные связи покрытия и вертикальные связи между колоннами. Крановое торможение — через продольные тормозные конструкции и вертикальные связи в нижней части колонн. Удерживающие усилия — через связи по верхним поясам ферм.

Вертикальные связи между колоннами

Вертикальные связи устанавливаются в продольных рядах колонн каркаса для восприятия продольной ветровой и крановой нагрузки. Они расположены в плоскости колонн и работают совместно с ригелями каркаса.

Типовые системы вертикальных связей:

• крестовые связи — два диагональных раскоса под углом 35–55° к горизонтали, работают на растяжение (один раскос работает при ветре в одном направлении, второй — в обратном);
• портальные связи — обходят дверные и оконные проёмы, состоят из жёстких рам с моментными узлами;
• раскосные связи — один диагональный раскос между двумя колоннами;
• распорные связи — горизонтальные элементы между колоннами для соединения связевых ячеек.

В одноэтажном здании вертикальные связи располагают между двумя смежными колоннами в одном или двух местах по длине здания. Для зданий длиной до 72 м обычно достаточно одной связевой ячейки в середине, для длинных — двух или более, размещённых ближе к торцам с расстоянием между ними не более 50–60 м.

Горизонтальные связи покрытия

Связи покрытия — горизонтальные системы, размещённые в плоскостях верхних и нижних поясов стропильных ферм. Образуют диск жёсткости покрытия, обеспечивающий пространственную работу каркаса в горизонтальной плоскости.

Связи по верхним поясам ферм:

• закрепляют сжатые верхние пояса ферм от потери устойчивости из плоскости;
• передают ветровую нагрузку с торцевой стены на боковые продольные ряды колонн;
• работают как горизонтальная балка-ферма с поясами из стропильных ферм;
• располагаются между двумя соседними фермами в виде крестовой или раскосной решётки.

Связи по нижним поясам ферм:

• обеспечивают пространственную работу нижнего пояса;
• служат для подвеса инженерных коммуникаций и оборудования;
• передают усилия от стенового фахверка торца здания на боковые ряды;
• располагаются в плоскости нижних поясов аналогично верхним.

Размещение связевых блоков по длине здания согласуется с вертикальными связями между колоннами — обычно в одних и тех же осях для создания цельной пространственной системы.

Связи в торце здания

Торцевая стена воспринимает значительную ветровую нагрузку и передаёт её на каркас. Для распределения этой нагрузки между крайними фермами и колоннами устанавливают:

• фахверковые стойки торца — вертикальные стойки, передающие нагрузку с торцевой стены на верхнюю и нижнюю обвязку;
• торцевые горизонтальные связи — в уровне верхних и нижних поясов ферм по торцу;
• вертикальные связи в торце между колоннами — соединяют верх и низ фахверкового пояса.

Принципиальное требование: торцевая ветровая нагрузка должна доходить до фундамента через непрерывную цепочку связей. Любой разрыв в этой цепочке приводит к концентрации усилий в смежных элементах, не рассчитанных на их восприятие.

Распорки и подкосы

Распорки — продольные сжатые элементы между фермами, обеспечивающие совместную работу и закрепление от потери устойчивости. Применяются:

• распорки в уровне верхних поясов — закрепляют сжатый пояс ферм между связевыми блоками;
• распорки в уровне нижних поясов — обеспечивают пространственную работу нижнего пояса;
• распорки в плоскости нижних поясов ферм — устанавливаются в фермах с большими пролётами с интервалом, кратным длине панели.

Подкосы — наклонные сжатые элементы между фермой и колонной, обеспечивающие частичную жёсткость в плоскости рамы. Применяются в каркасах с шарнирным узлом ферма-колонна, когда требуется минимальное защемление верха колонны для уменьшения её расчётной длины.

Сечения распорок и подкосов — обычно одиночные уголки или круглые трубы. Расчёт ведётся на сжатие с проверкой устойчивости и проверкой предельной гибкости (не более 150 для типовых случаев).

Принципы расположения связей

Расположение связей по длине здания подчиняется нескольким принципам:

• связевые ячейки располагают симметрично относительно длины здания для равномерного восприятия температурных деформаций;
• расстояние между связевыми блоками — не более 50–60 м, для зданий с тяжёлыми кранами — не более 40 м;
• от торца здания до ближайшей связевой ячейки — не более 25–30 м;
• связи вертикальные между колоннами и горизонтальные связи покрытия размещают в одних и тех же осях для создания единой пространственной системы;
• при наличии деформационных швов связи устраивают по обе стороны шва как для самостоятельных секций.

В производственных зданиях с большими пролётами или высотой более 18 м применяют двухъярусные системы связей: основные связи в нижней половине колонны и дополнительные — в верхней.

