Применение шарниров в строительстве

Особенности выбора и использования шарнира

Понятие «шарнир» имеет не одно значение. Однако все они основаны на принципе действия двух подвижных элементов, что представляют собой вращательную пару.

В строительстве и оформлении дверных конструкций шарнирами принято именовать изделия крепления к коробке или раме. Последние выполняют функции дверных петлей. И по сути являются их разновидностями, но только со своими особенностями.

Во-первых, такие конструкции используются в основном для ворот и калиток. Шарниры крайне нечасто встречаются в сборке входных и еще реже межкомнатных дверей. Иногда такую фурнитуру можно увидеть в мебельных конструкциях с навесными дверцами.

Во-вторых, изделия представлены различными видами. Наиболее востребованные варианты:

Первая представляет собой конструкцию из двух частей. Соединительное полотно работает по принципу вращательных элементов. Это и обеспечивает функцию открывания. Ведь одна часть основательно прикреплена к раме, а вторая — к навесной дверной конструкции. И при выполнении распаха дверью вращательный механизм приводится в действие.

Завеса зачастую используется по принципу обычной дверной петли, но с особым эстетичным оформлением, так как неподвижная часть прикреплена к раме. Декоративный элемент навешивается на распашную конструкцию.

Указанная фурнитура является продуктом из стали. Это распространенный материал. Потому достаточно просто будет подобрать и купить шарниры в перми или любом другом городе России, где есть сталеварные мощности.

Шарниры, как и петли, должны отвечать требованиям:

Благодаря прочности такие варианты петель помогут без риска для конструкции навесить двери, калитки или ворота массой в несколько десятков, а то и сотню килограмм.

Долговечность обеспечивается посредством использования стали в качестве материала для производства изделия. Указанное вещество устойчиво к погодным условиям, не боится механических повреждений, ветра, снега, дождя и ультрафиолета.

Надежность обусловлена сроком бесперебойной службы. Это значит, что открывной механизм должен работать бесшумно и всегда производить требуемую функцию без особых усилий со стороны человека. Также на особом счету стойкость к взлому и другим внешним деструктивным факторам.

Особенности выбора конкретного вида шарнира можно уточнить у менеджера производственного цеха или магазина, что специализируется на продаже такой фурнитуры.

Источник

Соединение шарнирное: виды и назначение

Если электричество, например, стали применять сравнительно недавно, то механика сопровождает человечество тысячелетиями. Древние познания в этой области не уступают знаниям современности, хотя, конечно, технологии наших дней во многом изменились. Но элементарные законы кинематики, лежащие в основе всех механических процессов, актуальны и теперь. А также актуальны узлы связи и передачи между механическими элементами. Одним из таких узлов является шарнир.

Что такое шарнир

В схемах и технических чертежах соединение шарнирное изображается в виде окружности небольшой в диаметре. Эта окружность может объединять два либо более элементов конструкции, иногда примыкать только к одной.

Если на изображение балки наложено изображение шарнира, значит, балка имеет составную конструкцию, собранную на шарнирах. Если шарнир только примыкает к ней на схеме, то такая балка является цельной, к ней подсоединен шарнир.

Виды шарнирных соединений

Если при помощи шарнира объединены не более двух элементов, то такое соединение получило название простой шарнир. Сложный шарнир предполагает взаимодействие трех и более элементов в одном узле.

Что такое шарнир неподвижный? Система, где вокруг шарнирной оси может быть осуществлен поворот стержня, но сама точка закрепления шарнира остается фиксированной. Подвижные – это такие связи, где и ось вращается на шарнире, и точка крепления шарнира может двигаться по направляющей.

Все шарниры классифицируются по возможному способу смещения друг относительно друга соединяемых деталей. Они бывают:

Жесткий шарнир

Жесткие шарнирные соединения представлены упругими полукарданными шарнирами. Это механизм, где крутящий момент от ведущего к ведомому валу, имеющих разный угол расположения, осуществляется деформацией звена их соединяющего. Звено упругое изготавливают из резины с возможным армированием.

Примером такого упругого элемента служит муфта Гуибо. Она имеет вид элемента шестигранной формы, в который вулканизированы вкладыши из металла. Муфта предварительно сжата. Такая конструкция отличается хорошим сглаживанием колебаний при кручении, а также стуков конструкции. Допускает сочленение валов с углом до 8 градусов расхождения и перемещении оси до 12 мм в обе стороны. Основная задача такого механизма – компенсировать неточности при монтаже.

К недостаткам узла можно отнести повышенный шум в работе, сложности в изготовлении и ограниченный срок службы.

