SteelConstruction.info

W tym artykule omówiono połączenia nominalnie przegubowe (połączenia proste), które są stosowane w wielokondygnacyjnych ramach stężonych w Wielkiej Brytanii. Ta forma konstrukcji stężonej, z połączeniami nominalnie przegubowymi, jest określana mianem „konstrukcji prostej”.

W artykule wymieniono rodzaje połączeń prostych, które są najczęściej stosowane w Wielkiej Brytanii. Przedstawiono procedury ich projektowania według Eurokodu 3 i omówiono względne zalety typów połączeń końców belek. Omówiono korzyści wynikające ze standaryzacji połączeń w przypadku połączeń belka-belka i belka-słup z zastosowaniem blachy żebrowanej i połączeń z elastyczną blachą doczołową.

Połączenia słupów, podstawy słupów i połączenia stężające są również omówione wraz z krótką wzmianką na temat połączeń specjalnych.

Rodzaje połączeń prostych

Połączenia proste to połączenia nominalnie przegubowe, w przypadku których zakłada się, że przenoszą tylko ścinanie końcowe i mają pomijalną nośność przy obrocie. W związku z tym nie przenoszą znaczących momentów w stanie granicznym nośności. Na tej definicji opiera się projekt wielokondygnacyjnych ram stężonych w Wielkiej Brytanii zaprojektowanych jako „konstrukcja prosta”, w której belki są zaprojektowane jako swobodnie podparte, a słupy są zaprojektowane na obciążenie osiowe i niewielkie momenty wywołane przez reakcje końcowe belek. Stabilność ramy jest zapewniona przez stężenia lub rdzeń betonowy.

W Wielkiej Brytanii stosuje się dwie podstawowe formy połączeń prostych (jak pokazano po prawej stronie), są to:

• Elastyczne płyty czołowe i
• Płyty żebrowe.

Często spotykane połączenia proste obejmują:

• Połączenia belka-belka i belka-słup przy użyciu:
  • Płyt czołowych o częściowej głębokości
  • Płyt czołowych o pełnej głębokości
  • Płyt żebrowych
• Połączenia słupów (przykręcane blachy nakładkowe lub końcowe)
• Podstawy słupów
• Połączenia stężające (blachy węzłowe).

Połączenia proste mogą być również potrzebne w przypadku połączeń skośnych, belek mimośrodowych w stosunku do słupów oraz połączeń ze środnikami słupów. Są one klasyfikowane jako połączenia specjalne i są traktowane oddzielnie.

Procedury projektowe

Projektowanie połączeń prostych opiera się na normie BS EN 1993-1-8 i towarzyszącym jej Załączniku krajowym. Nośności komponentów połączenia są oparte na zasadach podanych w punkcie 3.6. Rozstaw elementów złącznych jest zgodny z punktem 3.5 i jest zgodny z zaleceniami przedstawionymi w „Zielonej Księdze” (SCI P358).

Publikacja ECCS nr 126 zawiera również użyteczne wskazówki dotyczące projektowania połączeń prostych według Eurokodu 3.

Rozważania dotyczące połączeń

Klasyfikacja połączeń

Zgodnie z normą BS EN 1993-1-8, połączenia nominalnie przegubowe:

• Powinny być zdolne do przenoszenia sił wewnętrznych, bez rozwijania znaczących momentów, które mogłyby niekorzystnie wpłynąć na elementy konstrukcyjne lub konstrukcję jako całość oraz
• Powinny być zdolne do przyjmowania wynikających z nich obrotów pod obciążeniami obliczeniowymi

Dodatkowo, połączenie musi:

• zapewnić utwierdzenie kierunkowe prętów, które zostało założone w projekcie pręta
• posiadać wystarczającą wytrzymałość, aby spełnić wymagania dotyczące integralności konstrukcyjnej (nośność przy wiązaniu).

