Фасонки и косынки в узлах ферм: назначение и расчёт

Что такое фасонка и почему она важна

Фасонкой (или косынкой) называют плоский стальной лист, который вводится в зазор между стержнями фермы и обеспечивает их соединение в узле. Через фасонку передаются продольные усилия из всех сходящихся в узле элементов решётки — раскосов и стоек — в поясной профиль. Именно поэтому фасонка не является второстепенной деталью: при недостаточной её толщине или заниженных швах прочность всего узла определяется прочностью фасонки, а не стержней.

В типовых стропильных фермах из спаренных уголков фасонка представляет собой лист, расположенный в вертикальной плоскости между двумя ветвями уголка. В фермах из замкнутых профильных труб (квадратных или прямоугольных) применяется несколько иная конструкция узла — с фасонкой или без неё, в зависимости от схемы и усилий. В тяжёлых промышленных фермах фасонки нередко выполняются из листа толщиной 14–20 мм и более, а в лёгких кровельных — из листа 6–10 мм.

Термины «фасонка» и «косынка» в практике часто используются как синонимы, хотя в строгом смысле косынкой иногда называют треугольный лист в опорном или коньковом узле. Для целей настоящей статьи оба термина означают плоский лист, связывающий элементы фермы в узле.

Конструктивные требования к форме и размерам

Главный принцип конструирования фасонки — её размеры должны обеспечить необходимую длину сварных швов для всех примыкающих элементов. Это значит, что форма и габарит фасонки не назначаются произвольно, а вырисовываются в процессе компоновки узла: сначала прикладывают швы по длине и катету, потом оконтуривают фасонку с учётом технологических зазоров.

Для упрощения изготовления и снижения отходов при раскрое рекомендуется придерживаться простых геометрических форм: прямоугольник, прямоугольная трапеция, реже — пятиугольник. Ломаные криволинейные контуры увеличивают трудоёмкость газорезки и нередко вынуждают использовать металл нестандартной ширины. Все углы фасонки, не примыкающие к поясу, следует срезать под 45° или скруглить для снижения концентрации напряжений.

В узлах сварных ферм из парных уголков расстояние между торцом элемента решётки и краем пояса принимают конструктивно — не менее нескольких миллиметров для свободного доступа к корню шва. Фасонку прикрепляют к поясному уголку непрерывными угловыми швами с обеих сторон, а не прерывистыми — это важное требование норм проектирования стальных конструкций, направленное против щелевой коррозии.

Как выбирают толщину фасонки

Подбор толщины — один из ключевых шагов в конструировании фермы. Сложившаяся практика: для всей фермы принимают единую толщину фасонки, определённую по наиболее нагруженному узлу (как правило, опорному или близкому к нему). Опорные фасонки, воспринимающие реакцию опоры, допускается принять на 2 мм толще остальных.

Минимально допустимая толщина фасонки ограничена снизу: она не должна быть меньше толщины наиболее толстого присоединяемого элемента, а при сварке угловыми швами — не менее толщины, необходимой для постановки шва нужного катета. На практике для лёгких кровельных ферм пролётом 18–24 м из уголков с полкой 63–90 мм обычно получают фасонку толщиной 8–10 мм; для ферм с уголками 100–125 мм — 10–12 мм; для тяжёлых промышленных ферм — 14–20 мм и более.

Нельзя произвольно уменьшать толщину фасонки ради экономии металла без повторного расчёта швов и проверки смятия. Экономия на фасонке оборачивается либо потерей несущей способности узла, либо чрезмерным увеличением длин швов, что в итоге увеличивает габарит фасонки и расход металла.

Расчёт сварных швов фасонки с элементами решётки

Стержни решётки (раскосы, стойки) прикрепляют к фасонке угловыми швами по обушку и перу уголка. Расчётное усилие в шве определяется продольной силой в стержне, которую разбивают между швами по обушку и перу пропорционально их расположению относительно центра тяжести сечения. В спаренном уголке каждая ветвь соединяется отдельными швами, поэтому расчётное усилие на одну ветвь составляет половину усилия в стержне.

Расчёт углового шва ведут по двум условиям: по металлу шва на срез в наклонной плоскости и по металлу границы сплавления. Расчётное сопротивление по металлу шва зависит от марки электрода (или сварочной проволоки), по металлу границы сплавления — от расчётного сопротивления основного металла. По нормам проектирования стальных конструкций оба условия должны выполняться одновременно.

Длина шва по обушку всегда получается больше, чем по перу, потому что обушок дальше от центра тяжести парного уголка. Минимальная расчётная длина углового шва принимается не менее четырёх катетов шва, но не менее 40 мм. Максимальная расчётная длина, как правило, ограничена 85 катетами шва — более длинные швы в расчёт полностью не принимаются из-за неравномерности распределения усилий.

Прикрепление фасонки к поясу: расчёт и конструирование

Фасонку прикрепляют к поясу фермы швами, которые передают разность усилий в поясе смежных панелей плюс, при необходимости, узловую нагрузку (например, от прогона). Нагрузка на швы крепления фасонки к поясу значительно меньше, чем усилия в стержнях решётки, поэтому конструктивно назначенные швы минимального катета нередко оказываются достаточными, — но это всегда требует проверки расчётом, а не принятия на веру.

Шов крепления фасонки к поясному уголку должен быть непрерывным и проходить по всей длине контакта фасонки с полкой пояса. Прерывистые швы здесь недопустимы: между ними образуется щель, в которой скапливается влага, что приводит к усиленной коррозии. В агрессивных средах (химические производства, открытые площадки с высокой влажностью) этот аспект особенно критичен.

