Узлы сопряжения стойки с фундаментом

В чем разница между шарнирным опиранием и жестким защемлением

Для многих начинающих проектировщиков основной проблемой является выбор расчетной схемы: где должны быть шарниры, а где – жесткие узлы? Как понять, что выгодней, и как разобраться, что вообще нужно в конкретном узле конструкции? Это очень обширный вопрос, надеюсь, данная статья немного внесет ясности в столь многогранный вопрос.

Что такое узлы опирания и обозначение этих узлов на схемах

Начнем с самой сути. Каждая конструкция должна иметь опору – как минимум она не должна упасть с высоты, на которой ей положено находиться. Но если копнуть глубже, для надежной работы элемента, нам мало запретить ему падать.

Как может сместиться любой элемент в пространстве? Во-первых, это может быть перемещение по одной из трех плоскостей – по вертикали (ось Z), по горизонтали (оси Х и У). Во-вторых, это может быть поворот элемента в узле вокруг тех же трех осей.

Таким образом, мы имеем целых шесть возможных перемещений (а если учесть еще и направление плюс-минус, то их не шесть, а двенадцать), которые еще называют степенями свободы – и это очень наглядное название. Если конструкция висит в воздухе (нереальная ситуация), то она полностью свободна, ничем не ограничена. Если в каком-то месте под ней появляется опора, не дающая перемещаться по вертикали, значит одна из степеней свободы у элемента в месте опоры ограничена по оси Z. Примером такого ограничения является свободное опирание металлической балки на гладкой, допускающей скольжение поверхности – она не упадет за счет опоры, но может при определенном усилии сдвинуться по оси Х и У, либо повернуться вокруг любой оси. Забегая вперед, уточним важный момент: если у элемента в узле не ограничен поворот, этот узел является шарнирным. Так вот, такой простейший шарнир с ограничением только по одной оси обозначается обычно следующим образом:

Расшифровать такое обозначение просто: кружочки означают наличие шарнира (т.е. отсутствие запрета поворота элемента в этой точке), палочка – запрет перемещения в одном направлении (обычно из схемы сразу становится понятно – в каком именно – в данном случае запрет по вертикали). Горизонталь со штриховкой условно обозначает наличие опоры.

Следующий вариант ограничения степеней свободы – это запрет перемещения в направлении двух осей. Для той же металлической балки это могут быть оси Z и Х, а по У она может переместиться при приложении к ней усилия; повороты ее, как видно, тоже ничем не ограничены.

Как вообще представить отсутствие ограничения поворотов? Если эту балку попытаться закрутить вокруг собственной оси (допустим, опереть на нее перекрытие только с одной стороны – тогда под весом перекрытия балка начнет крутиться), то ничто не помешает этому кручению, балка по всей длине начнет опрокидываться под действием крутящей силы. Точно также если в центре балки приложить вертикальную нагрузку, балка изогнется и в местах опирания свободно повернется вокруг оси У (слева – по часовой стрелке, справа – против). Вот это мы и понимаем как шарнир.

Допустим, есть жесткий узел опирания балки в раме, который обеспечен путем приварки балки к колонне. Но сварной узел рассчитан неверно и шов не выдерживает приложенного усилия и разрушается. Балка продолжает опираться на колонну, но уже может повернуться на опоре. При этом кардинально меняется эпюра изгибающих моментов: на опорах моменты стремятся к нулю, зато пролетный момент возрастает. А балка была рассчитана на защемление и не готова к восприятию возросшего момента. Так и происходит разрушение. Поэтому жесткие узлы всегда должны быть рассчитаны на максимально возможную нагрузку.

Такой шарнир обозначается следующим образом.

Слева и справа обозначения равноценны. Справа оно более наглядное: 1 – горизонтальный стержень ограничен в узле в перемещении по вертикали (вертикальная палочка с кружочками на концах) и по горизонтали (горизонтальная палочка с кружочками на концах); 2 – вертикальный стержень также ограничен в узле в перемещении по вертикали и по горизонтали. Слева также очень распространенное обозначение точно такого же шарнира, только палочки расположены в виде треугольника, но то, что их две, означает, что ограничение перемещений идет по двум осям – вдоль оси элемента и перпендикулярно его оси. Особо ленивые товарищи могут вообще не рисовать кружочки, и обозначать такой шарнир просто треугольником – такое тоже встречается.

