Технология сварки колонны двутаврового сечения: Сварка балок двутаврового сечения

расчет, характеристики и виды колонного двутавра

Двутавр – вид фасонного стального проката, востребованный для создания металлоконструкций, испытывающих значительные нагрузки. Для сооружения несущих колонн обычно используют широкополочные и колонные стальные двутавры, имеющие параллельные внутренние грани полок.

Колонные и широкополочные двутавровые балки: основные характеристики

Для изготовления металлопродукции, работающей в нормальных условиях, востребованы углеродистые стали обыкновенного качества – спокойные и полуспокойные. Для продукции ответственного назначения – низколегированные марки типа 09Г2С. Способы производства – горячая прокатка и сварка. Горячекатаные изделия регламентируются ГОСТом 26020 или СТО АСЧМ 20-93. Сортамент двутавра в этих двух нормативных документах немного различается.

По сравнению с нормальными, широкополочные и колонные двутавры обладают увеличенной шириной полок, толщиной полок и стенок. Такая усиленная конструкция обеспечивает высокую прочность и жесткость изделий, но увеличивает их массу. При правильном расчете конструкции из двутавров устойчивы не только к статическим, но и динамическим усилиям.

Таблица размерных характеристик колонных и широкополочных двутавров

Применение двутавра для изготовления центрально-сжатых колонн

Функциональное назначение таких колонн – передача нагрузок, действующих сверху, на основание строения, а через него – на почву. На эти конструктивные элементы оказывают давление продольные силы, приводящие к равномерному сжатию поперечного сечения.

Конструктивные составляющие центрально-сжатых колонн:

• Оголовок. Предназначен для фиксации на нем расположенных выше конструкций.
• Стержень. Главный несущий элемент.
• База колонны из двутавра. Крепится к основанию анкерными болтами. Служит для распределения приложенного усилия по поверхности фундамента.

Колонны из двутавра по виду сечения стержня разделяют на – сквозные (решетчатые) и сплошные. По высоте сечение может быть постоянным по размеру или переменным. При расчете оптимальной конструкции колонны принимают во внимание:

• величину прилагаемого усилия;
• эксплуатационные условия;
• возможности изготовления;
• удобство примыкания элементов, обеспечивающих дополнительное поддержание конструкции.

Особенности конструкции центрально сжатых сплошных и решетчатых колонн

Для изготовления колонных конструкций со сплошным и решетчатым сечением используется металлопродукция различных типов.

Со сплошным сечением

При производстве этих колонн может использоваться колонный и широкополочный прокатный двутавр, а также сварная продукция с поперечным сечением Н-образной конфигурации. Сварной двутавр производится соединением трех листов стали с помощью экономичной индустриальной автоматической сварки. Сечение такой продукции бывает не только постоянным, но и переменным, обеспечивающим возможность экономии металла.

С решетчатым сечением

Такие конструкции состоят из двух вертикальных ветвей, которые связывают раскосами или планками. Жестко соединенные ветви работают совместно и обеспечивают значительную устойчивость и надежность. Оси, проходящие через ветви, называют «материальными», параллельно им – «свободными».

Наиболее прочным вариантом является соединение ветвей решеткой треугольной формы, изготовленной из раскосов. Такая решетка в плоскости грани представляет собой ферму, воспринимающую осевые силы. Применяется при значительном разносе ветвей – до 800 мм – и/или величине осевого усилия 2500 кН и более.

Дистанция между полками двух ветвей определяется в соответствии с условиями равноустойчивости стержня. Однако рекомендуется его делать более 15 см для возможности периодического окрашивания внутренних поверхностей, что необходимо для их защиты от коррозионного разрушения.

Сварные колонны из двутавра: что это, особенности, применение

Сварные колонны из двутавра используются для возведения перекрытий и конструкций в течение длительного времени. Однако до недавнего времени в Российской Федерации на использование двутавровых колонн было жесткое ограничение в сегменте промышленного строительства, то есть, их нельзя было применять в масштабных производственных зданиях и сооружениях. Только в последние несколько лет стали применяться различные виды двутавровых колонн, которые можно использовать не только при возведении жилых зданий, но и сооружениях производственного, промышленного и иного технического назначения.  

Что такое колонны из двутавра? 

В зависимости от сечения двутавровые металлические колонны могут классифицироваться на прокатные и составные, которые и именуют сварными – о них и пойдет речь ниже. Сварная двутавровая колонна — это особая разновидность фасонного металлопроката, которая производится в формате горизонтального или наклонного элемента. Для ее производства используется сырье в виде углеродистой и низколегированной стали, которые обязательно должны быть высококачественными. 

Поговорим о ключевых положительных сторонах двутавровых сварных колонн: 

Двутавровые сварные балки

— С помощью них можно перекрыть большой пролет со значительными нагрузками. Этот элемент позволяет выдерживать довольно существенный вес. 

