Металеві конструкції

ВУЗЛИ КОЛОН

Основними вузлами колон є оголовники та бази. Оголовник колони складається з опорного листа, яким завершується колона, вертикальних ребер (через них на стержні колони передаються опорні реакції розміщених вище конструкцій) та горизонтальних ребер чи діафрагм, що разом з вертикальними ребрами забезпечують місцеву стійкість елементів перерізу колони у місці при­кладення зосереджених навантажень (рис. 5.41).

Висоту оголовника приймають з міркувань за­безпечення жорсткості вузла h = (0,5—0,7) b, де b — більший з основних розмірів перерізу колони.

Міцність вертикальних ребер та зварних швів, їх кріплення до колони перевіряють за сумою опорних реакцій конструкцій, які спираються на оголовок. Горизонтальні ребра й діафрагми кон­струюють, як проміжні ребра жорсткості. Тов­щину опорної плити приймають конструктивно 16...30 мм.

Товщина вертикального ребра з умови міцності становить

Де F — сумарна опорна реакція конструкцій, що спираються на оголовок; Zef = Ъь + 21 — а — розрахункова ширина прикладення сили F; Ь() — ширина опорного ребра балки; і — товщина опорної плити; а — сумарна ширина вирізу реб­ра (для конструкцій рис. 5.41, б виріз відсутній а = 0).

Окрім цього, перевіряють міцність вертикаль­них ребер і стінки колони на зріз у площинах, що прилягають до швів їх взаємного кріплення:

(5-132)

Де п — кількість площин зрізу: для ребер п = 2, для стінки суцільної колони (рис. 5.41, а) також п= 2, а для стінок наскрізної колони (рис. 5.41, б) п = 4.

Шви кріплення ребер до стінок колон розра­ховують як кутові флангові на дію зусилля F. В обох конструкціях, зображених на рис. 5.41, це зусилля сприймається чотирма швами.

Верхню грань ребер доцільно фрезерувати чи стругати. Цим забезпечується щільний контакт ребер з опорною плитою і передача зусилля саме через контактну поверхню, а зварні шви прий­мають конструктивно. В іншому випадку шви, що з'єднують ребро з опорною плитою, розраховують

Рис. 5.41. Найпоширеніші конструкції оголовників суцільної (а) та наскрізної (б) колон: І — вертикальні ребра; 2 — горизонтальні ребра; 3 — діафрагма; 4 — опорний лист; 5 — ирокладки.

1-1

Ь=Ьь+ (40... 50) а -# #—

3-3 "HI V~IF

+ + + + + +

'I

Рис. 5.42. Вузли колон для спирання балок: у суцільних колонах (а); у наскрізних колонах (б) (балки умовно не показані).

На дію цього зусилля як кутові лобові, прийнявши їх розрахункову довжину lw = let. В обох випадках (рис. 5.41) з'єднання виконано двома швами.

Конструкції опорних столиків для приєднання балок до колон збоку зображені на рис. 5.42. Най­частіше опорним столиком служить торець товс­того листа t = 30...40 мм, привареного до колони. Поверхню цього торця вирівнюють механічною обробкою (фрезерують чи простругують). Висота столика h визначається довжиною швів, необ­хідних для передачі зусилля, прикладеного до опорного столика.

Місцеву стійкість стінки у вузлі забезпечують ребрами жорсткості (рис. 5.42, а) чи діафрагмою (рис. 5. 42, б), встановленими у місці прикладення опорної реакції. Конструювання ребер жорсткості (їх розміри) та діафрагми здійснюють, як це за­значалося вище.

Найпоширеніші конструкції баз колон зобра­жені на рис. 5.43—5.45. Найчастіше використову­ють бази з траверсами (рис. 5.43, 5.44), де траверси є допоміжними елементами, які сприяють рівно­мірному навантаженню опорної плити. Цим до­сягають зменшення товщини плити.

