Стальные балки, имеющие в поперечном сечении форму двутавра, сконструированы для универсального применения в машиностроении и строительстве. При изучении характера напряжений, возникающих в нагружаемых изделиях, имеющих сплошное сечение, была выявлена неравномерность их распределения.
Были определены участки сечения деталей, имеющие наибольшие значения напряжения. В результате этого возникла идея создания изделия с такой формой сечения, где масса металла сконцентрирована в наиболее нагруженных участках. Так появилось двутавровое сечение.
Благодаря способности выдерживать большие нагрузки на изгиб в разных плоскостях, на сдвиг и кручение, стальные двутавровые балки составляют основу несущих конструкций быстровозводимых каркасных зданий и потолочных перекрытий.
Внутрицеховые грузоподъемные механизмы (кран-балки и мостовые краны) перемещаются по направляющим, изготовленным из балок двутаврового сечения.
Изготовление двутавровых балок осуществляется двумя способами:
- методом проката цельных отливок. Такие двутавровые балки называются горячекатаными;
- электродуговой сваркой предварительно раскроенных листовых заготовок, в результате чего получают сварную сборную двутавровую балку.
Горячекатаные двутавровые балки производятся на прокатных станах металлургических предприятий. Такая технология позволяет получить цельное изделие, не содержащее швов и обладающее высокой прочностью.
Сборку и сварку двутавровой балки осуществляют на автоматических линиях. Такая балка незначительно уступает цельнокатаной по прочности, но может быть выполнена по специальному заказу, с учетом требований конкретного проекта.
Производство горячекатаной двутавровой балки осуществляется в соответствии с ГОСТ 26020-83, сварной двутавр производители выпускают по своим собственным техническим условиям (ТУ).
Технология производства
В типовом варианте, двутавровая балка получают из трех листовых заготовок: стенки и двух полок, привариваемых к её торцам под прямым углом. Изготовление осуществляется на специализированных сборочных линиях, настроенных на выпуск балки определенного размера.
Заготовки перемещаются на специальных катках и предварительно закрепляются в нужном положении зажимными устройствами, оснащенными гидравлическим или пневматическим приводом.
На зафиксированном зажимным устройством участке собираемой балки делаются прихватки сваркой по поясному шву. После этого, балка перемещается по каткам, вновь закрепляется, и сваркой прихватывается следующий ее участок.
Поясной шов проваривается окончательно после того, как вся конструкция оказывается предварительно скреплённой сварными прихватками.
Сварка тавровых соединений стенки с полками осуществляется в автоматическом режиме под слоем флюса. Процесс автоматической сварки может выполняться разными приспособлениями. Это могут быть сварочные манипуляторы, горелки которых варят, перемещаясь по заданным траекториям посредством шарнирных соединений с несколькими степенями свободы.
Также могут применяться более простые устройства типа самоходных сварочных тракторов, гораздо больше подходящих для создания прямолинейных соединений.
Еще один класс устройств, способных автоматически сваривать поясные швы двутавровых балок, это консольные или портальные установки. В их состав, кроме собственно сварочного оборудования, входит аппаратура слежения и контроля качества сварного шва, а также устройства подачи флюса и последующей очистки шва от его остатков.
Такие установки осуществляют сварку под оптимальным углом, составляющим 45 °, чем обеспечивается наиболее благоприятное расположение сварочной ванны, и соответственно, высокое качество сварного шва.
Интенсивный нагрев заготовок в процессе сварки приводит к короблению полок. По этой причине процесс сборки двутавровых балок включает процедуру их выравнивания, осуществляемую на специальных машинах для исправления грибовидности.
На завершающей стадии изготовления производится фрезерная обработка торцов изделия.
Замена швеллерами
На практике при возведении строительных конструкций для получения двутаврового сечения иногда используется сварка швеллеров между собой. Если швеллеры применяются взамен предусмотренных проектом двутавровых балок, такая замена должна согласовываться.
Согласование использования альтернативного материала отражается изменениями, вносимыми в соответствующие разделы рабочего проекта. Возможность замены определяется по результатам поверочных расчётов на прочность, выполняемых проектировщиками.
Способ применяемой сварки швеллеров между собой также определяется расчётом. Это может быть сварка непрерывным или прерывистым швом, либо с применением соединительных накладок.
При сварке швеллеров непрерывным швом, в результате температурных деформаций металла, может произойти скручивание профиля. Избежать этого явления можно, применяя специальные струбцины, а также, накладывая сварочные швы небольшими участками, чередуя при этом стороны соединяемых профилей.
При необходимости удлинить такую конструкцию, осуществляют сварку швеллеров встык. Места стыковых сварочных швов швеллеров, образующих двутавр не должны совпадать друг с другом. Для усиления конструкции сварной шов можно укрепить с помощью накладки.
Способы соединения двутавров
При осуществлении монтажа балочных конструкций выполняются сварные соединения элементов в различных сочетаниях. Среди них можно выделить типовые способы соединение двутавровых балок.
Встык
Для соединения способом «встык» свариваемые фрагменты стыкуют предварительно обработанными торцами. Обработка состоит в том, что на торцевых срезах выполняют угловые скосы для более глубокой проварки соединения.
Учитывая несущие функции двутавровых балок, их соединение не ограничивается выполнением торцевых швов. Для усиления участка стыковки обычно применяют четыре накладки – по одной на каждую из полок, и по одной на каждую из сторон стенки.
Накладки представляют собой прямоугольники из листового металла. Они накладываются поверх соединительного шва, затем привариваются по периметру. Накладки на полки делают на всю ширину полки двутавровой балки, накладки на стенку – на всю высоту стенки.
Под прямым углом
Такое соединение осуществляется между главной и второстепенной несущими двутавровыми балками каркасной конструкции, находящимися на одном уровне. В этом соединении главная балка служит опорой второстепенной.
Сварочные работы выполняются в следующей последовательности. В верхней полке главной двутавровой балки делают вырез в форме равнобедренного треугольника с углом, близким к прямому.
