Напряженно деформированное состояние и условия применимости основных типов монтажных стыков колонн стальных каркасов многоэтажных гражданских зданий

DOI: 10.37153/2618-9283-2026-1-76-98

Авторы:  
Рубрики:    Теоретические и экспериментальные исследования, научно-технические разработки   
Ключевые слова: многоэтажные гражданские здания, стальной каркас, рамный каркас, связевой каркас, монтажные стыки колонн, относительный эксцентриситет, сварное стыковое соединение, стальные накладки, фланец, фрикционное соединение, коэффициент использования сечения, центральное сжатие, внецентренное сжатие, изгиб, условия применимости
Аннотация:

Введение. В условиях развития строительства стальных каркасов многоэтажных гражданских зданий особую актуальность приобретает вопрос рационального проектирования монтажных стыков колонн, исходя из знаний о действительном характере напряженно‑деформированного состояния колонн. Данные стыки являются одними из ключевых узлов, определяющих несущую способность, устойчивость и пространственную жесткость каркаса. Нормативные документы содержат ограниченные рекомендации по выбору типа стыка в зависимости от напряженно‑деформированного состояния колонн, что требует дополнительных исследований и расчетно‑аналитических обоснований.

Материалы и методы. В работе выполнено параметрическое исследование напряженно‑деформированного состояния основных типов монтажных стыков колонн: стык с фрезерованным торцом, сварной и болтовой стыки на накладках, фланцевое соединение. Исследование работы стыков выполнено для наиболее распространенных в практике строительства типов каркасных систем. В качестве основного критерия, определяющего применимость типа стыка, выбран относительный эксцентриситет действия продольной силы в колонне. Расчетные усилия получены на основе линейного расчета пространственных моделей каркасов в ПК ЛИРА-САПР. Анализ работы узлов выполнен компонентным методом конечных элементов в ПК IDEA Statica. Критерием оценки эффективности соединений принят коэффициент использования несущей способности элементов стыка (сварных швов, болтов, пластин), а также показатели металлоемкости и скорости монтажа.

Результаты. Установлена зависимость коэффициента использования деталей и соединений монтажных стыков относительного эксцентриситета и типа каркаса. Определены области рационального применения различных типов стыков: при m ≤ 0,1 – стык с фрезерованным торцом, при 0,1 < m ≤ 2 – сварной стык на накладках и фланцевый, при 2 < m ≤ 5 – сварной и болтовой стыки на накладках, при m > 5 – болтовой стык на накладках. Выявлена нецелесообразность использования зазора между элементами колонн в соединениях на накладках и нерациональность использования физических методов контроля монтажных стыков колонн при m ≤ 0,1.

Выводы. Разработан алгоритм выбора рационального типа монтажного стыка колонн с учетом расчетных, конструктивных, монтажных и экономических критериев. Внедрение рекомендаций позволяет оптимизировать проектные решения, снизить металлоемкость и трудоемкость монтажа.

Список литературы:

1.        СП 16.13330.2017. Стальные конструкции: актуализированная редакция СНиП II-23-81* (с изм. № 1–5). М.: Минстрой России, 2017.

2.        СП 294.1325800.2017. Конструкции стальные. Правила проектирования (с изм. № 1–4). – М.: Минстрой России, 2017.

3.        СП 267.1325800.2016. Здания и комплексы высотные. Правила проектирования (с изм. № 1–4). М.: Минстрой России, 2016.

4.        Проектирование металлических конструкций. Специальный курс: учебное пособие /     В.В. Бирулев, И.И. Кошин, И.И. Крылов, А.В. Сильвестров; под ред. В. В. Бирулева. Л.: Стройиздат, 1990. – 432 с.

5.        Металлические конструкции: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / Ю.И. Кудишин [и др.]; под ред. Ю.И. Кудишина. 13-е изд., испр. М.: Издательский центр «Академия», 2011. 688 с.

6.        Металлические конструкции: в 3 т. Т. 2. Конструкции зданий: учеб. для строит. вузов / В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов, Г.И. Белый [и др.]; под ред. В.В. Горева. 2-е изд., испр. М.: Высшая школа, 2002. 528 с.: ил.

7.        Металлические конструкции. Специальный курс: учебное пособие / А.Р. Туснин [и др.]; под общ. ред. А.Р. Туснина. М.: Ассоциация развития стального строительства, 2022.

8.        Металлические конструкции: учебник для вузов / Е.И. Беленя [и др.]; под ред. Е.И. Белени. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1986. 560 с.

9.        СТО АРСС 11251254.001–018-3. Проектирование стальных конструкций многоэтажных зданий. Ч. 2. Узлы. М.: Ассоциация развития стального строительства, 2018. 134 с.