Розраховуючи базу, в першу чергу визначають потрібну площу опорної плити. Виходячи з умови забезпечення міцності бетону фундамента під плитою,

N

(5.133)

Rb - у,,-а

Де Rb — розрахунковий опір бетону фундамента; Уь, сх — коефіцієнти згідно з п. 3.39 СНиП її.03.01-84 "Бетонні і залізобетонні конструкції". Далі визначають ширину плити:

В = b + 2 (ts + с), (5.134)

Де b, ts, с — умовні позначення згідно з рис. 5.43, 5.44.

У першому наближенні приймають товщину траверси ts = = 8... 16 мм. Величину консольного звису опорної плити призначають с = 50...120 мм, виходячи з умови зварюваності (менше значення) і забезпечення її міцності при товщині t < 40 мм та зручності встановлення анкерних болтів (більші значення).

Остаточно ширину плити В приймають крат­ною 50 мм.

Знаючи потрібну площу А і ширину В, обчис­люють довжину плити: < Rb-Ъ,- а.

Власне опорна плита під дією цих напружень працює на згин. Розглядаючи опорну плиту як пластину, сперту на траверси, полички та стінки колони, можна виділити три характерні ділянки (рис. 5.43, 5.44):

I — консольна, защемлена у місці спирання на траверсу;

II — сперта і відповідно защемлена з трьох сторін;

III — защемлена по контуру.

Згинальний момент для смужки одиничної ши­рини (L = 1) на ділянці І обчислюють як для консолі:

'с

(5.137)

У ділянках II і III від дії аь згинальні моменти виникають у площинах обох осей симетрії (від­повідно Мх, Му). їх значення обчислюють за ме­тодиками теорії пружності. Спрощено допуска­ється обчислювати значення найбільшого зги­нального моменту, використовуючи коефіцієнти а

1 р згідно з наведеними у табл. 5.6, 5.7 даними відповідно до співвідношення сторін b і а та h і b — tw

—-— (рис. 5.43) чи b і а та h і b (рис. 5.44) для

Ділянок, спертих на три сторони чи вздовж кон­тура на чотири.

Найбільші значення згинальних моментів у опорній плиті для ділянки II, спертої на три сто­рони

М2 = a - ab - Ь2; (5.138)

Для ділянки III, спертої по контуру

М3 = Р • ст() • s2, (5.139)

Де s — розмір меншої сторони ділянки.

При співвідношенні сторін, що перевищують

2 чи менші за 0,5, розрахунок виконують, як для елемента з прольотом, що дорівнює меншій зі сторін і закріпленого уздовж довших. Так, ділян­ку II, сперту на три сторони, при співвідношенні

— < 0,5 розглядають як балку з прольотом Ь, спер­ту на траверси:

Ь2

М2 = сь ■ у,

А при — > 2 як консоль прольотом а:

Розмір L також заокруглюють, приймаючи крат­ним 50 мм і таким, щоб дотримувалася умова а > 50 мм.

Напруження стиску в бетоні фундаменту сь під підошвою опорної плити вважають розподі­леним рівномірно:

М2 = оь ■

Аналогічно ділянку III при сі > 2 розраховують за формулою (5.140) як балку з прольотом, що дорівнює розмірові меншої сторони. Невеликими

Рис. 5.43. База суцільної колони: а — загальний вигляд; б — схема навантаження траверси; е — розрахункова схема траверси; 1 — траверса; 2 — опорна плита.

Рис. 5.44. База наскрізної колони: 1 — траверси; 2 — опорна плита.

Згинальними моментами у напрямку меншої жорсткості (більшої сторони) нехтуємо.

