Шарниры и защемления в конструкциях

Рассмотрим на реальных примерах узлы опирания или соединения конструкций и определим, с чем мы имеем дело: с шарниром или защемлением.

Сборная плита с опиранием по двум сторонам.

Это классический случай шарнира. Глубина опирания плиты диктуется типовыми сериями, и она меньше высоты сечения плиты. В таких условиях, изгибаясь, плита спокойно повернется на опоре – на шарнирной опоре. Мало того, защемлять плиту путем более глубокого заведения в стену нельзя, т.к. в ней тут же появятся моменты на опоре (при шарнирной схеме момент на опоре равен нулю), а верхней арматуры для восприятия этих моментов в сборных плитах практически нет.

Расчетная схема для такой плиты:

Расчетная схема для сборной плиты

Монолитная однопролетная плита (балка) с опиранием на кладку.

Здесь все зависит от глубины заведения плиты в стену.

Если при высоте плиты 200 мм вы опираете плиту на 150-200 мм, то это шарнир.

Если верхняя арматура заходит на опору на длину анкеровки или выполнены специальные мероприятия в виде приварки пластин (шайб) на концах арматуры, то это защемление.

Если глубина опирания «ни то, ни се» - т.е. больше высоты сечения, но меньше длины анкеровки, то это тот неприятный случай, когда нужно не просто законструировать, но и выполнить расчет всех деталей узла и проверить, выдержат ли они такое издевательство. Во-первых, установка верхней рабочей арматуры уже обязательна. Во-вторых, она должна быть рассчитана на возникающие при этом защемлении моменты. В-третьих, достаточность ее анкеровки должна быть проверена расчетом.

Расчетная схема для однопролетной плиты следующая:

Расчетная схема для плиты

Для монолитной балки все аналогично, глубину заделки для защемленного варианта можно только сэкономить, отогнув верхний стержень вниз. Но как у плиты, так и у балки пригруз кладкой должен быть достаточным и проверен расчетом.

Балконная плита (балка) консольная.

Это стандартная схема с опорой в виде защемления – шарнира здесь быть не должно ни в коем случае, даже неполного защемления не должно быть – только стопроцентный жесткий узел. Иначе система будет геометрически изменяемой: балкон под нагрузкой будет проворачиваться на опоре со всеми вытекающими.

Поэтому при конструировании опирания консольного балкона нужно очень тщательно разрабатывать и просчитывать жесткий узел опирания. В типовой серии 2.130-1 вып. 9 можно ознакомиться с узлами опирания балконных плит и понять, по какому принципу достигается защемление. Во-первых, это достаточное заведение плиты в стену. Во-вторых, это значительный пригруз кладкой стены сверху. В-третьих, это обязательная анкеровка верхней части плиты в сжатой конструкции – в решениях серии это осуществляется путем приварки к закладной в балконной плите анкеров, которые надежно крепятся в конструкциях стены (крепление просчитывается). Все три условия должны быть сбалансированы и в сумме давать надежное защемление. При опирании балок нужно использовать тот же принцип: глубина опирания плюс анкеровка верхней части балки.

В случае монолитной консольной плиты или балки, опирающейся на монолитную стену, необходимо завести верхнюю арматуру консоли в стену на длину анкеровки – это обеспечит защемление.

Если балкон переходит в плиту (т.е. по сути это плита с консольным вылетом балкона), то о жестком узле здесь заботиться не надо – достаточно обыкновенного шарнирного опирания на стену.

Если вы делаете балкон в существующем здании, очень сложно разработать и выполнить чистое защемление, поэтому старайтесь избегать чистых консолей, а делать балконы с подкосами.

Расчетная схема для балкона:

Расчетная схема для балкона

Балкон или консольная балка с подкосом.

Такое решение выбирают в нескольких случаях: если это продиктовано архитектурным решением; если конструкция выполняется в существующем здании; если консоль без подкоса не выдерживает значительной нагрузки.

Чем хороша такая консоль? Тем, что в совокупности конструкция является консолью, но по отдельности каждый узел опирания является шарнирным с ограничением перемещений по вертикали и по горизонтали – а такие узлы не требуют расчета, и законструировать и выполнить их значительно легче, чем защемление. Главное здесь – обеспечить надежное ограничение перемещения по горизонтали: если подкос крепится болтами, то чтобы их было достаточно на вырыв; если конструкция просто закладывается в стену, то должны быть анкеры, заведенные в кладку и т.п.

Расчетная схема такого балкона следующая:

Расчетная схема балкона с подкосом

Горизонтальная балка закреплена в стене с ограничением перемещений по вертикали и горизонтали. Она неразрезная по длине. В пролете (или на краю) горизонтальная балка шарнирно опирается на подкос, который в свою очередь опирается на стену с ограничением перемещений по вертикали и горизонтали.