Теперь рассмотрим, что же означает классическое обозначение шарнирно опирающейся балки.

Это балка, имеющая две опоры, а в левой еще и ограниченная в перемещении по горизонтали (если бы этого не было, система не была бы устойчивой – есть такое условие в сопромате – у стержня должно быть три ограничения перемещений, в нашем случае два ограничения по Z и одно по Х). Конструктор должен продумать, как обеспечить соответствие опирания балки расчетной схеме – об этом никогда нельзя забывать.

И последний случай для плоской задачи – это ограничение трех степеней свободы – двух перемещений и поворота. Выше было сказано, что для любого элемента степеней свободы шесть (или двенадцать), но это для трехмерной модели. Мы же обычно в расчете рассматриваем плоскую задачу. И вот мы пришли к ограничению поворота – это классическое понятие жесткого узла или защемления – когда в точке опирания элемент не может ни сдвинуться, ни повернуться. Примером такого узла может служить узел заделки сборной железобетонной колонны в стакан – она настолько глубоко замоноличена, что возможности как сместиться, таки и повернуться у нее нет.

Глубина заделки у такой колонны строго расчетная, но даже по виду мы не можем представить, что колонна на рисунке слева сможет повернуться в стакане. А вот правая колонна – запросто, это явный шарнир, и так конструировать защемление недопустимо. Хотя и там, и там колонна погружена в стакан и паз заполнен бетоном.

Больше вариантов защемления будет по ходу статьи. Сейчас разберемся с обозначением защемления. Оно классическое, и особого разнообразие в отличии от шарниров здесь не наблюдается.

Слева показан горизонтальный элемент, защемленный на опоре, справа – вертикальный.

И напоследок – о шарнирных и жестких узлах в рамах. Если узел соединения балки с колонной жесткий, то он показывается либо без условных обозначений вообще, либо с закрашенным треугольничком в углу (как на верхних двух рисунках). Если же балка опирается на колонны шарнирно, на концах балки рисуются кружочки (как на нижнем рисунке).

Как законструировать шарнирный или жесткий узел

Опирание плит, балок, перемычек.

Первое, что следует запомнить при конструировании узлов – зачастую шарнир от защемления отличает глубина опирания.

Если плита, перемычка или балка опирается на глубину, равную или меньшую высоте сечения, и при этом не выполнено никаких дополнительных мероприятий (приварка к закладным элементам, препятствующая повороту и т.п.), то это всегда чистый шарнир. Для металлических балок считается шарнирным опирание на 250 мм.

Если опирание больше двух – двух с половиной высот сечения элемента, то такое опирание можно считать защемлением. Но здесь есть нюансы.

Во-первых, элемент должен быть пригружен сверху (кладкой, например), причем веса этого пригруза должно быть достаточно, чтобы воспринять усилие в элементе на опоре.

Во-вторых, возможно другое решение, когда поворот элемента ограничивается путем приварки к закладным деталям. И здесь нужно четко разбираться в особенностях конструирования жестких узлов. Если балка или приварена внизу (такое часто встречается и в металлоконструкциях, и в сборном железобетоне – к закладным в опоре привариваются закладные в балке или плите), то это никак не мешает ей повернуться на опоре – это лишь препятствует горизонтальному перемещению элемента, об этом мы говорили выше. А вот если верхняя часть балки надежно заанкерена сваркой на опоре (это либо рамные узлы в металле, либо ванная сварка верхних выпусков арматуры в сборных ригелях – в жестких узлах каркаса, либо сварка закладных элементов в узлах опирания балконных плит, которые обязательно должны быть защемлены, т.к. они консольны), то это уже жесткий узел, т.к. явно препятствует повороту на опоре.