Где применимо шарнирное соединение

Применить на практике соединение шарнирное возможно в соответствии с его степенью свободы. Сложный шарнир может иметь в узле до шести степеней свободы. Три степени приходятся на перемещение, а три на поворот. Чем больше степеней свободы, тем интереснее шарнир для процесса моделирования.

Простой цилиндрический шарнир распространен в бытовом и промышленном машиностроении: все виды дверных соединений, элементы сантехники (поворотные смесители), инструмент типа пассатижи, ножницы, любой, где смещаются плоские части и др.

Сферический (шаровой) шарнир используют в автомобилестроении в ходовом механизме, в пультах дистанционного управления, в машиностроении и робототехнике.

Кардан (шарнир Гука) в передаче вращательного движения от двигателя к заднему приводу автомобиля, от вала отбора мощности к навесному оборудованию в спецтехнике, везде, где передача идет между валами, расположенными под углом.

Подвижные шарнирные соединения типа ШРУС установлены в переднеприводных автомобилях.

Уход за узлом шарнирным

Шарниры являются элементами, которые подвержены механическому воздействию. Они претерпевают нагрузки в виде трения. Благодаря тому, что в современной конструкции шарниров применены подшипниковые узлы, трение значительно уменьшено. Но в процессе выработки смазочного материала увеличивается износ. Поэтому соединение шарнирное требует постоянной смазки.

В сложных шарнирах (автомобильный ШРУС), где применяются подшипниковые узлы открытого типа, фактором разрушающим является грязь и пыль. Они действуют как абразив и приводят к быстрому износу металла. В таких системах применяют защитные кожухи (пыльники), которые защищают весь шарнир в целом. Уход за такими узлами состоит в своевременной замене пыльников, так как резина имеет свойство разрушаться, также потребуется смазка шарнирных соединений.

Смазки, применяемые для шарнирных соединений

Заключение

Не стоит забывать, что среди великого разнообразия механических конструкций с разными шарнирными связями и способами кинематической передачи главным механизмом является все же человеческий аппарат. Который, кстати, содержит 187 природных шарниров, именуемых суставами. Поэтому своевременно заботясь о технике и продлевая ей жизнь, человек позволяет ей облегчать нагрузки на наше тело – ведь его, согласитесь, нечем заменить.

Источник

В чем разница между шарнирным опиранием и жестким защемлением

Для многих начинающих проектировщиков основной проблемой является выбор расчетной схемы: где должны быть шарниры, а где – жесткие узлы? Как понять, что выгодней, и как разобраться, что вообще нужно в конкретном узле конструкции? Это очень обширный вопрос, надеюсь, данная статья немного внесет ясности в столь многогранный вопрос.

Что такое узлы опирания и обозначение этих узлов на схемах

Начнем с самой сути. Каждая конструкция должна иметь опору – как минимум она не должна упасть с высоты, на которой ей положено находиться. Но если копнуть глубже, для надежной работы элемента, нам мало запретить ему падать.

Как может сместиться любой элемент в пространстве? Во-первых, это может быть перемещение по одной из трех плоскостей – по вертикали (ось Z), по горизонтали (оси Х и У). Во-вторых, это может быть поворот элемента в узле вокруг тех же трех осей.

Таким образом, мы имеем целых шесть возможных перемещений (а если учесть еще и направление плюс-минус, то их не шесть, а двенадцать), которые еще называют степенями свободы – и это очень наглядное название. Если конструкция висит в воздухе (нереальная ситуация), то она полностью свободна, ничем не ограничена. Если в каком-то месте под ней появляется опора, не дающая перемещаться по вертикали, значит одна из степеней свободы у элемента в месте опоры ограничена по оси Z. Примером такого ограничения является свободное опирание металлической балки на гладкой, допускающей скольжение поверхности – она не упадет за счет опоры, но может при определенном усилии сдвинуться по оси Х и У, либо повернуться вокруг любой оси. Забегая вперед, уточним важный момент: если у элемента в узле не ограничен поворот, этот узел является шарнирным. Так вот, такой простейший шарнир с ограничением только по одной оси обозначается обычно следующим образом:

Расшифровать такое обозначение просто: кружочки означают наличие шарнира (т.е. отсутствие запрета поворота элемента в этой точке), палочка – запрет перемещения в одном направлении (обычно из схемы сразу становится понятно – в каком именно – в данном случае запрет по вертикали). Горизонталь со штриховкой условно обозначает наличие опоры.

Следующий вариант ограничения степеней свободы – это запрет перемещения в направлении двух осей. Для той же металлической балки это могут быть оси Z и Х, а по У она может переместиться при приложении к ней усилия; повороты ее, как видно, тоже ничем не ограничены.