— Они позволяют отлично перераспределить как вертикальные, там горизонтальные нагрузки. Данный тип металлоконструкций прекрасно функционирует на изгиб благодаря высокому уровню жесткости. 

— Элементы не теряют несущей способности, а также не горят при нагревании, даже при условии значительных температур. Поэтому представленные типы колонн можно использовать в помещениях, где существует опасность возгорания, например, при условии опасных условий труда. 

— Материал устойчив к различным биологическим воздействиям. Сюда можно отнести, например, низкие температуры или температурные перепады. Материал способен выдерживать множество циклов заморозки и разморозки. 

— Сварные двутавровые колонны — это идеальный выбор для возведения быстромонтируемых конструкций сооружений. Колонна позволяет существенно уменьшить массу всей конструкции. 

— Изделия могут быть изготовлены также с ассиметричным сечением. 

Все эти характеристики объясняют причину того, что сварные колонны из двутавра активно используются в строительстве жилых домов и промышленных комплексов, а также тоннелей и мостов, и многих других типов строений. Несмотря на то, что многие считают, что при использовании колонн они могут стать слишком тяжёлыми для частного строительства жилых зданий, на самом деле применение подобных элементов позволяет в итоге уменьшить общий вес несущих конструкции. Однако необходимо помнить, что при использовании сварных элементов конструкций применяются другие требования, в том числе и с точки зрения ГОСТа. 

Преимущества сварного метода при производстве колонн из двутавра 

Как уже было сказано выше, металлические двутавровые колонны для дальнейшего использования в строительстве могут быть произведены с помощью двух способов: 

— горячекатаный; 

— сварной. 

Сварочное производство

По сравнению с прокатными элементами, колонны сварные будут иметь большое количество преимуществ. Использование данной методики позволяют повысить качественные характеристики элементов, а также снизить массу почти на 30%. Почему это становится возможным? 

Расчет сварной колонны предполагает грамотное использование разных марок металлов в сочетании. 

Всё это обуславливает отличные технические характеристики, а также более низкую цену сварной колонны по сравнению с горячекатаной. 

Использование сварки отличное решение для того, чтобы делать колонны самых различных диаметров, высота которых может достигать 4 м и больше. Это невозможно при использовании горячекатаного способа. 

Применение сварного способа помогает выпустить колонну, диаметр которой будет разным по всей длине. Для чего создавать колонны с переменным сечением? Подобные элементы отличаются больше экономичностью, чем металлоконструкций с постоянным профилем. Даже человек, далекий от строительства осознает, что в разных местах колонн после монтажных работ на них будет воздействовать разный уровень напряжения. В каких-то локациях она не будет напряжена, в каких-то локациях наоборот будет работать на износ. Именно поэтому после тщательного расчета в местах напряжения колону делают толще, в местах, где нагрузки не будет, можно рационально сэкономить материал и сделать элемент тоньше. 

Вы можете заказать сварные колонны из двутавра в Новинском ЗМК. Мы предлагаем производство металлоконструкций высокого качества по приятным расценкам. Заказ возможен по проекту заказчика либо по собственному проекту компании.

Соединения широкополочной балки с колонной из быстрорежущей стали и применимые предельные состояния

Мустафа Махамид, PhD, SE, PE, P. Eng, F.ASCE, F.SEI
FORSE Consulting, технический консультант Института стальных труб

Полые конструкционные секции (HSS) могут использоваться в качестве элементов балки, колонны, раскоса и фермы внутри конструкции. Как и в случае любого стального элемента, конструкция соединений имеет решающее значение для работы элемента и всей конструктивной системы. Многие из тех же соединений, которые используются для элементов с широкими полками, также могут использоваться для элементов из быстрорежущей стали со случайными изменениями для учета формы закрытого сечения из быстрорежущей стали. Эти соединения могут быть скреплены болтами или сварены с использованием тех же типов болтов и тех же методов сварки, что и другие соединения конструкционной стали.

Ниже приведен общий обзор ключевых моментов, которые следует учитывать при проектировании соединений с элементами HSS:

1. Из-за гибкости стен HSS локальная прочность элемента HSS в месте соединения может контролировать пропускную способность соединения. Это важное соображение при определении толщины стенки элемента из быстрорежущей стали.
2. Армирование стен из быстрорежущей стали для локального усиления элемента обычно недоступно для изготовления.
3. Размер углового сварного шва к элементам из быстрорежущей стали, который может учитываться при проектировании, может контролироваться прочностью основного металла. В Таблице 2-3 Руководства по проектированию AISC 24 указана минимальная толщина стенки из быстрорежущей стали, необходимая для достижения полной прочности применяемого углового сварного шва.
4. Для элементов, соединенных поперек поверхности быстрорежущей стали, усилие, передаваемое через угловой сварной шов, неравномерно из-за изменения изгибной жесткости стенки из быстрорежущей стали по ширине ее сечения. AISC 360-16 Таблица K5.1 описывает уменьшенную эффективную длину углового шва для различных типов поперечного соединения.
5. Дополнительными предельными состояниями, которые следует учитывать при растяжении болтов, прикрепленных к элементам из быстрорежущей стали, являются растяжение и искривление стенки из быстрорежущей стали. Оба предельных состояния обсуждаются в Руководстве по проектированию AISC 24, 9.0004 Раздел 3.2.

