Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Расчет и конструирование сквозных внецентренно сжатых колонн.




Расчетные длины колонн, возможные формы потери устойчивости

Внецентренно сжатые колонны наиболее часто применяют в кар­касах промышленных цехов с крановыми нагрузками. Колонны рас­сматриваются как элементы поперечных рам, на которые действуют нагрузки от веса несущих конструкций, покрытия, крановые нагруз­ки вертикальные и горизонтальные, стеновые ограждения, ветровая нагрузка и др. Колонны обычно жестко заделывают в фундамент, а с ригелем (фермой или балкой) они имеют либо жесткие, рисунок 7.1, а, в, г, либо шарнирное, рисунок 7.1, б, соединения.

Различают колонны трех типов: постоянного сечения, перемен­ного сечения (ступенчатые) и раздельные, рисунок 7.1. Колонны по­стоянного сечения, рисунок 7,1, а, с консолью для подкрановой бал­ки рациональны при кранах сравнительно небольшой грузоподъем­ности— 150—200 кН. В настоящее время для экономии металла та­кие колонны чаще проектируют железобетонными.

Колонны переменного сечения, рисунок 7.1,6, в, наиболее распрост­ранены в каркасах промышленных зданий, так как пригодны почти для любых крановых нагрузок. Верхнюю (надкрановую) часть этих колонн обычно выполняют сплошной постоянного сечения, а ниж­нюю подкрановую — либо сплошной, либо сквозной. В сплошных колоннах обе ветви соединяют сплошным листом (обычно сваркой и реже на клепке), в сквозных — решетками из уголков илн план­ками из полосовой стали.

 

а – постоянного сечения

б, в – переменного сечения ступенчатые (с одним уступом)

г – ступенчатая раздельного типа

 

Рисунок 7.1 – Типы внецентренно сжатых колонн

 

Колонны раздельного типа рацио­нальны в цехах с тяжелыми крновыми нагрузками (бо­лее 150 т) режима 6К — 7К и при небольшой высоте (до 20 м). Наружная (шатровая) и внутренняя (подкрано­вая) ветви этих колонн соединяются гибкими в верти­кальной плоскости планками, благодаря чему каждая ветвь работает самостоятельно. Шатровая ветвь воспри­нимает нагрузку от конструкций покрытия и стенового ограждения, а подкрановая — от крана как центрально-сжатая стойка.

 
 

Типы и размеры сечений внецентренно-сжатых колонн назначают предварительно. В колоннах постоянного се­чения высоту сечения h принимают примерно 1/15 l при высоте колонн 10—12 м; 1/18 l — при высоте 14—16 м и 1/20 l при высоте более 20 м (l — расстояние от верха фундамента до нижнего опорного узла фермы покрытия). В колоннах переменного сечения высоту сечения h 2надкрановой части принимают в пределах 1/8 – 1/12 высоты l (обычно h 2=500 мм и реже 750—1000 мм), а высоту се­чения h 1, подкрановой части—1/10 – 1/20 l в зависимости от высоты l1 и типа сечения (сплошного или сквозного). Сплошное сечение по условиям экономии металла и тру­доемкости изготовления назначают при высоте сечения h до 1 м, сквозные — при h >1,2 м. Некоторые типы по­перечных сечений колонн показаны на рисунке 7.2.

 

 

а – в, ж – сплошные

г – з - сквозные

Рисунок 7.2 – Типы сечений внецентренно сжатых колонн

 

 

Рисунок 7.3 – К определению расчетных длин колонн постоянного сечения

 

Рисунок 7.4 – К определению расчетных длин ступенчатых колонн

 

7.2 Конструкция, подбор и проверка сечения сплошной внецентренно-сжатой колонны, учет требований к местной устойчивости полок и стенки колонны

После того, как расчетные длины определены, выбраны марка стали, выписаны , находят требуемую площадь сечения из условия обеспечения устойчивости: п.5.27[1],

где - коэффициент снижения расчетного сопротивления при внецентренном сжатии, табл.74 [1], зависит от условной гибкости и приведенного относительного эксцентриситета

;

η – коэффициент влияния формы сечения

 

Для определения этих параметров необходимо знать габариты сечения – высоту сечения h – определяют при компоновке поперечника, тогда

,

таким образом .

Последовательность: находят сначала относительный эксцентриситет ; - ядровое расстояние; - момент сопротивления сжатого волокна;

где, эксцентриситет , тогда .