У подальшому розрахунку розглядаємо пере­різ одиничної смужки плити товщиною t і ши­риною, рівною одиниці. Момент опору поперечно­го перерізу цієї частини описується виразом

B't2

W =

Де Ь = 1, тобто

(5.142)

За більшим зі згинальних моментів Мь М2 чи М3 обчислюємо потрібний момент опору:

М

1Т± тя v

W - =

Гг тіп

R y ■ Yc

Прирівнявши його (5.142), знаходимо найменшу товщину плити для даної конструкції бази:

(В

Рис. 5.45. База колони з фрезерованим торцем: а — конструкція бази; б — розрахункова схема опорної плити; 1 — риски; 2 — тимчасові болти для вивіряння плити; З — консольна ділянка.

6-М„

(5.144)

V Yc

За конструктивними вимогами товщину плити приймають у межах 20...40 мм. Коли ж за роз­рахунком (5.144) отримують більші значення, то у конструкцію бази вносять зміни, вводячи в ділянках з найбільшими згинальними моментами додаткові ребра чи діафрагми, які зменшують розміри сторін цих ділянок, а отже, і згинальні моменти, що в них діють.

Траверсу наближено розглядають як балку, сперту в місцях кріплення поличок і завантажену рівномірно розподіленим навантаженням, яке спричиняється тиском опорної плити (рис. 5.43, б).

Навантаження на траверсу приймають рівно­мірно розподіленим:

Gr = <vf.

М = JVS - d,

(b + B)

Рівнодійна тиску бетону

На ділянку 3 (рис. 5.45); d — відстань від місця защемлення до центра ваги ділянки.

Знаючи, що цей згинальний момент діє на пе­реріз плити шириною Ь і товщиною t у місці за­щемлення, записуємо умову міцності:

— < R * v

W ~ у Гс>

< • Yc,

Де М, ІГ1Х — більше зі значень згинальних мо-

Ts ■ h

Ментів за (5.146) чи (5.147); W, = —-— — момент

Опору поперечного перерізу траверси. З мірку­вань забезпечення необхідної жорсткості вузла висоту траверси приймають h] = (0,5...0,7) • h. Ко­ли ж умова (5.148) не виконується, збільшують товщину ts.

Завершують розрахунок бази обчисленням ка­тетів, швів, які з'єднують стержень колони, тра­верси та опорну плиту. Для швів між стержнем колони і траверсою вважають, що осьова сила N у колоні передається через ці шви. Тобто для кон­струкцій, зображених на рис. 5.43, 5.44, через один шов передається зусилля Nx = 0,25N (кількість швів — чотири).

Розраховуючи шви приєднання опорної плити до траверс, вважають, що через одиницю довжи­ни цих швів (Z,„ = 1) передається зусилля, що дорівнює навантаженню на траверсу д. В обох ви­падках шви проектують згідно з рекомендаціями глави 4 для кутових швів з обов'язковим дотри­манням конструктивних вимог.

У великогабаритних колонах застосовують ба­зи, де опорна плита приварюється до стержня під час монтажу (рис. 5.45). Цей захід значно спро­щує монтажні роботи, оскільки в їх процесі вивіряють лише положення опорної плити. Ко­лона займає проектне положення після встанов­лення на плиту, завдяки тому, що її торець проф - резеровано строго перпендикулярно до поздовж­ньої осі. Верх плити також вирівнюють фрезе­руванням чи струганням.

Щільний контакт між стержнем колони та опорною плитою забезпечує безпосередню пере­дачу зусилля. Зварні шви лише фіксують ці час­тини колони. Умовно їх розраховують на зусилля, що становить 15% від повного. Опорну плиту най­частіше приймають квадратною. Як і в попередніх випадках, вона працює на згин. При цьому можна допустити наявність защемлення на контурі пере­різу колони. Умовно виділивши трапецієподібну консольну ділянку (згідно з рис. 5.45, б), обчис­люємо згинальний момент у защемленні цієї кон­солі: де W = Ь — — момент опору перерізу плити у

Місці защемлення.

