PL215515B1 - Konstrukcja węzłów kratownic z zamkniętych kształtowników kwadratowych lub prostokątnych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest konstrukcja węzłów budowlanych kratownic z zamkniętych kształtowników kwadratowych lub prostokątnych. Wynalazek ma zastosowanie w budownictwie stalowym do konstruowania węzłów płaskich lub przestrzennych kratownic wykonanych z profili zamkniętych. Nadaje się w szczególności do budowy przekryć energoaktywnych, pozyskujących energię cieplną z promieniowania słonecznego, z uwagi na zwiększone wymagania dotyczące wytrzymałości połączeń prętów w węzłach spowodowane dodatkowymi obciążeniami przykładowo termicznymi.

O nośności i bezpieczeństwie w znanych powszechnie budowanych kratownicach płaskich, na przykład wiązarach dachowych lub kratownicach przestrzennych - strukturach przestrzennych - wykonywanych z zimnogiętych lub gorącowalcowanych kształtowników zamkniętych, kwadratowych lub prostokątnych, decydują nośności węzłów, które są z reguły mniejsze od nośności łączonych w węzłach prętów pasów i skratowania. Zmniejsza to bezpieczeństwo systemu konstrukcyjnego, zwłaszcza w tych przypadkach, w których występuje dodatkowe obciążenie temperaturą związane z transportem ciepła wewnątrz energoaktywnej konstrukcji przekrycia.

Znane są sposoby zwiększenia nośności węzłów kratownic z zamkniętych kształtowników kwadratowych lub prostokątnych, w których stosowane są płaskie nakładki na pasy lub poprzeczne blachy węzłowe. Płaskie nakładki, spawane do ścianek pasa od strony przyłączanych prętów skratowania lokalnie zwiększają jego sztywność. Natomiast poprzeczne blachy węzłowe ułatwiają łączenie pasów ze skratowaniem w tych przypadkach, w których skratowania są łączone na tak zwaną zakładkę. Do najważniejszych niedogodności stosowanych rozwiązań należy zaliczyć to, że spawanie elementów wzmacniających węzły odbywa się w narożach kwadratowego lub prostokątnego przekroju pasa kratownicy, które jest uprzednio odkształcone na zimno w trakcie produkcji kształtownika zimnogiętego. Spawanie w tej strefie przekroju powoduje niekorzystne zmiany w strukturze stali, powodujące zmniejszenie jej wytrzymałości i zwiększoną skłonność do pękania spoin w strefie wpływu ciepła. W przypadku kwadratowych lub prostokątnych profili gorącowalcowanych. w narożach kształtowników gromadzą się zanieczyszczenia powalcownicze stali takie jak związki siarki i fosforu, które również pogarszają jakość i wytrzymałość wykonywanych w ich obrębie spoin w węzłach kratownic. Ponadto uzyskiwany poprzez stosowanie płaskich nakładek lub żeber poprzecznych wzrost nośności węzłów jest w wielu przypadkach niewystarczający w stosunku do nośności przyłączanych prętów.

Znane są połączenia bezpośrednie rur kwadratowych lub prostokątnych opisane na przykład w normie PN-EN 1993-1-8 Eurokod 3 - Część 1-8: Projektowanie węzłów. Znane są również połączenia prętów w strukturach przestrzennych na węzły stanowiące dodatkowe, wydzielone, elementy konstrukcyjne.

Zasadniczą niedogodnością dotychczasowych rozwiązań pokazywanych w normach i literaturze jest to, że nośność węzłów tej klasy konstrukcji budowanych z zamkniętych kształtowników kwadratowych lub prostokątnych jest mniejsza niż nośność łączonych w węźle prętów. Natomiast z teorii niezawodności budowlanych systemów konstrukcyjnych wynika, że nośność węzłów powinna być większa od nośności łączonych prętów. W przeciwnym razie dochodzi do tak zwanego efektu statystycznego osłabienia konstrukcji zmniejszającego jej bezpieczeństwo. Z tego powodu dotychczas budowane z kształtowników zamkniętych kratownice płaskie lub przestrzenne nie są optymalne z punktu widzenia stosunku nośności do masy konstrukcji.