Для определения приведенного относительного эксцентриситета необходимо знать η – коэффициент влияния формы сечения, табл.73 [1], зависит от λ и m. Кроме того приблизительно задаются соотношением площадей полки и стенки (например, если сечение двутавровое, то это тип сечения 5, а соотношение можно принять среднее, т.е 0,5)

По требуемой площади сечения подбирают по сортаменту прокатный двутавр с параллельными гранями полок (тип Ш) или компонуют сечение из трех листов - составное.

При компоновке сечения из тонких листов необходимо обеспечить местную устойчивость элементов сечения.

Для внецентренно сжатых элементов двутаврового сечения отношение расчетной высоты стенки к толщине следует принимать не более значений табл.28[1], в зависимости от m и λ.

При больших сечениях, особенно высоте сечения 700 мм и более, толщина стенки из условия местной устойчивости получается большой, тяжелой. Наиболее рационально 6,8,10,12мм.

В таких случаях уменьшают толщину стенки, а ее устойчивость обеспечивают постановкой продольны ребер жесткости, с одной или двух сторон стенки. Продольные ребра включаются в расчетное сечение колонны.

Момент инерции продольного разреза относительно оси стенки у-у должен

быть не менее

 

При постановке ребра с одной стороны стенки, его момент инерции Ip вычисляется относительно оси, совмещенной с гранью стенки.

При наличии ребер неустойчивую часть стенки считают выключившейся из работы и в расчете сечение колонны (только при определении площади сечения) включают два крайних участка стенки шириной .

Все прочие геометрические характеристики определяются для целого сечения.

Назначив толщину стенки, определяют требуемую площадь полки Аn:

- при устойчивой стенке: ;

- при неустойчивой: .

Из условия обеспечения устойчивости колонны из плоскости действия момента ширина полки bn принимается не менее .

Толщину полки назначают с учетом местной устойчивости, табл.29[1].

так для неокаймленной полки двутавра: предельное отношение ширины свеса к толщине полки

Скомпоновав сечение колонны, проводят проверку ее устойчивости в плоскости и из плоскости момента.

Проверка устойчивости в плоскости действия момента

,

для определения - табл. 74, [1], а значения - определяются уже точно для принятого сечения.

Проверка устойчивости из плоскости момента

где с – коэффициент, определяемый согласно п.5.31[1], в зависимости от m

- коэффициент продольного изгиба для как для центрально сжатого стержня, табл.72[1].

Проверка прочности выполняется по формуле

 

 

где - изгибающий момент из плоскости рамы;

- момент и продольная сила в плоскости рамы;

n, - коэффициенты, приложение 5[1].

Расчет на прочность не требуется выполнять при , и при отсутствии ослабления сечения.

Прежде чем выполнять проверку из плоскости действия момента, проверяют соблюдение условия (90) п.7.16[1]

 

;

где , - наибольшее сжимающее напряжение в стенке,

- расстояние от центра тяжести до сжатого края стенки.

- соответствующее напряжение у противоположного края стенки (yp – расстояние от центра тяжести сечения до разгружаемого моментом края стенки);

- среднее касательное напряжение в стенке.

Если это условие выполняется, то проверку устойчивости колонны из плоскости действия момента проводят с учетом всей площади сечения; если стенка не устойчива, т.е. условие 90 не выполняется, то в расчет включают два участка стенки по ;

Если недонапряжение в основной проверке > 5% или перенапряжение - проводят корректировку сечения и повторную проверку.

3. Многоэтажные промздания служат для размещения различных производств – легкого машиностроения, приборостроения, цехов химической, электротехнической, радиотехнической промышленности, а также базисных складов, холодильников, гаражей.

Высоту промзданий принимают от 3 до 7 этажей, иногда до 12 – 14 этажей. Ширина может быть 18 – 36 м. Высоту этажа принимают кратной модулю 1,2 м и принимают равной 3.6; 4.8; 6 м, для первого этажа 7.2 м. Наиболее распространенная сетка колонн 6×6, 9×6, 12×6 м. Конструктивные схемы промзданий показаны на рисунке 13.1.

Для промстроительства наиболее удобны многоэтажные каркасные здания без специальных вертикальных диафрагм, т.к. они препятствуют размещению технологического оборудования. основные несущие конструкции - ж/б рамы и связывающие их междуэтажные перекрытия. Пространственная жесткость здания обеспечивается в поперечном направлении работой многоэтажных рам, в продольном – работой вертикальных стальных связей или вертикальных ж/б диафрагм, располагаемых по рядам колонн и в плоскости наружных стен (по связевой системе). Если в продольном направлении невозможна постановка связей, то их заменяют ригелями, т.е. жесткость и в продольном направлении обеспечивается по рамной системе.

