Связи жёсткости каркаса: проектирование и принципы расстановки

Связи жёсткости — невидимая часть каркаса, без которой здание не стоит. Под ветровой нагрузкой стальной каркас работает не как набор отдельных рам, а как пространственная коробка, в которой горизонтальные нагрузки от стен и кровли через связи передаются в фундамент. На объекте связи легко не заметить: тонкие диагональные элементы в плоскости стен и кровли, скрытые за облицовкой и теплоизоляцией. На чертежах они занимают отдельный лист «Системы связей», и без правильно спроектированной системы связей каркас теряет пространственную жёсткость уже при средней ветровой нагрузке. Этот материал собирает то, что должен знать конструктор и инспектор: какие связи бывают, как их расставлять по каркасу, и как они работают на конкретные нагрузки.

Что делают связи в каркасе

Связи жёсткости выполняют четыре функции:

• воспринимают горизонтальные нагрузки (ветровая, тормозная от кранов, технологическая) и передают их на жёсткие диафрагмы или фундаменты;
• обеспечивают раскрепление сжатых поясов ферм и колонн от потери общей устойчивости из плоскости;
• удерживают каркас в проектной геометрии при монтаже до устройства стенового заполнения и кровли;
• распределяют сосредоточенные нагрузки (особенно при стихийных нагрузках, наезде транспорта, неравномерных снегах) между несколькими рамами каркаса.

Каркас без связей — это набор плоских рам, каждая из которых неустойчива из своей плоскости. Связи объединяют рамы в пространственную систему с распределением нагрузок.

Классификация связей

Связи в каркасе делятся по нескольким признакам:

• по плоскости расположения — вертикальные (между колоннами) и горизонтальные (в плоскостях поясов ферм и междуэтажных перекрытий);
• по функции — ветровые (воспринимают горизонтальную нагрузку от ветра), тормозные (от кранов), монтажные (временные при монтаже), технологические (для отдельного оборудования);
• по геометрии — крестовые (две диагонали наперекрест), портальные (одна диагональ с распоркой), полураскосные (одна диагональ);
• по характеру работы — растягивающиеся (вытянутые стержни), сжато-растягивающиеся (работающие в обе стороны), смешанные.

Вертикальные связи между колоннами

Вертикальные связи устанавливаются между колоннами в плоскости стен. Воспринимают:

• горизонтальные ветровые нагрузки от стенового ограждения, которые передаются через ригели или через распорки на связи и далее в фундаменты;
• тормозные нагрузки от мостовых кранов (для подкрановых производств);
• сейсмические нагрузки (в сейсмически активных регионах);
• удерживают каркас от смещения и опрокидывания при монтаже до устройства стенового ограждения.

Стандартная конфигурация — крестовая связь с двумя диагоналями. Каждая диагональ работает в одном направлении ветра: при ветре с одной стороны одна диагональ растянута, другая выключается из работы (сжатая теряет устойчивость). Расчёт обычно ведётся в предположении, что сжатая ветвь не работает, и вся нагрузка приходится на растянутую.

В одноэтажных каркасах вертикальные связи обычно располагаются в одной или нескольких поперечных плоскостях здания (в зависимости от длины здания), а также в продольных стенах. Стандартная привязка:

• в коротких зданиях (длина до 60 м) — по одному связевому блоку посередине здания в продольных стенах;
• в средних зданиях (60–120 м) — два связевых блока в продольных стенах, отделённые температурным швом;
• в длинных зданиях (свыше 120 м) — несколько связевых блоков с шагом не более 80 м, разделённых температурными швами.

Горизонтальные связи в плоскостях поясов

Горизонтальные связи в плоскости верхних поясов ферм — самая нагруженная система связей промышленного каркаса. Воспринимают:

• ветровые нагрузки от торцевых стен, передаваемые через прогоны на пояса ферм и далее через связи в крайние колонны;
• раскрепление сжатых верхних поясов ферм от потери общей устойчивости;
• удержание ферм в монтажной геометрии до устройства кровли.

Стандартная конфигурация горизонтальных связей — крестовая или раскосная между двумя смежными фермами. Шаг связей между фермами:

• в зданиях с лёгкой кровлей — связевые блоки через каждые 3–4 шага ферм;
• в зданиях с тяжёлой утеплённой кровлей — через каждые 2–3 шага;
• в зданиях с подкрановыми балками — связи в каждой плоскости подкрановой балки.