Верхняя полка второстепенного двутавра вырезается под вставку в треугольный вырез главнойдвутавровой балки, а нижняя его полка срезается на величину половины ширины.
В результате должно получиться следующее. Плотное совмещение вырезов верхних полок двутавров, стыковка торца стенки второстепенной двутавровой балки с боковой поверхностью стенки главного двутавра и прилегание среза нижней полки второстепенной двутавровой балки к полке главного двутавра.
Полученное таким образом совместное закрепление заподлицо двух перпендикулярных двутавровых балок усиливается привариваемой снизу листовой накладкой.
Сваривание двутавра со швеллером под прямым углом
Это соединение выполняется, если второстепенной двутавровой балкой служит швеллер. Если стенки двутавра и швеллера одинаковы по высоте, можно поступить следующим образом.
Верхняя полка швеллера срезается род углом 45 °, на верхней полке двутавровой балки делается аналогичный по форме вырез. Нижняя полка швеллера отрезается с таким расчетом, чтобы при стыковке срез совместился с нижней полкой двутавра, а стенка швеллера уперлась в стенку двутавра. Так же, как и в предыдущем случае, соединение укрепляется накладкой снизу.
Инженерная мысль не стоит на месте. Кроме описанных технологий сварки могут применяться вновь созданные, на смену устаревающему сварочному оборудованию приходит обновленное, модернизированное или принципиально новое. Не исключено, что и традиционная сварка когда-нибудь уступит место другой технологии неразъемных соединений.
Стыки элементов балок
Особенности заводских, укрупнительных и монтажных стыков. Необходимость в устройстве стыков элементов, составляющих балку, может возникнуть, во-первых, из-за недостаточной длины листов и уголков, прокатываемых на заводах, по сравнению с длиной балки и, во-вторых, вследствие того, что общий вес балки или общие размеры ее не позволяют транспортировать или поднимать целые балки имеющимся на стройке оборудованием.
В первом случае стыки отдельных элементов устраивают при изготовлении балки на заводе и потому называют заводскими. Во втором случае стыки частей балок выполняют на укрупнительных монтажных площадках, а при недостаточной грузоподъемности монтажного оборудования - на месте постоянного расположения сооружения. Первые из них называют укрупнительными стыками, а вторые - монтажными.
Положение стыков отдельных элементов, выполненных на заводе, зависит главным образом от длины этих элементов. Длина широких листов, употребляемых на стенку, и узких, идущих на пояса, а также уголков различна, поэтому заводские стыки устраивают в разных местах балки, или, как говорят, россыпью. Независимое стыкование отдельных элементов при изготовлении балки не вызывает особых затруднений. Заводские стыки листов в поясах и стенках сваривают до наложения поясных швов, что обеспечивает свободу деформаций при остывании стыков, а также простоту устройства самих стыков и последующую их обработку, если таковая потребуется. В целях уменьшения числа шаблонов для изготовления отдельных элементов полезно располагать стыки их симметрично относительно середины пролета балки. Это создает большую повторяемость элементов.
В укрупнительных и монтажных стыках соединяют все продольные элементы балки. Взаимное расположение этих элементов к моменту устройства стыков строго фиксировано. Повороты соединяемых частей вследствие больших размеров и веса их при укрупнительной сборке затруднены, а при монтажной - совсем невозможны. Поэтому при проектировании таких стыков следует тщательно учитывать условия производства работ и доступность отдельных элементов для производства сварки или постановки болтов (заклепок).
Кроме того, для удобства транспорта отдельных секций балок и уменьшения опасности повреждения их элементов желательно, чтобы последние не образовывали выступающих частей (свесов).
Крепление каждого элемента балки в стыке должно быть рассчитано на силовые факторы, действующие в этом элементе (N, Q или М).
Стыки в сварных балках. При проектировании стыков необходимо учитывать порядок сварки элементов балки. Этот порядок должен быть таков, чтобы обеспечить наибольшую свободу деформаций и перемещений отдельных соединяемых элементов и тем уменьшить величину усадочных напряжений. С этой целью, как отмечено выше, заводскую сварку лент поясов и стенки ведут отдельно, а затем уже соединяют пояса со стенкой; в укрупнительных и монтажных стыках балок поясные швы не доводят до места стыка примерно на 50 см (рис. IV-18, б, в). Там же показана рекомендуемая последовательность устройства сварных швов в стыке балки для уменьшения вредного влияния усадочных напряжений.
В балках переменного сечения стыки поясных листов обычно используют для изменения их ширины или толщины. В многолистовом пакете стыки отдельных лент следует располагать вразбежку.
Наиболее рациональным типом и единственно допустимым в балках, работающих под динамической нагрузкой, является стык листов без накладок (рис. IV-18, а). Стыки в стык, усиленные накладками, требуют больше металла (основного и наплавленного), больше времени и рабочей силы, а предел выносливости стыков с накладками ниже, чем без накладок. Стыки, перекрываемые только накладками, имеют особенно низкий предел выносливости.
В сжатом поясе балки все стыковые швы устраивают под прямым углом к продольной оси. Если качество растянутых стыковых швов может быть проверено просвечиванием γ-лучами или другими повышенными способами контроля, то такие швы можно устраивать прямыми в любом месте балки. Просвечивать стыковые швы в случае расположения их в местах с растягивающими напряжениями σ>0,85R следует в растянутом поясе и в примыкающей к нему части стенки на длине около 1/10 высоты стенки. При невозможности использовать повышенные средства контроля растянутые стыки устраивают прямыми в местах с напряжениями σ≤0,85R или косыми с углом σ=65° между направлением шва и продольной осью элемента (отношение катетов 2,1:1).
Если у прямого стыкового шва стенки получаемое по расчету напряжение растяжения более Rр св=0,85R, но растянутый пояс в этом месте не имеет стыка или сварной стык его равнопрочен поясу, то шов стенки будет работать в условиях стесненной деформации. Поэтому в ограниченной зоне, прилегающей к такому поясу, можно не опасаться вредных последствий расчетных перенапряжений и оставлять шов стенки прямым.
