Недопустимое крепление швеллера анкерными болтами к стене
Если вы приварили швеллер к пластине, а эту пластину закрепили к стене четырьмя распорными анкерами (или другим количеством анкеров – не имеет значения), это будет шарнир. Болты испытывают выдергивающее усилие, пластина – гибкая, все это приведет к повороту балки на опоре. Это не мгновенное разрушение конструкции, а растянутое во времени. Поначалу поворот происходит очень медленно и незаметно, но он постоянно увеличивается – и это будет происходить до критического момента, когда самый слабый элемент в конструкции не выдержит и вызовет аварийное состояние. И каким бы надежным и мощным ни был швеллер, если узел его крепление не надежен, вся конструкция считается аварийной.
Недопустимое крепление кронштейна из швеллера к существующей стене
Если вы выбьете в существующей стене нишу (не важно, на всю толщину стены или не на всю), приварите к швеллеру пластину и уложите все это на пластичный раствор, а нишу потом забетонируете (или заполните раствором), то такой вариант тоже является шарниром. Чем меньше глубина заделки в стену, тем больше возможности у швеллера повернуться, и тем быстрее возникнет аварийное состояние. Но даже если заглубить швеллер на всю толщину стены, все равно у него останется возможность поворота, т.к. качественного заполнения раствором не получится при малых размерах ниши, швеллер под нагрузкой будет выкрашивать этот раствор и стремиться выскочить из гнезда. Такой вариант крепления возможен только для балки, опирающейся двумя концами, или для балкона с подкосом или стойкой на конце.
Крепление швеллера к стене – швеллер сверху
В данном варианте швеллер приваривается к пластине, которая крепится анкерными болтами к монолитному поясу (или монолитной подушке). Помимо этого важно заанкерить верхнюю часть швеллера, чтобы препятствовать повороту. Для этого к нему приваривается сверху уголок, который будет заделан в кладку стены, служащей в том числе пригрузом для швеллера. Уголок – это один из вариантов анкеровки. Можно также к верхней полке швеллера приварить металлический элемент, который в свою очередь будет приварен к закладной детали в монолитном поясе или в перекрытии. Главное – создать надежный анкер, препятствующий повороту швеллера.
Следует обратить внимание, что для надежной конструкции балкона нужно не только выполнить расчет швеллера, но и расчет узла его опирания. Рассмотрим это на примере.
Пример. Расчет консольной конструкции балкона в виде швеллерной балки без подкоса и узла опирания швеллера.
Дано: балкон шириной 1,2 м, швеллеры установлены с шагом 1,1 м, толщина балконной монолитной плиты по швеллеру 80 мм, пол – керамическая плитка на растворе (общая толщина 30 мм).
Определить: номер швеллера; запроектировать узел опирания консоли.
Собираем нагрузку на швеллер (на один погонный метр)
| Тип нагрузки: | Нормативная нагрузка на 1 п.м швеллера, кг | Коэффициент надежности по нагрузке | Расчетная нагрузка, кг |
| Вес балконной плиты (толщ.0,08 м, объемный вес 2500 кг/м³, расчетный пролет 1,2 м) | 0,08∙2500∙1,2 = 240 | 1,1 | 240∙1,1 = 264 |
| Вес конструкции пола (толщ. 0,03 м, объемный вес 1800 кг/м³) | 0,03∙1800∙1,2 = 65 | 1,3 | 65∙1,3 = 85 |
| Собственный вес швеллера (принимаем пока навскидку №16 – вес 14,2 кг/м) | 14,2 | 1,1 | |
| Итого (постоянная нагрузка) | |||
| Временная нагрузка на балконе – на ширине 0,8 м по краю балкона (таблица 6 ДБН «Нагрузки и воздействия» 10а) | 400∙1,2 = 480 | 1,2 | 480∙1,2 = 580 |
Схема расположения нагрузки на швеллер:
Как видно, постоянная нагрузка распределена вдоль всего швеллера, а вот временная (согласно п. 10а таблицы 6 ДБН «Нагрузки и воздействия») распределена по краю балкона на полосе шириной 0,8 м.
