Выбор типа сечения колонны

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению курсового проекта по дисциплине

«Металлические конструкции, включая сварку»

для студентов бакалавров по направлению «Строительство»

08.03.01 «Промышленное и гражданское строительство»

Часть 3

 

Ставрополь,2016

Методические указания составлены в соответствии с требованиями ГОС ВПО для бакалавров по направлению «Строительство» 08.03.01 «Промышленное и гражданское строительство» и программы дисциплины «Металлические конструкции, включаю сварку».

Методические указания к курсовому проекту состоят из трех частей.

В третьей части методических указаний к курсовому проекту по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку» приводятся рекомендации по обоснованию расчетных схем центрально-сжатых колонн, их типов сечений и сопряжений. Компоновка и расчет стержней составных сплошных сварных и сквозных центрально-сжатых колонн, а также баз и оголовков колонн разных типов.

Методические указания могут быть использованы при проведении практических занятий и выполнении самостоятельной работы студентов. В методических указаниях особое внимание уделено повышению эффективности и качества проектирования металлических конструкций, технико-экономическому обоснованию принимаемых решений.

 

Составители: Гаврилова А.И., ст. препод.

Скориков С.В., к.т.н., доцент

Рецензент: Рожков П.В., к.т.н., доцент

Содержание

Введение..................................................................................................................4

2. Цель, задачи и реализуемые компетенции.…………….….............................4

3. Формулировка задания и его объем….......…………………..………….....4

4. Общие требования к написанию и оформлению проекта...........................4

5. Рекомендации по выполнению задания к третьей части...........................5

5.3Центрально-сжатая колонна……………………………..………………….5

5.3.1 Сечения составных центрально-сжатых колонн…………………………5

5.3.2 Обоснование закреплений колонн, расчетных схем и расчетных длин…………………………………………………………………………..…….5

5.3.3 Выбор типа сечения колонны………………………………...………….11

5.3.4 Подбор и проверки сечения сплошной колонны……………...………..15

5.3.5 Определение размеров сечения сквозной колонны………………...…..19

5.3.6 Конструирование и расчет базы колонны……………...……………….27

5.3.7 Конструирование и расчет оголовка колонны………….………...…….43

6. План-график выполнения задания………………………………............….57

7. Критерии оценивания проекта....................................................................57

8. Порядок защиты проекта…………………………………….....…….…......57

9. Список рекомендуемой литературы ………………….…………………...58

 

 

Введение

Выполнению курсового проекта по металлическим конструкциям, включая сварку предшествует изучение слушателями таких общепрофессиональных дисциплин, как: «Современные материалы в строительстве», «Основы расчета строительных конструкций» и профессиональных дисциплин: «Механика грунтов, основания и фундаменты», «Архитектура гражданских и промышленных зданий и сооружений».

Знания этих дисциплин и являются той базой, которая помогает студентам в выполнении курсового проекта.

 

Цель, задачи и реализуемые компетенции

Цель, задачи и реализуемые компетенции описаны в 1 части методических указаний.

 

Формулировка задания и его объем

Формулировка задания и его объем описаны в 1 части методических указаний.

 

Общие требования к написанию и оформлению работы

Общие требования к написанию и оформлению проекта описаны в 1 части методических указаний.

 

Рекомендации по выполнению задания к третьей части

5.3 Центрально-сжатая колонна

5.3.1 Сечения составных центрально-сжатых колонн

В курсовом проекте рекомендуется запроектировать колонну составного сечения; сплошностенчатую, двутаврового сечения, составленную из трех листов (рис. 3.1а), или сквозного сечения (рис. 3.1б,в,г). Такие сечения наиболее распространены в металлостроительстве, они достаточно рациональны в конструктивном и экономическом отношениях и позволяют ознакомить студентов с проектированием современных металлических конструкций.