Расчёт связей

Связи рассчитываются на следующие воздействия:

• горизонтальные ветровые нагрузки от торцевых стен — определяющая нагрузка для торцевых связей;
• крановые горизонтальные нагрузки — для вертикальных связей нижнего яруса в подкрановых зданиях;
• условные удерживающие силы — для связей, обеспечивающих устойчивость сжатых поясов;
• пожарные расчётные ситуации — учитываются для конструкций ответственных категорий.

Удерживающее усилие на сжатый пояс по СТБ EN 1993-1-1 принимается равным 1/100–1/200 продольного усилия в поясе с учётом начальных несовершенств. Несмотря на относительно малую величину, это усилие даёт значительные суммарные нагрузки при большом числе элементов, закрепляемых связью.

Связи проектируют как стержневую систему, обычно расчёт ведётся по правилам ферм — стержни работают на осевые усилия. Сечения связей подбирают из условия прочности на растяжение или сжатие с проверкой устойчивости и предельной гибкости.

Типы сечений элементов связей

Сечения элементов связей подбирают с учётом характера работы (растяжение или сжатие), удобства узлов и эстетики:

• круглая сталь — для растянутых связей малых сечений (стяжки, тяги);
• одиночные уголки — наиболее распространённое решение для среднего нагружения;
• парные уголки — для тяжёлых связей с большими усилиями;
• квадратные и прямоугольные трубы (ГСП) — современное решение, обеспечивает лучшую устойчивость сжатых элементов и эстетичный вид;
• круглые трубы — для эстетически открытых конструкций.

Связи из круглой стали с резьбой и муфтой натяжения применяются как тяжи, не воспринимающие сжимающих усилий. При смене направления нагрузки работает другой раскос крестовой связи — гибкие связи в этом случае выгодны по расходу материала.

Типовые ошибки

• Отсутствие связей в каркасе с шарнирными узлами — каркас становится геометрически изменяемой системой, неспособной воспринимать продольные нагрузки.
• Расположение связей только в одном торце здания — несимметричное восприятие температурных деформаций, перекос здания.
• Слишком большой пролёт связевой ячейки — гибкость элементов превышает предельную, потеря устойчивости.
• Несоблюдение единого расположения вертикальных и горизонтальных связей — отсутствие целостной пространственной системы.
• Применение единичных связей без учёта смены направления нагрузки — при ветре с другой стороны связи остаются без работы.
• Игнорирование условных удерживающих сил при расчёте связей по сжатым поясам — занижение требуемых сечений.
• Эксцентричное примыкание связей к узлам каркаса — паразитные моменты в основных элементах.
• Отсутствие распорок между связевыми ячейками в длинном здании — пропуск пространственной работы средних секций.
• Применение связей с тяжами без возможности натяжения — потеря работоспособности при сезонных деформациях каркаса.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли построить каркас без связей? Можно, при условии рамной схемы с жёсткими узлами защемления. Но устойчивость в этом случае обеспечивается жёсткостью узлов, что увеличивает их сложность и стоимость. Для большинства промышленных зданий связевая схема экономически выгоднее.

Сколько связевых блоков нужно в одном здании? Для здания длиной до 48–54 м — один блок в середине, до 90 м — два блока ближе к торцам, для более длинных — дополнительные блоки с интервалом 50–60 м.

Чем крестовая связь отличается от раскосной? Крестовая связь имеет два диагональных раскоса, работающие на растяжение поочерёдно при разных направлениях ветра. Раскосная — один раскос, работающий и на растяжение, и на сжатие в зависимости от направления нагрузки. Крестовые связи рациональнее по расходу металла, раскосные — проще конструктивно.

Можно ли связи устанавливать после возведения каркаса? Нельзя. Связи должны быть смонтированы по мере возведения каркаса для обеспечения устойчивости промежуточных монтажных состояний. Монтаж без связей опасен для всей конструкции.

Что такое связевый диск? Группа связей, расположенных в одной плоскости и обеспечивающих жёсткость в этой плоскости. Связевый диск покрытия — это совокупность связей по верхним поясам ферм, образующих единую систему пространственной жёсткости.

Должны ли связи обходить технологические проёмы? Да, при невозможности размещения связи в проектной плоскости из-за проёма применяют портальные связи или переносят связевую ячейку в соседний шаг колонн. Перенос связи возможен с учётом возросшего расстояния от торца до ближайшего блока.

Сокращения и обозначения

• ТНПА — технические нормативные правовые акты;
• СТБ — стандарт Беларуси;
• ТКП — технический кодекс установившейся практики;
• СНБ — строительные нормы Беларуси;
• EN — европейский стандарт (Euronorm);
• ГСП — гнутосварной профиль;
• КМ, КМД — конструкции металлические / металлические деталированные;
• N — продольное усилие;
• λ — гибкость стержня;
• L_ef — расчётная длина.

Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.