На рисунке ниже выбраны шарнирные и жесткие узлы из типовых серий (серия 2.440-1, 2.140-1 вып. 1, 2.130-1 вып. 9). По ним наглядно видно, что в шарнирном узле крепление идет внизу балки или плиты, а в жестком – вверху. Уточнение: в узле опирания плиты анкер не дает жеского узла, это гибкий элемент, который лишь препятствует горизонтальному смещению перекрытия.

Но законструировать узел правильно – это полдела. Нужно еще сделать расчет всех элементов узла, выдержат ли они максимальное усилие, передаваемое от элемента. Здесь нужно рассчитать и закладные детали, и сварные швы, и проверить кладку в случае, если пригруз от нее учитывается при конструировании.

Соединение колонн с фундаментами.

При опирании металлических колонн определяющим фактором является количество болтов и то, как законструирована база колонны. О металле здесь я распространяться не буду, т.к. это не мой профиль. Напишу только, что если в фундаменте для крепления колонны лишь два болта, то это стопроцентный шарнир. Также если стойка приваривается к закладной детали фундамента через пластину, это тоже шарнир. Остальные случаи подробно приведены в литературе, есть узлы в типовых сериях – в общем, информации много, здесь запутаться сложно.

Для сборных железобетонных колонн используется их жесткая заделка в стакан фундамента (об этом речь шла выше). Если вы откроете «Пособие по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений», там вы сможете найти расчет всех элементов этого жесткого узла и принципы его конструирования.

При шарнирном узле колонна (столб) просто опирается на фундамент безо всяких дополнительных мероприятий или заделана в неглубокий стакан.

Соединение монолитных конструкций.

В монолитных конструкциях жесткий узел или шарнир всегда определяется наличием правильно заанкеренной арматуры.

Если на опоре арматура плиты или балки не заведена в конструкцию опоры на величину анкеровки или даже нахлестки, то такой узел считается шарнирным.

Так на рисунке ниже показаны варианты опирания монолитных плит из Руководства по конструированию ЖБК. Рисунок (а) и (б) – это жесткое соединение плиты с опорой: в первом случае верхняя арматура плиты заводится в балку на длину анкеровки; во втором – плита защемляется в стене также на величину анкеровки рабочей арматуры. Рисунок (в) и (г) – это шарнирное опирание плиты на балку и на стену, здесь арматура заведена на опору на минимально допустимую глубину опирания.

Рамные узлы соединения монолитных ригелей и колонн в железобетоне выглядят еще серьезней, чем опирание плит на балки. Здесь верхняя арматура ригеля заводится в колонну на величину одной и двух длин анкеровки (половина стержней заводится на одну длину, половина – на две).

Если в узле железобетонного каркаса арматура и балки, и колонны проходит насквозь и дальше идет больше чем на длину анкеровки (например, какой-то средний узел), то такой узел считается жестким.

Чтобы соединение колонн с фундаментом было жестким, из фундаментов должны быть сделаны выпуски достаточной длины (не менее величины нахлестки, подробнее – в Руководстве по конструированию), и эти же выпуски должны быть заведены в фундамент на длину анкеровки.

Аналогично в свайном ростверке – если длина выпусков из сваи меньше, чем длина анкеровки, соединение ростверка со сваей жестким считаться не может. Для шарнирного соединения длину выпусков оставляют 150-200 мм, больше не желательно, т.к. это будет пограничное состояние между шарниром и жестким узлом – а ведь расчет делался как для чистого шарнира.

Если нет места для того, чтобы разместить арматуру на длину анкеровки, проводят дополнительные мероприятия – приварку шайб, пластин и т.п. Но такой элемент должен быть обязательно рассчитан на выкалывание (что-то вроде расчета анкеров закладных деталей, его можно найти в Пособии по проектированию ЖБК).

Также на тему шарниров и защемления можно прочитать здесь.