Многопролетная балка с опиранием на стены из кладки.

У такой балки в средних пролетах всегда опирание шарнирное, а вот на крайних опорах может быть как защемление, так и шарнир. Все обусловлено величиной пролетов и возможностью защемить балку. Если пролеты большие, или же если размеры пролетов разные и неблагоприятно влияют на пролетный момент в крайних пролетах (например, крайние пролеты значительно больше средних), то можно попытаться применить защемление на крайних опорах. В основном же крайние опоры делаются шарнирными.

Расчетная схема для многопролетной балки:

Расчетная схема для многопролетной балки

Многопролетная плита с опиранием на металлические балки.

У этой плиты абсолютно тот же принцип, что и у многопролетной балки, описанной в предыдущем случае. Крайние опоры у такой плиты могут быть балками, а могут быть и стенами здания. В случае, если крайние опоры – балки, то защемление при опирании на них организовать сложно, стандартно здесь применяется шарнирное опирание.

Хочется обратить внимание на следующий момент. При многопролетном перекрытии больших размеров в нем приходится делать деформационный шов. Если нагрузки значительные, то при шарнирном опирании на крайние опоры в крайних пролетах возникают значительные изгибающие моменты, требующие значительного армирования – и это не всегда рационально для плит малой толщины. В таком случае, рекомендую рассмотреть вариант устройства шва не на балке, а в пролете: тогда две плиты будут иметь консольный свес. Моменты в таком случае сбалансируются и армирование будет гармоничным.

Расчетная схема с деформационным швом

Монолитная стена подвала.

На стену подвала всегда воздействует горизонтальное давление грунта, причем, чем глубже подвал, тем значительней влияние горизонтального давление на конструкции.

При определении расчетной схемы для стены подвала нужно рассматривать схему в двух направлениях. Первое, и самое главное – это вертикальный разрез по стене. Нужно рассмотреть два узла: верхний и нижний.

В верхнем узле могут быть отсутствие опирания (если на стену не опирается перекрытие); шарнир с ограничением перемещения по горизонтали (если есть шарнирное опирание перекрытия – например, сборные плиты); жесткий узел (если связь стены подвала и перекрытия жесткая – например, монолитная конструкция). Опирание в данном случае имеется в виду в горизонтальном направлении, т.к. основная нагрузка у нас – это горизонтальное давление грунта.

Верхний узел в стене подвала

В нижнем узле сопряжения стены с фундаментной лентой в основном встречается жестким – шарнир там организовывать трудоемко, да и не имеет особого смысла.

Теперь насчет другого, горизонтального разреза стены. Если по длине стена ничем не ограничена в перемещениях (нет перпендикулярных стен), то рассматривать горизонтальный разрез в расчете не надо. А вот если есть перпендикулярные стены, расположенные довольно часто, то нужно посчитать стену еще и в горизонтальном направлении, т.к. с одной стороны действует давление грунта, с другой стороны стены служат опорами, и получается многопролетная неразрезная конструкция, в которой возникают как пролетные, так и опорные моменты – соответственно, нужно проверить горизонтальное армирование стены с учетом расположения перпендикулярных стен. Такая стена считается как многопролетная неразрезная плита шириной 1 м (метровая горизонтальная полоса условно вырезается из стены); средние опоры – шарниры, а крайние зависят от связи с перпендикулярными стенами – в основном, это защемление.

Сопряжение железобетонной колонны с фундаментом.

В основном в железобетоне схема сопряжения – защемление, т.к. шарнир организовать сложнее (особенно в монолите).

В сборном варианте колонна глубоко заделывается в стакан (глубина заделки – расчетная), а в монолитном варианте из фундамента делаются выпуски арматуры в колонну, которые заводятся минимум на длину нахлестки в колонну и на длину анкеровки – в фундамент.

Расчетная схема для опирания колонны на фундамент

Если вы хотите разобраться с каким-то конкретным примером соединения конструкций, пишите в комментариях, и ваш случай будет добавлен в статью.

 

Шарнир или защемление – что выбрать?

Естественно, есть такие схемы, в которых все уже предопределено – однозначный шарнир (как в сборных пустотных плитах перекрытия) или однозначное защемление (консольная балконная плита). Но есть такие варианты, когда выбор предоставляется проектировщику – и поначалу очень сложно определиться, как составить расчетную схему, чтобы получить оптимальный результат. Рассмотрим некоторые случаи.

Связь ростверка со сваями – шарнир или жесткое соединение?