Рисунок 13.1 – Конструктивные схемы многоэтажных производственных зданий

В зданиях с балочными перекрытиями (рис. 3) верхний этаж при наличии мостовых кранов (здания химической промышленности) компонуют из колонн, ригелей и подкрановых балок, конструктивно аналогичных применяемым для одноэтажных промышленных зданий. Ригели устанавливают на консоли колонн с применением ванной сварки выпусков арматуры и обетонированием

 

Рисунок 13.2 – Здание с межферменными этажами

 

стыка на монтаже. Для междуэтажных перекрытий применяют ребристые плиты шириной 1500 или 3000 мм. Плиты, укладываемые по линии колонн, служат связями-распорками, обеспечивающими устойчивость каркаса на монтаже.

В таких зданиях возможны два типа опирания плит перекрытий: на полки ригелей таврового сечения (для производства со станочным оборудованием, нагрузки от которого близки к равномерно распределенным); по верху ригелей прямоугольного сечения (главным образом, для зданий химической промышленности с оборудовани­ем» проходящим через этажи и передающим большую сосредоточенную нагрузку на одну опору). В обоих типах опирания плит типовые ригели при пролетах 6 и 9 м имеют одинаковое сечение 800 мм и ширину ребра 300 мм.

Типовые конструкции многоэтажных промышленных зданий с балочными перекрытиями разработаны под различные временные нагрузки — 5…25 кН/м2.

В зданиях с безбалочными перекрытиями (рисунок 13.3) ригелем многоэтажной рамы в поперечном и продольном направлениях служит безбалочная плита, жестко связанная с колоннами с помощью капителей. Пространственная жесткость здания в обоих направлениях обеспечивается рамной системой. Унификация размеров плит и капителей средних и крайних пролетов безбалочного перекрытия достигается смещением наружных самоне­сущих стен с оси крайнего ряда колонн на расстояние, равное половине ширины надкапительной плиты.

 

Рисунок 13.3 - Конструкции многоэтажных промышленных зданий с безбалочными перекрытиями

Многоэтажные промышленные здания с часто расположенными опорами при сетке колонн 6×6 или 9×6 м не всегда удовлетворяют требованиям гибкой планировки цехов, модернизации оборудования и усовершенствования производства без дорогостоящих переустройств. Поэтому применять их следует в случае больших временных нагрузок на перекрытия — более 10 кН/м2.

Особенность конструктивного решения универсальных промышленных зданий с этажами в межферменном пространстве состоит в том, что они имеют крупную сетку колонн - 18×6м, 18×12м, 24×6м. Большие пролеты здания перекрывают безраскосными фермами. При этом в пределах конструктивной высоты этих ферм устраивают дополнительные этажи, в которых размещают инженерное оборудование и коммуникации, бытовые, складские и другие вспомогательные помещения. Высота межферменных этажей может быть 2,4м; 3,0м и 3,6м.

Пример решения конструкций универсального промышленного здания приведен на рисунке 13.2. Здание имеет 6 этажей — три основных и три межферменных. Безраскосные фермы, жестко связанные с колоннами, являются составной частью многоэтажного каркаса и работают как ригели рам.

 

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 2

 

1 Требования надежности и долговечности, предъявляемые к производственным зданиям с металлическим каркасом.

 

2 Узлы опирания подкрановых балок и стыки стальных колонн.

В узлах опирания подкрановых балок на колонны происходит передача вертикальных и горизонтальных усилий. Вертикальное давление разрезных подкрановых балок передается на колонну обычно через выступающий фрезерованный торец опорного ребра (рис. 5.30 [1]). Рассчитывают и конструируют опорное ребро так же, как и в обычных балках [1].

В неразрезных балках вертикальное давление передается через опорные ребра, пристроганные к нижнему поясу, а между поясом и опорной плитой колонны ставят прокладку.

В неразрезных подкрановых балках на опоре смежного, незагруженного пролета возникает отрицательная (направленная вниз) реакция. Анкерные болты, прикрепляющие балку к колонне, должны быть рассчитаны на это усилие.