Связи в плоскости нижних поясов ферм применяются реже — обычно только в зданиях с особыми нагрузками: подвесными кранами, технологическими подвесами, торцевыми ветровыми поясами.

Связи многоэтажных каркасов

В многоэтажных зданиях связи расставляются в нескольких плоскостях:

• вертикальные связи в продольных и поперечных стенах на всю высоту здания — воспринимают горизонтальные нагрузки и передают их в фундамент;
• горизонтальные связи в плоскостях каждого перекрытия (или диафрагмы из железобетонной плиты, или система связей в плоскости стальных балок) — распределяют горизонтальные нагрузки между вертикальными связями;
• система связей лестничных и лифтовых шахт — выполняет роль ядра жёсткости в современных каркасах.

В современной практике многоэтажных каркасов жёсткие узлы и стенки лифтовых шахт постепенно вытесняют классические связи. В чистом стальном каркасе с гибкими шарнирными узлами связи остаются необходимыми.

Сечения связей

Стандартные сечения связей в порядке возрастания нагруженности:

Тип связи	Типовое сечение	Применение
Лёгкие монтажные связи	уголок 50×50×4, круглая сталь Ø16–20	временные связи на период монтажа
Вертикальные связи лёгких каркасов	уголок 63×63×5, спаренные уголки 50×50×5	навесы, лёгкие ангары до пролёта 9 м
Вертикальные связи средних каркасов	спаренные уголки 75×75×7, тавр 12БТ1	каркасы средних промышленных зданий
Вертикальные связи тяжёлых каркасов	спаренные уголки 100×100×10, профильные трубы 100×100×6	каркасы с подкрановыми балками
Горизонтальные связи лёгких ферм	уголок 50×50×4, 63×63×5	в плоскости верхних поясов лёгких ферм
Горизонтальные связи нагруженных ферм	спаренные уголки 75×75×6, 100×100×8	тормозные пояса, связи с подкрановыми

Минимальный размер сечения связи определяется не только расчётной нагрузкой, но и предельной гибкостью. Для сжатых элементов связей λ_u = 200, для растянутых при динамических нагрузках — 200, при статических — 300–400. Это позволяет применять очень лёгкие сечения в нагруженных по расчёту, но малонагруженных в эксплуатации связях.

Узлы крепления связей

Связи крепятся к каркасу через фасонки или через накладные узлы. Конструктивные решения:

• фасонка узла с креплением сваркой — стандартное решение для одиночных уголков и спаренных уголков. Фасонка приваривается к колонне или к поясу фермы, связь приваривается к фасонке угловыми швами;
• фасонка с креплением болтами — применяется в монтажных стыках связей и в случаях, когда сварные узлы технологически невозможны;
• узел пересечения двух связей — фасонка в центре пересечения, к которой привариваются концы обеих диагоналей. Применяется в крестовых связях.

Главное требование к узлам связей — оси связи и узла должны совпадать, чтобы исключить паразитные эксцентриситеты. При неосевом соединении связь работает не только на растяжение или сжатие, но и на дополнительный изгибающий момент.

Принципы расстановки связей

1. определить горизонтальные нагрузки от ветра, кранов и других источников по нормам;
2. определить плоскости связей по геометрии здания (продольные и поперечные стены, плоскости поясов ферм);
3. задать связевые блоки — секции каркаса со связями, отделённые температурными швами;
4. выполнить статический расчёт системы связей по каждому направлению нагрузки;
5. подобрать сечения связей по расчётным усилиям с учётом предельных гибкостей;
6. проверить узлы крепления связей на расчётные усилия;
7. проверить раскрепление сжатых поясов ферм и колонн системой связей с расчётом расчётных длин из плоскости.

Связи в покрытиях из лёгких прогонов

В покрытиях с тонкими профилированными настилами (профнастил, металлочерепица) сами листы кровли образуют диск, способный передавать горизонтальные нагрузки от торцевых стен в плоскость связей. В этих случаях расчёт ведётся с учётом совместной работы кровельного покрытия и стальных связей. Полные расчёты диска требуют специальных методик.

В покрытиях без жёсткого диска (например, с волнистыми листами без обрешётки) функцию передачи горизонтальных нагрузок несут исключительно стальные связи. Их шаг и сечение в этом случае назначаются с большим запасом.