Ветви сквозных колонн выполняются из прокатных швеллеров, двутавров или уголков и соединяются планками (рис. 3.3а). При расстоянии между ветвями b > 800 мм, ветви лучше соединять решеткой из уголков. В курсовом проекте можно использовать планки и при B > 800 мм.

 

5.3.2 Обоснование закреплений колонн, их расчетных схем
и расчетных длин

Закрепления колонн должны соответствовать условиям эксплуатации и должны обеспечивать наиболее рациональные конструктивные решения. Для закрепления колонн используются их жесткие соединения с фундаментом, связи, балки, жесткие настилы.

Расчетная схема зависит от способа закрепления колонны в фундаменте конструкции связей, а также способа прикрепления балок и настила (рис. 3.2).

В том случае, когда возможна установка связей, например, при неограниченной высоте перекрытия, и когда установка связей экономически целесообразна, например, когда расстояние между колоннами небольшое, меньше ( геометрическая длина колонны, определяемая по формуле (3.2)), целесообразно закрепить хотя бы верхние части колонн от смещения, присоединив их с помощью связей к соседним фундаментам. Верхнюю часть

колонны в этом случае можно принимать шарнирно закрепленной от смещения (рис.3.2а,б), так как шарнирное опирание балок, принятое нами ранее, и присоединение связей практически не препятствует повороту. Для упрощения конструкции базы и монтажа в этом случае целесообразно принимать шарнирное соединение колонны с фундаментом (рис. 3.2а). Жесткое сопряжение колонны с фундаментом (рис. 3.2б) может быть целесообразным в том случае, когда гибкость колонны велика, например, когда ее сечение подбирается по предельной гибкости.

Для уменьшения расчетных длин колонн при расстоянии между ними меньше 0,7 может оказаться целесообразным закрепление от смещения не только их верхних, но и средних частей (рис. 3.2в).

 

 

Рисунок 3.2 – Конструктивные и расчетные схемы закрепления колонн

Если установка связей невозможна (например, при ограниченной высоте перекрытия) или нерациональна (например, расстояние между колоннами больше ), то при шарнирном сопряжении балок и колонн их верхнюю часть при одинаковой загруженности колонн следует рассматривать как незакрепленную от смещения (свободную) (рис. 3.2 г). Так как при одновременной потере устойчивости колонны не будут подкреплять друг друга. Для обеспечения геометрической неизменяемости системы в этом случае необходимо жесткое соединение хотя бы части колонн с фундаментом. Обычно для унификации все колонны соединяются с фундаментами в рассматриваемом направлении жестко.

Если (см. рис. 1.1 и 1.2), то для уменьшения расчетной длины колонны при ограниченной высоте перекрытия целесообразно уменьшить возможный поворот верха колонны с помощью связей, устанавливаемых в габарите строительной высоты перекрытия (рис. 3.2д,ж). Наиболее просто это выполняется в плоскости, перпендикулярной плоскости главных балок, так как часть строительной высоты перекрытия, не использованная в этой плоскости для размещения главных балок, позволяет законструировать

Рисунок 3.2 – Конструктивные и расчетные схемы закрепления колонн

достаточно жесткие по сравнению с колоннами связи. Если их погонная жесткость в 5 и более раз больше погонной жесткости колонн (что обычно вполне возможно при длине ), можно считать, в первом приближении, что верхний конец колонны закреплен от поворота на уровне нижней распорки связей. В этом случае при жестком соединении колонны с фундаментом достигается существенное уменьшение расчетной длины (рис. 3.2д), однако, иногда может оказаться рациональным и шарнирное соединение колонны с фундаментом (рис. 3.2ж).

После подбора сечения колонн и связей по значениям , указанным на рис. 3.2д или 3.2ж, следует по п. 6 СНиП [2] уточнить значение . По согласованию с руководителем курсового проекта уточнение можно не выполнять.

Следует иметь в виду, что рекомендуемые закрепления колонн могут оказаться нерациональными и недостаточными при получающихся малых и больших гибкостях.

