Быстросборные узлы в стальных каркасах многоэтажных зданий

Введение. В условиях развития стального строительства актуальным видится создание номенклатуры типовых унифицированных изделий, узлов и деталей стальных каркасов, что позволит проектировщикам при меньших трудовых затратах создавать проекты современных быстровозводимых зданий, а строителям — быстро и качественно воплощать их в жизнь. Рассматриваются узлы стыка колонн по высоте и сопряжения их с балками перекрытия. В приведенных конструктивных решениях усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов, что дает возможность избежать выполнения монтажных сварных швов и большого количества болтовых соединений. Как следствие, при использовании контактных соединений сокращаются сроки монтажа металлического каркаса и снижается стоимость строительства.

Материалы и методы. При рассмотрении контактных задач не применим принцип Сен-Венана, важно исследовать непосредственные области контактных поверхностей элементов. Разработка узлов велась на примере типового каркаса пятиэтажного здания с размерами ячеек от 3 × 3 до 6 × 6 м с конструктивными элементами заданных сечений.

Результаты. Представлены возможные контактные соединения элементов каркаса, позволяющие осуществлять монтаж только их установкой друг на друга и финишной регулировкой. Такие соединения за счет работы контактирующих поверхностей на смятие позволяют передавать не только продольные усилия, но и некоторую часть изгибающих моментов. Приведен численный расчет одного из предложенных узлов.

Выводы. Предложенные варианты узлов стыка колонн и примыкания балки к колонне являются нетиповыми и ранее не используемыми в инженерной практике. Для широкого применения таких узлов в практике проектирования стальных каркасов многоэтажных зданий необходимо всесторонне исследовать их несущую способность и деформативность. Интерес представляет изучение влияния геометрических параметров соединительных элементов на жесткость узлов и на напряженно-деформированное состояние каркаса в целом. Настоящие исследования будут проводиться с использованием программно-вычислительных комплексов и эксперимента.

1. Проектирование металлических конструкций / под ред. А.Р. Туснина. М., 2020. 436 с.

2. Heinisuo M., Laasonen M., Ronni H. Integration of joint design of steel structurres using product model // Proceedings of the International Conference on Computing in Civil and Building Engineering ICCBE. 2010. Pp. 323–328.

3. Hasançebi O. Cost efficiency analyses of steel frameworks for economical design of multi-storey buildings // Journal of Constructional Steel Research. 2017. Vol. 128. Pp. 380–396. DOI: 10.1016/j.jcsr.2016.09.002

4. Pershakov V., Bieliatynskyi A., Bilyk S., Bakulin Y., Pylypenko O., Bolotov G. et al. Structural designs of multy-storey buildings // Proceedings of National Aviation University. 2019. Vol. 81. Issue 4. DOI: 10.18372/2306-1472.81.14599

5. Lacey A.W., Chen W., Hao H., Bi K. Structural response of modular buildings — an overview // Journal of Building Engineering. 2018. Vol. 16. Pp. 45–56. DOI: 10.1016/j.jobe.2017.12.008

6. Ma H., Huang Z., Song X., Ling Y. A Study on Mechanical Performance of an Innovative Modular Steel Building Connection with Cross-Shaped Plug-In Connector // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 9. P. 2382. DOI: 10.3390/buildings13092382

7. Chen Z., Khan K., Khan A., Javed K., Liu J. Exploration of the multidirectional stability and response of prefabricated volumetric modular steel structures // Journal of Constructional Steel Research. 2021. Vol. 184. P. 106826. DOI: 10.1016/j.jcsr.2021.106826

8. Sendanayake S.V., Thambiratnam D.P., Perera N., Chan T., Aghdamy S. Seismic Mitigation of Steel Modular Building Structures through Innovative Inter-Modular Connections // Heliyon. 2019. Vol. 5. Issue 11. P. e02751. DOI: 10.1016/j.heliyon.2019.e02751

9. Nadeem G., Safiee N.A., Bakar N.A., Karim I.A., Nasir N.A.M. Evaluation of slip behaviour of self-locking modular steel connection // Journal of Constructional Steel Research. 2022. Vol. 197. P. 107467. DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107467

10. Нефедов Г.В. Строительство домов сред-ней этажности на каркасах из легких стальных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 7. С. 10–15. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.07.10-15. EDN YDNMJA.

11. Yao G., Chen Y., Yang Y., Ma X., Men W. Investigation on buckling performance of prefabricated light steel frame materials under the action of random defects during construction // Materials. 2023. Vol. 16. Issue 16. P. 5666. DOI: 10.3390/ma16165666

12. Baskaran R., Fernando P. Steel frame structure defect detection using image processing and artificial intelligence // 2021 International Conference on Smart Generation Computing, Communication and Networking (SMART GENCON). 2021. DOI: 10.1109/SMARTGENCON51891.2021.9645845

13. Lindner J. Old and new solutions for contact splices in columns // Journal of Constructional Steel Research. 2008. Vol. 64. Issue 7–8. Pp. 833–844. DOI: 10.1016/j.jcsr.2008.01.026

14. Li D., Uy B., Patel V., Aslani F. Behaviour and design of demountable steel column-column connections // Steel and Composite Structures. 2016. Vol. 22. Issue 2. Pp. 429–448. DOI: 10.12989/scs.2016.22.2.429

15. Босаков С.B. Контактная задача для торца упругой полуполосы // Наука и техника. 2023. № 22 (2). С. 127–130. DOI: 10.21122/2227-1031-2023-22-2-127-130

16. Snijder H.H., Hoenderkamp J.C.D. Influence of end plate splices on the load carrying capacity of columns // Journal of Constructional Steel Research. 2008. Vol. 64. Issue 7–8. Pp. 845–853. DOI: 10.1016/j.jcsr.2008.01.020

17. Lim R.Z.C., Looi D.T.W., Chen M.T., Tsang H.H., Wilson J.L. A component-based macro-mechanical model for inter-module connections in steel volumetric buil-dings // Journal of Constructional Steel Research. 2023. Vol. 207. P. 107954. DOI: 10.1016/j.jcsr.2023.107954

18. Yang C., Xu B., Xia J., Chang H., Chen X., Ma R. Mechanical behaviors of inter-module connections and assembled joints in modular steel buildings : a comprehensive review // Buildings. 2023. Vol. 13. Issue 7. P. 1727. DOI: 10.3390/buildings13071727

19. Туснина В.М., Коляго А.А. К вопросу действительной работы податливых узлов стальных каркасов многоэтажных зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 2. С. 28–34. EDN YTCEAU.

20. Bazarchi E., Davaran A., Lamarche C.P., Roy N., Parent S. Experimental and numerical investigation of a novel vertically unconstrained steel inter-modular connection // Thin-Walled Structures. 2023. Vol. 183. P. 110364. DOI: 10.1016/j.tws.2022.110364

21. Кузнецов С.А. Механика контактного взаимодействия : конспект лекций. 2020. 77 с.

22. Туснин А.Р. Стальной каркас малоэтажного здания // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 11. С. 18–22. EDN ZTTDKX.

23. Туснин А.Р., Вараксин П.А. Типовой стальной каркас пятиэтажного здания // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 10. С. 45–49. EDN SKGHNZ.

24. Туснина О.А. Конструктивные решения узлов стального каркаса для малоэтажных жилых зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 11. С. 23–27. EDNZTTDLR.

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