При изготовлении балок, предназначенных под статические нагрузки, в мастерских, не имеющих оборудования для точной обрезки листов и подготовки кромок под швы в стык, а также при больших зазорах между стыкуемыми частями балок на монтаже, допустимо перекрывать стыки листов стенки и поясов только накладками. Стык листов стенки перекрывают двумя накладками прямоугольной формы (рис. IV-18, г), приваривая их угловыми швами. Толщину накладок у стенки назначают обычно такую же, как и толщину стенки. В этом случае два пологих лобовых шва (1:1,5), уложенных вдоль длинных сторон накладок, имеют большую несущую способность, чем стенка:
Поэтому необходимость в устройстве фланговых швов отпадает. Устраивать фланговые швы трудно, если к стенке приварены пояса. Ширину накладок назначают около 10 толщин их (для уменьшения влияния усадочных напряжений и для более плавного отклонения силовых потоков).
Проверять прочность угловых швов следует потому, что длина накладок меньше полной высоты стенки.
Пояса перекрывают накладками. Односторонние накладки вызывают резкое отклонение силовых потоков и ухудшение работы поясов. Толщина накладок определяется требуемой высотой угловых швов; при этом площадь поперечного сечения накладки должна быть не менее площади поперечного сечения перекрываемого листа. В местах крепления односторонних накладок к поясу следует несколько увеличивать высоту поясных швов, чтобы уменьшить неблагоприятное влияние эксцентриситета в стыке.
Расчет угловых швов, прикрепляющих накладки к поясным листам, ведут или по усилию, действующему в листе в месте стыка N=Fσ, или по несущей способности листа [N]=FR:
где ΣFш - расчетная площадь угловых швов, расположенных с одной стороны стыка.
Учитывая наличие эксцентриситета в стыке с односторонней накладкой, полезно расчетное усилие увеличить примерно на 20%.
Швы, прикрепляющие накладки к стенке, рассчитывают по изгибающему моменту Мст, действующему в стенке:
где ΣWш - сумма моментов сопротивления угловых швов, расположенных с одной стороны стыка.
Величину изгибающего момента Мст, приходящегося на стенку балки, определяют из пропорциональности между изгибающими моментами, приходящимися на отдельные части составной балки, и жесткостями этих частей:
где Iст, Iп и Iб - моменты инерции стенки, пояса и всей балки относительно нейтральной оси балки;
Mб - изгибающий момент, действующий на балку в месте стыка.
Швы, присоединяющие накладки к стенке, должны быть, кроме того, проверены на воздействие поперечной силы, действующей в месте стыка. Вследствие малой жесткости поясов балок по сравнению со стенкой полагают (в запас прочности), что вся поперечная сила воспринимается швами у накладок стенки. Среднее скалывающее напряжение в швах:
где ΣFш - сумма площадей угловых швов, расположенных с одной стороны стыка.
Хотя максимальные напряжения от поперечной силы не совпадают с максимальными напряжениями от изгибающего момента, однако делают условную проверку прочности швов на воздействие обоих силовых факторов:
Соединения балок
Соединять балки между собой можно весьма разнообразными способами. Выбор способа соединения зависит от взаимного расположения балок, от силовых факторов и от применяемых средств соединения.
Пересекающиеся балки могут быть расположены одна над другой или на одном уровне. Кроме того, примыкающие балки иногда располагаются по отношению к главным балкам косо в горизонтальной или в вертикальной плоскости.
Соединения балок, передающие только опорные давления, называют свободными (шарнирными). Соединения, которые передают как опорные давления, так и опорные моменты, называют жесткими (защемленными).
При конструировании соединений главных и второстепенных балок нужно учитывать, что в большинстве случаев последние используют в качестве связей, обеспечивающих общую устойчивость главных балок.
Наиболее просто осуществляется крепление балок при этажном расположении.
Под гайки болтов, примыкающих к полкам двутавров и швеллеров, изнутри следует подкладывать косые шайбы, чтобы устранить изгиб болтов в нарезанной части их.
Места, в которых на составные балки опираются сильно нагруженные вспомогательные, должны быть усилены ребрами жесткости, плотно пригнанными к верхнему поясу, для устранения местных перенапряжений поясных швов и стенки. Прокатные балки в таких случаях следует проверить на сжатие стенки под выкружкой, соединяющей ее с полкой. В случае перенапряжения необходимо поставить ребра.
Соединения балок на одном уровне и пониженные делятся на крепления, не требующие точной обрезки вспомогательных балок и требующие точную резку их. Последние очень трудоемки и потому нежелательны.
Вспомогательные балки, расположенные на одном уровне или пониженно, удобно крепить к поперечным ребрам главной балки с помощью болтов (рис. IV-19, а). При этом одну или обе полки вспомогательных балок и часть стенки приходится срезать. Вертикальную и горизонтальную часть реза сопрягают закруглением радиусом около 20 мм. Такое крепление не требует точного обреза вспомогательных балок и удобно для монтажа, так же как и крепление балок при помощи столика (рис. IV-19, б), который принимает на себя всё опорное давление.
Болты или сварные швы по стенке нужны для удержания вспомогательных балок от опрокидывания, а главной балки от потери устойчивости. В последнем отношении крепление балок к ребру более эффективно, чем к столику.
Крепления свободно примыкающих балок рассчитывают на опорное давление А, увеличенное на 20-30%. Этим учитывают наличие в опорных креплениях незначительных моментов. При большой величине моментов их влияние должно быть учтено расчетом.
Пример жесткого соединения балок на одном уровне, обеспечивающего передачу не только опорных давлений, но и опорных моментов, представлен на рисунке IV-20. Прикрепление верхнего пояса вспомогательной балки к накладке (ее называют «рыбкой») и нижнего пояса к столику должно быть рассчитано на усилие
где M0 - опорный момент балки,
h" - высота вспомогательной балки.
