В практике проектирования часто встречаются узлы крепления решетки фермы из профильной трубы к поясу из двутавра, усиленному наклонными планками. Но всегда ли такое усиление действительно необходимо? Разберёмся, как влияет наличие или отсутствие планок на несущую способность узла и профильной трубы и обоснована ли постановка планок «по умолчанию».
Рисунок 1 — Узел фермы, усиленный наклонными планками
Суть проблемы
При проектировании узлов ферм с непосредственным примыканием решетки (например, из квадратных труб) к двутавровым поясам возникает необходимость в проведении совокупности проверок, описанных в разделе 15.2 СП 294.1325800. Эти расчёты увязывают усилия в элементах (осевых сил, изгибающих моментов) с геометрическими параметрами соединения (толщиной полки и стенки элементов, углом примыкания раскосов).
В документе приводятся формулы (102)–(105), основанные на допущении, что пластичность развивается одновременно — и в полке пояса, и в участке стенки элемента решётки, который с ним контактирует.
А вот формулы (106), (107), (108) и (110) используют упрощённые модели работы стенки пояса. Формула (109) вообще эмпирическая (на основе экспериментальных данных) и при расчёте решётки из гнутосварных профилей значительно снижает допустимую нагрузку. Итог: если применить её без дополнительного усиления, расчёт, скорее всего, не пройдёт. Именно поэтому она фактически требует подкрепления полок поясных двутавров.
Как правило, необходимо выполнить две итерации проверок — сначала при условии отсутствия усиления, а затем с учетом планок при невыполнении первой проверки. Естественным образом, проектировщики сразу принимают решение об использовании планок усиления, поскольку проверять дважды нет желания (к тому же так раньше было в известной серии!). В итоге такой подход приводит к риску избыточного усиления узлов — и это уже не просто «запас прочности», а существенное увеличение трудоёмкости и времени изготовления.
Сколько это стоит? Усиление всех узлов фермы наклонными планками может добавить к стоимости конструкции до 5% от стоимости фермы (учтена стоимость самих планок и длина сварного шва, выполняемого вручную). Немало, особенно если учитывать, что в ряде случаев вполне можно обойтись без дополнительного усиления.
Ниже подробно рассмотрим, за счёт чего можно отказаться от усиления узла наклонными планками.
Оценка реальной работы узла
Чтобы понять, как ведёт себя узел в условиях реальной работы, рассмотрим, как распределяются изополя напряжений в узле без планок усиления и в вариантах с усилением.
Для примера замоделирован узел:
- с верхним поясом из двутавра 20Ш1 С355;
- решетка — ГСП 120х8 С355.
Усилия в элементах решетки:
- сжатый раскос — 38 т;
- растянутый — 27 т.
Без планок усиления
В узле без наклонных планок в стенке и нижней полке двутавра возникают значительные напряжения — 347 МПа, что превышает расчётное сопротивление стали. Аналогичная картина наблюдается и в гнутосварном профиле в зоне стенки двутавра — 347 МПа.
В результате в конструкции развиваются пластические деформации, и стенка пояса теряет местную устойчивость. В зоне примыкания образуется характерный дефект — локальная вмятина, известная как «хлопун».
Рисунок 2 — Изополя приведенных напряжений и форма потери устойчивости в узле без планок усиления
С планками усиления
При установке наклонных планок характер распределения напряжений заметно меняется. Основные усилия сосредотачиваются в зоне над планками, а значения напряжений значительно ниже, чем в узле без усиления:
- в стенке пояса — 222 МПа;
- в гнутосварном профиле — 310 МПа, за счёт более равномерного распределения нагрузок по периметру сечения.
Во всех элементах напряжения остаются ниже расчётного сопротивления стали, пластика не развивается. Потери местной устойчивости стенки (хлопуна) не наблюдается — примыкание работает надёжно.
Рисунок 3 — Изополя приведенных напряжений и форма потери устойчивости в узле с планками усиления
Можно сделать вывод — постановка планок существенно снижает напряжения, как в элементе решетки в зоне примыкания к поясу, так и в стенке и полке двутаврового пояса.
С вертикальными ребрами
Один из вариантов усиления, предусмотренный EN 1993-1-8:2005, установка вертикальных рёбер жёсткости. Сравним его с решением на наклонных планках.
