STRUCTURISTIK | Шайбы для баз колонн

Шайбы для баз колонн

О чем?

Недавно на YouTube канале Structuristik вышло видео на тему проблем с анкерными болтами и их исправления. Там подробно рассказано как быть если болты покинули проектное положение. А в это статье расскажем как быть если болты остались на месте, ну или почти на месте)
Широко известно, что установка болтов в проектное положение вызывает затруднения. Удача, если болты отклонились от проектного положения на 5−10 мм. О точности в 1−2 мм не приходится даже мечтать. Поэтому отверстия под фундаментные болты в опорных плитах делают существенно больше, чем для обычных болтов в других узлах. Что бы передать нагрузку с опорной плиты на болт, установленный в увеличенное отверстие, под комплектные шайбы дополнительно ставят листовые шайбы. Такое решение дает увеличенный допуск на положение фундаментных болтов и возможность корректной выверки колонны.

Эта статья посвящена выбору размеров отверстий d_h и вырезов в опорных плитах, а также выбору размеров B_pw и толщин t_pw листовых шайб.

Отечественная практика

Нормативная документация не дает никаких указаний по этому поводу. Ни СП 16, ни СП 70, ни СП 294 не дают никаких рекомендаций оставляя принятие решения инженеру. Тут на помощь инженерам приходят учебники и справочники. Приведем пару примеров:

Справочник «Металлические конструкции. Том 2. Стальные конструкции зданий и сооружений» под авторством В. В. Кузнецова при жесткой базе:

«Отверстия в плитах для анкерных болтов назначают на 20−30 мм больше диаметра болта. На болты надевают шайбы и после натяжения болта гайкой шайбу приваривают к плите. Для болтов диаметром 42, 48 и 56 мм обычно принимают шайбы размерами 160×160 мм при толщине 20−25 мм, а для болтов диаметром 64 мм одну из сторон шайбы увеличивают до 200 мм, а толщину до 28 мм.»

и при шарнирном опирании базы:

«Отверстия или вырезы для болтов в опорной плите делают в 1.5 больше диаметра болтов. Если болты до установки в фундамент объединяют в пространственные каркасы, то прочность их взаимного расположения существенно повышается, что позволяет снизить норму допуска до 6 мм».

Справочник «Металлические конструкции» под авторством Н. П. Мельникова гласит при шарнирном опирании базы колонны:

«Конструктивные анкерные болты, принимают диаметром 20−30 мм и крепят непосредственно к плите, в которой делают отверстия или вырезы 1.5 раза больше диаметра болтов. Эти отверстия закрывают шайбами из листовой стали толщиной 16−20 мм, которые приваривают к плите».

«Металлические конструкции. Том 1. Элементы конструкций» В. В. Горев рекомендует при жестком сопряжении:

«Для компенсации неточности установки анкерных болтов отверстия в плитах для анкерных болтов предусматривают на 20−30 мм больше диаметра болта, а на болты надевают шайбы, которые после натяжения болтов приваривают к плите. Для болтов диаметром 42−56 мм принимают шайбы размером 160×160 мм при толщине 20−25 мм, а при диаметре 64 мм одну из сторон шайбы увеличивают до 200 мм, а толщину до 28 мм.»

и при шарнирном сопряжении:

«Отверстия или вырезы для болтов в опорной плите базы делают в 1.5 раза больше диаметра болта».
Не трудно заметить, что авторитетные отечественные авторы дают одни и те же рекомендации: принимать диаметр отверстий равным в 1.5 раза большим, чем диаметр анкерных болтов, при диаметре болтов 20−30 мм, принимать толщину шайб 16−20 мм, при диаметре 42−56 принимать толщину шайб 20−25 мм, а при диаметре фундаментного болта 64 мм принимать толщину шайб 28 мм. Размеры шайб фиксированы для болтов диаметром 42−64 мм. Если свести данные в таблицу с учетом номенклатуры фундаментных болтов получим:

Диаметр болта	Размер отверстия: шарнирная база	Размер отверстия: жесткая база	Размер шайбы	Толщина
20	30			16-20
24	36			16-20
30	45			16-20
42		62-72	160x160	20-25
48		68-78	160x160	20-25
56		76-86	160x160	20-25
64		84-94	160x160	28

Этих рекомендаций хватит для абсолютного большинства проектов. Хотя, для болтов M36 рекомендаций найти не удалось. Давайте обратимся к зарубежным коллегам.

А что там в Европе?