Konstrukcja węzłów kratownic zbudowanych z zamkniętych kształtowników stalowych o przekrojach kwadratowych lub prostokątnych, zawierająca wzmacniające kształtki, o przekroju ceowym, przyspawane do pasów po obwodzie kształtki, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w ściance środkowej kształtki posiada okrągłe lub owalne otwory, usytuowane w miejscu geometrycznego przecięcia się osi ciężkości przekrojów prętów krzyżulców i słupków z zewnętrzną powierzchnią ścianki środkowej kształtki, przy czym we wspomnianych otworach wykonane są spoiny otworowe łączące kształtkę z pasem.

Korzystnie jest, gdy wymiary otworów są mniejsze od rzutu przekroju przyłączanego pręta krzyżulca na płaszczyznę kształtki, a pręty krzyżulców i słupków pospawane są bezpośrednio z kształtką w taki sposób, aby zewnętrzny zarys przekroju krzyżulca, lub słupka, całkowicie pokrywał spoinę otworową łączącą kształtkę z pasem.

Kształtka o przekroju ceowym może być wygięta z jednego arkusza blachy o odpowiedniej grubości, zespawana z blach płaskich o stałej lub różnej grubości lub zespawana z wygiętej kształtki kątownikowej i blachy płaskiej. Takie rozwiązanie ułatwia dopasowanie kształtki do geometrii przekroju

PL 215 515 B1 wzmacnianego pasa. Grubość kształtki dobiera się w zależności od potrzebnej nośności węzła. Wzdłużna postać kształtki jest dobierana w zależności od budowy kratownicy, sposobu uprzedniego wytworzenia kształtownika zamkniętego - gięcie na zimno lub walcowanie na gorąco - systemu skratowania oraz konfiguracji geometrycznej łączonych w węźle prętów. Zastosowane kształtki wzmacniają węzeł tak, że jego nośność jest większa od nośności łączonych prętów i tym samym spełnione są wymagania niezawodności budowlanych systemów konstrukcyjnych.

Połączenie pomiędzy wzmacnianym pasem a kształtką jest wykonywane w miejscach oddalonych od naroży przekroju pasa. Można przy tym zastosować połączenia mieszane np. spawane i zgrzewane. Natomiast połączenia prętów skratowania z kształtką jest wykonywane jako spawane. W przypadku rozbudowanych węzłów, dodatkowym wzmocnieniem długich kształtek są spoiny otworowe lub zgrzeiny punktowe.

Dodatkowe zwiększenie nośności węzła, zwłaszcza dla rozbudowanych przekrojów pasów, można uzyskać przez taki dobór długości ramion kształtki, aby spawanie było wykonane poniżej osi ciężkości przekroju pasa. W takim przypadku dodatkowe połączenia kształtek z pasami mogą być realizowane za pomocą spoin otworowych lub zgrzein punktowych. W przypadku węzłów łączących silnie obciążone elementy rozciągane, kształtki mogą być dodatkowo spawane spoinami otworowymi umieszczonymi pod przyłączanym elementem rozciąganym, krzyżulcem lub słupkiem. Kształtki dla większych przekrojów pasów lub rozbudowanych węzłów posiadają otwory do wykonania dodatkowych spoin otworowych po umieszczeniu kształtki na pasie w obrębie wzmacnianego węzła.

Kształtki wzmacniające, według wynalazku, można stosować również w miejscach przyłożenia obciążeń skupionych poza węzłami. W tych przypadkach uzyskuje się wzmocnienie pasów.

Geometrię przekroju kształtki można wykonać w dodatnich tolerancjach wymiarowych, a przestrzeń pomiędzy wewnętrzną stroną kształtki, a zewnętrzną stroną pasa wypełnić masą uszczelniającą, korzystnie polimerową. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie lepszego dopasowania przekroju kształtki do przekroju pasa.

W innej wersji realizacji wynalazku, mającej zastosowanie w silnie obciążonych węzłach kratownic, kształtki mogą być dodatkowo usztywnione żebrami poprzecznymi lub zawierać blachy podłużne rozsunięte na wymiar przekrojów prętów skratowania, do których to elementów usztywniających pręty skratowania są łączone za pomocą spawania. W tym drugim przypadku, korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie kształtki spawanej z blach, do której spawa się blachy podłużne, po czym cały element kształtki spawanej podlega wyżarzaniu odprężającemu. Po tych zabiegach technologicznych wzmocniona kształtka według wynalazku jest gotowa do spawania z pasem i elementami skratowania.