Проекты структурного проектирования в США обычно должны соответствовать требованиям Международного строительного кодекса (IBC). Согласно IBC, стальные конструкции должны быть спроектированы в соответствии с положениями, указанными Американским институтом стальных конструкций (AISC) в их публикациях AISC 360 и AISC 341. Кроме того, AISC опубликовал Руководство по стальным конструкциям, Руководство по сейсмическому проектированию, и многочисленные руководства по проектированию, которые предоставляют дополнительную информацию и помощь при проектировании стальных конструкций. В этих публикациях AISC предоставляет рекомендации по проектированию соединений конструкционной стали.

Соединения элементов HSS регулируются теми же предельными состояниями, что и любые другие элементы конструкции, и определяются AISC. Соединения на сдвиг или простые соединения на сдвиг — это соединения, в которых соединение между элементами не требуется для передачи крутящих моментов и обеспечивает естественное вращение, связанное с поведением элемента под действием приложенных нагрузок. Наиболее распространенная форма балки, соединенной с колонной из быстрорежущей стали, — широкополочная.

Обычные сдвиговые или простые соединения, которые используются для соединений между широкополочными балками и колоннами из быстрорежущей стали:

• Соединения с одной пластиной (как обычной, так и расширенной конфигурации)
• Соединения с одинарным уголком
• Соединения с двойным уголком
• Соединения WT
• Соединения с неподкрепленной опорой
• Соединения с жесткой опорой

затраты на изготовление и должны использоваться только в том случае, если ни одно из вышеперечисленных соединений не является адекватным)

Ниже показаны общие детали соединений, работающих на сдвиг, используемых для соединения широкополочной балки с колонной из быстрорежущей стали. Общие предельные состояния включают срез болтов, опору в болтовых отверстиях, сварные швы, сдвиг и разрыв при растяжении и т. д. В некоторых случаях существуют дополнительные предельные состояния, которые также необходимо проверять для элементов из быстрорежущей стали. В таблице 2 показаны применимые предельные состояния для различных типов соединений на элементах HSS и их ссылки в Руководстве AISC, 15-е издание и AISC 360-16. В дополнение к предельным состояниям существуют некоторые критерии и размерные ограничения, которые необходимо учитывать при выполнении этих соединений с колоннами HSS.

Однопласное соединение с одной пластинкой с HSS Column Одноугловое соединение в большом HSS Column Одноугольное соединение в столбце HSS Двойное угловое соединение на большом соединении HSS Соединение двойного углового соединения в маленьком столбце HSS WT Connect КОЛОННА HSS СОЕДИНЕНИЕ WT НА МАЛОЙ КОЛОННЕ HSS СОЕДИНЕНИЕ С НЕУСТОЙЧИВОЙ ПОСАДКОЙ НА КОЛОННЕ HSS СОЕДИНЕНИЕ С ЖЕСТКОЙ ПОСАДКОЙ НА КОЛОННЕ HSS

Каталожные номера

1. AISC, 2016 г. «Технические условия для зданий из конструкционной стали», ANSI/AISC 360-16, Американский институт стальных конструкций, Чикаго, Иллинойс.
2. STI, 2016 г. «Руководство по проектированию быстрорежущих станков, том 3: Соединения на элементах быстрорежущих станков», Институт стальных труб.

Сентябрь 2019

Скачать PDF

Типы соединений стальных балок и их детали

🕑 Время чтения: 1 минута

В конструкциях используются различные типы соединений стальных балок. Соединения стальных балок подразделяются на две группы, а именно каркасные и сидячие соединения.
В соединениях рамных стальных балок балка соединяется с опорным стальным элементом через фитинги, тогда как в случае соединений с опорой балка располагается на опоре, как и в случае, когда балка размещается на каменных стенах.
В этой статье обсуждаются различные типы соединений стальных балок.

Рис.1: Различные типы стальных пучков с пучком.

Ниже приведены различные типы соединений балок:

• Болтовые соединения
• Резьбовые соединения
• Сварные рамные соединения
• Сварные соединения седла
• Соединения торцевой пластины
• Специальные соединения
• Простые, жесткие и полужесткие соединения

Соединения стальных балок с болтовым креплением

В этом типе соединения стальные балки соединяются с опорными элементами, будь то стальные балки или колонны с углом соединения стенок, как показано на рисунке 3.