Крепление горизонтала столика к вертикалу рассчитывают на равнодействующую силы N и опорного давления А, если стенка вспомогательной балки не прикреплена непосредственно к главной балке (рис. IV-20, справа), и на часть опорного давления A1, если стенка прикреплена к главной балке (рис. IV-20, слева).
Долю опорного давления - A1, передающуюся через столик, и долю A2, передающуюся непосредственно от стенки на уголки, определяют в предположении прямой пропорциональности между этими усилиями и площадями швов, крепящих стенку вспомогательной балки и консоль к главной балке.
Сварные швы, крепящие столик к главной балке, должны быть рассчитаны на оперное давление А и момент M=Ae-Nz, где е - эксцентриситет приложения силы A; z - расстояние от силы N до центра тяжести рассчитываемых сварных швов.
Пример жесткого сварного соединения в пониженном уровне представлен на рисунке IV-21. Крепление двустенчатых балок осложняется тем, что в опорных сечениях их действуют опорные давления и моменты не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной, а также крутящие моменты. Пример крепления двустенчатой балки кранового моста к концевой балке представлен на рисунке IV-22. Обе стенки 1 крановой балки приварены к стенке концевой балки при помощи вертикальных накладок 2. В местах примыкания стенок крановой балки к концевой между стенками 3 последней должны быть поставлены диафрагмы 4. Пояса крановой балки в узле заменены или перекрыты узловыми фасонками 5, расширяющимися под углом 45°. В быстроходных кранах свободные кромки узловых фасонок 5 закругляют и обеспечивают плавное примыкание кромок фасонки к поясам соединяемых балок. Пояса крановой балки могут быть приварены впритык со сплошным проваром непосредственно к поясам концевой балки. Для жесткости узла в этом случае между поясами обеих балок помещают вставки в форме равнобедренного треугольника с длиной катета и не меньше ширины более широкого пояса соединяемых балок.
При расчете таких соединений условно считают, что вертикальные швы между стенками и накладками (ш-1 и ш-2) работают на вертикальные опорные давления Ав примыкающей балки. Горизонтальные швы между поясами и узловыми вставками (ш-3) работают на вертикальные и горизонтальные моменты и горизонтальные опорные давления примыкающей балки.
При расчете таких соединений условно считают, что вертикальные швы (ш-1 и ш-2) между стенками (1 и 3) и накладками (2) работают на передачу опорного вертикального давления Ав примыкающей балки. В действительности эти швы воспринимают и некоторые доли изгибающих вертикальных и горизонтальных моментов. Это обстоятельство учитывают, увеличивая опорное давление на 20-30%. При расчете швов необходимо учесть также влияние конструктивного момента М"=Авbн, где bн - ширина вертикальной накладки (расстояние между швами ш-1 и ш-2).
Также условно считают, что горизонтальные швы (ш-3 и ш-4) между узловыми фасонками и поясами соединяемых балок работают на опорное горизонтальное давление Aг примыкающей балки (без увеличения на 20-30%) и на изгибающие моменты, действующие в вертикальной и горизонтальной (Мв и Mг) плоскостях. Суммарные краевые напряжения в шве (ш-3) можно приближенно проверить по формуле:
где Fшз - площадь одного горизонтального шва (ш-3) между узловой фасонкой и поясом примыкающей балки;
Wшз - момент сопротивления того же шва;
hп - расстояние между центрами тяжести поясов примыкающей балки.
Пример графического оформления сварной одностенчатой балки представлен на рисунке IV-23.
Возведение современных зданий невозможно без надежных металлических конструкций. Двутавр используется в тех случаях, когда нужно создать металлоконструкцию, способную выдержать высокую нагрузку. По сравнению с другими профилями двутавры имеют большой момент сопротивления. Помимо этого, изготовление двутавровых балок в несколько раз выгоднее, при этом расход сырья остается минимальным. Таким образом, использование таких балок в каркасном строительстве удешевляет фундаментные работы, снижает вес объекта и сокращает срок его сдачи в эксплуатацию.
Область использование двутавровых балок: колонны, главные или вспомогательные балки и т.п.
Понятие двутавров и их виды
Заводы выпускают сразу несколько видов двутавров в зависимости от области применения последних. В основе классификации лежит расположение граней полок. Например, обыкновенные двутавровые балки с нумерацией высоты от 10 до 60 имеют уклон внутренней грани полок, а изделия с параллельными гранями полок производятся только по ГОСТ 26020-83. Их ширина 0.4 м, а высота до 1 м.
Изделия с уклоном внутренних граней делятся на:
Обычные со стандартом качества по ГОСТ 8239 89.
Специальные со стандартом качества по ГОСТ 19425 74.
Обратите внимание, что у большей части двутавров стены гораздо толще, чем требуется для нормальной устойчивости. Жесткость балок отличается от основных осей за счет малой ширины полок.
По ширине двутавровые балки тоже имеют специальную классификацию:
Узкополочные;
Среднеполочные по ГОСТ 8239-89;
Широкополочные балки по ГОСТ 26020-83 выполнены таким образом, что грани полок размещены параллельно друг другу (HEA (IPBL), HEB (IPB), HEM (IPBv));
Колонные с одинаковой высотой профиля и шириной полки;
Способы соединения двутавровых балок
Скрепить двутавровые балки можно или при помощи болтов или же сварки . Давайте остановимся на каждом способе подробнее.
Болтовое соединение
Такой способ хорош тем, что при частом монтаже и демонтаже конструкций отдельные узлы конструкции достаточно просто отсоединяются. Кроме того, вы можете самостоятельно собирать и разбирать их.
Преимущества болтового соединения перед сваркой:
В конструкции отсутствует остаточное напряжение;
Устойчивость к ударам и вибрациям;
Простота демонтажа\монтажа.