Zasadniczym efektem zastosowania wynalazku jest wzmocnienie kształtkami prętów z zamkniętych kształtowników kwadratowych lub prostokątnych pasów kratownic w strefie węzłów łączących te pasy ze skratowaniem, wzmocnienie spoin konstrukcji wskutek przesunięcia spawania poza strefę naroży odkształconą na zimno (kształtowniki zimnogięte), lub w przypadku kształtowników gorącowalcowanych, poza strefę zwiększonej zawartości zanieczyszczeń powalcowniczych, pogarszających spawalność. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie znacznego zwiększenia nośności i bezpieczeństwa systemu konstrukcyjnego przy stosunkowo małym zwiększeniu masy konstrukcji, wynikającym z zastosowania kształtek.

Przedmiot wynalazku jest ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia węzeł typu KT kratownicy płaskiej wzmocniony wygiętą z jednego arkusza blachy kształtką o przekroju ceowym lub kształtką ceową zespawaną z kształtki kątownikowej i blachy płaskiej, fig. 2 - węzeł typu KK kratownicy przestrzennej wzmocniony wygiętą kształtką o przekroju kątownikowym, fig. 3 - węzeł typu TT kratownicy przestrzennej wzmocniony wygiętą kształtką o przekroju ceowym, fig. 4 - węzeł typu N kratownicy płaskiej, w którym ramiona kształtki o przekroju ceowym usztywniono dodatkowo spoinami otworowymi, fig. 5 - węzeł typu K kratownicy płaskiej o mimośrodowym połączeniu skratowania względem pasa, zawierający wygiętą kształtkę ceową usztywnioną dodatkowym żebrem poprzecznym, fig. 6 - niesymetryczny węzeł typu K, w którym zastosowano spawaną do pasa wygiętą kształtkę ceową usztywnioną dodatkowo zgrzeinami punktowymi, fig. 7 - węzeł typu N, w którym kształtkę ceową pod krzyżulcem rozciąganym połączono dodatkowo z pasem kratownicy spoiną otworową, fig. 8 - silnie obciążony węzeł typu N, w którym wygiętą lub spawaną z blach kształtkę ceową usztywniono przyspawanymi obustronnie blachami podłużnymi rozsuniętymi na wymiar przekroju prętów skratowania, fig. 9 - przedstawia węzeł typu KT wzmocniony wygiętą z jednego arkusza blachy kształtką o przekroju ceowym lub kształtką ceową zespawaną z kształtki kątownikowej

PL 215 515 B1 i blachy płaskiej z otworami w ściance środkowej kształtki, fig. 10 - węzeł typu N, w którym ramiona kształtki o przekroju ceowym usztywniono dodatkowo spoinami otworowymi, fig. 11 - węzeł typu K kratownicy płaskiej, o mimośrodowym połączeniu skratowania względem pasa, zawierający wygiętą kształtkę ceową usztywnioną dodatkowym żebrem poprzecznym i spoinami otworowymi, fig. 12 - niesymetryczny węzeł typu K, w którym zastosowano spawaną do pasa wygiętą kształtkę ceową usztywnioną spoinami otworowymi oraz zgrzeinami punktowymi, na ramionach pionowych, a fig. 13 - silnie obciążony węzeł typu N, w którym wygiętą lub spawaną z blach kształtkę ceową usztywniono przyspawanymi obustronnie blachami podłużnymi rozsuniętymi na wymiar przekroju prętów skratowania oraz spoinami otworowymi w ściance środkowej kształtki oraz blachach usztywniających.

Pokazana na fig. 1 konstrukcja węzła kratownicy z zamkniętych kształtowników kwadratowych ma przyspawaną. za pomocą obwodowych spoin pachwinowych, do pasa 1 dopasowaną do jego geometrii wygiętą kształtkę 2 o przekroju ceowym. Grubość i głębokość zachodzenia kształtki 2 w stosunku do przekroju pasa 1 dobiera się w zależności od wymaganej nośności węzła. W trakcie wykonywania węzła, do kształtki 2 spawa się pręty krzyżulców 3 oraz słupków 4. W innej wersji rozwiązania, kształtkę o przekroju ceowym wykonuje się poprzez zespawanie kształtki kątownikowej 5a z płaską blachą 5b (fig. 1, fig. 9).

W przykładzie przedstawionym na fig. 2, łączona z pasem 1 kształtka jest wygięta w pojedynczy przekrój kątownikowy 5, natomiast na fig. 3 kształtka 2 ma przekrój ceowy. Zarys kształtki dobiera się w zależności od ustawienia geometrii przekroju pasa względem płaszczyzn skratowania.

