Глава 17.5.  Зачем на колоннах ставятся крестовые связи

Многие видели стоящие на колоннах крестовые связи (Рис. 17.5.1).  Но мало кто понимает теоретическое обоснование и почему, и для чего это делается. 

 Рис. 17.5.1

Для лучшего понимания принципа работы связей воспользуемся простым детским конструктором. Сделаем модель металлического рамного каркаса из нескольких колонн установленных на условный фундамент (Рис. 17.5.2).

Рис. 17.5.2

Как бы мы не закручивали гаечки в узлах, узел остается шарниром и при небольшом усилии сбоку, колонны «падают», т.е. рама с шарнирными узлами меняет свою геометрическую форму. Такие стержневые конструкции называются - «геометрически изменяемыми системами»  (Рис. 17.5.3).

Для информации, в теории расчета  строительных конструкций приваренная к колонне балка в стык или в нахлест, без усиливающих косынок, тоже считается шарнирным соединениями.

 Рис. 17.5.3

Но стоит в одном из пролетов поставить даже одну связь, то конструкция становится устойчивой даже при значительных боковых усилиях. Такую устойчивую конструкцию профессионалы называют - «геометрически НЕизменяемая система»  (Рис. 17.5.4).

Рис. 17.5.4

В строительстве, как правило, должны применяться геометрически неизменяемые системы.

Геометрически неизменяемой системой является обычный треугольник. Или как говорят профессионалы – это жесткий диск. Под «жестким диском» обычно подразумевают элемент, который не меняет своей формы под воздействием неразрушающей его нагрузки (железобетонная плита, жесткая балки и т.п.). 

 Рис. 17.5.5

Поставив связь в одном из пролетов, мы превратили прямоугольник с шарнирными узлами (геометрически изменяемую систему), в два треугольника (геометрически неизменяемую систему).

Теперь внимание! Как же далее выстраивается геометрически неизменяемая система?

Правило: если к заданной геометрически неизменяемой системе (жесткому диску) присоединить новый узел двумя стержнями (не лежащими на одной прямой), то снова получится геометрически неизменяемая система (Рис. 17.5.6).

Вот поэтому в рамной конструкции достаточно поставить связи в одном пролете, превратив его в жесткий диск. И так присоединяя новые узлы двумя стержнями к жестким дискам мы будем получать следующие жесткие диски, геометрически неизменяемы системы.

 Нельзя, конечно, до бесконечности присоединять жесткие диски,  строительные нормы, регламентируют расстояние между пролетами, в которых ставятся связи.

 Рис. 17.5.6

Обычно ставят две крестовые связи. Чтобы одна из связей обязательно работала на растяжение, в зависимости от того с какой стороны прикладывается нагрузка на раму. Связь, работающая на растяжение, не требует проверки на устойчивость (выпучивание), которое требуется для элементов работающих на сжатие.

В этом случае, когда одна из связей обязательно работает на растяжение, иногда, в качестве крестовых связей используют даже круглую арматуру или тросы.

Альтернативой связям, по устройству геометрически неизменяемых систем, является создание жестких узлов в рамах, за счет приварки дополнительных косынок, подкосов и т.п. (см. Рис. 17.5.7) Это более трудоемкий процесс, и в таких узлах возникают дополнительные напряжения от узлового изгибающего момента. Хотя в отдельных случаях перевод части изгибающего момента с пролета балки в опорный узел, позволяет уменьшить сечение балки. 

Рис. 17.5.7

Интересно, что основами строительной механики, в частности знаниями о геометрически неизменяемых системах, владеют хорошие плотники (хотя может они сами и не подозреваю об этом)).

Посмотрите на Рис. 17.5.8…теперь вы уже знаете почему на лесах стоят такие «крестовые связи».

Рис. 17.5.8

 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------