Источник

Узел соединения стойки опоры с фундаментом

Полезная модель относится к строительству, к конструкциям опор линий электропередачи, телекоммуникационных башен, антенн сотовой связи, стоек электроосвещения и других опор, а более конкретно к конструкциям узлов соединения стоек опор с фундаментом.

Узел соединения стойки опоры с фундаментом включает фланец стойки, соответствующий ему фланец фундамента, соосные отверстия, выполненные в указанных фланцах по окружности, концентричной продольной оси стойки, средства винтовых соединений фланцев между собой в виде шпилек, нижние концы которых закреплены в отверстиях фланца фундамента, а верхние концы — в отверстиях фланца стойки с образованием установочного зазора между указанными фланцами, при этом отверстия в одном из указанных фланцев выполнены в виде овальных пазов, большие оси которых ориентированы вдоль линии окружности, по которой выполнены отверстия.

Заявляемое решение обеспечивает возможность выставления стойки в проектное положение простыми средствами, не смотря на погрешности изготовления и закрепления фланцев, что упрощает монтажные работы и уменьшает их трудоемкость при возведении опоры на месте.

Полезная модель относится к строительству, к конструкциям опор линий электропередачи, телекоммуникационных башен, антенн сотовой связи, стоек электроосвещения и других опор, а более конкретно к конструкциям узлов соединения стоек опор с фундаментом.

Широкое распространение в узлах соединения стоек опор с фундаментом нашли фланцевые соединения.

Так, фланцевые соединения стоек опор с фундаментом использованы, например, в опорах, описанных в следующих патентных документах:

— патент Российской Федерации RU 86211 на полезную модель «Промежуточная портальная опора для линии электропередачи 500 кВ», МПК Е04Н 12/08, дата подачи заявки 13.04.2009;

— патент Российской Федерации RU 95350 на полезную модель «Промежуточная портальная опора для высоковольтной линии электропередачи», МПК Е04Н 12/08, дата подачи заявки 12.03.2010;

— патент Японии JP 7109740 на изобретение «Конструкция колонны и фундамента«, E02D 27/42, приоритет от 10.12.1993, и в других патентных документах и источниках научно-технической информации.

Фланцевые узлы соединения стоек опор с фундаментом, как правило, включают фланец стойки и соответствующий ему фланец фундамента, которые примыкают своими поверхностями друг к другу и соединены между собой винтовыми средствами через соосные отверстия, выполненные во фланцах.

Общими признаками фланцевых соединений стоек опор с фундаментом и заявляемого решения являются: узел соединения стойки опоры с фундаментом, включающий фланец стойки, соответствующий ему фланец фундамента, соосные отверстия, выполненные в указанных фланцах, средства винтовых соединений фланцев между собой, установленные в указанных отверстиях фланцев.

При наличии погрешностей в выполнении фланцев и в их соединениях с конструктивными элементами стойки и фундамента, что часто встречается в практике, возникают проблемы выставления стойки в проектное положение (вертикальность стойки, проектная ориентация элементов и узлов стойки), которые невозможно решить при обычном выполнении фланцевого соединения стойки с фундаментом без использования специальных средств, например, регулируемых прокладок между фланцами, что усложняет технологию монтажа стойки на месте ее возведения.

В качестве прототипа выбран узел соединения стойки опоры с фундаментом (основанием), известный из описания полезной модели «Радиомачта сотовой связи» по свидетельству Российской Федерации 28507, МПК Е04Н 12/08, дата подачи заявки 18.10.2002.

Узел соединения стойки опоры с фундаментом (основанием) включает фланец фундамента (основания) и соответствующий ему фланец стойки с соосными отверстиями, выполненными в указанных фланцах по окружности, концентричной продольной оси стойки. Фланцы фундамента (основания) и стойки соединены между собой с помощью винтовых соединений, которые включают шпильки, нижние концы которых закреплены в отверстиях фланца фундамента (основания) с помощью зажимных гаек, а верхние концы закреплены в отверстиях фланца стойки с помощью опорных и зажимных гаек с образованием установочного зазора между фланцами фундамента (основания) и стойки, который может регулироваться перемещением опорных гаек на шпильках путем их вращения в соответствующие стороны при монтаже стойки.