В качестве примера европейской практики примем рекомендации двух популярных книг, называемых в инженерной среде Green Book’ами.
Simple Joints to Eurocode 3, он же Green Book по шарнирным узлам указывает, что отверстия в опорных плитах должны быть на 6 мм больше диаметра фундаментного болта (болты рекомендуют применять от 20 до 36 мм) с установкой шайб по BS EN ISO 7091 или пластинчатых шайб.
Joints in Steel Constructions — Moment-Resisting Joints to Eurocode 3, она же Green Book по жестким узлам не устанавливает необходимости увеличения отверстий в опорных плитах по сравнению с обычными болтовыми соединениями и, как следствие, необходимости применения листовых шайб. Итого имеем:

Диаметр болта	Размер отверстия: шарнирная база	Размер отверстия: жесткая база	Размер шайбы	Толщина
20	26
24	30
30	36
36	42

Что ж, остается только позавидовать точности монтажа в Европе и глянуть что же там за океаном.

А какая практика в Америке?

Американские рекомендации касаемо баз колонн расположены в двух документах, а именно AISC SteelConstruction Manual 15^th Ed и AISC Design Guide 1 «Base Plate and Anchor Rod Design» 2^nd Ed. Оба этих документа дают одинаковые рекомендации, приведенные в таблице ниже:

Диаметр болта	Размер отверстия: шарнирная база	Размер отверстия: жесткая база	Размер шайбы	Толщина
19.05	33.34	33.34	50.8	6.35
22.23	39.69	39.69	63.5	7.94
25.4	46.04	46.04	76.2	9.53
31.75	52.39	52.39	76.2	12.7
38.1	58.74	58.74	88.9	12.7
44.45	69.85	69.85	101.6	15.88
50.8	82.55	82.55	127	19.05
63.5	95.25	95.25	139.7	22.23

Примечание:
В таблице представлены данные в миллиметрах.

Тут рекомендации побогаче, но проблема в применяемых единицах измерения.

Интересно также что AISC DG1 указывает, что нет необходимости приваривать шайбы к опорной плите, если фундаментные болты не должны воспринимать сдвиг. Звучит логично.

Итого

Требования по размерам отверстий в базах, толщине и размерах листовых шайб отличаются довольно существенно. Так справочники рекомендуют установку под фундаментные болты диаметром 20 мм шайбы толщиной от 16 до 20 мм, а нормы AISC указывают на толщину 6.83 мм (получено интерполяцией). Давайте разбираться самостоятельно:

Кое-какие размышления

Примем номенклатуру болтов по ГОСТ 24 379.0 «Болты фундаментные. Общие технические условия».
Диаметр отверстий в опорных плитах примем примерно в 1.5 раза больше диаметра болта. Это согласуется с требованиями AISC и рекомендациями В. В. Кузнецова, Н. П. Мельникова и В. В. Горева. Для болтов диаметром до 30 мм включительно будем округлять диаметр отверстия до 2 мм, для болтов от 36 мм до 56 мм — до 5 мм, для болтов от 64 мм — до 10 мм.

Таким образом получим:

Диаметр болта	db	20	24	30	36	42	48	56	64
Диаметр отверстия	dh	30	36	46	55	65	75	85	100

Для определения толщины пластины примем её как консольно защемленную балку по действием давления от комплектной гайки, длиной равной разности диаметра отверстия в плите и диаметра отверстия в комплектной гайке.

Конечно, применять методы сопротивления материалов к балкам, высота которых больше их длины, строго говоря, не приемлемо, но в первом приближении — сойдет. Вычисления в ANSYS оставим для сотрудников НИИ — они такое любят. Вычисленные толщины для болтов из стали 09Г2С-345 и шайб из стали С355 и С255 приведены в таблице ниже.

Диаметр болта	db	20	24	30	36	42	48	56	64
Толщина шайбы С255	tpw	8	8	10	12	14	16	18	20
Толщина шайбы С355	tpw	6	8	10	10	12	16	16	20

Покажем на графике, как полученные значения соотносятся с требованиями AISC.

Видно, результаты, полученные по принятому методы показывают хорошую сходимость с рекомендациями AISC.
Теперь определимся с размером пластины. Размер пластины должен быть, по крайней мере не меньше диаметра комплектной шайбы. Отношение диаметра шайбы к диаметру болта варьируется от 3 до 1.82. Поэтому отступать будем именно от диаметра комплектной шайбы. Прибавим к диаметру две толщины пластины и полученное число округлим до 5 мм вверх. Полученные размеры приведены в таблице:

Диаметр болта	db	20	24	30	36	42	48	56	64
Диаметр комп. шайбы	dw	45	55	80	90	95	105	115	130

09Г2С-345/С355

Толщина шайбы	tpw	6	8	8	10	12	14	14	18
Размер пласт. шайбы	Bpw	55	70	95	110	120	135	145	165

09Г2С-345/С255

Толщина шайбы	tpw	8	8	10	12	14	16	18	20
Размер пласт. шайбы	Bpw	60	70	100	115	125	135	150	170

Покажем на графике, как полученные значения соотносятся с требованиями AISC.