Часто бывает целесообразно принимать отличающиеся расчетные схемы колонны в плоскости главных балок и в перпендикулярной плоскости.

Расчетные длины колонны в плоскости главных балок и перпендикулярной плоскости определяются по формулам:

,

(3.1)

где , , , – соответственно расчетные и геометрические длины в двух взаимно перпендикулярных плоскостях;

, – коэффициенты приведения геометрических длин колонны к расчетным длинам, принимаемые в зависимости от расчетных схем во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 3.2).

Геометрическую длину колонны для случаев, когда ее средняя часть не закреплена связями (рис. 3.2а,б,г,д,ж), можно определять по формуле:

, (3.1.1)

где – отметка низа главной балки (рис.1.1; 1.2); H_l=H - t_n – h₁ – h -a, (м)

здесь H – отметка верха настила (см. задание);

t_n – толщина настила (см. п. 4.1.1, часть 1);

h₁ – высота сечения прокатной балки настила (см. приложения Г, Д, часть 1, h₁=h);

h – высота сечения главной балки (часть 2);

a = 0,02 м (часть 2, п. 4.2.16);

– отметка низа плиты базы колонны (рис. 1.1; 1.2), принимается на
0,4 0,6 ниже нулевой отметки. Для рассматриваемой далее конструкции базы колонны с ребрами или траверсами в курсовом проекте можно принять в запас = 0,6 м.

Геометрические длины колонны для случаев, когда ее средняя часть закреплена связями (рис. 3.2в), принимают равными расстояниям между точками закрепления связями. При шарнирном соединении колонны с фундаментом рационально принимать равные расстояния от средних узлов связей до концов колонны.

Так как обычно пролет главных балок больше шага колонн в перпендикулярном направлении, и расчетная длина в плоскости главных балок не меньше расчетной длины колонны в перпендикулярной плоскости, то обычно

, а . (3.2)

Выбор типа сечения колонны

Продольная сила в колонне может быть определена по формуле:

, (3.3)

где – сумма опорных реакций балок, опирающихся на колонну;

– вес колонны и связей, который в курсовом проекте можно определить по формуле , где и – в килоньютонах, а – в метрах;

отметка верха настила по заданию.

Сталь для колонны, если она не оговорена в задании, должна приниматься с учетом эксплуатационных и технико-экономических требований на основании СНиП II-23-81^* (для конструкций группы 3, таб. 50*) после сравнения вариантов колонн из возможных сталей. При расчетной температуре t -30°С и существующих ценах на сталь для колонн в курсовом проекте можно первоначально использовать сталь С235 по ГОСТу 27772-88, так как центрально-сжатые колонны из этой стали будут иметь в большинстве случаев меньшую стоимость.

Меньшая область рационального применения сталей повышенной и высокой прочности в центрально-сжатых элементах, по сравнению с растянутыми элементами, объясняется повышением гибкости колонны и уменьшением коэффициента продольного изгиба с повышением прочности стали. Это приводит к меньшему использованию прочностных характеристик сталей повышенной и высокой прочности и большему удорожанию сжатых элементов из таких сталей. По согласованию с руководителем работы при относительно малых условных гибкостях можно оценить экономическую эффективность более прочной стали.

Тип сечения колонны определяют, сравнивая технико-экономические показатели колонн разных сечений, например, сплошного и сквозного. При выборе типа сечения колонны и при определении размеров выбранного типа сечения колонны необходимо учитывать следующие два принципа рациональной компоновки сечений колонны:

А. При сжатии колонн разных сечений площадь сечения колонны тем меньше, чем больше радиусы инерции сечения и, соответственно, меньше гибкости колонны

; , (3.4)

где – соответственно расчетные длины, гибкости и радиусы инерции сечения колонн во взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Б. При центральном сжатии рациональны сечения, отвечающие требованиям равно устойчивости колонн, когда

(3.5)

и потеря местной устойчивости происходит одновременно с потерей общей устойчивости.