BS EN 1993-1-8 wymaga, aby wszystkie połączenia były klasyfikowane według sztywności, która jest odpowiednia dla globalnej analizy sprężystej, lub według wytrzymałości, która jest odpowiednia dla globalnej analizy sztywno-plastycznej, lub według zarówno sztywności, jak i wytrzymałości, która jest odpowiednia dla globalnej analizy sprężysto-plastycznej.

Klasyfikacja według sztywności:

Początkowa sztywność obrotowa połączenia, obliczona zgodnie z normą BS EN 1993-1-8 , 6.3.1, jest porównywana z granicami klasyfikacji podanymi w normie BS EN 1993-1-8, 5.2.2.

Alternatywnie połączenia mogą być klasyfikowane na podstawie dowodów doświadczalnych, doświadczeń z poprzednich zadowalających wyników w podobnych przypadkach lub na podstawie obliczeń opartych na dowodach z badań.

Klasyfikacja według wytrzymałości:

Aby sklasyfikować połączenie jako nominalnie przegubowe, na podstawie jego wytrzymałości, muszą być spełnione następujące dwa wymagania:

• Obliczeniowa nośność połączenia przy zginaniu nie przekracza 25% obliczeniowej nośności przy zginaniu wymaganej dla połączenia o pełnej wytrzymałości
• Połączenie powinno być zdolne do przyjęcia obrotów wynikających z obciążeń obliczeniowych.

Załącznik krajowy Zjednoczonego Królestwa do normy BS EN 1993-1-8 stanowi, że połączenia zaprojektowane zgodnie z „Zieloną książką” (SCI P358) mogą być klasyfikowane jako połączenia nominalnie przegubowe.

Wszystkie standardowe połączenia podane w „Zielonej Księdze” (SCI P358) mogą być sklasyfikowane jako nominalnie przegubowe w oparciu o wymagania wytrzymałościowe wraz z bogatym doświadczeniem w zakresie szczegółów stosowanych w praktyce. Należy zachować ostrożność przed zmianą standardowych szczegółów, ponieważ powstałe w ten sposób połączenie może wykraczać poza postanowienia Załącznika krajowego Wielkiej Brytanii. W szczególności:

• Wytrzymałość na obrót standardowych szczegółów blach żebrowych została wykazana w badaniach; zmodyfikowane szczegóły mogą nie być plastyczne
• Grubość blach czołowych o pełnej głębokości została ograniczona w celu zapewnienia nośności przy zginaniu mniejszej niż 25% połączenia o pełnej wytrzymałości, a zatem można je sklasyfikować jako nominalnie przegubowe.

Integralność konstrukcyjna

Wielkopolskie przepisy budowlane wymagają, aby wszystkie budynki były zaprojektowane w sposób pozwalający uniknąć nieproporcjonalnego zawalenia się. Powszechnie osiąga się to poprzez projektowanie połączeń w ramach stalowych (połączenia belek ze słupami i połączenia słupów) dla sił ciągnących. Wytyczne dotyczące wartości obliczeniowych sił ciągnących podano w Załączniku A normy BS EN 1991-1-7 oraz w jej brytyjskim Załączniku krajowym. Wymagania odnoszą się do klasy budynku, przy czym wartość obliczeniowa poziomej siły ciągnącej jest zazwyczaj nie mniejsza niż 75 kN, a zwykle znacznie wyższa. Detale płyt czołowych o pełnej głębokości zostały opracowane w celu zapewnienia zwiększonej nośności przy ciągnieniu w porównaniu z detalami płyt czołowych o częściowej głębokości. Dalsze szczegóły dotyczące wytrzymałości konstrukcji są przedstawione w SCI P391.

Wybór typów połączeń

Wybór połączeń końców belek może być często dość skomplikowany. Względne zalety trzech typów połączeń (płyty czołowe o częściowej głębokości, płyty czołowe o pełnej głębokości i płyty żebrowe) są podsumowane w poniższej tabeli. Wybór belek i połączeń jest na ogół obowiązkiem wykonawcy konstrukcji stalowej, który wybierze typ połączenia, aby dostosować je do nakładu pracy przy produkcji, ekonomii i tymczasowej stabilności podczas montażu.