Недостатки болтового соединения:
Сечения элементов ослабляются из-за болтовых соединений;
Вероятность того, что металлические болты начнут ржаветь;
Болтовое соединение более трудоемкое и затратное из-за того, что необходимо применять дополнительные элементы для усиления конструкции;
Высокой эффективностью обладают фланцевые (арматурные) соединения, но из-за повышенной деформативности они мало распространены.
Сварка двутавровых балок
Во время изготовления сварных балок сначала сваривают стенки и стыки поясов. Это связано с тем, что стыковые швы поясов являются основными в балках. Для уменьшения остаточного напряжения их следует варить без закреплений в обрабатываемых листах.
Следите, чтобы зазор между стыкующимися кромками длистов не выходил за пределы допустимых отклонений, иначе в дальнейшем это может свести на “нет” все усилия. Чтобы проверить правильное положение осей листов, возьмите простую длинную линейку, приложите ее к оси или же сразу к боковым кромкам. Если они все-таки сместились, то смещение легко устраняется при помощи обычного клина, а нужный зазор устанавливается при помощи сборочной планки. Далее стык сваривается или полуавтоматом, или высококачественными электродами, или под флюсом. К слову, если вы решили использовать сварку под флюсом, то заранее позаботьтесь о том, чтобы расплавленный металл и шлак не протекли во время работы.
Особое внимание уделите сварке стыков балок. Монтажные стыки создаются таким образом: в самом начале сваривается стык вертикальной стены, потом пояса.
После всех операций заварите стык пояса, т.к он работает на сжатие. После того, как стыки балки соединены, доварите поясные швы там, где остались незаваренные участки. Такую сварку следует проводить только электродами высокого качества.
В тех случаях, когда балка оказывается слишком высокой (сборка элементов мостовых пролетных строений), ее стенка может состоять по ширине сразу из нескольких продольных листов. Они или свариваются встык, или при помощи специальных ребер жесткости (горизонтальные) двумя угловыми швами втавр.
Также вы можете использовать установку со сборочной скобы с увеличенным числом вертикальных прижимов для сборки подобных балок.
Если поясные швы свариваются сразу двумя автоматами “в угол” при горизонтальном положении вертикальной стены, то производительность работы вырастет. При этом продольная ось балки искривляется минимально, т.к горизонтальный прогиб после наложения первой пары швов будет почти удален обратным прогибом после сварки второй пары.
Если сварка происходит в вертикальном положении, то остаточный прогиб будет виден при вогнутости балки в сторону пояса в месте, где сделана первая пара швов. Как только сварка закончена, происходит разметка поперечных ребер жесткости. Они привариваются или полуавтоматом, или вручную.
Для того, чтобы соединить два отрезка двутавров, используйте накладки. Работают они таким образом: перед тем, как установить накладки по обе стороны от стенки и снаружи полок, обрежьте их в форме ромба и обварите косыми швами. Это делается для того, чтобы выступающие полки не мешали наложению сварочного шва по стороне накладок. Располагайте накладки симметрично с продольной осью двутавровой балки.
Данный способ подходит только для минимально загруженных конструкций, потому что накладки имеют свойство концентрировать напряжение у швов, т.к меняется форма сечения.
Чтобы соединить главную и второстепенную балки, формирующие несущие покрытия между этажами или каркасы крыш\куполов, используется следующий способ:
Для начала сделайте равнобедренные треугольные вырезы в верхней полке первой главной балки, при этом угол вершины должен составлять 90°.
В то же время в нижней полке второстепенной балки делаются разрезы на 1\2 ширины нижней полки главной балки.
Верхняя полка вспомогательной балки срезается так, чтобы получился такой же, как и у главной, равнобедренный треугольник с углом в вершине 90°.
После того, как монтаж главных балок путем установки на накладку закончен, монтируются второстепенные балки. Следом за этим свариваются примыкания верхних полок и стенок.
В самом конце к нижним полкам балок приваривается накладка.
В стыке стенки нижней полкой главной балки с второстепенной необходимо оставить зазор 3÷3,5мм.
Применяете ли вы деревянные балки в интерьере дома, делаете ли крышу, возможно строите терасу, вам будет необходима информация — как делается соединение деревянных балок.
Если раньше соединения делали с помощью шипов, то этот дедовский метод, постепенно остается в прошлом, возможно им еще пользуются профессионалы, но скорей всего в ближайшее время они стануть использовать более современные подходы.
Ведь в наше время металлические соединители позволяют быстро и надежно соединять деревянные балки. В отличие от завинчивания, которое к тому же подходит только для определенных типов соединений, таких как диагональные распорки. На сегодняшний день, соединители для деревянных балок есть практически для любого варианта соединения.
Соединители изготавливаются из листовой стали и предварительно просверлены. Меньшие отверстия 3,5 или 4,5 мм отлично подходят для оцинкованных V-образных или гребенчатых гвоздей. Некоторые фитинги также имеют более крупные отверстия диаметром 11 или 13,5 мм. Они используются для винтов с шестигранной головкой.
Ниже мы объясним, какой и куда подходит фитинг для соединения деревянных балок.
1. Т-образные соединения для деревянных балок
Если вы хотите, соединить балку с поперек стоячей балкой или, наоборот, чтобы балка вертикально стоячая соединилась с горизонтальной, вы можете сделать такое соединение несколькими способами:
Прямые соединители имеют длину от 96 до 180 мм (на рисунке слева) и крепятся гвоздями или винтами.
Есть даже большие прямые соединители с длиной до 400 мм или даже до 1250 мм – что позволяет крепить к балке на большом растоянии.
Т-образные соединители, также еще называют крестовые соединители, подходят для т-образных соединений из 3-х балок (2 поперечные балки укладываются рядом друг возле друга на одном столбе). Обычно такие типы соединений используются при постройке навесов или террас.
Такие крепления применяются, прежде всего, в том случае, если необходимо дополнительно стабилизировать прямоугольные соединения балки. Они устанавливаются под углом 135°, для крепления под другим углом используется соединитель с регулируемым углом.