Типовые ошибки

1. Отсутствие связей в коротком монтажном звене каркаса. Прораб поставил каркас 30 м без связей в продольных стенах, рассчитывая на скорое устройство стенового ограждения. При первом ветре каркас опрокидывается или получает остаточные деформации.
2. Расчёт связей только на ветровую нагрузку. Связи в каркасах с мостовыми кранами должны быть рассчитаны и на тормозную силу крана, которая часто превышает ветровую в 2–3 раза.
3. Слишком редкая расстановка связевых блоков в длинном здании. Здание длиной 150 м с одним связевым блоком в центре имеет недопустимо большие горизонтальные перемещения торцов и риск разрушения торцевых стен.
4. Применение жёстких сечений связей в крестовых связях. Если сечение связи слишком крепкое, сжатая диагональ не выключается из работы, и обе диагонали работают совместно — расчёт «по растянутой» становится неверным. Для крестовых связей применяются гибкие профили (одиночные уголки, круглая сталь).
5. Связи с эксцентриситетом крепления. Если ось связи не проходит через центр узла, возникает паразитный момент в колонне или в поясе фермы. Это снижает несущую способность и приводит к преждевременному разрушению.
6. Связи без расчёта на устойчивость. Сжатые связи и тормозные пояса должны быть проверены на устойчивость по гибкости. Превышение λ_u = 200 для сжатых связей даёт раннюю потерю устойчивости.
7. Связи без раскрепления концов. Длинная связь пролётом 12 м прогибается под собственным весом и теряет жёсткость. В горизонтальных связях больших пролётов ставятся промежуточные подвески или раскосы.

Чек-лист приёмки

• сечения и марки стали связей соответствуют спецификации проекта;
• расстановка связевых блоков соответствует чертежу системы связей;
• геометрия связей в плане и по высоте в пределах допусков КМ;
• оси связей сходятся в центре узла, без эксцентриситетов;
• фасонки крепления связей выполнены по чертежу, с проектной толщиной;
• сварные швы крепления связей — без подрезов, наплывов, кратеров, катет соответствует чертежу;
• натяжение связей (если предусмотрено проектом) выполнено по технологическому регламенту;
• длина и геометрия связей не превышают расчётных значений;
• в плоскостях связей нет посторонних элементов, нарушающих геометрию;
• защитное покрытие нанесено без сколов;
• маркировка элементов связей соответствует ведомости КМД.

Часто задаваемые вопросы

Нужны ли связи в каркасе с жёсткими рамными узлами? В жёсткой раме горизонтальные нагрузки в плоскости рамы воспринимаются работой узлов на момент. Связи нужны только в направлении из плоскости рамы и для раскрепления поясов ферм от потери устойчивости.

Можно ли применять предварительное натяжение связей? Можно. Натяжение связей делает их работоспособными при обоих направлениях ветра одновременно, исключает работу «только одной диагонали». Применяется в крестовых связях с круглой сталью или с тонкими проволочными тросами.

Какое усилие в связях каркаса лёгкого ангара 6×12 м? Ориентировочно от ветровой нагрузки 0,3–0,5 кН/м² — расчётное усилие в крестовой связи 5–15 кН. Сечение связи — уголок 50×50×4 или круглая сталь Ø16. Окончательный расчёт по местному ветровому давлению.

Достаточно ли связей в одной плоскости в каркасе 60 м? Достаточно при условии что эта плоскость находится в центральной части здания, и не превышено расстояние от торца до связевого блока — обычно не более 40 м. Если торцы дальше, ставится дополнительный связевый блок.

Можно ли усилить существующий каркас добавлением связей? Можно, и это часто применяется при реконструкции и техническом перевооружении. Новые связи устанавливаются по проекту с учётом существующих узлов и состояния каркаса.

Сокращения и обозначения

ТКП — технический кодекс установившейся практики. ТНПА — технический нормативный правовой акт. ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ). СНБ 2.04.02 — нагрузки и воздействия (РБ). λ_u — предельная гибкость элемента. R_y — расчётное сопротивление стали. γ_с — коэффициент условий работы. КМ — чертежи конструкций металлических. КМД — деталировка металлоконструкций. Связевый блок — секция каркаса со связями, ограниченная температурными швами. Диск покрытия — жёсткая плита кровли, работающая в горизонтальной плоскости.

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