Компонування стрижня наскрізної колони

Розрахункові довжини і визначають, як для суцільних колон, за формулою (3.2).

Компонування колон, що мають дві гілки, починають з визначення найменшого за сортаментом прокатного чи гнутого профілю (швелера, двотавра), що задовольняє умову стійкості (3.1) при розрахунку стрижня відносно матеріальної осі . Для цього попередньо задаються коефіцієнтом поздовжнього згину при гнучкостях в інтервалі 60...90 і визначають необхідну орієнтовану площу перерізу гілки та радіус інерції відносно осі :

; (3.35)

Приклад 3.2

Розрахувати і законструювати стрижень наскрізної колони (рис. 3.10) з безрозкісною решіткою (планками) за даними прикладу 3.1.

Задаємо попередню гнучкість 60 і знаходимо відповідне значення при 240МПа=24 кН/см² для фасонного прокату із сталі С255 при 10...20 мм. За формулами (3.13) визначимо необхідну площу перерізу гілки і радіус інерції відносно матеріальної осі :

58,7 см²; =11,92 см.

Приймаємо гілку з двотавра №35Б2 (ГОСТ 26020–83), переріз якого має такі характеристики: 55,17 см²; 14,47 см; 622,9 см⁴; 3,36 см.

При цьому , а 0,856.

Перевіряємо стійкість стрижня відносно осі за формулою (3.1):

24 кН/см²= 24 кН/см².

Стійкість стрижня відносно матеріальної осі забезпечена.

Розрахунок відносно вільної осі виконуємо за умови рівностійкості стрижня при випинанні відносно осей і . Для цього прирівняємо зведену гнучкість до 49,4, задамо гнучкість окремої гілки відносно власної осі 30 ( 40, ) і обчислимо за формулою (3.36) необхідне значення гнучкості стрижня відносно осі :

Гнучкості відповідають такі радіус інерції та момент інерції перерізу:

18,22 см; 36620 см⁴.

Знаходимо необхідну відстань між осями гілок за формулою (3.37):

35,8 см.

Приймаємо 36 см. При цьому зазор між внутрішніми краями полиць становить 20,5 см, що перевищує мінімально необхідний, рівний 100 мм (тут 155 мм – ширина полиці двотавра 35Б2).

Геометричні характеристики перерізу відносно осі :

36996 см⁴;

18,3 см;

гнучкість стрижня відносно вільної осі : 39.

Приймаємо розміри планок: 250 мм; 10 мм. Момент інерції ланки 1302 см⁴.

Розрахункова довжина гілки між краями планок 100,8 см, а відстань між осями планок 125,8 см. Для обчислення зведеної гнучкості відносно вільної осі визначимо параметр за формулою (3.28):

Отже, зведену гнучкість обчислимо за формулою (3.26) за :

49,2 < 49,4; 0,853.

Оскільки , перевіряти стійкість стрижня відносно осі за формулою (3.1) немає сенсу.

Для розрахунку планок знаходимо умовну поперечну силу за формулою(3.24): 27,78 кН.

Згинальний момент і перерізувальна сила в планці у місці її прикріплення за формулами (3.29) і (3.30) дорівнюють:

873,7 кНсм; 48,5 кН.

Планки прикріплюються до гілок за допомогою напівавтоматичного зварювання кутовими швами з катетом 8 мм. За дод. 1., табл. Д.1.3 приймаємо: 180 МПа, і (див. дод. 1., табл. Д.1.5). Розрахунковий опір кутових швів за межею сплавлення 166,5 МПа.

При виконанні умови МПа=126 МПа< МПа розрахунок швів виконуватимемо тільки за металом шва.

Довжину швів приймаємо такою, що дорівнює довжині планок ( 250 мм).

Площа перерізу кутових швів: 14 см^2;

момент опору кутових швів: 58,3 см³.

Напруження у шві від моменту та перерізувальної сили

15,0 кН/см², 3,5 кН/см².