W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 4, które ma zastosowanie w silnie obciążonych węzłach typu N, kształtka 6 jest zaopatrzona w boczne otwory owalne 7, służące do wykonania dodatkowych spoin otworowych zapewniających dodatkową współpracę kształtki ze ściankami przekroju pasa 1.

Fig. 5 przedstawia rozwiązanie węzła typu K kratownicy płaskiej, w którym do kształtki 8 o przekroju ceowym przyspawane jest poprzeczne usztywniające żebro 9. Żebro to ułatwia mimośrodowe łączenie krzyżulców 3 z pasem 1 kratownicy.

W przypadku przedstawionym na fig. 6 o rozbudowanej geometrii węzła, w postaci niesymetrycznego węzła typu K, zastosowano spawaną do pasa wygiętą ceową kształtkę 10 usztywnioną dodatkowo zgrzeinami punktowymi 11 łączącymi ramiona kształtki ze ściankami przekroju pasa 1.

W kolejnym przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 7, które ma zastosowanie w silnie obciążonych rozciąganiem połączeniach krzyżulców, w górnej ściance - środniku - kształtki 12 wykonany jest podłużny owalny otwór 14, w którym w trakcie montażu kształtki na pasie 1 wykonuje się podłużną spoinę otworową. Po wykonaniu tego dodatkowego połączenia, krzyżulec 13 spawa się do kształtki 12 w ten sposób, aby spoina otworowa 14 została w całości przysłonięta przekrojem przyłączanego krzyżulca 13.

W silnie obciążonych węzłach typu N kratownic (fig. 8) do wygiętej z blachy kształtki 2 o przekroju ceowym, lub do spawanej z blach kształtki 15, przyspawane są, w kierunku podłużnym, dodatkowe blachy 16, rozstawione na wymiar przekrojów prętów skratowania (np. krzyżulca 3 i słupka 4) przyłączonych do pasa 1 w rozpatrywanym węźle. Kształtka 2, 15 połączona jest z pasem 1 obwodowymi spoinami pachwinowymi ewentualnie wzmocnionymi spoinami otworowymi. Natomiast pręty skratowania są spawane zarówno do kształtki 2, 15 jak również do podłużnych blach 16.

Na fig. 9 przedstawiony jest węzeł typu KT wzmocniony wygiętą z jednego arkusza blachy kształtką o przekroju ceowym lub kształtką ceową zespawaną z kształtki kątownikowej i blachy płaskiej z otworami 14 w ściance środkowej kształtki 2a. Konstrukcja węzła kratownicy z zamkniętych kształtowników kwadratowych ma przyspawaną, za pomocą obwodowych spoin pachwinowych do pasa 1, dopasowaną do jego geometrii wygiętą kształtkę 2 o przekroju ceowym i otworami 14 usytuowanymi w ściance środkowej, w miejscach geometrycznego przecięcia się osi ciężkości przekrojów prętów skratowania z zewnętrzną powierzchnią ścianki środkowej kształtki. W tych otworach wykonuje się spoiny otworowe łączące kształtkę z pasem, a ich wielkość (średnica) jest mniejsza od rzutu przekroju przyłączanego pręta skratowania na płaszczyznę kształtki. Grubość i głębokość zachodzenia kształtki 2 w stosunku do przekroju pasa 1 oraz grubość spoin otworowych i obwodowych dobiera się w zależności od wymaganej nośności węzła. W trakcie wykonywania węzła, do kształtki 2 spawa się elementy krzyżulców 3 oraz słupków 4 w taki sposób aby zewnętrzny zarys przekroju krzyżulca (lub słupka) całkowicie pokrywał spoinę otworową łączącą kształtkę z pasem. W innej wersji rozwiązania, kształtkę o przekroju ceowym wykonuje się poprzez zespawanie kształtki kątownikowej z płaską blachą.

PL 215 515 B1

W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 10, które ma zastosowanie w silnie obciążonych węzłach typu N, kształtka 6a, na pionowych ramionach, ma dodatkowe otwory owalne 7, służące do wykonania spoin otworowych zapewniających dodatkową współpracę kształtki ze ściankami przekroju pasa 1.

Fig. 11 przedstawia rozwiązanie, w którym węzeł typu K kratownicy płaskiej, o mimośrodowym połączeniu skratowania względem pasa, zawiera wygiętą ceową kształtkę 8a usztywnioną dodatkowym poprzecznym żebrem 9 i spoinami otworowymi 14. Żebro to ułatwia mimośrodowe łączenie krzyżulców 3 z pasem 1 kratownicy.