Предложенные размеры для всех рассматриваемых диаметров превышают значения, установленные требованиями AISC. Объясняется это большим размером коплектных шайб, поставляемых по ГОСТ по сравнению с шайбами поставляемыми по ASTM F436.

Таким образом сведем все полученные данные в одну таблицу:

Диаметр болта	db	20	24	30	36	42	48	56	64
Диаметр отверстия	dh	30	36	46	55	65	75	84	100

09Г2С-345/С355

Толщина шайбы	tpw	6	8	8	10	12	14	14	18
Размер пласт. шайбы	Bpw	55	70	95	100	120	135	145	165

09Г2С-345/С255

Толщина шайбы	tpw	8	8	10	12	14	16	18	20
Размер пласт. шайбы	Bpw	60	70	100	115	125	135	150	170

Для унификации можно принять толщины и размеры пластин по худшему варианту — как для фундаментных болтов из стали 09Г2С-345 и листовых шайб из стали С255. Диаметры отверстий в листовых шайбах принять равными диаметру отверстий в комплектных шайбах.

ВЫВОДЫ

Да, вот такие вот заморочки ради шайб) Но зато можно раз и навсегда определиться с их размерами и толщиной и принять это в качестве стандарта организации.
Остались вопросы или есть замечания? Вступайте в нашу группу в VK и подписывайтесь на наш канал в TG. Оставляйте там вопросы и замечания и мы постараемся ответить на всё)

Автор статьи:

Блинов Сергей

Инженер-конструктор

ПУБЛИКАЦИИ

Определение расчетных длин в любых ситуациях

— Все еще мучаетесь с определением расчетных длин?
— Тогда мы идем к Вам!

Мы постарались сделать так чтобы после этого вебинара у вас не осталось вопросов как определить расчетные длины даже в самых сложных ситуациях.

Надежда на надежность

В ежедневной практике мы воспринимаем коэффициент использования как светофор. Меньше единицы — зеленый, значит точно не разрушится, больше единицы — красный, значит 100% разрушится не успеем даже построить и желтый при 1.00. Мы тут решили заморочиться и выяснить — как же коэффициент использования связан с вероятностью отказа. В этот раз расскажем почему коэффициент использования 0,5 это плохо, а 1,05 это хорошо

Расчет фундаментных болтов

Задача расчета фундаментных болтов — постоянный спутник проектирования баз стальных колонн. Однако с методикой расчета болтов не всё очевидно. Расчет анкерных креплений конструкций и оборудования регламентирован двумя документами с различными методиками. В этой статье рассмотрим расчет фундаментных болтов и выясним как же считать фундаментные болты по СП 513.1 325 800.2022

Устойчивость центрально сжатых стержней

У нас есть три лекции по устойчивости на YouTube. Если ещё не видели — то скорее на наш YouTube. Однако, совершенно не возможно рассказать об устойчивости всё. В этот раз приоткроем завесу тайны над формулами СП 16.

Эффективная жесткость при моделировании железобетонных конструкций

Мало того, что бетон нелинейный материал. Так ещё и работа железобетонных элементов сопровождается образованием трещин. Вот только выполнять расчеты приходится в линейно-упругой постановке. Как эту проблему решают нормы разных стран рассмотрим в новой статье.

Шайбы для баз колонн

Говорят, что толщины пластинчатых шайб баз колонн должны быть равны толщинам опорных плит. А можно ли сделать их меньше? Можно! Сегодня у нас небольшое исследование по назначению размеров пластинчатых шайб для баз колонн по нормам РФ, ЕС и США.

Мгновенный центр поворота

Какие узлы чаще всего встречаются в стальных каркасах? Правильно — крепление балок через срезные пластины (флажки). Грамотное проектирование флажков позволяет снизить металлоемкость и существенно упростить монтаж. В этой статье расскажем о том, как сделать эффективнее самый распространенный узел в стальном каркасе.

Угловые сварные швы c острыми и тупыми углами

Даже в прямоугольных зданиях с регулярной сеткой колонны все равно встречается пара-тройка узлов со угловыми сварными швами под острыми или тупыми углами. Наши нормы, увы, не дают никаких рекомендаций по их проектированию. А мы — даем. Переходите по ссылке и знакомьтесь с особенностями проектирования таких сварных швов.

Пальцевые соединения

Многие из Вас наверняка уже встречались с пальцевыми соединениями или слышали о них на конференциях. Но в наших нормах о них ничего. У Американцев, кстати тоже) Зато кое-что можно почерпнуть из Европы.

Расчетные сопротивления угловых сварных швов

Никогда не задумывались, что скрыто за коэффициентами для определения расчетных сопротивлений угловых сварных швов в таблице 4 СП 16.13 330.2017? А мы вот задумались — и выяснили.