Распределение напряжений в узле с вертикальными ребрами:
Рисунок 4 — Изополя приведенных напряжений и форма потери устойчивости в узле с вертикальными ребрами усиления
В стенке двутавра напряжения между ребрами усиления сопоставимы с узлом без усиления — 346 МПа. В гнутосварном профиле напряжения оказываются даже выше, чем в варианте с наклонными планками — до 333 МПа, поскольку напряжения распределяются по меньшему периметру сечения. Напряжения в стенке пояса сравнимы с расчетным сопротивлением стали — развиваются пластические деформации. Происходит местная потеря устойчивости стенки — между вертикальными ребрами образуется хлопун.
При этом вертикальные рёбра могут быть конструктивно удобнее (по сравнению с наклонными планками). Например, к ним легко крепить распорки. Ещё одна конфигурация — узел с одним вертикальным ребром, расположенным под прогоном. Однако с точки зрения несущей способности такой узел уступает варианту с наклонными планками:
- напряжения в стенке пояса — выше в 1,5 раза;
- в раскосах — на 7% больше.
Проверка соединений фермы
Узел примыкания решётки из гнутосварного профиля к поясу из двутавра можно проверить по методике, приведённой в СП 294.1325800. Этот норматив носит рекомендательный характер, поэтому проектировщик может воспользоваться альтернативными подходами.
Проверка по СП 294
Проверка неподкрепленных узлов ферм с поясами из двутавра описана в п. 15.2 СП 294.1325800, такие узлы следует проверять:
-
на отгиб участка полки пояса, контактирующей с элементом решетки;
-
несущую способность участка стенки пояса, соответствующего сжатому элементу решетки;
-
несущую способность поперечного сечения пояса;
-
несущую способность элемента решетки в зоне примыкания к поясу;
-
прочность сварных швов прикрепления элемента решетки к поясу.
Как правило, определяющей для постановки наклонных планок является проверка вовсе не пояса фермы, а элемента решетки в зоне примыкания к поясу — п. 15.2.8, формула (109).
Элемент решетки из гнутосварного профиля при этой проверке может иметь больший коэффициент использования, чем по прочности или устойчивости.
Если эта проверка выполняется успешно, следующая критичная проверка — несущая способность пояса на отгиб по п. 15.2.2 - 15.2.3, формулы (102) - (104).
Разберем 2 самые критичные проверки для неподкрепленного узла.
Проверка несущей способности раскоса в зоне примыкания к поясу
Проверка несущей способности элемента решетки в зоне примыкания к поясу выполняется по формуле (109):
ξ — коэффициент, равный для элементов прямоугольного гнутосварного профиля в узлах:
а) К-образного типа — 0,14;
б) опорных — 0,06;
в) Т-образного типа — 0,10;
d — размер сечения элемента решетки;
t — толщина полки двутавра;
γ с — коэффициент условия работы, принимаемый по СП 16.13330;
γ d — коэффициент влияния знака усилия в примыкающем элементе, принимаемый равным 1,2 при растяжении и 1,0 при сжатии;
R yd — расчетное сопротивление стали элемента решетки;
A d — площадь поперечного сечения элемента решетки.
На результаты проверки влияют:
- усилия в раскосе;
- толщина полки двутаврового пояса фермы;
- класс прочности стали раскоса;
- геометрия и площадь поперечного сечения раскоса.
Повысить несущую способность можно за счет:
- повышения класса прочности и увеличения сечения элемента решетки;
- увеличения толщины полки двутавра.
Проверка пояса на отгиб
Для наиболее распространенного случая (решетка из квадратных гнутосварных профилей, эксцентриситет в узле примыкания) проверка несущей способности пояса на отгиб осуществляется по формуле (104) СП 294.1325800:
N — усилие в элементе решетки;
М — изгибающий момент в примыкающем элементе в плоскости узла в сечении, совпадающем с примыкающей полкой пояса;
γ с — коэффициент условия работы, принимаемый по СП 16.13330;
γ D — коэффициент, равный (1,5 - σ/R y), если пояс сжат при σ/R>0,5, в остальных случаях — 1;
σ — продольное напряжение в панели пояса со стороны растянутого раскоса;
R y — расчетное сопротивление стали пояса;
R yd — расчетное сопротивление стали элемента решетки;
t — толщина полки двутавра;
t d — толщина стенки трубы;
α — угол между осями пояса и элемента решетки;
d b, d — размеры сечения элемента решетки;
D — высота сечения пояса.