Для некоторых сечений с целью лучшего использования принципа А бывает рационально допустить потерю устойчивости некоторых элементов сечения, которая не приводит к потери общей устойчивости колонны.

Принципу А хорошо соответствуют сквозные сечения колонн, однако, при малых гибкостях эти преимущества могут быть перекрыты затратами на соединительные элементы ветвей (решетку) и расходами, связанными с увеличением габаритов сквозных сечений.

Поэтому по гибкостям колонны можно судить в первом приближении о рациональности ее сечения.

По условию равно устойчивости сечения сплошные двутавровые колонны (рис. 3.1а) ориентируют в плане так, чтобы плоскость наибольшей жесткости сечения с нормальной осью х-х совпадала с плоскостью максимальной расчетной длины . Сечения сквозных двухветвевых колонн (рис. 3.1 б,в) рационально ориентировать так, чтобы материальная ось сечения х-х была перпендикулярна плоскости с меньшей расчетной длиной колонны , так как равно устойчивость таких колонн может быть обеспечена назначением соответствующего расстояния между ветвями и конструкцией решетки. Если расчетные длины одинаковы, то ориентация сечения колонн определяется при решении вопроса об опирании главных балок (см. п. 5.3.7). Сечение сквозной четырехветвевой колонны легко компонуется в соответствии с условием равно устойчивости.

В соответствии с выше изложенным, тип сечения колонны в курсовом проекте будем определять в зависимости от гибкости колонны.

Вначале определим сечение ветвей сквозной двухветвевой колонны.

Размеры сечения колонны определяются в основном из условий общей

и местной устойчивости обычно методом последовательных приближений. Это объясняется тем, что в используемую при расчете формулу для определения требуемой площади сечения колонны (3.7) входит два неизвестных и , одним из которых, чаще всего , приходится первоначально задаваться приближенно.

Зададимся предварительно гибкостью относительно материальной оси сечения х-х (рис. 3.1б,в) в пределах . По принятой гибкости и минимальной расчетной длине определим требуемый радиус инерции сечения

(3.6)

и требуемую площадь сечения двух ветвей колонны

, (3.7)

где – коэффициент продольного изгиба, определяемый по принятой гибкости и расчетному сопротивлению по приложению М табл. М.1 (часть 1) или по приложению Е [1, т.1], или по формулам (8), (9), (10) [2] или по табл.72 [2].

Требуемая площадь ветви равна половине . По сортаменту прокатных швелеров, а если велика, то двутавров (приложения Г, Д, часть 1) подбираем профиль, имеющий наиболее близкие к требуемым характеристики и и проверяем принятое сечение на устойчивость относительно материальной оси х-х. Для проверки определяют

, (3.8)

затем находят коэффициент продольного изгиба по таблицам, приложениям или формулам, указанным для формулы (3.7), и сравнивают

, (3.9)

где А – площадь сечения подобранных профилей двух ветвей колонны.

Если на 10% и более, то необходимо проверить меньшее сечение ветвей.

О рациональности сквозного или сплошного сечения колонны в первом приближении можно судить по условной гибкости подобранного сечения сквозной двухветвевой колонны .

В частности, если , то колонны в виде сварного составного двутаврового профиля (рис. 3.1а) обычно рациональны при гибкостях .

Если , то колонны двутаврового сечения (рис. 3.1а) могут быть рациональными для значений гибкости , удовлетворяющих условию .

В курсовом проекте для упрощения расчетов сплошные колонны можно применять тогда, когда площадь сечения сквозных колонн из прокатных двутавров и уголков (рис.3.1б, в, г) недостаточна.

Сквозные колонны можно применять при гибкостях >1,6. Двухветвевые колонны (рис. 3,1б, в) могут быть рациональными при гибкостях , а при больших гибкостях можно рекомендовать четырехветвевые колонны (рис. 3.1г).

 

12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: