Многие, кто так или иначе связан со стройкой слышали, что существуют жёсткие и шарнирные узлы опирания. Но мало, кто слышал из них про полужёсткие узлы. А есть и такие. Именно такие узлы чаще всего получаются при строительстве сооружений из металлических профилей на частном участке. Обычно такими сооружениями являются навесы.
В данной статье я сравню несколько конструкций навесов из металлических профилей с разными узлами опирания балок на стойки.
Цель сравнения — получить ответы на следующие вопросы:
1. Какой тип опирания в раме (шарнирный, жесткий, полужесткий) даёт на выходе наиболее лёгкую конструкцию. И какой при этом выгодно применять профиль: открытый (двутавр) или закрытый (прямоугольная труба)?
2. На что влияет полужёсткий узел?
| ВАРИАНТЫ УЗЛОВ ОПИРАНИЯ БАЛКИ НА СТОЙКИ |
Для получения ответов на поставленные вопросы, был рассчитан навес с 3 типами опирания ригеля на стойки:
1. Шарнирное опирание ригеля на стойки:
- Ригель из двутавра;
- Ригель из прямоугольной трубы.
2. Жёсткое опирание ригеля на стойки:
- Ригель из двутавра;
- Ригель из прямоугольной трубы.
3. Полужёсткое опирание ригеля на стойки:
- Ригель из двутавра;
- Ригель из прямоугольной трубы.
| ПРИМЕРЫ УЗЛОВ |
Перед тем, как будет дан ответ на поставленные вопросы, я расскажу, чем перечисленные узлы отличаются друг от друга. А также я приведу несколько примеров по каждому из типов.
Шарнирные узлы
Шарнирный узел – это узел, в котором изгибание одного элемента не приводит к изгибанию другого. То есть в этом узле не образуется момент. Выполняются они обычно с помощью болтов.
В нашем случае крепление ригеля к стойкам осуществляется на два болта при опирании ригеля сверху стоек.
В дополнении я бы добавил, что абсолютный шарнир, как, например, в ножницах редко, когда получается при частном строительстве. И даже соединение на 2-х болтах начинает работать шарнирно лишь после приложения определённой нагрузки.
Жёсткие узлы
Жёсткий узел – это узел, в котором исключено вращение. Любая нагрузка на ригеле здесь обязательно приводит к изгибанию стойки. То есть в узле обязательно образуется момент.
В нашем случае крепление ригеля к стойкам осуществляется на сварке сбоку с приваркой его по всему сечению.
Полужёсткий узел – это узел, который является нечто средним между шарнирным и жёстким узлами. Момент в узле опирания ригеля на стойку есть, но он меньше, чем при жёстком опирании. А величина этого момента здесь зависит от степени податливости в узле.
В нашем случае крепление ригеля к стойкам осуществляется на сварке при опирании ригеля сверху.
| СРАВНЕНИЕ НАВЕСОВ ПО МАССЕ |
| ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ |
1. В случае с данной конструкцией навеса, где помимо балок есть ещё и стойки, к максимальному уменьшению веса конструкции, а, следовательно, и цены, приводит шарнирное опирание ригеля из прямоугольной трубы на стойки. При этом использование в качестве ригеля двутавра здесь приводит к диаметрально противоположному результату – конструкция получается самой тяжелой.
2. Если шарнирно опёртый ригель на стойку не включает её в работу по восприятию момента, а жесткий узел по максимуму пытается это сделать, то в полужёстком узле момент хоть и передаётся на стойку, но уже не такой большой, как в жёстком узле.
На скринах изображены рамы навесов. На раме слева цифрами отображены значения моментов при жёстком узле опирания ригеля на стойки, а справа — при шарнирном узле опирания. Если сравнить цифры, то можно увидеть, что в случае с полужёстким узлом часть момента ушла в ригель.
Следовательно, при определённых условиях в случае с полужёстким опиранием стойка может получиться меньшего сечения, чем при тех же условиях, но с жёстким опиранием. А, значит, конструкция будит легче. Хотя в рассматриваемом примере масса навеса при жестком и полужестком узлах получилась одинаковая.
| ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВЫВОДЫ |
1. В случае с полужёсткими и жёсткими узлами сечение для ригеля профиля получается меньше, чем при шарнирном опирании. Но за счёт того, что момент передаётся на стойку, здесь требуется большее сечение профиля для стоек. Что в совокупности даёт большую массу навеса именно при полужёстком и жёстком опирании ригеля на стойку, чем при шарнирном.
Этот эффект обычно нивелируется при стремлении величины пролёта к нулю. То есть, чем меньше пролёт, тем меньше разница по массе в случае разного исполнения узлов.
Если не брать во внимание стойки, то размер профиля для балки опёртой жёстко или полужёстко обычно получается меньше, чем при шарнирном опирании.
2. При пролётах более 6 метров при применении полужёстких или жёстких узлов прямоугольные трубы для ригелей будут всё-таки экономичнее, чем из двутавров, причём, на существенный процент по сравнению с пролётами до 6 м.
Так, если пролёт будет увеличен до 8-ми метров, то необходимо будет для ригеля использовать, либо двутавр 40Б2 весом 66,000 кг/м, либо прямоугольную трубу 300х200х7 весом 52,093 кг/м. То есть экономия при использовании закрытого профиля здесь получается около 13%.
| ВИДЕО |
Более подробно тема раскрыта в видео ниже: