Применение раскосов в коленных узлах стальных каркасных зданий.

Практический обзор ситуаций, когда и почему применение раскосов в колене является целесообразным

Здания со стальным каркасом заслуженно известны своей способностью перекрывать большие пролёты с минимальными прерываниями. Однако при проектировании в регионах с высокими ветровыми нагрузками или сейсмической активностью вопрос боковой устойчивости начинает доминировать в процессе проектирования. Одним из решений, которое регулярно обсуждается на семинарах и совещаниях по проектам, являются раскосы в колене. Это не самый эффектный конструктивный элемент, однако зачастую именно он позволяет избежать дорогостоящих шарнирных соединений или громоздких противосейсмических стен.

Основная идея достаточно проста. Короткий диагональный раскос — «колено» — соединяет балку с колонной вблизи их пересечения, создавая жёсткий узел без сварки полного узла с передачей изгибающего момента. Такая конфигурация передаёт боковые нагрузки за счёт осевых усилий в раскосе, а не за счёт изгиба в узле балка–колонна. Особую привлекательность «коленчатому» раскосному решению придаёт его оптимальное соотношение стоимости и эксплуатационных характеристик. Для полных узлов с передачей изгибающего момента требуются более массивные профили, больший объём сварочных работ и более строгий контроль качества на производстве. Центрические раскосные каркасы занимают полезную площадь этажа диагональными элементами, которые мешают размещению дверей, конвейеров или оборудования. «Коленчатое» раскосное решение занимает промежуточное положение: диагональный элемент располагается высоко, не мешая эксплуатации, но при этом обеспечивает значимое сопротивление боковым нагрузкам.

То, где «коленчатое» раскосное решение действительно проявляет себя в реальных проектах

Проекты, которые наиболее выгодно используют коленное раскрепление, как правило, обладают рядом общих характеристик. Одноэтажные промышленные здания с чистой высотой менее 12 м. Складские помещения, где шаг колонн составляет от 9 до 18 м. Производственные объекты, где подкрановые пути требуют, чтобы конструкция сохраняла жёсткость под динамическими нагрузками. И, возможно, что наиболее важно, проекты в сейсмически активных зонах, где проектная группа стремится использовать элемент, действующий как предохранительный «плавкий элемент», способный рассеивать энергию без выведения всей рамы в неупругую область.

Проект, реализованный несколько лет назад, наглядно демонстрирует это. Пищевому перерабатывающему предприятию в Тихоокеанском Северо-Западе требовалось расширить площадь сухого складского помещения на 120 000 квадратных футов. Участок располагался на слабом грунте с классификацией участка D, а местные органы власти предписывали выполнение сейсмического проектирования в соответствии со стандартом ASCE 7 с параметром спектрального ускорения отклика, который относил проект к категории умеренной сейсмической активности. Инженерная команда рассмотрела стандартные варианты решений. Обычные рамы с моментным соединением потребовали бы колонн типа W24 и двойных ребер жесткости в каждой стыковке — что было дорого как с точки зрения материалов, так и времени изготовления. Центрические фермы с подкосами привели бы к размещению диагональных элементов прямо по центру оконных проёмов, которые заказчик требовал для обеспечения естественного освещения в складском помещении.

Установка раскосов в виде коленного узла оказалась решением. В конструкции использовалась конфигурация раскоса в виде коленного узла, при которой диагональ проходила от точки, расположенной примерно на высоте 5 футов от основания колонны, до точки, находящейся примерно на расстоянии 4 футов от оси балки. Это позволило разместить раскос целиком выше требуемой чистой высоты для работы погрузчиков, обеспечив при этом достаточную боковую жёсткость для соблюдения предельных значений горизонтальных смещений. Рабочие чертежи содержали значительно меньше сварных соединений по сравнению с альтернативным решением — рамой с жёсткими узлами, а монтажная бригада установила раскосы примерно за половину времени, необходимого для монтажа более сложных соединений.

Техническая механика данного подхода

Понимание того, почему коленно-распорная система работает эффективно, требует краткого взгляда на то, как боковые нагрузки передаются через стальную раму. В нераскрепленной раме ветровые или сейсмические силы смещают верхнюю часть колонны вбок, создавая изгибающий момент у основания и еще один — в узле соединения балки и колонны. Рама противодействует этому за счет изгиба, что означает: сечения колонны и балки должны быть достаточно массивными и глубокими, чтобы выдерживать эти моменты без превышения допустимых напряжений.

