ФЛАНЦЕВОЕ СОЕДИНЕНИЕ
FLANGED JOINT

Изобретение относится к области строительства, в частности к узлам соединения элементов металлических конструкций при помощи фланцев.
Фланцевые соединения являются одним из наиболее эффективных и широко распространенных типов узлов соединения элементов металлических конструкций. Эти узлы содержат несущие элементы конструкции в виде прокатного профиля или составного сечения произвольной формы и присоединенных к ним сваркой (или иным способом) плоских торцевых элементов. Элементы узлов соединяются между собой при помощи болтов, преимущественно высокопрочных. В случае применения высокопрочных болтов суммарное усилие их затяжки превышает усилие, прикладываемое к несущим элементам, что обеспечивает неразъемность соединения.
Известно несколько типов фланцевых соединений, например описанных в Справочнике проектировщика T.1, стр.186-188, Изд-во АСВ. М. 1998 г. Такие соединения содержат несущие элементы, к торцам которых тем или иным способом (в основном сваркой) прикреплены плоские фланцевые листы, подкрепленные ребрами жесткости. Соединение осуществляется при помощи болтов, устанавливаемых между ребрами. Недостатком таких соединений является необходимость применения для фланцев листов относительно большой толщины и выполненных из высокопрочной стали.
Наиболее близким как по назначению, так и по составу элементов является узел соединения элементов рамного каркаса здания, включающий несущие элементы двутаврового (или иного) поперечного сечения, фланцы, приваренные к торцам несущих элементов, ребра жесткости, предназначенные для передачи усилия, передаваемого на фланец, и уменьшения деформации фланцев, а также высокопрочные болты, соединяющие фланцы между собой. (Катюшин В.В. Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство). - М. ОАО «Издательство «Стройиздат», 2005, с.296, рис.2). Это техническое решение и принято в качестве прототипа.
Недостатком таких узлов является деформация фланцев между болтами в зоне передачи растягивающего усилия. Пластина фланца оказывается закрепленной в точке установки болтов, а усилие передается в зоне расположения несущих элементов и ближайших ребер жесткости. При этом в пластине фланца возникают изгибающие моменты, которые и приводят к деформациям. С целью уменьшения этих деформаций приходится увеличивать жесткость пластин фланцев, а это требует увеличения толщины пластины фланца. Кроме того, расчет такого соединения довольно сложен. В качестве примера можно привести расчет фланцевого соединения ригеля рамы пролетом 42 м с несущей колонной, выполненный по программе ЛИРА 9-6. Этот расчет показал, что при расстоянии между болтами 250 мм, толщине фланца 34 мм и изгибающем моменте 1500 кНм расхождение фланцев в зоне расположения ребер жесткости составило 2.63 мм.
Сущностью изобретения является повышение жесткости узла фланцевого соединения элементов металлических конструкций, уменьшение величины раскрытия фланцевых пластин, а также упрощение проектирования узла фланцевого соединения.
Технический результат состоит в уменьшении прогибов фланцевых пластин в узле фланцевого соединения элементов металлических конструкций и упрощении проектирования узла фланцевого соединения.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что известное фланцевое соединение включающее несущие элементы, фланцы, расположенные в торцевой части несущих элементов, ребра жесткости, прикрепленные одной стороной к фланцу, а другой - к несущему элементу и высокопрочные болты, соединяющие фланцы между собой, содержит дополнительные ребра жесткости, установленные по периметру фланца в зоне, подверженной наибольшей деформации, при этом толщина и высота дополнительных ребер жесткости определяется расчетом в зависимости от допустимого раскрытия соединения.
Дополнительные ребра жесткости устанавливаются на фланцах в зоне, которая подвержена максимальным деформациям. Толщина и высота дополнительных ребер определяется расчетом в зависимости от допустимого раскрытия соединения.
На фиг.1 изображен общий вид узла фланцевого соединения, где показаны: несущий элемент - 1; ребро жесткости - 2; болт - 3; фланец - 4; дополнительное ребро жесткости - 5.
Узел выполняется следующим образом. Вначале к торцу несущего элемента 1 прикрепляется (преимущественно сваркой, хотя могут использоваться и другие виды соединений, такие как болты, заклепки, клей и др.) фланец 4, имеющий отверстия, предназначенные для установки соединительных болтов в процессе монтажа. Затем крепятся ребра жесткости 2, передающие усилия от несущего элемента 1 на фланец 4. В завершение цикла устанавливают по всему периметру фланца дополнительные ребра жесткости 5. Эти операции выполняются на предприятии, изготавливающем металлические конструкции. В процессе монтажа, который выполняется на строительной площадке, фланцы двух элементов соединяются высокопрочными болтами 3.
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>b</mi><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>10</mn><mi>E</mi><mi>I</mi></mrow></mfrac></mrow>
Толщина и высота дополнительных ребер жесткости 5 определяется расчетом в зависимости от допустимого раскрытия соединения. При передаче действующего усилия точки, соединенные ботами, будут неподвижны, а точки, в которых через ребра жесткости 2 передается усилие, будут перемещаться. При этом дополнительное ребро жесткости 5 будет работать как двухопорная балка с моментом инерции
, где b - толщина ребра, a h - его высота. Перемещение в этом случае может быть вычислено, как
. Здесь: М - изгибающий момент в пластине фланца, возникающий от действия передаваемого усилия, Е - модуль упругости металла фланца, l - расстояние между болтами. Из приведенной формулы видно, что увеличение высоты дополнительного ребра жесткости приводит к значительному уменьшению перемещений, возникающих от действия момента.
Практическая реализация предлагаемого технического решения не требует применения высокопрочных, а потому дорогостоящих, материалов, обеспечит повышение коррозионной устойчивости соединения и, в конечном счете, повысит надежность узла фланцевого соединения.