Stropy zespolone

Uznaje się, że interakcja ze stropem zespolonym wpłynie na zachowanie połączenia prostego. Powszechną praktyką jest projektowanie takich połączeń bez wykorzystania korzyści płynących z ciągłości zbrojenia przez płytę betonową. Jednakże norma SCI P213 umożliwia uwzględnienie ciągłości zbrojenia w stosunkowo prostych połączeniach płyt czołowych o pełnej głębokości i znacznej nośności przy zginaniu. W ramie stężonej nośność ta może być wykorzystana do zmniejszenia momentu środkowego i ugięcia przęsła, ułatwiając wybór mniejszej belki.

Koszty

Połączenia proste są niezmiennie tańsze w wykonaniu niż połączenia odporne na zginanie, ponieważ wymagają znacznie mniejszego nakładu pracy przy produkcji, szczególnie przy spawaniu.

Podanie konkretnych wskazówek dotyczących kosztów jest trudne, ponieważ stawki wykonawców konstrukcji stalowych mogą się znacznie różnić i są zależne od poziomu inwestycji w maszyny i urządzenia. Głównym celem jest jednak zminimalizowanie ilości pracy. Koszt materiału na złączki i śruby jest niewielki w porównaniu z kosztami wykonania, które są zdominowane przez prace spawalnicze. W typowym warsztacie produkcyjnym koszt wykonania połączeń może stanowić od 30% do 50% całkowitego kosztu produkcji.

Zrównoważony rozwój

Standaryzowane połączenia są wydajne w produkcji. Wykonawcy konstrukcji stalowych wyposażają swoje warsztaty w specjalistyczne maszyny, które zwiększają szybkość produkcji, pozwalając im na produkcję złączy i przygotowanie elementów konstrukcyjnych znacznie szybciej, niż gdyby konfiguracja połączeń była za każdym razem inna.

Zestandaryzowane szczegóły oznaczają, że konstrukcja stalowa jest prosta w montażu, co zapewnia bezpieczniejsze środowisko pracy dla monterów konstrukcji stalowych.

Z uwagi na charakter większości połączeń śrubowych, połączenia są demontowalne po zakończeniu okresu użytkowania konstrukcji. Konstrukcja stalowa może zostać zdemontowana, ponownie wykorzystana lub poddana recyklingowi, co zmniejsza wpływ konstrukcji na środowisko naturalne.

Połączenia znormalizowane

Korzyści z normalizacji

W typowej stężonej ramie wielokondygnacyjnej połączenia mogą stanowić mniej niż 5% masy ramy i 30% lub więcej całkowitego kosztu. Efektywne połączenia będą zatem miały najniższy udział pracy związanej z projektowaniem, produkcją i montażem.

.

Belka-połączenia belki z belką i belki ze słupem

Procedury projektowe podane poniżej są odpowiednie zarówno do obliczeń ręcznych, jak i do przygotowania programów komputerowych.

Ręczne projektowanie połączeń może być pracochłonne, dlatego pełny zestaw tabel nośności został zawarty w „Zielonej Księdze” (SCI P358).

Weryfikacja wytrzymałości połączenia nominalnie przegubowego obejmuje trzy etapy:

1. Upewnienie się, że połączenie jest uszczegółowione w taki sposób, że powstają w nim jedynie momenty nominalne, które nie wpływają niekorzystnie na elementy konstrukcyjne ani na samo połączenie. Połączenie powinno być uszczegółowione tak, aby zachowywało się w sposób plastyczny.
2. Identyfikacja ścieżki obciążenia w połączeniu, tj. od belki do elementu podpierającego.
3. Sprawdzenie nośności każdego komponentu.

W przypadku normalnego projektowania konieczne jest przeprowadzenie dziesięciu kontroli w ramach procedury projektowej dla wszystkich części połączenia belki z belką lub belki ze słupem w celu sprawdzenia nośności połączenia przy ścinaniu pionowym.