Установка коленно-распорной связи изменяет путь передачи нагрузки. Распорка действует как диагональный стержень, воспринимающий осевое усилие — растяжение или сжатие в зависимости от направления боковой нагрузки. Это осевое усилие раскладывается на горизонтальную и вертикальную составляющие в узлах крепления. Горизонтальная составляющая непосредственно противодействует боковой нагрузке, а вертикальная — добавляет дополнительное осевое усилие в колонну. В результате изгибающие моменты в узле соединения балки и колонны значительно снижаются, что позволяет использовать более легкие сечения.

Справочник по стальному строительству AISC содержит специальные проектные положения для ферм с коленными раскосами, рассматривая их как тип рамы с моментным соединением, требующей особого конструирования. Сам элемент коленного раскоса проектируется как жертвенная деталь в зонах с высокой сейсмической активностью: он пластически деформируется и рассеивает энергию во время сильного землетрясения, защищая основные элементы рамы от повреждений. Эта концепция одноразовых коленных раскосов была подтверждена полномасштабными испытаниями и признана в стандарте AISC 341 для сейсмических категорий проектирования, где важна пластичность.

Что показывают цифры об эффективности

Различия в эффективности стратегий раскрепления четко проявляются при сравнении бокового смещения, массы материала и сложности изготовления. В исследовании 2023 года, опубликованном в журнале AISC Engineering Journal, сравнивались каркасы с обычными моментными соединениями, центрически раскрепленные каркасы и каркасы с коленными раскреплениями при одинаковых нагрузочных условиях. Конфигурация с коленными раскреплениями обеспечивала боковое смещение в пределах 15 % от значения для каркаса с обычными моментными соединениями, при этом расход стали был примерно на 30 % меньше. Центрически раскрепленный каркас оказался еще легче, однако архитектурные конфликты и сложность узловых соединений заставили многие проектные группы выбрать коленные раскрепления как практичный компромисс.

Количество дюймов сварных швов рассказывает историю, понятную цехам по металлоконструкциям. Меньше дюймов сварки означает меньше трудозатрат, меньшую деформацию и более быстрое прохождение изделий через цех. Для типового склада на 50 стоянок разница между соединениями рам с моментным защемлением и соединениями с коленными раскосами может составить сотни футов сэкономленной сварки — а это напрямую влияет на сроки выполнения работ и затраты.

Практические ограничения, которые стоит учитывать

Коленные раскосы — не универсальное решение, и игнорирование этого факта вредит процессу проектирования. Такой подход наиболее эффективен для зданий небольшой и средней этажности, у которых отношение высоты к ширине (высота здания, делённая на его ширину) не превышает примерно 0,3. Более высокие и узкие здания создают большие опрокидывающие моменты, которые коленные раскосы в одиночку не могут эффективно воспринимать. В таких случаях чаще всего целесообразно комбинировать коленные раскосы на нижних уровнях с рамами с моментным защемлением или диафрагмами жёсткости на верхних уровнях.

Другое ограничение проявляется в зданиях с тяжелыми крановыми нагрузками. Динамическое воздействие от мостовых кранов вызывает проблемы усталости в соединениях колонно-балочных раскосов, особенно в местах крепления раскоса к балке. Проектирование таких соединений с учетом как сейсмических, так и крановых нагрузок требует тщательного анализа комбинаций нагрузок и может привести к использованию более массивных элементов по сравнению с чисто ветровыми или сейсмическими расчетами.

Геометрия соединений также имеет большее значение, чем полагают многие проектировщики на начальном этапе. Угол наклона колонно-балочного раскоса относительно балки и колонны влияет как на вклад раскоса в жесткость конструкции, так и на величину продольных усилий, возникающих в самом раскосе. Малые углы — например, менее 30° от горизонтали — создают значительные продольные усилия при заданной боковой нагрузке, что может потребовать увеличения сечения раскоса и повышения требований к его соединениям. Более крутые углы обеспечивают лучшие конструктивные характеристики, однако могут противоречить требованиям к высоте подкранового пространства.

