Условия эксплуатации. 5 page

Минимальную толщину стенки принимают из условия обеспечения местной устойчивости. Устойчивость стенок центрально-сжатых элементов сплошного сечения, как правило, считают обеспеченной, если условная гибкость стенки не превышает значений условной предельной. гибкости

С увеличением расчетного сопротивления стали толщины стенки и полки должны быть относительно больше, так как фактически напряжение повышается.

При расположении ребра с одной стороны стенки его момент инерции должен вычисляться относительно оси, совмещенной с ближайшей гранью стенки.

Продольное ребро жесткости следует включать в расчетное сечение площади стержня. В случае выполнения продольного ребра стенки в виде гофра и при вычислении площади сечения следует учитывать развернутую длину гофра.

Стенки допускается укреплять односторонними поперечными ребрами жесткости из одиночных уголков, приваренных к стенке пером. Для укрепления контура сечения и стенки колонны при h_ef / t_w 2.2 ставят поперечные ребра жесткости на расстоянии (2,5-3,0) h_ef, но не реже, чем через 4 м одно от другого; на каждом отправочном элементе должно быть не менее двух ребер.

Иногда по условиям гибкости колонны (например, при большой высоте колонн) приходиться проектировать ее сечение с широкими полками, которые при недостаточной толщине могут оказаться неустойчивыми. В этих случаях для обеспечения устойчивости полок целесообразно укрепить их продольными ребрами, приваренными по кромкам.

Эти ребра проектируют непрерывными по всей высоте колонны и при расчете вводят в состав сечения. В колоннах из тонких элементов ребра могут быть заменены отгибами.

Устойчивость поясных листов и полок центрально-сжатых элементов сплошного сечения обеспечена, если условная гибкость свеса пояса (полки не превышает предельной условной гибкости свеса пояса (полки) ,

При подборе сечения сквозной колонны устойчивость ее относительно свободной оси проверяется не по гибкости , а по приведенной гибкости где - гибкость ветви; вследствие деформативности решеток .

Приведенная гибкость зависит от расстояния между ветвями, устанавливаемого в процессе подбора сечения. Расстояние между ветвями отвечает требованиям равно устойчивости сквозной колонны относительно осей x и y, если приведенная гибкость равна гибкости относительно материальной оси x .

Подбор сечения сквозной колонны начинается с расчета на устойчивость относительно материальной оси x, т.е. с определения требуемой площади сечения по формуле

Так же как и при подборе сечения сплошных колонн, надо задаться гибкостью, чтобы получить коэффициент устойчивости (продольного изгиба) .

Благодаря более рациональному распределению материала в сечении сквозных колонн расчетная гибкость у них бывает несколько меньше, чем у сплошных (при равных условиях)

Задавшись гибкостью и определив по ней коэффициент φ, получаем требуемые площадь и радиус инерции относительно материальной оси x (так как гибкость относительно материальной оси равна расчетной гибкости).

Определив требуемые площадь и радиус инерции, подбираем по сортаменту соответствующий им профиль швеллера или двутавра.

Приняв сечение, проверяем его пригодность по формуле , где коэффициент определяем по действительной гибкости

Если сечение подобрано удовлетворительно, то следующим этапом является определение расстояния между ветвями из условия равно устойчивости

Для проверки устойчивости нужно скомпоновать сечение стержня, установить расстояние между планками и по приведенной гибкости определить коэффициент . Если коэффициент больше коэффициента , то проверка устойчивости относительно оси y не нужна.

Условная поперечная сила принимается постоянной по всей длине колонны. При наличии только соединительных планок ее распределяют поровну между системами планок, расположенных в одной плоскости.

При наличии сплошного листа и решеток делится пополам между листом и решетками, лежащими в плоскости, параллельной листу. Расстояние между планками определяется принятой гибкостью ветви и радиусом инерции ветви

В сварных колоннах за расчетную длину ветви принимают расстояние между планками в свету.

27 Базы колонн. Расчет и конструирование оголовков колонн

Конструкция базы должна отвечать принятому в расчетной схеме колонны способу сопряжения ее с основанием. При шарнирном сопряжении база при действии случайных моментов должна иметь возможность некоторого поворота относительно фундамента, при жестком сопряжении необходимо обеспечить сопряжение базы с фундаментом, не допускающее поворота.

По конструктивному решению базы могут быть с траверсой, с фрезерованным торцом и с шарнирным устройством в виде центрирующей плиты.

При сравнительно небольших расчетных усилиях в колоннах чаще применяют базы с траверсами. Траверса воспринимает нагрузку от стержня колонны и передает ее на опорную плиту. Чтобы повысить равномерную передачу давления с плиты на фундамент, жесткость плиты увеличивают дополнительными ребрами между ветвями траверсы. В легких колоннах роль траверсы могут выполнять консольные ребра, приваренные к стрежню колонны и опорной плите. В колоннах с большими расчетными усилиями (6000-10000 кН и более) целесообразно фрезеровать торец базы. В этом случае траверса и ребра отсутствуют и плита, чтобы равномерно передать нагрузку на фундамент, должна иметь значительную толщину. Конструкция базы с фрезерованным торцом значительно проще и позволяет вести монтаж более простым, безвыверочным способом.

Базы с шарнирным устройством четко отвечают расчетной схеме, но из-за большей сложности монтажа в колоннах применяются редко.

При шарнирном сопряжении колонны с фундаментом анкерные болты ставятся лишь для фиксации проектного положения колонны и закрепления ее в процессе монтажа. Анкеры в этом случае прикрепляются непосредственно к опорной плите базы; благодаря гибкости плиты обеспечивается необходимая податливость сопряжения при действии случайных моментов. При жестком сопряжении анкеры прикрепляются к стержню колонны через выносные консоли и затягиваются с напряжением, близким к расчетному сопротивлению, что устраняет возможность поворота колонны.

Диаметр анкерных болтов при шарнирном сопряжении принимают равным 20-30 мм, а при жестком мм. Для возможности некоторой передвижки колонны в процессе ее установки диаметр отверстия для анкерных болтов принимают в 1,5-2 раза больше диаметра анкеров. На анкерные болты надевают шайбы с отверстием, которое на 3 мм больше диаметра болта, и после натяжения болта гайкой шайбу приваривают к базе.

После выбора типа базы расчетом устанавливают размеры опорной плиты в плане и ее толщину.

При площади опорной плиты , значительно меньшей обреза фундамента , расчетное сопротивление сжатию материала фундамента повышается, и бетон фундамента работает на локальное сжатие (смятие).

Требуемая площадь плиты

Размеры плиты B и L определяются в пределах требуемой нагрузки по конструктивным соображениям в зависимости от размещения ветвей траверсы или укрепляющих плиту ребер.

Плита работает как пластинка на упругом основании, воспринимающая давление от ветвей траверсы и ребер. Опыты показали, что давление на фундамент распределяется неравномерно, с пиками в местах передачи нагрузки. Однако для простоты расчета давление под плитой принимается равномерно распределенным. Плиту рассчитывают как пластину, нагруженную снизу равномерно распределенным давлением фундамента и опертую на элементы сечения стержня и базы колонны (ветви, траверсы, диафрагмы, ребра и т.п.).

В соответствии с конструкцией базы плита может иметь участки, опертые на четыре канта, на три канта и консольные.

Наибольшие изгибающие моменты, действующие на полосе шириной 1 см, в пластинках, опертых на 3 или 4 канта, определяют по формуле где - расчетное давление на 1 см² плиты, равное напряжению в фундаменте под плитой. Обычно толщину плиты принимают в пределах 20-40 мм.

Усилие стержня колонны передается на траверсу через сварные швы, длина которых и определяет высоту траверсы . Если ветви траверсы прикрепляются к стержню колонн четырьмя швами, то получить требуемую высоту траверсы можно по следующей формуле: при и см. Высоту траверсы следует принимать не больше

Прикрепление консольных ребер к стержню колонны рассчитывают на момент и поперечную силу. Момент в плоскости ребра (консоли) где - ширина грузовой площади; - вылет консоли.

Поперечная сила в месте прикрепления консоли

Так как свесы плиты не укреплены, плита обычно получается толще прокатного листа (40-50 мм). В этом случае применяют литые плиты или слябы.

Опорную плиту устанавливают отдельно на трех установочных болтах. После выверки плиты и заливки ее бетоном до верхнего обреза на нее устанавливают колонну.

Плита при фрезерованном торце стержня колонны работает как пластина на упругом основании.

Изгибающий момент в плите по кромке колонны где - напряжение в фундаменте под плитой базы; - площадь трапеции; - расстояние от центра тяжести трапеции до кромки колонны.

Требуемая толщина плиты

Точный расчет, учитывающий фактический пространственный изгиб плиты, для прямоугольной пластинки весьма сложен, однако он может быть упрощен, если заменить прямоугольную плиту и сечение колонны равновеликими им по площади кругами.

Оголовки колонн и сопряжение балок с колоннами. Сопряжение балок с колоннами может быть свободное (шарнирное) и жесткое. Свободное сопряжение передает только вертикальные нагрузки. Колонны в этом случае должны быть закреплены во время эксплуатации и монтажа от горизонтальных смещений защемлением в фундаменте или системами вертикальных связей. Жесткое сопряжение балок с колоннами образует рамную систему, способную воспринимать горизонтальные воздействия и уменьшить расчетный момент в балках. В этом случае балки примыкают к колонне сбоку.

При свободном сопряжении, балки обычно ставят на колонну сверху, что обеспечивает простоту монтажа. В этом случае оголовок колонны состоит из плиты и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку на стержень колонны.

Если нагрузка передается на колонну через фрезерованные торцы опорных ребер балок, то плита оголовка поддерживается снизу ребрами, идущими под опорными ребрами балок.

Ребра оголовка приваривают к опорной плите и к ветвям колонны при сквозном стержне или к стене колонны при сплошном стержне. Швы, ребер прикрепляющие ребро оголовка к плите, должны выдерживать полное давление на оголовок. Проверяют их по формуле при или при .

Высоту ребра оголовка определяют из условия требуемой длины швов, передающих нагрузку на стержень колонны (длина швов не должна быть больше ) см.

Толщину ребра оголовка определяют из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением где - длина сминаемой поверхности, равная ширине опорного ребра балки плюс две толщины плиты оголовка колонны.

Назначив толщину ребра, следует проверить его на срез по формуле При малых толщинах стенок швеллеров сквозной колонны и стенки сплошной колонны их надо также проверить на срез в месте прикрепления к ним ребер. Можно в пределах высоты оголовка сделать стенку более толстой.

Чтобы придать жесткость ребрам, поддерживающим опорную плиту, вертикальные ребра, воспринимающие нагрузку, обрамляют снизу горизонтальными ребрами.

Опорная плита оголовка передает давление от вышележащей конструкции на ребра оголовка и служит для скрепления балок с колоннами монтажными болтами, фиксирующими проектное положение балок. Толщина опорной плиты принимается конструктивно в пределах 20-25 мм.

При фрезерованном торце колонны давление от балок передается через опорную плиту непосредственно на ребра оголовка. В этом случае толщина швов, соединяющих плиту с ребрами так же, как и с ветвями колонны, назначается конструктивно. Большие опорные давления балок лучше передавать на колонну через ребра, расположенные над полками колонн.

Если балка крепится к колонне сбоку, вертикальная реакция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны. Торец опорного ребра балки и верхняя кромка столика пристрагиваются. Толщину столика принимают из листа толщиной 20-40 мм. Толщина столика должна быть больше толщины опорного ребра примерно на 10 мм. Столик целесообразно приваривать к колонне по трем сторонам.

Сварные швы, приваривающие столик к колонне, рассчитывают по формуле при или при .

Чтобы балка не зависла на болтах и плотно стала на опорный столик, опорные ребра балки прикрепляются к стержню колонны болтами, диаметр которых должен быть на 3-4 мм меньше диаметра отверстий.

28 Металлические фермы. Расчет и конструирование. Решения узловых соединений. Устойчивость ферм

Фермой называется система стержней соединенных между собой в узлах и образующих геометрически неизменяемую конструкцию. При узловой нагрузке жесткость узлов несущественно влияет на работу конструкции, и в большинстве случаев их можно рассматривать как шарнирные. В этом случае все стержни ферм испытывают только растягивающие или сжимающие осевые усилия.

Фермы экономичнее балок по расходу стали, но более трудоемки в изготовлении. Эффективность ферм по сравнению со сплошностенчатыми балками тем больше, чем больше пролет и меньше нагрузка.

Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы воспринимают нагрузку, приложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении их связями. Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, воспринимающий нагрузку в любом направлении.

Основными элементами ферм являются пояса, образующие контур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек. Соединение элементов в узлах осуществляется путем непосредственного примыкания одних элементов к другим или с помощью узловых фасонок. Элементы ферм центрируются по осям центра тяжести для снижения узловых моментов и обеспечения работы стержней на осевые усилия.

Узлы ферм

а – с непосредственным примыканием элементов; б – на фасонках

Расстояние между соседними узлами поясов называется панелью (d_в – панель верхнего пояса, d_н – нижнего), а расстояние между опорами – пролетом (l).

Пояса ферм работают на продольные усилия и момент (аналогично поясам сплошных балок); решетка ферм воспринимает в основном поперечную силу, выполняя функции стенки балки.

Стальные фермы широко применяются во многих областях строительства; в покрытиях и перекрытиях промышленных и гражданских зданий, мостах, опорах линий электропередачи, объектах связи, телевидения и радиовещания (башни, мачты), транспортных эстакадах, гидротехнических затворах, грузоподъемных кранах и т. д.

Фермы имеют разную конструкцию в зависимости от назначения, нагрузок и классифицируются по различным признакам:

по статической схеме – балочные (разрезные, неразрезные, консольные); арочные, рамные, комбинированные;

по очертанию поясов – с параллельными поясами, трапециевидные, треугольные, полигональные, сегментные;

по системе решетки – треугольная, раскосная, крестовая, ромбическая;

по способу соединения элементов в узлах – сварные, клепанные, болтовые;

Очертания поясов ферм

а – сегментное; б – полигональное; в – трапецеидальное; г – с параллельными поясами;

д-и - треугольное

по величине максимального усилия – легкие – одностенчатые с сечениями из прокатных профилей (усилие N кН) и тяжелые – двухступенчатые с элементами составного сечения (N > 300кН).

Системы решетки ферм

а – треугольная; б – треугольная с дополнительными стойками; в – раскосная

с восходящими раскосами; г – раскосная с нисходящими раскосами;

д – шпренгельная; е – крестовая; ж – перекрестная; и – ромбическая;

к - полу раскосная

В покрытиях зданий, мостах, транспортных галереях и других сооружениях нашли применение балочные разрезные системы. Они просты в изготовлении и монтаже, не требуют устройства сложных узлов, но весьма металлоемки. При пролетах балок 40м разрезные фермы получаются негабаритными, и их собирают при монтаже.

Для двух и более перекрываемых пролетов применяют неразрезные фермы. Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Применение неразрезных ферм при слабых грунтах не рекомендуется, так как при осадке опор возникают дополнительные усилия. Кроме того, неразрезность усложняет монтаж.

Рамные фермы экономичнее по расходу стали, имеют меньшие габариты, но более сложны в монтаже. Их рационально применять для большепролетных зданий. Арочные системы, дают экономию стали, но приводят к увеличению объема помещения и поверхности ограждающих конструкций. Применение их диктуется архитектурными требованиями. Консольные фермы используют для навесов, башен, опор ЛЭП.

Очертания ферм должны соответствовать их статической схеме и виду нагрузок, определяющих эпюру изгибаемых моментов. Для ферм покрытий необходимо учитывать материал кровли и требуемый уклон для обеспечения водоотвода, тип узла сопряжения с колоннами (жесткий или шарнирный) и другие технологические требования.

Очертания поясов ферм определяет их экономичность. Наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для однопролетной балочной системы с равномерно распределенной нагрузкой будет сегментная ферма с параболическим поясом. Однако криволинейные пояса очень трудоемки в изготовлении, поэтому такие фермы применяют крайне редко. Более применяемыми являются полигональные фермы. В тяжелых большепролетных фермах дополнительные конструктивные затруднения из – за перелома поясов в узлах не так ощутимы, так как из условия транспортировки пояса в таких фермах приходится стыковать в каждом узле.

Для легких ферм полигональное очертание нерационально, поскольку усложнение узлов не окупается экономией стали.

Фермы трапецеидальные, хотя не совсем соответствуют эпюре моментов, имеют конструктивные преимущества, за счет упрощения узлов. Кроме того, применение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рамный узел, что повышает жесткость здания.