Перевіряємо міцність шва за рівнодійним напруженням:

15,4 кН/см² < 18,0 кН/см²,

тобто міцність зварних швів забезпечена.

Розділ 4. ВУЗЛИ КОЛОН

Бази колон

Бази колон призначені забезпечити: розподіл зосередженого поздовжнього зусилля, що діє в стрижні колони, на фундамент; передбачене розрахунковою схемою сполучення колони з фундаментом (шарнірне або жорстке); простоту і зручність монтажу. В центрально-стиснутих колонах, у стрижнях яких діє тільки поздовжня сила, застосовують, як правило, шарнірні бази. Вільність повороту в таких випадках досягається відносно малою жорсткістю головного елемента бази – опорної плити (рис 4.1 а).

На конструктивне рішення бази значною мірою впливає обраний метод монтажу. Якщо всі елементи колони, включаючи опорну плиту, виконують на заводі, то під час монтажу для вивіряння положення відносно координаційних осей споруди, колону встановлюють на сталеві підкладки товщиною 40 – 60 мм (між низом плити і верхом фундаменту) з подальшою підливкою цементним розчином.

Проте для прискорення виконання робіт і підвищення точності монтажу широко застосовується інший спосіб – так званий безвивірковий монтаж, при якому вивіряється положення на фундаменті тільки опорної плити. Плита має стругану верхню поверхню та на ній рисками позначене місце розташування стрижня колони, нижній торець якої для щільного примикання до плити фрезерований на заводі. Зварні шви, які з’єднують колону з плитою, необхідні тільки для протидії випадковим зсувам, але вони стають розрахунковими у разі відсутності на заводі обладнання для фрезерування торців колон.

Опорна плита закріплюється на фундаменті за допомогою фундаментних болтів, розташованих, як правило, перпендикулярно до площини найбільшої жорсткості перерізу колони. Болти не сприймають розрахункових зусиль і служать тільки для фіксації положення колони. Тому фундаментних болтів, як правило, два, а їхні діаметри призначають конструктивно такими, що дорівнюють 20…30 мм.

Для спрощення монтажу діаметри отворів у плиті приймають в 1,5 разу більшими від діаметрів болтів. Отвори розміщують у середині плити або на її краю (дет. А і Б, рис. 4.1, а), а після монтажу перекривають шайбами з листової сталі завтовшки 16…20 мм (приблизно 0,5…0,6 від товщини опорної плити), які приварюють до плити.

Конструктивно найпростішими є бази, які складаються тільки з плити. У таких базах поздовжнє зусилля передається через фрезерований торець колони на стругану поверхню плити і з її допомогою розподіляється на поверхні фундаменту, викликаючи зворотний опорний тиск (відсіч).

Поперечні сили, які мають випадковий характер або виникають, наприклад, у рамі, до складу якої входить шарнірно обперта колона, чи у випадку примикання до колон вертикальних в’язей сприймаються силами тертя на контакті сталевої плити з бетоном. Коефіцієнт тертя дорівнює приблизно 0,3, а це означає, що при ( – умовна поперечна сила за формулою (3.24) або горизонтальна складова зусилля у в’язях; – поздовжня сила в стрижні колони) під плитою слід розмістити спеціальний упор, наприклад, з відрізка двотавра або кутика (рис. 4.1, б). На ці ж поперечні сили розраховують і зварні шви кріплення колони до плити.

Розміри опорної плити в плані визначають з умови неперевищення опорним тиском розрахункового опору бетону фундаменту місцевому стиску (продавлюванню):

де – міцність бетону при осьовому стиску (призмова міцність); – коефіцієнт, який враховує підвищення міцності бетону при місцевому стиску залежно від відношення площ верхньої поверхні фундаменту і опорної плити , і приймається не більшим за 1,5. Якщо базу розраховують до проектування фундаменту і площа його верхньої поверхні невідома, попередньо призначають 1,2.