В качестве альтернативы вы можете использовать универсальные соединители (многофункциональные Соединители) с прорезанными концами Бедер. Эти соединители имеют заданную точку изгиба, так что они могут быть адаптированы к любому требуемому углу. Таким образом, эти соединители для балок можно использовать очень разнообразно.
Стропильные соединения применяются, прежде всего, для кровельных конструкций. Здесь необходимы особо прочные балочные соединения, так как они часто подвергаются сильным воздействиям ветров.
Такие прочные соединения достигаются с помощью стропильных соединителей, которые доступны в шести стандартных размерах. Изготавливаются такие изделия двух видов — правые и левые — чтобы можно было закрепить балку с двух сторон.
Балочные башмаки используются при соединении балки с главной балкой. Эти соединения являются, в частности, наиболее распространенными при обустройстве интерьера помещения с помощью балок.
Это особо прочное соединение, которое используется не только чтобы соединить балку с балкой, но и балку с бетонном или кирпичом, металлом.
Такие соединители выпускаются в различных исполнениях: для крепления снаружи — тип А, для крепления внутри — тип B. Второй тип позволяет сделать более незаметное соединение, но имеет меньшую жесткость по отношению кручения, чем первый тип.
Соединение балки с балкой, которая не соответствует стандартным размерам, можно реализовать с помощью двухсекционного соединителя — Vario (тип C).
5. Угловые соединители для деревянных балок
Угловые соединители или угловые листы подходят, прежде всего, для прямоугольных деревянных соединений, на которые не будет действовать большая нагрузка. Поэтому они часто используются при изготовлении мебели и при внутренней отделке помещений.
Угловые соединители предлагаются в различных размерах и исполнениях, например, в качестве угла с перфорированной пластиной или с продольными отверстиями. Таким образом, они могут быть очень универсальными.
Для обеспечения большей устойчивости нужно использовать специальные соединители для тяжелых условий эксплуатации.
Перекрестные соединители используются, например, при строительстве перголы. Для закрепления такого рода соединения балок, соединители доступны в нескольких вариантах.
Для перпендикулярных балочных соединений очень хорошо подходят соединители первого типа (см. рисунок). При наклонных перекрестных соединениях можно использовать вилочные соединители. Несколько более сложный вариант, но также возможный, использование соединителей с двумя углами (пункт 5) для больших нагрузок.
Стропильные ноги могут фиксироваться к мауэрлату или балкам потолочного перекрытия.
Конкретное решение принимается с учетом индивидуальных архитектурных особенностей строения. Какие отличия имеют оба способа крепления стропилин?
| Тип крепления стропилин | Эксплуатационные характеристики |
|---|---|
| Такой метод чаще всего используется на строениях из кладочных материалов и с бетонными чердачными перекрытиями. Мауэрлаты устанавливаются на несущие фасадные стены домов, при необходимости изготавливается специальный армирующий пояс для усиления опорной площадки стропильной системы. Преимущества: возможность увеличить высоту чердачного помещения за счет подъема армированного пояса по периметру строения. Недостатки – большая распирающая нагрузка на фасадные стены. |
| Рекомендуется применять в тех случаях, когда несущие стены не отличаются большими показателями устойчивости. Стропила крепятся только к балкам в легких каркасных домах из ОСП плит. Крепление к балкам перекрытия позволяет не только снимать распирающие нагрузки с фасадных стен, но и более равномерно распределять их по периметру строения. Еще одно преимущество – за счет нескольких дополнительных упоров стропильной системы можно облегчить конструкцию и сделать ее более устойчивой. Это уменьшает сметную стоимость строительства дома. Балки перекрытия можно выносить за периметр дома на значительную величину, а упор стропильных ног на эти конструкции увеличивает площадь чердачного помещения. |
Есть один очень важный момент, который следует учитывать во время проектирования такого типа стропильной системы. Расстояние между балками перекрытия и стропильными ногами должно быть одинаковым, а этот параметр зависит от нескольких факторов.
Решение о типе фиксации стропильных ног должно приниматься профессионалами на стадии проектирования дома. Следует помнить, что стропильная система считается не только одним из самых важным архитектурных элементов, но и одним из самых сложных. Непрофессионалам браться за монтаж кровли не стоит, такие работы могут выполнять только опытные строители.
Мы рассмотрим все возможные методы фиксации элементов, некоторые из них используются крайне редко и только во время строительства аутентичных домов по старинным технологиям. Такие работы выполняют плотники высочайшего класса, умеющие работать топором, долотом, стамеской и прочими традиционными плотницкими инструментами.
Специальными металлическими крепежными пластинами
Строители применяют два типа пластин. Соединение прочное, делается быстро и без ручного труда. В развитых странах стропильные фермы домов собираются на производственных линиях, при этом все процессы почти полностью автоматизированы. Технология сборки дает возможность увеличивать производительность оборудования и снижать себестоимость продукции. Элементы домов на строительной площадке быстро собираются, количество ручного труда сводится к минимуму. Деревянный дом под ключ ставится всего за две-три недели в зависимости от этажности и размеров.
Какие пластины применяются для крепления стропилин к балкам?
Зубчатые
В нашей стране, к сожалению, малоизвестны, в развитых странах используются давно. Зубчатое крепление – металлические пластины с различными линейными размерами. По всей площади имеются зубья, которые вбиваются в деревянные конструкции. Длина и расстояние между зубьями выбирается с учетом размеров стропильных ног и балок перекрытия. Такое соединение дает возможность автоматизировать процесс производства ферм стропильной системы. Зубчатые пластины устанавливаются с двух сторон соединяемого узла.
Важно. Использовать такие соединения с двух сторон можно только на пиломатериалах с одинаковой толщиной. Максимальное отклонение ±1 мм. Именно это условия не позволяет широко применять зубчатые соединения в нашей стране, большинство отечественных пиломатериалов не выдерживают требуемые поля допусков.
Зубчатые пластины можно забивать и вручную, но необходимо следить за правильностью их положения.