Как вообще представить отсутствие ограничения поворотов? Если эту балку попытаться закрутить вокруг собственной оси (допустим, опереть на нее перекрытие только с одной стороны – тогда под весом перекрытия балка начнет крутиться), то ничто не помешает этому кручению, балка по всей длине начнет опрокидываться под действием крутящей силы. Точно также если в центре балки приложить вертикальную нагрузку, балка изогнется и в местах опирания свободно повернется вокруг оси У (слева – по часовой стрелке, справа – против). Вот это мы и понимаем как шарнир.

Допустим, есть жесткий узел опирания балки в раме, который обеспечен путем приварки балки к колонне. Но сварной узел рассчитан неверно и шов не выдерживает приложенного усилия и разрушается. Балка продолжает опираться на колонну, но уже может повернуться на опоре. При этом кардинально меняется эпюра изгибающих моментов: на опорах моменты стремятся к нулю, зато пролетный момент возрастает. А балка была рассчитана на защемление и не готова к восприятию возросшего момента. Так и происходит разрушение. Поэтому жесткие узлы всегда должны быть рассчитаны на максимально возможную нагрузку.

Такой шарнир обозначается следующим образом.

Слева и справа обозначения равноценны. Справа оно более наглядное: 1 – горизонтальный стержень ограничен в узле в перемещении по вертикали (вертикальная палочка с кружочками на концах) и по горизонтали (горизонтальная палочка с кружочками на концах); 2 – вертикальный стержень также ограничен в узле в перемещении по вертикали и по горизонтали. Слева также очень распространенное обозначение точно такого же шарнира, только палочки расположены в виде треугольника, но то, что их две, означает, что ограничение перемещений идет по двум осям – вдоль оси элемента и перпендикулярно его оси. Особо ленивые товарищи могут вообще не рисовать кружочки, и обозначать такой шарнир просто треугольником – такое тоже встречается.

Теперь рассмотрим, что же означает классическое обозначение шарнирно опирающейся балки.

Это балка, имеющая две опоры, а в левой еще и ограниченная в перемещении по горизонтали (если бы этого не было, система не была бы устойчивой – есть такое условие в сопромате – у стержня должно быть три ограничения перемещений, в нашем случае два ограничения по Z и одно по Х). Конструктор должен продумать, как обеспечить соответствие опирания балки расчетной схеме – об этом никогда нельзя забывать.

И последний случай для плоской задачи – это ограничение трех степеней свободы – двух перемещений и поворота. Выше было сказано, что для любого элемента степеней свободы шесть (или двенадцать), но это для трехмерной модели. Мы же обычно в расчете рассматриваем плоскую задачу. И вот мы пришли к ограничению поворота – это классическое понятие жесткого узла или защемления – когда в точке опирания элемент не может ни сдвинуться, ни повернуться. Примером такого узла может служить узел заделки сборной железобетонной колонны в стакан – она настолько глубоко замоноличена, что возможности как сместиться, таки и повернуться у нее нет.

Глубина заделки у такой колонны строго расчетная, но даже по виду мы не можем представить, что колонна на рисунке слева сможет повернуться в стакане. А вот правая колонна – запросто, это явный шарнир, и так конструировать защемление недопустимо. Хотя и там, и там колонна погружена в стакан и паз заполнен бетоном.

Больше вариантов защемления будет по ходу статьи. Сейчас разберемся с обозначением защемления. Оно классическое, и особого разнообразие в отличии от шарниров здесь не наблюдается.

Слева показан горизонтальный элемент, защемленный на опоре, справа – вертикальный.

И напоследок – о шарнирных и жестких узлах в рамах. Если узел соединения балки с колонной жесткий, то он показывается либо без условных обозначений вообще, либо с закрашенным треугольничком в углу (как на верхних двух рисунках). Если же балка опирается на колонны шарнирно, на концах балки рисуются кружочки (как на нижнем рисунке).

Как законструировать шарнирный или жесткий узел

Опирание плит, балок, перемычек.

Первое, что следует запомнить при конструировании узлов – зачастую шарнир от защемления отличает глубина опирания.

Если плита, перемычка или балка опирается на глубину, равную или меньшую высоте сечения, и при этом не выполнено никаких дополнительных мероприятий (приварка к закладным элементам, препятствующая повороту и т.п.), то это всегда чистый шарнир. Для металлических балок считается шарнирным опирание на 250 мм.

Если опирание больше двух – двух с половиной высот сечения элемента, то такое опирание можно считать защемлением. Но здесь есть нюансы.

Во-первых, элемент должен быть пригружен сверху (кладкой, например), причем веса этого пригруза должно быть достаточно, чтобы воспринять усилие в элементе на опоре.