При приварке к двутавровому поясу фасонку присоединяют к стенке стыковым швом (если она входит в паз) или угловыми швами с двух сторон. Стыковой шов рассчитывается на срез от усилия, равного разности сил в поясе в смежных панелях.

Проверка фасонки как плоского элемента

Помимо расчёта швов, фасонку необходимо проверить на прочность как стальной лист. Наиболее напряжённое сечение фасонки — это сечение, нормальное к оси наиболее нагруженного элемента, непосредственно у торца его примыкания. В этом сечении действует сила, равная продольному усилию в стержне, и фасонка работает на отрыв (растяжение) или смятие (сжатие).

Проверку ведут по условию: напряжение в ослабленном сечении фасонки не должно превышать расчётного сопротивления стали по пределу текучести. Расчётное сопротивление зависит от марки стали фасонки. Фасонки, как правило, изготавливают из той же марки стали, что и основные элементы фермы, — С245 или С345 по ГОСТ 27772, что соответствует старым маркам Ст3сп и 09Г2С соответственно.

Нередко проектировщики ограничиваются расчётом швов, пренебрегая проверкой тела фасонки. Это допустимо при умеренных усилиях и достаточной толщине листа, но при высоких усилиях и тонкой фасонке — потенциальная ошибка. Особенно внимательным надо быть в зонах концентрации: в узлах с пересечением нескольких стержней, при косых углах примыкания раскосов, в опорных узлах.

Опорный узел фермы: особенности конструирования

Опорный узел фермы конструктивно сложнее промежуточных, потому что здесь сосредоточены реакция опоры, усилие в опорном раскосе и усилие в нижнем поясе. Опорная фасонка нередко совмещена с опорным ребром или опорным столиком, через который ферма опирается на колонну или стену. Эта фасонка должна передать реакцию опоры на опорный стол без перекосов и концентраций.

В опорном узле важно обеспечить центрирование: ось опорного раскоса, ось нижнего пояса и точка опирания (или центр опорного шарнира) должны пересекаться в одной точке — геометрическом центре узла. Эксцентриситет приводит к изгибающему моменту в поясе и фасонке, что не учтено в стандартной схеме расчёта стержневой фермы и создаёт дополнительные напряжения.

В фермах с большими пролётами и значительными реакциями на опорах применяют развитые опорные узлы с усиленными фасонками, опорными плитами и анкерными болтами. Здесь расчёт выходит за рамки простого подбора швов и требует проверки сечения фасонки в нескольких плоскостях, а нередко и расчёта опорной плиты на изгиб.

Типичные ошибки и как их избежать

Наиболее распространённая ошибка — занижение длины швов в попытке уменьшить размер фасонки. Это приводит к тому, что расчётная несущая способность шва меньше усилия в стержне. Проверить это легко: пересчитать длину шва по усилию и катету и сравнить с тем, что умещается на фасонке. Если не сходится — нужно либо увеличить фасонку, либо увеличить катет шва (в пределах допустимого по толщине элемента).

Вторая типичная ошибка — прерывистые швы крепления фасонки к поясу. Она встречается в чертежах, когда проектировщик пытается сэкономить на объёме сварки. Помимо проблем с коррозией, прерывистые швы дают неравномерную передачу усилий и ухудшают усталостную стойкость узла при циклических нагрузках — в первую очередь это критично для кранов и вибрирующего оборудования.

Третья ошибка — несогласованность толщины фасонки с катетом шва. По требованиям норм максимальный катет углового шва ограничен толщиной наиболее тонкого из свариваемых элементов минус 1–2 мм (точные значения — по нормам проектирования стальных конструкций). Если принять фасонку тоньше, чем требует катет шва, получить нормативный шов физически невозможно без прожога. Для проектировщика это означает: сначала определить необходимый катет шва, потом назначить толщину фасонки не менее допустимого минимума.

Марка стали и документирование фасонки в КМД

Фасонки вырезают из листового проката. В марочнике обычно указывают сталь С245 или С345 по ГОСТ 27772 — те же классы, что используются для основных элементов фермы. С245 соответствует горячекатаному листу из стали типа Ст3сп с пределом текучести не менее 245 МПа; С345 — из стали типа 09Г2С с пределом текучести не менее 345 МПа. Для конструкций, эксплуатируемых при низких температурах (климатические исполнения У1, ХЛ), следует убедиться, что листовой прокат поставляется с нормированной ударной вязкостью при расчётной температуре.

В чертежах КМД (конструкции металлические деталировочные) каждая фасонка должна иметь позицию, деталировочный чертёж (или таблицу деталей) с указанием толщины, размеров, марки стали и массы. Это необходимо как для закупки листового проката нужной толщины, так и для входного контроля на производстве. Снабженцу или специалисту ПТО стоит обратить внимание: если в спецификации КМД фасонки объединены в одну позицию без разбивки по толщинам, это сигнал к уточнению у проектировщика — особенно если опорные узлы имеют увеличенную толщину.

Stalfa в рамках сервиса единого окна помогает подобрать и поставить листовой прокат нужной толщины и марки стали под конкретную спецификацию КМД — с сертификатами качества завода-изготовителя и проверкой соответствия ГОСТ 27772, что избавляет от риска получить лист не той марки или с заниженной фактической толщиной.

Частые вопросы