Kolejnych sześć kontroli jest niezbędnych do zweryfikowania nośności połączenia przy ciągnieniu. Połączenia belki ze słupem muszą być odporne na działanie bocznych sił ciągnienia, chyba że siły te są wytrzymywane przez inne środki wewnątrz konstrukcji, takie jak płyty stropowe.

W tabeli poniżej zestawiono kontrole procedury projektowej wymagane w przypadku blach doczołowych o częściowej głębokości, blach doczołowych o pełnej głębokości oraz blach żebrowych. Procedury projektowe są w pełni opisane w „Zielonej Księdze” (SCI P358).

Wskazówki:Sprawdzenia nośności na zginanie, ścinanie, wyboczenie miejscowe i boczne przekroju belki z wycięciami są zawarte w tej tabeli, ponieważ zwykle na etapie ustalania szczegółów ustala się wymóg zastosowania wycięć, po czym, należy sprawdzić przekrój zredukowany

Połączenia belki z belką

Połączenia belki zpołączenia słupów

Połączenia elastyczne płytą czołową

Typowe połączenia elastyczne płytą czołową pokazano na rysunku po prawej stronie. Płyta czołowa, która może mieć częściową głębokość lub pełną głębokość, jest przyspawana do podpartej belki w warsztacie. Następnie belka jest przykręcana do belki podpierającej lub słupa na budowie.

Płyty czołowe są prawdopodobnie najbardziej popularnym z prostych połączeń belek używanych obecnie w Wielkiej Brytanii. Mogą być używane z przekrzywionymi belkami i mogą tolerować umiarkowane przesunięcia w połączeniach belek ze słupami.

Flowdrill, Hollo-Bolts, Blind bolts lub inne specjalne zespoły są używane do połączeń ze słupami o przekroju drążonym.

Wymagania szczegółowe i kontrole projektowe dla połączeń płyt czołowych o częściowej i pełnej wysokości, które mają zastosowanie do połączeń belka-belka oraz połączeń belka-słup, są wyczerpująco omówione w „Zielonej Księdze” (SCI P358). Obejmują one procedury, przykłady z życia wzięte, szczegóły oraz tablice nośności obliczeniowej.

Narzędzie do projektowania płyt czołowych jest również dostępne.

Szczegóły standardowych elastycznych płyt czołowych (płyty czołowe o pełnej i częściowej głębokości) są pokazane na poniższym rysunku, wraz z zalecanymi wymiarami i złączami.

.

.

Płytki żebrowe

Połączenia z płytkami żebrowymi są ekonomiczne w produkcji i proste w montażu. Połączenia te są popularne, ponieważ mogą być najszybszymi połączeniami do wzniesienia i pokonują problem wspólnych śrub w połączeniach dwustronnych.

Połączenie płytą żebrową składa się z odcinka blachy przyspawanego w warsztacie do elementu podpierającego, do którego na miejscu przykręca się podparty środnik belki, jak pokazano na poniższym rysunku. Pomiędzy końcem belki podpieranej a słupem podpierającym występuje niewielki prześwit.

Połączenia płytą żebrową

W projektowaniu połączenia płytą żebrową ważne jest określenie odpowiedniej linii działania ścinania. Istnieją dwie możliwości: albo ścinanie działa na powierzchni czołowej słupa, albo działa wzdłuż środka grupy śrub łączących blachę żebrową ze środnikiem belki. Z tego powodu oba przekroje krytyczne należy sprawdzić pod kątem momentu minimalnego przyjmowanego jako iloczyn ścinania pionowego i odległości pomiędzy licem słupa (lub środnikiem belki) a środkiem grupy śrub. Następnie oba przekroje krytyczne są sprawdzane pod kątem wynikowego momentu połączonego ze ścinaniem pionowym. Ze względu na niepewność momentu przyłożonego do blachy żeberkowej, spoiny blachy żeberkowej wymiaruje się na pełną wytrzymałość.