Перфорированные
Хорошо известные крепежные элементы, универсального использования. Могут фиксировать все элементы стропильной системы, имеют различные размеры и толщину. Пластины накладываются на узел, стягивание выполняется саморезами, болтами или обыкновенными гладкими гвоздями. Могут монтироваться с одной или двух сторон соединения. Преимущества – нет строгих требований по качеству пиломатериалов, большое количество отверстий позволяет выбирать самые удачные места вкручивания саморезов. Недостатки – требуют довольно много ручного труда. Работать с ними тяжелее, чем с зубчатыми. Кроме того, возрастает время монтажа стропильной системы.
Практический совет. Прочность крепления пластинами во многом зависит от точного соблюдения рекомендованной технологии, даже незначительные нарушения могут заметно уменьшать устойчивость стропильной системы. Для того чтобы исключить вероятность появления неприятных ситуаций во время эксплуатации зданий, практики рекомендуют стягивать стропильные ноги и балки перекрытия ригелями, использовать вертикальные стойки. Эти элементы компенсируют ошибки монтажа стропильной системы, увеличивают время и повышают безопасность эксплуатации дома.
Болтовое
Крыши небольших хозяйственных зданий и пристроек не имеют значительных нагрузок, во время их изготовления используются упрощенные методы соединения стропилин и балок перекрытия. Самый распространенный вариант – болтами. Проделываются отверстия в балках перекрытия и стропилинах, элементы располагаются рядом, в отверстия вставляются болты, узел прочно стягивается.
Соединение врезкой
Более сложное соединение, требуется практический строительный опыт. Врезка полностью исключает вероятность подвижек стропилин в местах соединения с потолочными балками, узел более прочный и статичный. На балке выпиливается углубление, а на стропилине выступ, детали должны плотно входить друг в друга.
Такой метод фиксации делается только на доме, что усложняет процесс строительства. Кроме того, каждое соединение подготавливается индивидуально, что еще больше увеличивает сроки строительства и повышает его стоимость. Еще один недостаток врезки – каждое соединение уменьшает толщину досок стропилин и балок, это становится причиной уменьшения их несущих показателей. Как следствие, проектировщики должны во время расчетов предусматривать увеличенные размеры пиломатериалов с учетом уменьшения их ширины в результате запиливания. А это негативно сказывается на стоимости строения.
Соединение врубкой
Старинный метод, в настоящее время применяется крайне редко. Работы делаются плотниками, умеющими обращаться с ручными инструментами и топором. Врубка делается только на толстых стропилинах и балках. Топором, долотом и стамеской делается соединение шип/паз под необходимым углом. Работа физически тяжелая, в качестве дополнительного соединения могут использоваться металлические самодельные скобы. Длина скоб и диаметр прутка выбираются с учетом конкретного места установки и предполагаемой максимальной нагрузки.
Важно. Врезка и врубка чаще всего применяется для висячей стропильной системы. За счет дополнительной фиксации конструкция может выдерживать значительные распорные усилия.
Практические советы по креплению стропилин к балкам перекрытия
Для примера возьмем самый распространенный способ фиксации элементов, он пригоден для всех типов крыш, отвечает современным требованиям по прочности и устойчивости узла. Еще одно преимущество – некоторые работы можно делать на земле, а на строении лишь собирать уже готовые конструкции. Такой метод выполнения строительных работ существенно их упрощает и ускоряет, сметная стоимость кровли уменьшается.
Стропила и балки перекрытия изготовлены из досок 150×50 мм. Стропильная система самая сложная – вальмовая многоскатная. Соединительные элементы – металлические перфорированные пластины. Для ускорения и упрощения работ рекомендуется подготовить простой, но очень функциональный шаблон из отрезков досок . Как сделать приспособление?
- Заготовьте четыре отрезка досок толщиной 25–30 мм. Два куска длиной примерно 20 см и два длиной 40 см.
- Две короткие доски прикрутите уголками к двум длинным, при этом оставьте между ними зазор, равный толщине доски перекрытия. Во время соединения стыкуйте их не точно по торцам, а приподнимите на 2–3 см от края длинных. Этот выступ служит упором о мауэрлат во время пользования шаблоном.
- На расстоянии примерно 30 см от низа длинные доски скрепите между собой металлическим перфорированными пластинками, для повышения прочности с противоположной стороны стяните их досками или кусками фанеры. Добейтесь, чтобы приготовленный шаблон был жестким и не шатался во время пользования.
Такое простое приспособления существенно облегчает выполнение запилов стропилин для их соединения с балками перекрытия.
Как быстро и качественно делать запилы для соединения
Во время замеров будем пользоваться самодельным приспособлением.
Шаг 1. Поставьте приспособление короткими досками на мауэрлат, балка потолка должна располагаться между ними. Небольшие выступы в нижней части упираются о мауэрлат с наружной стороны. Длинные доски строго вертикальны и располагаются на одной линии с плоскостью фасадной стены дома.
Шаг 2. Немного прикрутите приспособления к мауэрлату, это облегчит дальнейшие работы. Для прикручивания лучше пользоваться длинными и тонкими саморезами, до конца затягивать их не надо.
Шаг 3. Отрезанную по длине стропилину поставьте ребром на верхнюю плоскость балки перекрытия. Угол доски должен опереться о металлические пластины приспособления.
Верхняя часть стропилины должна лежать на своем месте, в нашем случае на диагональной (вальмовой) стропильной ноге.
После запиливания угол стропильной ноги должен лежать точно по краю мауэрлата. Желательно, чтобы такое же положение занимали и балки перекрытия, но некоторые строители не могут точно снимать их размеры. Балки получаются различной длины и редко располагаются в нужном положении.
Шаг 4. Отмерьте горизонтальную линию отрезания примыкания. Делать это можно двумя способами.
- При помощи строительного уровня. Можно пользоваться небольшим инструментом. Проведите с угла стропильной ноги горизонтальную линию. Все просто, быстро и точно.