Определим максимальный нормативный и расчетный момент для консоли (максимальный момент будет расположен у опоры).
Моменты от постоянной нагрузки равны:
М = qL², где L – расчетный пролет балки (для консоли он равен расстоянию от конца консоли до стены).
Нормативный момент от постоянной нагрузки равен:
Мн,пост = 320∙1,1² = 387 кг∙м.
Расчетный момент от постоянной нагрузки равен:
Мр,пост = 365∙1,1² = 442 кг∙м.
Чтобы определить максимальный нормативный и расчетный моменты для консоли от временной нагрузки (распределенной не по всей балке), воспользуемся справочной таблицей 14.1 (Улицкий «Железобетонные конструкции»)
Для нашего случая а = 0,8 м, х = L, момент нужно определить в точке В.
Нормативный момент от временной нагрузки равен:
Мн,врем = 480∙0,8(1,1 – 0,8/2) = 269 кг∙м.
Расчетный момент от временной нагрузки равен:
Мр,врем = 580∙0,8(1,1 – 0,8/2) = 325 кг∙м.
Суммируем моменты от постоянной и временной нагрузок, получая итоговые моменты для расчета:
Мн = 387 + 269 = 656 кг∙м.
Мр = 442 + 325 = 767 кг∙м.
Определим требуемый момент сопротивления швеллера:
Wтр = Мр/1,12R = 767/(1,12∙21) = 33 см3. По сортаменту (например справочник Васильев А.А. Металлические конструкции, приложение III) подбираем швеллер №10 (момент сопротивления W = 34,8 см3, момент инерции I = 174 см4).
Проверяем прочность консольной балки из условия: σ = М/1,12W = 767/(1,12∙34,8) = 19,7 кН/см2, что меньше R = 21 кН/см2 - условие обеспечено.
Проверим жесткость консоли (согласно ДСТУ «Прогибы и перемещения» при проверке прогиба для консоли значение L нужно удваивать).
Мн∙L/(10EI) = 656∙2∙120/(10∙21000∙174) = 0,004 = 1/232 < 1/200 - условие выполняется.
Случай 1. Рассмотрим вариант узла опирания балки, когда она крепится только болтами и не пригружается сверху стеной (в месте широкого дверного проема, например).
Подберем анкерные болты с учетом действия расчетного момента.
У нас имеется четыре анкерных болта, на которые действует усилие от момента. Момент М по простой формуле раскладывается на пару сил – две силы F, одна из которых пытается оторвать балку вверх (вырвать два болта), а другая одновременно придавливает балку вниз (сжимает два других болта). Вместе эти две силы и представляют собой найденный нами момент Мр. Причем, взаимосвязь между силами и моментом передается через расстояние между болтами: М = Fa. То есть, чем больше расстояние между болтами, тем меньше будет в них усилие от момента.
В нашем случае балка заходит в стену на 250 мм, расстояние между болтами 150 мм, расстояние от края стены до болта 50 мм.
Найдем отрывающее усилие в болтах, с учетом того, что болтов, испытывающих усилие отрыва, два:
F = Mр/2a = 767/(2∙0,15) = 2557 кг – вот такое немаленькое значение (более 2,5 тонн на один болт).
Воспользуемся Руководством по анкерному крепежу фирмы Hilti (его можно свободно скачать у них на сайте), выберем анкер-шпильку HSТ.
Согласно таблице из руководства, нам подходят болты М20 (33,3 кН = 3330 кг > 2557 кг). Это очень приличный диаметр болтов, крепление только болтами – достаточно расходный способ.
После того, как определена марка болтов, следует проверить ограничения по установке этих болтов.
Согласно таблице «Параметры установки» минимальное расстояние от оси болта М20 до края бетона должно быть с = 140 мм. У нас 50 мм. Это означает, что необходимо сдвигать узел крепления в сторону центра стены, если нам позволяет это сделать ширина стены.
Случай 2. Рассмотрим вариант узла опирания консольной балки с приваркой к швеллеру анкерующего уголка №50 длиной 300 мм, при этом уголок удерживается кирпичной кладкой подоконной части (высота кладки 800 мм, толщина 250 мм). Швеллер закреплен четырьмя болтами HSTМ8.