Połączenia blachy żeberkowej uzyskują nośność obrotową w płaszczyźnie z odkształcenia śruby przy ścinaniu, z odkształcenia otworów na śruby w łożysku oraz ze zginania blachy żeberkowej z płaszczyzny. Należy zauważyć, że blachy żebrowe z długimi elementami wystającymi mają tendencję do skręcania się i ulegają zniszczeniu w wyniku bocznego wyboczenia skrętnego. Dodatkowa kontrola uwzględniająca to zachowanie jest zawarta w procedurach projektowych dla połączeń płyt żeberkowych.

Zielona Księga” (SCI P358) zawiera wymagania dotyczące szczegółów, kontrole projektowe oraz procedury mające zastosowanie do projektowania płyt żebrowych. W publikacji tej podano również przykłady robocze oraz tabele nośności projektowej.

Dostępne jest również narzędzie do projektowania płyt żebrowych.

.

Rosnące zainteresowanie wykorzystaniem stali S355 do produkcji płyt żebrowych wywołało pytania o sztywność takich połączeń – czy nadal są one nominalnie przegubowe? Aby odpowiedzieć na to pytanie, BCSA i Steel for Life zleciły SCI przeprowadzenie badań porównujących zachowanie połączeń płytą żebrową z płytami żebrowymi S275 i S355. W wyniku badań stwierdzono, że o ile przestrzegana jest znormalizowana geometria połączeń przedstawiona w Zielonej Księdze, 10 mm blachy żebrowe z S355 są klasyfikowane jako połączenia nominalnie przegubowe i mogą być stosowane jako alternatywa dla blach S275. Dalsze informacje są dostępne w artykule w wydaniu magazynu NSC z maja 2018 r.

Łączniki słupów

Połączenia słupów w konstrukcjach wielokondygnacyjnych są wymagane w celu zapewnienia wytrzymałości i ciągłości sztywności wokół obu osi słupów. Typowe skręcane łączniki słupów stosowane w przypadku walcowanych dwuteowników i kształtowników zamkniętych pokazano na rysunku po prawej stronie.

Słupy są zazwyczaj montowane co dwie lub trzy kondygnacje i znajdują się zwykle około 600 mm nad poziomem podłogi. Pozwala to na uzyskanie długości dogodnych do produkcji, transportu i montażu, a także zapewnia łatwy dostęp z sąsiedniego piętra w celu przykręcenia na miejscu budowy. Stosowanie łączników na każdym poziomie kondygnacji jest rzadko opłacalne, ponieważ oszczędność materiału słupa jest zwykle znacznie większa niż koszty materiału, produkcji i montażu łącznika.

Łączniki śrubowe blachownicowe dla dwuteowników:

Istnieją dwie kategorie tego typu połączeń:

• typu łożyskowego
• typu niełożyskowego.

W połączeniu typu łożyskowego (patrz rysunek poniżej) obciążenia są przenoszone w łożysku bezpośrednim z górnego wału albo bezpośrednio, albo przez płytę dzielącą. Połączenie typu „łożyskowego” jest prostszym połączeniem, posiadającym zwykle mniej śrub niż połączenie niełożyskowe, i dlatego jest najczęściej stosowane w praktyce.

Gdy nie występuje naprężenie netto, można zastosować połączenie standardowe, jednak norma BS EN 1993-1-8 nakłada wymóg, aby blachy i śruby łącznika przenosiły co najmniej 25% maksymalnej siły ściskającej w słupie.

W przypadku łączników typu łożyskowego nośność przy wiązaniu jest prawdopodobnie krytyczną wartością kontrolną.

Łączniki sklasyfikowane jako nienośne (patrz rysunek poniżej) przenoszą obciążenia za pośrednictwem śrub i blach węzłowych. Wszelkie bezpośrednie łożyska pomiędzy elementami konstrukcyjnymi są pomijane, a połączenie jest czasami szczegółowo opisane z fizyczną szczeliną pomiędzy dwoma wałami. Projektowanie styku niełożyskowego jest bardziej skomplikowane, ponieważ wszystkie siły i momenty muszą być przenoszone przez śruby i blachy styku. W przypadku styków nienośnych minimalne wymagania określone w normie BS EN 1993-1-8 są bardzo uciążliwe, ponieważ opierają się na nośności elementu konstrukcyjnego, a nie na przyłożonej sile.