Интеграция с другими конструктивными системами

Упоры в коленном узле редко работают изолированно. В большинстве зданий система бокового сопротивления состоит из нескольких элементов, работающих совместно. Каркасы с упорами в коленном узле часто комбинируются с действием диафрагмы от кровельного или перекрытия, которое распределяет боковые нагрузки между раскрепленными каркасами пропорционально их относительной жесткости. Кровельное покрытие должно быть спроектировано так, чтобы передавать эти нагрузки без чрезмерного напряжения крепежных элементов или преждевременного разрушения по краям панелей.

Конструкция фундамента также должна отражать путь передачи нагрузки. Установка раскосов в виде коленчатых связей создает значительные осевые нагрузки на колонны, что приводит к увеличению требований к фундаментным плитам по сравнению с нераскрепленным каркасом. Однако эти нагрузки на фундамент, как правило, меньше, чем в случае центрально раскрепленного каркаса, где усилия в диагональных связях могут вызывать существенный подъем и опрокидывающий момент у основания. Для проектов, где стоимость фундамента является ключевым фактором — например, при слабых грунтах или необходимости дорогостоящей разработки скальных пород — такой промежуточный профиль нагрузок может стать решающим преимуществом.

Недавний проект на юго-востоке Соединённых Штатов наглядно иллюстрирует этот момент. Распределительный центр, расположенный на участке с высоким уровнем грунтовых вод и сомнительной несущей способностью грунта, прошёл этап инженерного анализа стоимости, в ходе которого сравнивались коленчатые распорки и концентрические распорки. Для концентрического варианта требовалось устройство буронабивных свай для восприятия выдергивающих усилий от распорок, что увеличило бюджет на фундамент примерно на 180 000 долларов США. Альтернативное решение с коленчатыми распорками позволило удержать нагрузки в пределах, допустимых для ленточных фундаментов, что позволило сэкономить как средства, так и время реализации проекта.

Принятие решения в каждом конкретном случае

Решение о применении диагональных связей с коленными узлами зависит от нескольких практических вопросов. Каковы предельные значения горизонтальных смещений? Какие требования предъявляет категория сейсмического проектирования? Какое количество помех, вызванных диагональными связями, может допустить планировка этажа? Что лучше всего получается у местного цеха по изготовлению металлоконструкций — выполнение моментных соединений или более простых узлов связей? Ответы на эти вопросы, полученные на ранних этапах проектирования, позволяют избежать дорогостоящей переработки проекта на поздних стадиях, которая приводит к срыву сроков и бюджета.

Для проектов, в которых ответы на указанные вопросы склоняются в пользу применения диагональных связей с коленными узлами, деталировка этих элементов требует такого же внимания, как и любых других конструктивных элементов. Конструирование соединений должно соответствовать положениям стандарта AISC 360 для болтовых или сварных соединений, при этом особое внимание следует уделить геометрии косынок и передаче нагрузки в полки балок и колонн. Сам элемент связи должен быть проверен на прочность как при растяжении, так и при сжатии, а его гибкость должна быть такой, чтобы исключить потерю устойчивости под действием расчетных нагрузок.

При принятии решения также учитываются аспекты изготовления и монтажа. Соединения колонн с раскосами-«коленами» просты в изготовлении на заводе: они состоят из меньшего числа элементов и требуют меньше усилий при подгонке по сравнению с моментными соединениями. Последовательность монтажа, как правило, предусматривает установку раскосов после возведения основного каркаса, что обеспечивает бригаде гибкость при организации работ и использовании кранов. Это логистическое преимущество особенно важно на стеснённых строительных площадках или при реализации проектов с ускоренными сроками.

Компания Zhongwei Heavy Industry зарекомендовала себя как поставщик решений для стальных каркасов, обеспечивающих оптимальный баланс между конструктивной надёжностью и практической осуществимостью монтажа. Производственные мощности компании и инженерная поддержка помогают проектным командам оценивать компромиссы между различными стратегиями раскрепления, гарантируя, что выбранное решение соответствует как проектным требованиям, так и реалиям выполнения работ на строительной площадке.