Как известно, ростверк может опираться на сваи либо шарнирно, либо жестко. И часто очень сложно понять, а какой же вариант выбрать? Во-первых, нужно прочесть СНиП «Свайные фундаменты», в котором оговорены условия, допускающие шарнирное опирание – их не так уж много, часть ваших вопросов сразу отсеется. А далее следует проанализировать саму конструкцию в целом.

Если фундамент на одной свае, то однозначно связь сваи с ростверком должна быть жесткой, иначе не будет устойчивости.

В случае куста свай следует определить следующее:

1 – если фундамент воспринимает только вертикальную нагрузку (без моментов и поперечных сил), можно рассматривать шарнирное опирание;

2 – если в сваях возникают отрывающие усилия (при передаче момента от колонны через ростверк), то соединение только жесткое.

В случае ленточного свайного ростверка:

1 – если расчет ростверка показывает значительные перенапряжения в нем в связи с жестким соединением со сваями, следует рассмотреть вариант с шарнирным опиранием;

2 – если на ростверк передаются горизонтальные усилия (ветровые или от давления грунта), соединение со сваями следует делать жестким.

В случае ростверка в виде плиты можно использовать шарнирное соединение, если это не противопоказано СНиПом «Свайные фундаменты» и если нет отрывающих усилий в сваях.

В случае ленточного ростверка в шпунтовой (подпорной) стенке из свай:

1 – если ростверк служит просто обвязочной балкой и на него ничего не опирается, соединение лучше выбрать шарнирным;

2 – при расположении на ростверке опор эстакады или подобных конструкций, передающих усилия от ветровых нагрузок, связь должна быть жесткой.

Обобщим:

- для сваи выгодней шарнирное опирание, т.к. тогда на нее не передается изгибающий момент; но этот вид опирания не всегда позволен СНиПом;

- при наличии отрывающих усилий соединение сваи с ростверком всегда нужно делать жестким, чтобы конструкция не потеряла устойчивость (а отрывающее усилие часто выплывает при раскладывании момента от колонны на пару сил);

- и сваи, и ростверк только выигрывают от шарнирного соединения, поэтому если совсем-совсем нет противопоказаний, нужно выбирать шарнир.

Главное запомнить: всегда при жестком соединении сваи с ростверком моменты в ростверке передаются на сваи, и это следует учитывать при расчете сваи.

Опирание металлической или железобетонной рамы на фундамент.

В случае с рамами решение по опиранию на фундамент зачастую приходит после выбора конструкции самой рамы.

Если рама с жесткими узлами соединения ригелей с колоннами, то рациональней всего при опирании на фундамент выбрать шарнирный узел – такая рама при шарнирном опирании не пострадает, а вот фундамент выиграет, т.к. момент равен нулю, а значит фундамент будет меньше и экономичней. Да и при расчете такой рамы сложностей будет на целых шесть степеней свободы меньше – а при ручном расчете это ого-го сколько.

Если в раме ригели опираются на колонны шарнирно, то колонны обязательно должны быть жестко связаны с фундаментом, иначе мы получим геометрически изменяемую систему.

Но иногда, определившись со схемой рамы (например, ригели опираются шарнирно, а колонны защемлены в фундаментах), мы получаем невыгодный результат (например, недопустимо большие в данных условиях фундаменты). Тогда приходится походу менять расчетную схему и проверять вариант с жесткими узлами в раме и шарнирами в месте опирания на фундамент.

Часто сами материалы диктуют нам выбор расчетной схемы: допустим, в монолитном железобетоне сложно организовать шарниры, поэтому там чаще всего все узлы (и в раме, и в месте опирания колонн на фундамент) – жесткие. И это тоже нормально. Главное, чтобы законструировано было соответственно расчетной схеме.

Плиты перекрытия и балки.

В этой теме также нужно многое попробовать, чтобы набраться опыта и научиться выбирать лучший вариант расчетной схемы с первого раза.

В железобетонных плитах и балках при защемлении выплывает значительная верхняя арматура. Естественно, это ведет к удорожанию, но рационально в большепролетных конструкциях. Иногда так получается, что при большом пролете увеличение сечения балки или высоты плиты только ухудшает работу (т.к. растет нагрузка от собственного веса); а вот защемление дает свои положительные плоды – на опорах появляется изгибающий момент, дающий нам верхнюю арматуру, зато в пролете момент уменьшается, и в сумме конструкция проходит по расчету. При этом, правда, никогда не стоит забывать, что защемленная балка или плита передает усилие на конструкции, на которые она опирается.

Еще защемление стоит применять в плитах и балках, в которых важно уменьшить прогиб или уменьшить раскрытие трещин – меньше момент в пролете, значит меньше и деформации.