Jeżeli styki są zazwyczaj wykonywane tuż nad poziomem podłogi, moment spowodowany oddziaływaniem rozpórki jest uważany za nieistotny. Należy jednak wziąć pod uwagę momenty wywołane w połączeniach umieszczonych w innych miejscach.

Połączenia słupów powinny utrzymywać połączone elementy w jednej linii, a tam, gdzie jest to praktyczne, elementy powinny być rozmieszczone tak, aby oś centroidalna materiału łącznika pokrywała się z osią centroidalną kształtowników słupów znajdujących się powyżej i poniżej łącznika. Jeśli sekcje słupa są przesunięte (na przykład w celu zachowania stałej linii zewnętrznej), moment spowodowany mimośrodowością powinien zostać uwzględniony w projekcie połączenia.

Weryfikacje projektowe wymagane w przypadku połączeń słupów z blachą osłonową skręcaną, a także procedury, przykłady robocze, wymagania dotyczące szczegółów oraz tabele nośności obliczeniowej są dostępne w rozdziale 6 „Zielonej Księgi” (SCI P358).

Śrubowe łączniki „nakładki i podstawy” lub „blachy czołowej” dla rurowych i walcowanych dwuteowników

Ten typ łącznika, składający się z płyt, które są przyspawane do końców dolnego i górnego słupa, a następnie po prostu skręcone śrubami na miejscu budowy, jest powszechnie stosowany w konstrukcjach rurowych, ale może być również wykorzystywany w przypadku kształtowników otwartych.

Najprostsza forma połączenia jest pokazana na rysunku po prawej stronie i jest zadowalająca, o ile końce każdego wału są przygotowane w taki sam sposób, jak w przypadku połączenia typu łożyskowego. Należy rozważyć możliwość odwrócenia obciążenia, oprócz stabilności podczas montażu i wymagań dotyczących wiązania.

Pomimo że są one powszechnie stosowane, trudno jest wykazać, że połączenia nakładkowe i nasadowe spełniają wymagania normy BS EN 1993-1-8, punkt 6.2.7.1(14). Jeśli stosuje się tego typu połączenia, powszechną praktyką jest zapewnienie, że blachy są grube, a śruby są umieszczone blisko pasów, aby zwiększyć sztywność połączenia. Można stosować blachy wydłużone, ze śrubami umieszczonymi poza profilem kształtownika. Jeśli połączenia nakładki i blachy podstawy znajdują się z dala od punktu utwierdzenia, należy zwrócić szczególną uwagę na zapewnienie odpowiedniej sztywności, tak aby projekt elementu konstrukcyjnego nie został unieważniony.

Połączenia słupów typu „nakładka i podstawa” lub „blacha doczołowa” omówiono w rozdziale 6 „Zielonej Księgi” (SCI P358). Podano tam wymagania dotyczące szczegółów, procedury projektowe, przykłady robocze oraz tabele nośności projektowej.

Podstawy słupów

Typowe podstawy słupów, jak pokazano na rysunku po prawej stronie, składają się z pojedynczej blachy spawanej pachwinowo do końca słupa i przymocowanej do fundamentu za pomocą czterech śrub mocujących. Śruby są odlewane w betonowej podstawie w rurkach lokalizacyjnych lub stożkach i są wyposażone w płyty kotwiące, aby zapobiec wyrwaniu. W przestrzeń pod płytą wlewany jest zaczyn cementowy o wysokiej wytrzymałości (patrz rysunek poniżej).

Takie podstawy słupów są często poddawane tylko ściskaniu osiowemu i ścinaniu. Jednakże podnoszenie i ścinanie poziome może być przypadkiem obliczeniowym dla podstaw słupów w stężonych przęsłach.