В данном случае расчетный момент Мр воспринимается конструкцией узла в двух вариантах: слева показывается восприятие момента болтами, работающими на сжатие и на вырыв под действием пары сил F (эта пара сил представляет собой момент); а справа показано восприятие момента анкерным уголком и болтами (уголок восрпринимает горизонтальную силу, пытающуюся его выдернуть из кладки вместе с балкой, а болты при этом работают на срез, воспринимая горизонтальную силу в противоположном направлении). Наша задача – проверить, какой момент воспринимается конструкциями в каждом из вариантов, затем сложить эти моменты и сравнить их с расчетным моментом Мр, действующим на конструкцию.
Определим момент, воспринимаемый болтами, работающими на вырыв и на сжатие.
У нас имеется четыре анкерных болта М8, на которые действует усилие от момента. Момент М по простой формуле раскладывается на пару сил – две силы F, одна из которых пытается оторвать балку вверх (вырвать два болта), а другая одновременно придавливает балку вниз (сжимает два других болта). Вместе эти две силы и представляют собой искомый момент М1. Причем, взаимосвязь между силами и моментом передается через расстояние между болтами: М1 = Fa. То есть, чем больше расстояние между болтами, тем меньше будет в них усилие от момента.
В нашем случае балка заходит в стену на 270 мм, расстояние между болтами 150 мм, расстояние от края стены до болта 70 мм.
Сжимающее усилие нас не интересует, т.к. болты на сжатие работают очень хорошо, а вот вырыв нужно проверить.
Воспользуемся Руководством по анкерному крепежу фирмы Hilti (его можно свободно скачать у них на сайте), определим расчетное сопротивление вырыву для анкер-шпильки М8 HSТ. Это и будет наша сила F = 5 кН = 500 кг.
Найдем момент, который могут выдержать болты М8, с учетом того, что болтов, испытывающих усилие отрыва, два:
М1 = F∙2a = 500∙2∙0,15 = 150 кг∙м.
Следует также проверить ограничения по установке этих болтов.
Согласно таблице «Параметры установки» минимальное расстояние от оси болта М8 до края бетона должно быть с = 50 мм. У нас 70 мм – есть некоторый запас.
Далее определим момент, который может воспринять конструкция, работающая согласно схеме, показанной на рисунке ниже.
В данном случае у нас действует момент М, но мы его раскладываем на другую пару сил: горизонтально влево действует сила F, стремящаяся вырвать уголок, а горизонтально вправо действует противоположная ей сила, стремящаяся срезать болты. Расстояние между этими силами равно высоте швеллера 100 мм.
Определим, какую силу выдержит уголок, заанкеренный в кладке. Площадь сечения уголка №50х5 равна 4,8 см2; 2100∙4,8 = 10080 кг (здесь 2100 кг/см2 – расчетное сопротивление стали). Это значительное усилие, но у нас есть и более слабые элементы.
Найдем силу F для уголка: F = Mр/a = 767/0,1 = 7670 кг.
Найдем силу F для болтов (с учетом, что их 4): F = Mр/4a = 767/(4∙0,1) = 1918 кг.
Определим, выдержит ли уголок такого сечения действующую на него силу. Площадь сечения уголка №50х5 равна 4,8 см2; 7670/4,8 = 1598 кг/см2 < 2100 кг/см2 (здесь 2100 – расчетное сопротивление стали) – уголок выдерживает с запасом. Но при этом нельзя забывать, что сварной шов, которым приварен уголок, тоже должен выдерживать усилие 7670 кг – шов обязательно нужно рассчитать.
Определим, какой болт выдерживает перерезывающую силу 1918 кг = 19,18 кН (таблица с допускаемыми нагрузками на болт дана выше), согласно таблице нам подходит болт М12 (срез 28,0 кН > 19,18 кН).
Минимальное расстояние от оси болта М12 до края бетона равно с = 55 мм – опорную пластину следует на 5-10 мм сдвинуть от края.