В процессе выполнения монтажных работ нижние концы шпилек закрепляют в отверстиях фланца фундамента с помощью зажимных гаек. Дальше, на шпильки навинчивают опорные гайки. Фланец стойки, монтируют на шпильках. В результате верхние концы шпилек проходят через отверстия во фланце стойки, который опирается на опорные гайки с образованием установочного зазора между фланцами стойки и фундамента. Путем регулирования опорных гаек на шпильках (вращением их в соответствующие стороны), выставляют стойку в вертикальное положение.

Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: узел соединения стойки опоры с фундаментом, включающий фланец стойки, соответствующий ему фланец фундамента, соосные отверстия, выполненные в указанных фланцах по окружности, концентричной продольной оси стойки, средства винтовых соединений фланцев между собой в виде шпилек, нижние концы которых закреплены в отверстиях фланца фундамента, а верхние концы — в отверстиях фланца стойки с образованием установочного зазора между указанными фланцами.

В результате возможных погрешностей изготовления фланцев стойки и фундамента, а также их соответствующих соединений со стойкой и фундаментом, отверстия фланцев стойки и фундамента в проектном положении стойки могут не совпадать. Решения по прототипу в таких случаях не позволяет выставить стойку в проектное положение простыми средствами, так как требует исправление указанных погрешностей на месте возведения опоры, что существенно усложняет монтажные работы.

В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования узла соединения стойки опоры с фундаментом, в котором за счет конструктивных особенностей выполнения обеспечивается возможность выставления стойки в проектное положение простыми средствами не смотря на погрешности изготовления и закрепления фланцев, что упрощает монтажные работы и уменьшает их трудоемкость при возведении опоры на месте.

Поставленная задача решается тем, что в узле крепления стойки опоры к фундаменту, включающем фланец стойки, соответствующий ему фланец фундамента, соосные отверстия, выполненные в указанных фланцах по окружности, концентричной продольной оси стойки, средства винтовых соединений фланцев между собой в виде шпилек, нижние концы которых закреплены в отверстиях фланца фундамента, а верхние концы — в отверстиях фланца стойки с образованием установочного зазора между указанными фланцами, в соответствии с полезной моделью, отверстия в одном из указанных фланцев выполнены в виде овальных пазов, большие оси которых ориентированы вдоль линии окружности, по которой выполнены отверстия.

Указанные признаки являются существенными признаками полезной модели.

Существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым результатом.

Так, отличительные признаки полезной модели (отверстия в одном из указанных фланцев выполнены в виде овальных пазов, большие оси которых ориентированы вдоль линии окружности, по которой выполнены отверстия) совместно с существенными признаками, общими с прототипом, обеспечивают возможность выставления стойки в проектное положение простыми средствами не смотря на погрешности изготовления и закрепления фланцев, что упрощает монтажные работы и уменьшает их трудоемкость при возведении опоры на месте.

Объясняется это следующим.

Выполнения отверстий в одном из фланцев в виде овальных пазов, большие оси которых ориентированы вдоль линии окружности, по которой выполненные отверстия, позволяет в процессе монтажных работ выставить шпильки фланцевого соединения в соосное положение с отверстиями, выполненными в фланцах, путем смещения шпилек вдоль больших осей овальных пазов, в виде которых выполнены отверстия одного из фланцев.

Ниже приводится подробное описание заявляемого узла крепления стойки опоры к фундаменту со ссылками на чертежи, на которых показано:

Фиг.1 — Узел крепления стойки опоры к фундаменту, вид сбоку.

Фиг.2 — Узел крепления стойки опоры к фундаменту, разрез А-А на фиг.1.

Фиг.3 — Узел крепления стойки опоры к фундаменту, разрез Б-Б на фиг.1, без средств винтовых соединений.

Фиг.4 — Узел крепления стойки опоры к фундаменту, элемент I на фиг.3.

Фиг.5 — Узел крепления стойки опоры к фундаменту, разрез В-В на фиг.2.

Узел крепления стойки опоры к фундаменту включает стойку 1, в основании 2 которой закреплен фланец 3, фундамент 4 (показан условно) с фланцем 5, который по форме выполнения соответствует фланцу 3 стойки 1. Во фланцах 3, 5 выполнены соосные отверстия 6. Отверстия 6 выполнены по окружности 7, концентричной продольной оси 8 стойки 1. Отверстия 6 в одном из указанных фланцев 3, 5, например, во фланце 5 фундамента 4, как показано фиг.1-4, выполнены в виде овальных пазов, большие оси 9 которых ориентированы вдоль линии окружности 7, по которой выполнены отверстия 6.

Фланцы 3, 5 соединены между собой с помощью винтовых соединений, которые включают шпильки 10, нижние концы которых закреплены в отверстиях 6 фланца 5 фундамента 4 с помощью зажимных гаек 11, 12 (фланец 5 расположен между зажимными гайками 11, 12), а верхние концы закреплены в отверстиях 6 фланца 3 стойки 1 с помощью опорных гаек 13 и зажимных гаек 14 (фланец 3 расположен между опорными гайками 13 и зажимными гайками 14), с образованием установочного зазора 6 между фланцами 3, 5 (фиг.5).

Монтаж стойки 1 на фундаменте 4 выполняют следующим образом.

В отверстия 6 фланца 5 фундамента 4 вставляют нижние концы шпилек 10 и навинчивают зажимные гайки 11, 12 по разные стороны фланца 5. На шпильки 10 навинчивают опорные гайки 13. Фланец 3, закрепленный на стойке 1, монтируют на шпильках 10. При монтаже фланца 3 шпильки 10 выставляют в овальных отверстиях 6 фланца 5 путем смещения шпилек 10 вдоль больших осей 9 овальных отверстий 6 так, чтобы оси шпилек 10 совпадали с осями отверстий 6, выполненных во фланце 3, компенсируя возможные погрешности в изготовлении и закреплении фланцев 3, 5 (что стало возможным в результате выполнения отверстий 6 во фланце 5 в виде овальных пазов, большие оси 9 которых ориентированы вдоль линии окружности 7, по которой выполнены отверстия 6). После чего фиксируют положение шпилек 10 зажимными гайками 11, 12. В результате выполнения указанных монтажных работ верхние концы шпилек 10 проходят через отверстия 6 во фланце 3, фланец 3 опирается на опорные гайки 13 с образованием установочного зазору б между фланцами 3, 5. Путем регулирования расположения опорных гаек 13 на шпильках 10 (вращением их в соответствующие стороны) выставляют стойку 1 в вертикальное положение. Таким образом, обеспечивают проектное положение стойки 1 простыми средствами, не смотря на погрешности выполнения фланцев 3, 5 и погрешности в соединениях фланцев 3, 5 со стойкой 1 и с фундаментом 4 соответственно. После выставления стойки 1 в проектное положение фланец 3 закрепляют на шпильках 10 зажимными гайками 14.

При выполнении овальных отверстий 6 во фланце 3 стойки 1 монтажные работы выполняют аналогичным образом. Разница заключается в том, что выставление шпилек 10 в соосное положение с отверстиями 6 во фланцах 3, 5 обеспечивают путем выставления шпилек 10 в овальных отверстиях 6, выполненных во фланце 3.

Узел соединения стойки опоры с фундаментом, включающий фланец стойки, соответствующий ему фланец фундамента, соосные отверстия, выполненные в указанных фланцах по окружности, концентричной продольной оси стойки, средства винтовых соединений фланцев между собой в виде шпилек, нижние концы которых закреплены в отверстиях фланца фундамента, а верхние концы — в отверстиях фланца стойки с образованием установочного зазора между указанными фланцами, отличающийся тем, что отверстия в одном из указанных фланцев выполнены в виде овальных пазов, большие оси которых ориентированы вдоль линии окружности, по которой выполнены отверстия.

Источник