- При помощи строительного угольника. Замерьте расстояние от балки перекрытия до верхнего угла стропильной ноги. Поставьте угольник на плоскость балки и ведите его до тех пор, пока щель между балкой и стропилиной не будет равной такому же значению, в нашем случае 13 см. В нужном месте поставьте метку. Соедините эту метку с углом стропильной ноги. Должна получиться линия, параллельная плоскости балки перекрытия. Отнимите доску и отрежьте лишний кусок.
Соединение получится ровным, никаких выступов стропильных ног не будет. Далее нужно сделать замеры отрезания верхней части стропильной ноги. Для этого нижний участок ставится на место и придерживается помощником. В месте состыковки верхней части обыкновенной и вальмовой стропилин при помощи линейки нарисуйте линии отрезания. По очереди плотно прижимайте линейку к боковым граням вальмовой стропилины и с двух сторон отметьте вертикальные линии.
Прикладывают линейку и чертят линию на доске
Важно. Никогда не делайте разметку верхнего узла примыкания без запиливания нижнего. Некоторые неопытные строители одновременно отмечают нижнюю и верхнюю части стропилин, а потом их отрезают. При таком алгоритме работы всегда будут зазоры, для их ликвидации стропилину придется смещать в сторону. А это изменяет шаг между ними. Дело в том, что после зарезания нижнего стыка изменяется угол примыкания верхнего узла.
Как готовить стропила к креплению на земле
Настоящие профессиональные строители почти все элементы стропильной системы готовят на земле по чертежам или шаблонам, нумеруют их и в таком виде поднимают на здание. Такой метод работы не только в разы ускоряет процесс строительства, но и значительно повышает безопасность труда. Плотникам больше нет необходимости много раз ходить по временному настилу для снятия размеров и запиливания досок, соединение элементов выполняется с первого раза. Но для того чтобы готовить элементы на земле, нужно иметь большой опыт, работы выполнять внимательно и ответственно. По такому алгоритму строятся дома за рубежом, большой производительностью труда рабочих объясняются их высокие, в сравнении с отечественными, заработки. Рассмотрим процесс изготовления на земле самых простых стропильных ферм для соединения с балками перекрытия.
Шаг 1. Если нет точных рабочих чертежей стропильных ферм, то следует изготовить шаблон. Делается он из обыкновенных досок толщиной примерно 25 мм. Готовить шаблон надо на доме, проверять правильность в нескольких местах. Дело в том, что каменщики иногда допускают ошибки, из-за которых фасадные стены непараллельные, разброс по углам может достигать несколько сантиметров. Этот брак не оказывает влияния на крепление стропилин к балкам перекрытия по отдельности, но в случае с готовыми фермами могут возникать проблемы.
Шаг 2. Положите шаблон на ровный участок возле дома. Принесите первую стропильную ногу и уложите ее на одну сторону шаблона фермы, выровняйте положение.
Шаг 3. Таким же образом уложите вторую ногу на свободную сторону шаблона. Карандашом нарисуйте линии примыкания стропильных ног в верхней части фермы. Обращайте внимание, чтобы элементы не смещались во время разметки.
Шаг 4. Бензиновой или электрической пилой отрежьте лишние куски досок.
Важно. В верхней части ферм стропильные ноги будут соединяться в полдерева, для этого нужно сделать специальные запилы. Работать можно бензиновой пилой.
Как правильно запилить соединение?
Практический совет. Такие точные запиливания можно делать только полностью исправной бензиновой пилой с идеально заточенной цепью. Если угол заточки неверный, то полотно пилы ведется в сторону, ровно удержать инструмент руками невозможно. Эту пилу можно использовать лишь во время заготовки дров.
Шаг 5. Такие же операции сделайте и со второй стропилиной. Положите отрезанные ноги на шаблон, проверьте правильность отрезания, поправьте положение досок вдоль всей длины шаблона. Все в норме – соедините ноги фермы в верхнем узле. Можно пользоваться обыкновенными гвоздями, это быстро, дешево и надежно.
Шаг 6. Для повышения прочности и устойчивости фермы в верхней части зафиксируйте ноги горизонтальной стяжкой. В этих целях допускается пользоваться тонкими досками, элемент работает на разрыв, толщины 20–25 мм вполне достаточно для сопротивления нагрузкам. Пиломатериалы на растяжение имеют высокие показатели прочности, проблемы возникают при их сжатии. Доски прогибаются, конструкция полностью теряет устойчивость и первоначальные геометрические формы.
Шаг 7. Пилой отрежьте нижние концы стропильных ног.
Угол на шаблоне должен быть таким, чтобы соединение элементов было максимально плотным.
Важно знать, что при правильном соединении узлов стропильной системы прочность конструкции должна поддерживаться и за счет сил трения между элементами. Доски должны прижиматься друг к другу с такой силой, чтобы трение не позволяло им смещаться. Какие условия для этого надо соблюдать?
- Первое. Плоскость примыкания должна быть максимально ровной, площадь максимально большой.
- Второе. Усилие прижатия элементов должно быть таким, чтобы силы трения достигали больших значений.
Ни в коем случае элементы стропильной системы в узлах крепления не должны держаться только на метизах. Всегда надо помнить, что они предназначены для притягивания досок, а не для их удержания. Все болты рассчитываются на разрыв, а не на срез.
Загибают гвозди молотком (стропильная ферма перевернута)
Перевернули стропильную ферму и шаблон, сделали разметку для обрезки нижних краев
Как показывает практика, изготовление стропильных ферм и подготовка узлов соединения с балками перекрытия на земле ускоряет процесс строительства крыши в несколько раз. Сам узел может фиксироваться металлическими пластинами по бокам, гвоздями или болтами в торец, скобами и т. д. Как уже упоминалось, для увеличения устойчивости стропильной системы такого типа рекомендуется устанавливать между стропилами и балками вертикальные упоры.
Видео – Как запиливать стропила под нужным углом и нужных размеров