Рис. 3: Болтовое соединение стальной балки

Обычно соединение проектируется с учетом нагрузок на конце балки. При проектировании соединения необходимо учитывать прочность, тип и размер крепежных элементов, а также прочность основных материалов.
Минимальная длина соединительного уголка должна быть не менее половины ширины стенки балки в свету. Эта мера предназначена для обеспечения достаточной жесткости и стабильности.
Существуют различные стандартные размеры болтовых рамных соединений, а также их пропускная способность, предусмотренная кодами. Целью такого стандартизированного соединения является увеличение скорости проектирования.
Рекомендуется использовать минимальное соединение, достаточное для того, чтобы выдержать приложенную нагрузку, чтобы сделать конструкцию максимально экономичной.

Стальная балка с болтовым соединением

Существует два основных типа болтовых посадочных соединений, включая неусиленные болтовые посадочные соединения и усиленные болтовые посадочные соединения, как показано на Рисунке 4 и Рисунке 5.

Рис. 4: Неподкрепленное болтовое соединение седла

Рис. 5: Жесткое болтовое соединение седла

6
Если реакции на концах балки велики, то рекомендуется рассмотреть усиленные соединения седла, поскольку они имеют достаточную способность противостоять большим усилиям, в то время как способность неусиленного соединения седла ограничена из-за ограниченной способности изгиба опорного уголка, который заедает. выходит горизонтально.
Самым выдающимся преимуществом соединения сиденья является то, что балка может быть изготовлена ​​экономично, а сиденье обеспечивает немедленную поддержку во время монтажа.
Функция верхнего уголка, используемого в соединении сиденья, состоит в том, чтобы предотвратить случайное вращение балки.
Стоит отметить, что данный вид подключения не требует значительной технологической детализации. Болтовые соединения желательны с экологической точки зрения, поскольку конструкцию можно демонтировать, а элементы можно использовать в других проектах.

Кроме того, болтовые соединения могут быть легко установлены.

Соединение стальной балки с сварным каркасом

Как и два других типа балочных соединений, сварные рамные соединения различных размеров с их грузоподъемностью доступны и предоставляются кодами.
Сварной шов соединения подвергается прямому сдвиговому напряжению и напряжению, вызванному нагрузками на балку, влияющими на рисунок сварного шва. Поэтому эти напряжения необходимо учитывать.
Очевидно, что часть сварочных работ выполняется в сложных условиях, поскольку трудно добиться высокого качества сварки из-за движений стальных элементов, вызванных ветром или другими факторами.

Сварные соединения стальных балок

Оно похоже на болтовое посадочное соединение, но для крепления используется сварка, а не болты. Нагрузки на балку эксцентрично воздействуют на рисунок сварного шва и создают напряжение. Таким образом, как и сварные рамные соединения, такие напряжения необходимо учитывать.
Типы сварных соединений седла включают неусиленное седло и усиленное седло. Первый используется в случае малых приложенных нагрузок, тогда как последний подходит в случае больших нагрузок.
Рекомендуется использовать болты для соединения нижней полки балки с седлом. Эти болты можно снять или оставить на месте после завершения процесса сварки. Сварное соединение нежелательно с точки зрения окружающей среды и рабочих. Это связано с тем, что такое соединение не может быть легко демонтировано или возведено.

Торцевая пластина Соединение стальной балки

Этот тип соединения стал возможен благодаря использованию сварочного искусства. Торцевая пластина соединена со стенкой балки посредством сварного шва, поскольку ее мощность и размер определяются способностью к сдвигу стенки балки, примыкающей к сварному шву.
Нагрузка, приложенная к соединению на конце стержня, не имеет эксцентриситета. Существуют различные типы соединений торцевых пластин, включая гибкие, полужесткие и жесткие соединения торцевых пластин.
Следует знать, что изготовление и раскрой следует проводить с особой тщательностью, чтобы избежать ошибок. Например, обрезка балок по длине должна быть максимально точной.
Наконец, соединения с торцевыми пластинами не подходят для высоких стальных конструкций.

Соединения балок из специальной стали

Этот тип соединений используется в случае, когда расположение конструктивного элемента таково, что стандартные соединения не могут быть использованы.
Например, углы пересечения могут отличаться в определенной степени, а также когда центры балок смещены от центров колонн.
Примеры специальных соединений включают рамку с изогнутой пластиной, одинарную стеновую пластину, одностороннюю рамку, уравновешенную пластину стенки и соединение типа Z.
Способность соединений передавать моменты на колонны зависит от степени жесткости соединений. Чем выше степень жесткости соединения балок, тем больше возможность передачи моментов на колонны.
Если соединение предназначено для передачи моментов, то оно должно выдерживать поперечные усилия от балки и передавать моменты на колонны.