Во-вторых, возможно другое решение, когда поворот элемента ограничивается путем приварки к закладным деталям. И здесь нужно четко разбираться в особенностях конструирования жестких узлов. Если балка или приварена внизу (такое часто встречается и в металлоконструкциях, и в сборном железобетоне – к закладным в опоре привариваются закладные в балке или плите), то это никак не мешает ей повернуться на опоре – это лишь препятствует горизонтальному перемещению элемента, об этом мы говорили выше. А вот если верхняя часть балки надежно заанкерена сваркой на опоре (это либо рамные узлы в металле, либо ванная сварка верхних выпусков арматуры в сборных ригелях – в жестких узлах каркаса, либо сварка закладных элементов в узлах опирания балконных плит, которые обязательно должны быть защемлены, т.к. они консольны), то это уже жесткий узел, т.к. явно препятствует повороту на опоре.

На рисунке ниже выбраны шарнирные и жесткие узлы из типовых серий (серия 2.440-1, 2.140-1 вып. 1, 2.130-1 вып. 9). По ним наглядно видно, что в шарнирном узле крепление идет внизу балки или плиты, а в жестком – вверху. Уточнение: в узле опирания плиты анкер не дает жеского узла, это гибкий элемент, который лишь препятствует горизонтальному смещению перекрытия.

Но законструировать узел правильно – это полдела. Нужно еще сделать расчет всех элементов узла, выдержат ли они максимальное усилие, передаваемое от элемента. Здесь нужно рассчитать и закладные детали, и сварные швы, и проверить кладку в случае, если пригруз от нее учитывается при конструировании.

Соединение колонн с фундаментами.

При опирании металлических колонн определяющим фактором является количество болтов и то, как законструирована база колонны. О металле здесь я распространяться не буду, т.к. это не мой профиль. Напишу только, что если в фундаменте для крепления колонны лишь два болта, то это стопроцентный шарнир. Также если стойка приваривается к закладной детали фундамента через пластину, это тоже шарнир. Остальные случаи подробно приведены в литературе, есть узлы в типовых сериях – в общем, информации много, здесь запутаться сложно.

Для сборных железобетонных колонн используется их жесткая заделка в стакан фундамента (об этом речь шла выше). Если вы откроете «Пособие по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий и сооружений», там вы сможете найти расчет всех элементов этого жесткого узла и принципы его конструирования.

При шарнирном узле колонна (столб) просто опирается на фундамент безо всяких дополнительных мероприятий или заделана в неглубокий стакан.

Соединение монолитных конструкций.

В монолитных конструкциях жесткий узел или шарнир всегда определяется наличием правильно заанкеренной арматуры.

Если на опоре арматура плиты или балки не заведена в конструкцию опоры на величину анкеровки или даже нахлестки, то такой узел считается шарнирным.

Так на рисунке ниже показаны варианты опирания монолитных плит из Руководства по конструированию ЖБК. Рисунок (а) и (б) – это жесткое соединение плиты с опорой: в первом случае верхняя арматура плиты заводится в балку на длину анкеровки; во втором – плита защемляется в стене также на величину анкеровки рабочей арматуры. Рисунок (в) и (г) – это шарнирное опирание плиты на балку и на стену, здесь арматура заведена на опору на минимально допустимую глубину опирания.

Рамные узлы соединения монолитных ригелей и колонн в железобетоне выглядят еще серьезней, чем опирание плит на балки. Здесь верхняя арматура ригеля заводится в колонну на величину одной и двух длин анкеровки (половина стержней заводится на одну длину, половина – на две).

Если в узле железобетонного каркаса арматура и балки, и колонны проходит насквозь и дальше идет больше чем на длину анкеровки (например, какой-то средний узел), то такой узел считается жестким.

Чтобы соединение колонн с фундаментом было жестким, из фундаментов должны быть сделаны выпуски достаточной длины (не менее величины нахлестки, подробнее – в Руководстве по конструированию), и эти же выпуски должны быть заведены в фундамент на длину анкеровки.

Аналогично в свайном ростверке – если длина выпусков из сваи меньше, чем длина анкеровки, соединение ростверка со сваей жестким считаться не может. Для шарнирного соединения длину выпусков оставляют 150-200 мм, больше не желательно, т.к. это будет пограничное состояние между шарниром и жестким узлом – а ведь расчет делался как для чистого шарнира.

Если нет места для того, чтобы разместить арматуру на длину анкеровки, проводят дополнительные мероприятия – приварку шайб, пластин и т.п. Но такой элемент должен быть обязательно рассчитан на выкалывание (что-то вроде расчета анкеров закладных деталей, его можно найти в Пособии по проектированию ЖБК).

Также на тему шарниров и защемления можно прочитать здесь.

Источник