Для восприятия горизонтальных поперечных воздействий кранов устанавливают дополнительные элементы крепления балок к колоннам (рис. 2.69). Эти элементы рассчитывают на горизонтальное усилие Н:

H = Ft (h 1 / h 2), (2.79)

где Ft - опорное давление от поперечных горизонтальных усилий на колесах крана; h 1, h 2 - расстояние от низа балки (точки поворота) до отметки головки рельса и места расположения элементов крепления (рис. 2.69, а).

При наличии нескольких элементов крепления (например, стержней и накладок крепления тормозных конструкций к колонне) горизонтальное давление распределяется между ними пропорционально жесткостям. В запас несущей способности можно каждый элемент крепления рассчитывать на полное усилие Ft.

При проектировании узлов крепления подкрановых конструкций к колоннам следует учитывать особенности их действительной работы. При проходе крана балка прогибается и ее опорное сечение поворачивается на угол φ (рис. 2.69, б). Под влиянием температурных воздействий (особенно в горячих цехах) подкрановые конструкции удлиняются (укорачиваются), что приводит к горизонтальным смещениям опорных сечений относительно колонн. В результате элементы крепления получают горизонтальные перемещения Δ H.


Рис. 2.69. К расчету крепления балки к колонне:
а - схема передачи горизонтального поперечного усилия; б - перемещение узла; в - горизонтальное перемещение элементов крепления; г - схема передачи усилий

За счет обжатия опорного сечения балок и обмятая прокладок под опорными ребрами элементы крепления получают также вертикальное смещение Δ V.

Если конструкции крепления обладают достаточной жесткостью и препятствуют обжатию и повороту опорных сечений, то в элементах крепления возникают большие усилия, вызванными перемещениями Δ H и Δ V, что при многократных повторных нагружениях приводит к усталостному разрушению элементов крепления. Это подтверждается результатами натурных обследовании.

Поэтому конструкция крепления балок к колоннам в горизонтальном направлении должна обеспечивать передачу горизонтальных поперечных сил, допуская при этом свободу поворота и продольного смещения опорных сечений.


Рис. 2.70. Узлы крепления разрезных подкрановых балок к колоннам:
a - с упорными планками; б - с гибкими стержнями

Для того чтобы обеспечить свободу продольных и вертикальных перемещений элементов крепления, применяют два типа узлов. В узлах первого типа поперечные горизонтальные воздействия передаются через плотно пригнанные к полкам колонны элементы (упорные планки), допускающие за счет проскальзывания свободу перемещений опорных сечений (рис. 2.70, a). В узлах 2-го типа балки крепятся к колоннам с помощью гибких элементов. При малой жесткости этих элементов дополнительные

усилия, возникающие в них от перемещений Δ H и Δ V, невелики. В качестве гибких креплений используют листовые элементы или круглые стержни.

В узле, показанном на рис. 2.70, б, горизонтальные поперечные силы воспринимаются гибкими круглыми стержнями. При больших горизонтальных нагрузках каждая балка может крепиться двумя или тремя болтами, расположенными один над другим. Достоинством такого крепления являются возможность рихтовки балок и простота его замены.

Стыки колонн бывают заводские и монтажные. Заводские стыки устраиваются из-за ограниченности длины прокатных профилей (смотрите раздел Сортамент). Монтажные стыки устраиваются из-за ограниченных транспортных возможностей (9 — 13 м при перевозке на одной платформе и 19 — 27 мм при перевозке на сцепе).

Заводские стыки элементов обычно располагают вразбежку, не концентрируя их в одном месте, поскольку соединение отдельных элементов можно произвести до общей сборки стержня. Примеры сварных заводских стыков отдельных элементов колонн показаны на фигуре.

Заводские сварные стыки

Заводские сварные стыки: а — поясов сварного двутавра; б — двутавровых ветвей
сплошной колонны; в — ветви сквозной колонны на планках.

Основным условием образования прочного стыка является обеспечение передачи усилия с одного элемента на другой. При сварке встык это обеспечивается соответствующей длиной сварных швов (смотрите раздел Сварные соединения), а при стыковании накладками, кроме необходимой длины сварных швов, также и соответствующей площадью сечения накладок, которая должна быть не меньше площади сечения основных стыкуемых элементов.

Простейшим и потому наиболее рекомендуемым является прямой стык со сваркой встык. Осуществление такого стыка возможно во всех случаях, поскольку во внецентренно сжатых колоннах всегда можно найти сечение с пониженными растягивающими напряжениями.

Монтажные стыки колонн располагают в местах, удобных для монтажа конструкций. Для колонн переменного сечения таким местом является уступ на уровне опирания подкрановых балок, где меняется сечение колонны.

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...