Для фундаментів найчастіше використовують бетон класів міцності В10 ( 6,0 МПа), В12,5 ( 7,5 МПа), В15 ( 8,5 МПа) та В20 ( 11.5МПа). При значних зусиллях з метою зменшення площі плити доцільно збільшити шляхом армування верхньої частини фундаментів арматурними сітками.

Рівномірний розподіл опорного тиску спостерігається тільки в консольних ділянках, защемлених елементами перерізу колонами. Ширина цих ділянок дорівнює (рис. 4.2):

, (4.1)

де , при і – габаритні розміри перерізу колони.

Якщо розміри опорної плити В х L не перевищують , то можна вважати, що опорний тиск рівномірно розподілений під усією площею плити. Така передумова приймається в абсолютній більшості випадків, що зустрічаються в практиці проектування. На підставі цієї передумови необхідна площа плити становить:

. (4.2)

У центрально-стиснутих колонах з базою, що складається тільки з плити, останню зазвичай проектують квадратною зі сторонами або близькими до таких.

Опорна плита під дією опорного тиску фундаменту працює на згин як пластина, защемлена по контуру колони (рис. 4.2, б). У разі необхідності виконується підсилення торця (рис. 4.3).

Для рівномірного розподілення напруження під усією плитою застосовується конструктивне рішення з траверсами, ребрами та діафрагмами, що розділяють плиту на окремі ділянки, які розрізняються за умовами обпирання на елементи бази та значно меншими розрахунковими прольотами.

Траверси – це листові елементи, які прикріплюються безпосередньо до стрижня колони і до плити. Їхнє призначення полягає у збільшенні контуру стрижня, що сприяє рівномірному розподілу напружень під плитою, і створенні додаткових опор для плити, що працює на згин.

Розміщують траверси так, щоб не дублювати роль елементів перерізу, – між полицями суцільного перерізу колони
(рис. 4.4, а, б). У разі необхідності постановки підкріплюючих плиту елементів в іншому напрямку слід використовувати консольні ребра (рис. 4.4, в). При великих розмірах ділянок плити, що утворилися траверсами чи ребрами, використовують додаткові діафрагми. Потрібну площу опорної плити при зміненому конструктивному рішенні бази також визначають за (4.2).

Один з розмірів плити, наприклад призначають з конструктивних міркувань (рис. 4.4):

де – товщина траверси (або консольних ребер), яку приймають попередньо 8…14 мм, – ширина звису плити.

Розмір приймають не більшим за 100…120 мм, мінімальне значення мм диктується умовами розміщення зварних швів, що прикріплюють траверсу до плити, а максимальне – несучою здатністю консольної ділянки плити при умові, що її товщина не перевищуватиме 40 мм (саме при товщині понад
40 мм спостерігається зменшення значення ). Знаючи , знаходять інший розмір плити і остаточно призначають розміри , враховуючи вимоги сортаменту, конструктивні міркування щодо розміщення фундаментних болтів і, нарешті, умову забезпечення міцності фундаменту .

Товщину опорної плити бази визначають з умови її роботи на згин. При цьому плита розглядається як складена з окремих незалежних ділянок (пластинок), які мають різний характер обпирання на краях (рис.4.4, д): консольні (1), обперті на дві (2), три (3) і чотири (4) сторони (рис. 4.4, г). Максимальний згинальний момент у кожній ділянці, навантаженій опорним тиском фундаменту , визначають за формулою

(4.3)

де – розрахунковий проліт відповідної ділянки; – коефіцієнт, який приймають залежно від співвідношення сторін ділянки і характеру її обпирання на елементи бази. Для консольної ділянки Ділянки, що обпираються на дві, три або чотири сторони, розглядаються як шарнірно обперті і для їх розрахунку використовуються табл. 4.1 та 4.2, складені В.Г.Гальоркіним.

Для ділянки, обпертої на дві сторони, розмір дорівнює довжині перпендикуляра , проведеного з точки перетину двох закріплених сторін на діагональ довжиною , яка з’єднує протилежні кінці цих сторін. Коефіцієнт визначають за табл.4.1 залежно від відношення .