Фасонки являются неотъемлемой частью соединений стальных конструкций, однако вопрос их проектирования не рассматривается ни в одном нормативном документе РФ, этому вопросу не уделяется внимания ни СП 16.13330.2017, ни СП 294.1325800.2017. Единственными источниками информации остаются учебники и справочники по металлическим конструкциям, однако и там приведены только табличные данные без указания методов расчета или проверки, а потому эти данные подходят только для описанных в них случаях. Таким образом для проверки фасонок в нестандартных ситуациях приходится проверять в мощных программных МКЭ комплексах типа ANSYS или ABAQUS, с последующей оценкой НДС, специализированных в виде IDEA StatiCa с проверкой по формулам СП (для чего они есть). Однако всё это дорогостоящее программное обеспечение, его применение требует особой квалификации и времен.
Однако в мире не все так плохо. Существует ряд исследований, предлагающий упрощенные методы расчета элементов соединений стальных конструкций, об одном из которых мы и поговорим в этой статье. Этот метод приведен в качестве нормативного в США и зарекомендовал себя как простой и надежный метод для определения сечения, задействованного в передаче усилий с фасонки на элемент.
Сечением Уитмора называется эффективное сечение фасонки, используемое для определения максимальных растягивающих или сжимающих напряжений в сечении фасонки при неравномерном распределении напряжений по сечению. Для его определения необходимо вычислить произведение толщины фасонки и длины Уитмора, определяемой как сумма ширины соединения и произведения его длины на тангенс 30-ти градусов.
Далее уже это сечение применяется при определении прочности и устойчивости фасонки под действием растяжения или сжатия.
Есть статьи демонстрирующие некорректность применения сечения Уитмора для болтовых соединений при проверке фасонок на действие растягивающих напряжений и указывающие на необходимость выполнения проверки по вырыву группы болтов. Однако сечение Уитмора остается надежным решением при проверке устойчивости фасонок при сжатии или при прикреплении элементов к фасонке с помощью сварки.
Однако с сечением Уитмора не всё так просто как кажется на первый взгляд. Самая частая ситуация - сечение Уитмора пересекает один из элементов соединения - например двутавровую балку, как показано на рисунке.
В таком случае, если между фасонкой и полкой балки имеется соединение в виде сварного шва или болтов, то усилие передается с фасонки на стенку балки. При этом, если толщина стенки балки или предел текучести стали балки отличаются, то образуется неравномерность распределения усилий (более прочная и жесткая часть перетягивает усилия на себя). В таком случае при расчетах применяют эффективную ширину Уитмора, которая и учитывает отличия в материале и толщине стенки балки.
Кроме того, из-за неравномерности центр тяжести сечения Уитмора смещается и образуется эксцентриситет между направлением действия силы и центром тяжести сечения Уитмора. Как правило этим эксцентриситетом можно пренебречь, так как полученный в этом случае момент будет воспринят прилегающими участками фасонки за пределами сечения Уитмора, но только в том случае, если конструкция фасонки это позволяет.
На рисунке изображен узел, при котором принебречь эксцентриситетом нельзя. В таком случае либо увеличивают фасонку, до достижения симметрии сечения Уитмора (что предпочтительно), либо в запас прочности принимают сечения Уитмора симметричным по меньшей стороне.
При определении сечения Уитмора следует быть осторожным и внимательно рассматривать каждый узел. На рисунке слева приведет неверный вариант определения сечения Уитмора, справа - верный
Таким образом сечение Уитмора позволяет быстро и просто проверить сечение фасонки (или подобрать сечение для проверки в специализированных расчетных комплексах), но к определению расчетной ширины необходимо подходить с аккуратностью и пониманием возможных подводных камней.
Если эта тема Вам интересна - подписывайтесь, ставьте лайки и оставляйте вопросы в комментариях, а я подготовлю новый материал, который несомненно будет Вам полезен. Спасибо!