10.    Хамати Ю.Р., Туснин А.Р. Работа связевых стальных каркасов с учетом погрешностей монтажа и изготовления // Строительство: наука и образование. 2023. Т. 13. № 1. С. 22–40. DOI 10.22227/2305-5502.2023.1.2. EDN FBWLOF

11.    Tusnina O. A. The stiffness of rigid joints of beam with hollow section column / O. A. Tusnina, A. I. Danilov. Magazine of Civil Engineering, 2016, no. 4(64), pp. 40–51. DOI 10.5862/MCE.64.4 EDN WWPEYH

12.    Tusnina V.M. Semi-rigid steel beam-to-column connections. Magazine of Civil Engineering, 2017, no. 5(73), pp. 25–39. DOI 10.18720/MCE.73.3 EDN ZNLKNH

13.    Михайленко Т.Г. Вариативность решения узла стальной конструкции // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013.               № 3. С. 7–10. EDN PZLGZR

14.    Трастян Н.А., Линьков Н.В. Разработка рамных узлов стальных конструкций с учетом пластических деформаций // Инженерный вестник Дона. 2019. № 1(52). С. 188. EDN BLGZLN

15.    Абдурахманов А. З. К вопросу о работе стальных каркасов многоэтажных зданий в сейсмоопасных условиях // Современное строительство и архитектура. 2022. № 1(25). С. 4–13. DOI 10.18454/mca.2022.25.1. EDN RDFYRP

16.    Кость Ю.С., Дмитриева Т.Л. К вопросу надежности стального рамного узла в сейсмоопасных зонах с пониженными температурами // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2024. Т. 14. № 3(50). С. 540–555. DOI 10.21285/2227-2917-2024-3-540-555. EDN JPAPBK

17.    Туснин А.Р., Мыльников И.В. Быстросборные узлы в стальных каркасах многоэтажных зданий // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 6. С. 942–959. DOI 10.22227/1997-0935.2024.6.942-959. EDN KXXGCG

18.    Рекомендации по расчёту, проектированию, изготовлению и монтажу фланцевых соединений стальных строительных конструкций / ВНИПИ Промстальконструкция, ЦНИИПроектстальконструкция им. Мельникова. М.: НПО «Монтажспецстрой», 1989. 52 с.

19.    ANSI/AISC 360-22. Specification for Structural Steel Buildings. – Chicago: American Institute of Steel Construction, 2022.

20.    BS EN 1090-2:2018. Execution of Steel Structures and Aluminium Structures. Technical Requirements for Steel Structures. – London: British Standards Institution, 2018.

21.    EN 1993-1-8:2005. Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1-8: Design of joints. Brussel: European Committee for Standardization, 2005.

22.    Cheal B.D. Joints in Steel Construction. Simple Joints to Eurocode 3. Publication P358. Ascot: Steel Construction Institute, 2014.

23.    Design of Multi-Storey Braced Frames. Publication P334. Ascot: Steel Construction Institute, 2004.

24.    Joints in Steel Construction. Moment Connections. Part 1: Moment Connections (1 of 2). Publication 207. Ascot: Steel Construction Institute; London: British Standards Institution, 1995.

25.    Experimental and FE study on strengthened steel beam-column joints for progressive collapse robustness under column-loss event / M. Alrubaidi, H. Abbas, H. Elsanadedy [et al.]. Engineering Structures, 2022, vol. 258, p. 114103. DOI 10.1016/j.engstruct.2022.114103. EDN BVJDET

26.    Mechanical Property of Beam-to-Column Connection of Steel Structures With All-Steel Buckling-Restrained Braces / J. Gao, J. Xi, Yu. Xu [et al.]. Frontiers in Materials, 2022, vol. 8. DOI 10.3389/fmats.2021.821299. EDN IFHJQS

27.    Stylianidis P. Survey on the Role of Beam-Column Connections in the Progressive Collapse Resistance of Steel Frame Buildings / P. Stylianidis, J. Bellos. Buildings, 2023, vol. 13, no. 7, p. 1696. DOI 10.3390/buildings13071696. EDN SOJLPF

28.    Semi-rigid Composite Beam-to-column Joints for Cold-formed Steel Frames: Experimental and Numerical Study / F. Amsyar, Ch. S. Tan, A. Sulaiman, Sh. Mohammad. International Journal of Steel Structures, 2023, vol. 23, no. 4, pp. 974–992. DOI 10.1007/s13296-023-00744-0. EDN HYBIGO

29.    Research and prospect on column-column connection of assembled multi-layer steel structure / D.M. Guo, Y.Q. Wang, Y.C. Yi // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 330 022002 - 2019, DOI:10.1088/1755-1315/330/2/022002

30.    Investigation on Buckling Performance of Prefabricated Light Steel Frame Materials under the Action of Random Defects during Construction / G. Yao, Yu. Chen, Ya. Yang [et al.]. Materials, 2023, vol. 16, no. 16, p. 5666. DOI 10.3390/ma16165666. EDN AODQJV

31.    Experimental investigation of the sectional buckling of built-up cold-formed steel columns / M. Abbasi, K. J. R. Rasmussen, M. Khezri, B. W. Schafer. Journal of Constructional Steel Research, 2023, vol. 203, p. 107803. DOI 10.1016/j.jcsr.2023.107803. EDN FNOUFL

32.    Steel Building in Europe. Multi-Storey Steel Buildings. Part 5: Joint Design / SECHALO RFS2-CT-2008-0030. Brussels: CTICM, SCI, 2008.

33.    IDEA Statica. Теоретическая основа. Компонентный метод [Электронный ресурс]. – URL: https://www.ideastatica.com/support-center/theoretical-background (дата обращения: 01.11.2025).