W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 12 przedstawiającym niesymetryczny węzeł typu K, w którym zastosowano spawaną do pasa 1 wygiętą ceową kształtkę 10a usztywnioną spoinami otworowymi 14 oraz zgrzeinami punktowymi 11, na pionowych ramionach kształtki 10.

W silnie obciążonym węźle typu N kratownicy (fig. 13), do wygiętej z blachy kształtki 2 o przekroju ceowym, lub do spawanej z blach kształtki 15, przyspawane są, w kierunku podłużnym, dodatkowe blachy 16 zaopatrzone w otwory 7, rozstawione na wymiar przekrojów prętów skratowania (np. krzyżulca 3 i słupka 4) przyłączonych do pasa 1. Kształtka 2, 15 połączona jest z pasem 1 obwodowymi spoinami pachwinowymi na ramionach kształtki oraz spoinami otworowymi 14 w środkowej ściance. Natomiast pręty skratowania są spawane zarówno do kształtki 2, 15 jak również do podłużnych blach 16 oraz dodatkowo spoinami otworowymi 7.

Claims (9)

1. Konstrukcja węzłów kratownic zbudowanych z zamkniętych kształtowników stalowych o przekrojach kwadratowych lub prostokątnych, zawierająca wzmacniające kształtki, o przekroju ceowym, przyspawane do pasów po obwodzie kształtki, znamienna tym, że w ściance środkowej kształtki (2a, 6a, 8a, 10a, 12) posiada okrągłe lub owalne otwory (14), usytuowane w miejscu geometrycznego przecięcia się osi ciężkości przekrojów prętów krzyżulców (3) i słupków (4) z zewnętrzną powierzchnią ścianki środkowej kształtki (2), przy czym we wspomnianych otworach wykonane są spoiny otworowe łączące kształtkę z pasem.

2. Konstrukcja węzła, według zastrz. 1, znamienna tym, że wymiary otworów (14) są mniejsze od rzutu przekroju przyłączanego pręta krzyżulca (3) na płaszczyznę kształtki, a pręty krzyżulców (3) i słupków (4) pospawane są bezpośrednio z kształtką (2) w taki sposób, aby zewnętrzny zarys przekroju krzyżulca (3), lub słupka (4), całkowicie pokrywał spoinę otworową (14) łączącą kształtkę z pasem.

3. Konstrukcja węzła, według zastrz. 1, znamienna tym, że kształtka o przekroju ceownika jest wygięta z jednego arkusza blachy (2, 2a, 6, 6a, 8, 8a, 10, 12), lub jest zespawana z trzech arkuszy o jednakowej lub różnej grubości (15), lub też jest zespawana z wygiętej kształtki o przekroju kątownika (5a) i blachy płaskiej (5b).

4. Konstrukcja węzła, według zastrz. 1, znamienna tym, że pionowe ramiona kształtki (6) mają podłużne otwory owalne (7), w których wykonane są dodatkowe spoiny otworowe łączące kształtkę (6) ze ściankami pasa (I).

5. Konstrukcja węzła, według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że kształtka (8a) ma od strony przyłączanych krzyżulców (3) dodatkowe poprzeczne usztywniające żebro (9). na którym ułożona jest część spoin łączących pręty skratowania z węzłem.

6. Konstrukcja węzła, według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że ramiona kształtki (10, 10a) są dodatkowo połączone ze ściankami pasa (1) zgrzeinami punktowymi (11).

7. Konstrukcja węzła, według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że długość pionowych ramion kształtek dobrana jest tak, aby spoina po obwodzie kształtki była wykonana poniżej osi ciężkości przekroju pasa (1).

8. Konstrukcja węzła, według zastrz. 1 albo 3, znamienna tym, że ścianka środkowa kształtki (2, 2a, 15) ma przyspawane, w kierunku podłużnym, pionowe blachy (16) rozstawione na wymiar przekrojów prętów krzyżulców (3) i słupków (4) i wspomniana kształtka (2, 2a, 15) połączona jest z pasem (1) obwodowymi spoinami pachwinowymi i otworowymi (14).

9. Konstrukcja węzła, według zastrz. 8, znamienna tym, że pręty krzyżulców (3) i słupków (4) są przyspawane zarówno do kształtki (2a, 15) jak również do podłużnych blach (16) obwodowymi spoinami pachwinowymi oraz za pomocą spoin otworowych (7) wykonanych w pionowych blachach (16).