Рисунок 5 — Узел сопряжения пояса из двутавра с гнутосварным профилем
Как можно увидеть из формулы, на результаты проверки влияют:
- усилия в раскосе;
- толщина пояса;
- класс прочности стали пояса;
- класс прочности стали раскоса;
- толщина стенки раскоса.
Наибольший вклад в несущую способность вносит увеличение первого слагаемого в правой части формулы 104, существенное влияние оказывают геометрические и прочностные характеристики пояса из двутавра:
Альтернативные способы проверки
Проверка по методикам иностранных норм
В соответствии со ст. 6 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений" с 1 марта 2026 все способы обоснования проектных решений признаются равнозначными:
- Национальные стандарты;
- Международные, межгосударственные и иностранные стандарты;
- СТО/ТУ;
- Иные способы обоснования, предусмотренные «Техническим регламентом о безопасности…».
Это означает, что для обоснования в экспертизе проверку узла необязательно выполнять по рекомендациям СП 294. Можно, к примеру, воспользоваться методиками из EN 1993-1-8, где также описаны проверки для подобных узлов.
Интересный момент: усиление узла наклонными планками в EN 1993-1-8:2005 не рассматривается вовсе.
Предлагается вариант с поперечными ребрами усиления:
Рисунок 6 — Усиление узла примыкания гнутосварного профиля к двутавру поперечными ребрами по EN 1993-1-8:2005
Проверка НДС узла по расчетной модели
Ещё один способ — воспользоваться средствами моделирования узла компонентным методом конечных элементов (КМКЭ). По напряжённо-деформированному состоянию (НДС) узла и расчёту на устойчивость можно оценить коэффициенты использования отдельных элементов и несущую способность узла в целом (как это сделано в примерах выше).
Если сравнить результаты проверки несущей способности раскоса в зоне примыкания к поясу по СП 294 и по расчетной модели узла КМКЭ, получим любопытные результаты: коэффициент использования по СП больше, примерно на 10-15%. Связано это с тем, что в расчетной модели допускаются пластические деформации.
Как отказаться от планок?
Почему всегда стоит проверять узел без усиления:
- это удорожает стоимость фермы;
- увеличивается трудоемкость изготовления за счет ручных операций — позиционирования и обварки планок.
Влияние параметров элементов решётки
При проверке узлов по СП 294 определяющим фактором для постановки наклонных планок чаще всего становится несущая способность элемента решетки в зоне примыкания к поясу. Для увеличения несущей способности эффективно повышать класс прочности стали элемента решетки — переход со стали С245 на С355 повышает несущую способность почти в 1,5 раза.
Параметры решетки также влияют на несущую способность пояса на отгиб — переход со стали С245 на С355 для решетки повышает несущую способность пояса на отгиб примерно на 5-6%.
Влияние параметров пояса
Эффективно повышать класс прочности стали двутавра: переход с С255 на С355 даёт повышение несущей способности пояса на отгиб (правой части формулы 104) на 25-30%. При замене стали пояса с С355 на С390 несущая способность пояса на отгиб повышается на 6-8%.
Увеличение толщины полки двутавра также увеличивает несущую способность узла. При этом с увеличением типоразмера двутавра толщина пояса может, наоборот, снизиться. Например, переход с двутавра 25Ш2 на 30Ш1 (с меньшей толщиной полки) снижает несущую способность пояса на отгиб примерно на 5%, а переход на 30Ш2 (с большей толщиной пояса) увеличивает на 40%.
Стоит учитывать, что при увеличении номера типоразмера двутавра высота изменяется менее чем на 30%. Соответственно, влияние на правую часть формулы 104 может быть сопоставимо с эффектом от повышения класса прочности стали для двутавра. При этом при повышении типоразмера увеличивается и металлоемкость.
Кроме того, тщательно проработанные узлы крепления металлических ферм упрощают изготовление и последующий монтаж.