Еще одна особенная штука – это плита, опирающаяся по четырем сторонам. Она уже за счет такого опирания работает так, что возникает необходимость установить верхнюю арматуру в плите (особенно ближе к углам). Поэтому зачастую рационально, если есть такая возможность, защемить плиту и проверить, не меньше ли будет армирование.

Опирание крайних плит или второстепенных балок.

У любой многопролетной конструкции, будь то плита или второстепенная балка, есть крайний пролет, в котором она опирается на балку с одной стороны. И в связи с такой однобокой загруженностью балка-опора испытывает кручение, зачастую значительное. И в таких случаях, когда при расчете на кручение сечение балки разрастается до немыслимых размеров, нам на помощь приходит шарнир. Если опереть плиту или второстепенную балку шарнирно, то крайная балка-опора разгрузится, моменты на нее передаваться не будут, и ситуация перестанет быть критической. Понятно, что не всегда получается законструировать шарнирное опирание (особенно в монолитном варианте), но иногда даже в монолите лучше сделать крайнюю балку с консолью, и уже на эту консоль шарнирно опереть плиту. Еще есть вариант (но это если позволяет архитектура) – вывести опирающуюся плиту консольно в виде балкона; тогда балка-опора не до конца, но разгрузится.

Также на тему шарниров и защемления можно прочитать здесь.


Комментарии   

0 #31 Иринa 03.03.2015 08:22
Цитирую Олег:
Ирина, это любопытный вопрос, заранее соглашаюсь с вашим мнением)), по предыдущему моему комментарию был неправ, у Вас всё правильно написано, невнимательно прочитал и представил случай жесткого сопряжения колонны с ростверком и шарнирного (при отсутствии выдергивающих усилий в сваях) сопряжения ростверка со сваями для него и написал, что моменты передаваться не будут, а только вертикальные усилия

Я подправлю свою фразу в статье, чтобы не вызывала сомнений. А то действительно, двузначно звучит.
Цитировать
0 #32 Олег 03.03.2015 12:56
Да нет, Ирина в статье все однозначно написано)), просто я невнимательно прочитал, а по поводу того, что раньше как Вам сказали ростверк считали абсолютно жестким мои соображения такие:
считаю надо смотреть в каждом конкретном случае считать или не считать ростверк абсолютно жестким.
Чтобы считать "что-либо" абсолютно жестким телом, надо предполагать, что это "что-либо" имеет под нагрузкой очень малые деформации (перемещения, углы поворота), которые настолько малы, что не создают достаточно больших усилий от этих деформаций, которые бы влияли на несущую способность конструкции.
К примеру если высота ленточного ростверка относительно шага свай жестко соединенных с ним достаточно велика, то ростверк можно считать достаточно жестким (или абсолютно жестким) прогиб ростверка будет минимально малым и соответственно будут минимально малы моменты на опорах (сваях), соответственно этими моментами можно пренебречь и считать сваи только на вертикальные нагрузки от ростверка
Цитировать
0 #33 Иринa 03.03.2015 16:02
Согласна.
Цитировать
0 #34 Строю дом 08.02.2016 13:21
Здраствуйте, а какая будет расчетная схема у многопролетной балки если колонны и балки монолитные?
Заранее благодарю за ответ!
Цитировать
0 #35 rter 08.02.2016 16:59
Цитирую Строю дом:
Здраствуйте, а какая будет расчетная схема у многопролетной балки если колонны и балки монолитные?
Заранее благодарю за ответ!

в основном жесткая
Цитировать
0 #36 Иринa 08.02.2016 20:25
Цитирую Строю дом:
Здраствуйте, а какая будет расчетная схема у многопролетной балки если колонны и балки монолитные?
Заранее благодарю за ответ!

Расчетная схема для неразрезной балки. Отличия могут быть на крайних опорах - либо шарниры, либо защемление (в зависимости от наличия или отсутствия анкеровки арматуры балки в колонне)
Цитировать

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Поиск

Подписка на статьи

Комментарии

  • Женя 02.12.2016 14:17
    Здравствуйте!Оч ень хотелось бы статью о плоской кровле, о правильных подсчетах ...

    Подробнее...

     
  • Тамара 02.12.2016 12:18
    Добрый день!Хотела бы спросить литературу о шпонках в фундаментах, в ...

    Подробнее...

     
  • Алексей 01.12.2016 08:50
    Не проще ли сразу плиты положить как положено на фундамент. А так вам ...

    Подробнее...

     
  • Александр 30.11.2016 20:47
    Здравствуйте! У меня два вопроса к вашему рамному узлу: зачем заводить ...

    Подробнее...

     
  • Айгуль 30.11.2016 14:22
    а можно ли тогда допустим, положить плиты ПК (пустотки) на землю в ...

    Подробнее...

Яндекс.Метрика