Звідси товщина плити становить

6-М

Ь ■ Ry Yc

Зазначений розрахунок дає наближені резуль­тати. Точніші значення згинальних моментів от­римують за методиками теорії пружності чи плас­тичності.

Приклад 2. Розрахунок і конструювання стержня центрово-стисненої колони робочого майданчика.

Розрахункове зусилля.

Тип перерізу і розрахункова схема колони.

Колони робочого майданчика працюють як центрово-стиснені на дію стискального зусилля N. Для одноярусних майданчиків зусилля дорівнює двом опорним реакціям головних балок, що спи­раються на колону. Для багатоярусних майдан­чиків найбільші зусилля діють у нижньому ярусі колони. Загалом з урахуванням власної маси ко­лони (близько 1 % прикладеного до неї наванта­ження) розрахункове зусилля можна визначити з виразу

N = 2-n-Qmax-1,01,

Де п — кількість ярусів майданчика; Qmax — опорна реакція головної балки (формула чинна лише при однакових навантаженнях на ярусах).

Тип перерізу колони доцільно приймати:

При N < 2200 кН — наскрізний переріз з двох швелерів;

При 2200 кН < N < 3500 кН — наскрізний переріз з двох двотаврів;

При 5000 > N > 3500 кН — суцільний переріз з двох чи трьох двотаврів:

При N > 5000 кН — суцільний переріз, скла­дений з листів (наприклад, двотавровий).

Розрахункову довжину колони Іеі визначають з урахуванням її заглиблення нижче рівня під­логи на 0,6...0,8 м. Довжину 10 приймають від низу головної балки до підошви опорної плити бази.

В одноярусних майданчиках головні балки спираються на колону здебільшого зверху. При
цьому забезпечується чітке шарнірне спирання головних балок на оголовок колони.

Для багатоярусних майданчиків використову­ють приєднання головних балок до колони збоку. Проміжні опори колони за цієї умови вважають шарнірними і розміщують у рівнях низу головних балок (рис. 5.46).

Защемлення колони у фундаменті враховується введенням коефіцієнта р = 0,7...0,8. Для шар­нірного приєднання р = 1,0.

Добір перерізу суцільної колони двоярусного робочого майданчика. Вихідні дані. Висотна позначка підлоги нижнього ярусу 9,000 м. Опорна реакція однієї головної балки Qmax = 1250 кН. Кон­структивна висота перекриття 2 м. Матеріал ко­лони — сталь С235 марки 18кп. Розрахунковий опір цієї сталі при товщині прокату 2...20 мм Ry = = 230 МПа, а при товщині 20...40 мм — Ry = = 220 МПа.

Прийнявши жорстке закріплення колони у фундаменті і величину заглиблення підошви бази колони розміром 0,6 м, знаходимо довжину ниж­нього ярусу колони і0 = 9 - 2 + 0,6 = 7,6 м. Враховуючи защемлення колони у фундаменті, приймаємо коефіцієнт р = 0,7. Тоді розрахункова довжина lef = р • і0 = 7,6 • 0,7 = 5,32 м.

Стискальне зусилля N = 2 • 2 • 1250 -1,01 = = 5050 кН.

Приймаємо суцільний переріз колони у вигляді зварного двотавра. Задаємося X = 60. За даними табл. 1 додатка 8 при Ry = 230 МПа, інтерпо­люючи, знаходимо ф = 0,844. Тоді

5050

272-10

М:

Tf=~30

H=400

Рис. 5.47. Перетин суцільної колони.

= 369- 10

0,24

Значення коефіцієнта а! отримане за табл. 5.8, де наведені коефіцієнти, що пов'язують розміри перерізів з їх радіусами інерції.

Приймаємо ширину полички bj відповідно до найближчої стандартної ширини універсальної сталі bf = 400 мм, а висоту перерізу h — при­близно рівною ширині. Для цього стінку кон­струюємо з листа шириною 400 мм (рис. 5.47). Тов­щину стінки приймаємо tw = 12 мм.