Фермы с параллельными поясами по своему очертанию далеки от эпюры моментов и неэкономичны по расходу стали. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, повторяемость элементов и деталей, возможность их унификации способствуют индустриализации их изготовления. Поэтому фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия производственных зданий.

Фермы треугольного очертания рациональны для консольных систем и для балочных при сосредоточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). Недостатком этих ферм является повышенный расход металла при распределенной нагрузке; острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами, Средние раскосы очень длинные и их приходится подбирать по предельной гибкости, что ведет к перерасходу металла. Однако иногда их используют для стропильных конструкций, когда необходимо обеспечить большой уклон кровли (свыше 20%) или для создания одностороннего равномерного освещения (шедовые покрытия).

Пролет или длина ферм определяется эксплуатационными требованиями и обще компоновочным решением сооружения и рекомендуется конструктором.

Там где пролет не диктуется технологическими требованиями (например, эстакады поддерживающие трубопроводы и т.п.), его назначают на основе экономических соображений, по наименьшей суммарной стоимости ферм и опор.

Высота треугольных ферм является функцией пролета и уклона фермы (25-45⁰), что дает высоту ферм h . Высота обычно бывает выше требуемой, поэтому треугольные фермы не экономичны. Высоту фермы можно уменьшить, придав нижнему поясу приподнятое очертание, но опорный узел не должен быть очень острым.

Для высоты трапецеидальных ферм и ферм с параллельными поясами нет конструктивных ограничений, высоту фермы принимают из условия наименьшего веса фермы. Вес фермы складывается из веса поясов и решетки. Вес поясов уменьшается с увеличением высоты фермы, так как усилия в поясах обратно пропорциональны высоте h

Вес решетки наоборот, с увеличением высоты фермы возрастает, так как увеличивается длина раскосов и стоек, поэтому оптимальная высота ферм составляет 1/4 - 1/5 пролета. Это приводит к тому, что при пролете 20м высота фермы больше предельно (3,85м) допустимой по условию транспортировки. Поэтому с учетом требований транспортировки, монтажа, унификации высоту ферм принимают в пределах 1/7 – 1/12 пролета (для легких ферм еще меньше).

Наименьшая возможная высота фермы определяется допустимым прогибом. В обычных кровельных покрытиях жесткость ферм превосходит требуемую. В конструкциях работающих на подвижную нагрузку (фермы подкрановых эстакад, мостовых кранов и т. п.) требования жесткости настолько высоки (f / l = 1/750 - 1/1000), что они диктуют высоту фермы.

Прогиб фермы определяют аналитически по формуле Мора где Ni – усилие в стержне фермы от заданной нагрузки; - усилие в том же стержне от силы, равной единице, приложенной в точке определения прогиба по направлению прогиба.

Размеры панели должны соответствовать расстояниям между элементами, передающими нагрузку на ферму, и отвечать оптимальному углу наклона раскосов, который в треугольной решетке составляет примерно 45⁰, а в раскосной решетке - 35⁰. Из конструктивных соображений – рационального очертания фасонки в узле и удобства прикрепления раскосов – желателен угол близкий к 45⁰.

В стропильных фермах размеры панелей принимаются в зависимости от системы кровельного покрытия.

Желательно для исключения работы пояса на изгиб обеспечить передачу нагрузки от кровли на узлы фермы. Поэтому в покрытиях из крупноразмерных железобетонных или металлических плит расстояние между узлами принимается равным ширине плиты (1,5м или 3м), а в покрытиях по прогонам – шагу прогонов (от 1,5м до 4м). Иногда для уменьшения размеров панели пояса принимается шпренгельная решетка.

Строительный подъем. В фермах больших пролетов (более 36м), а также в фермах из алюминиевых сплавов или высокопрочных сталей возникают большие прогибы, которые ухудшают внешний вид конструкции и недопустимы по условиям эксплуатации.

Провисание ферм предотвращается устройством стропильного подъема, т.е. изготовление ферм с обратным выгибом, который под действием нагрузки погашается, и ферма принимает проектное положение. Строительный подъем назначают равным прогибу от постоянной плюс половину временных нагрузок. При плоских кровлях и пролетах больше 36м строительный подъем следует принимать независимо от величины пролета равным прогибу от суммарной нормативной нагрузки плюс 1/200 пролета.