Узлы анкерные болты и оголовок колонны. Центрально-сжатые колонны

Сопряжение балок с колоннами может быть свободное (шарнирное) и жесткое . Свободное сопряжение передает только вертикальные нагрузки. Жесткое сопряжение образует рамную систему, способную воспринимать горизонтальные воздействия и уменьшать расчетный момент в балках. В этом случае балки примыкают к колонне сбоку.

При свободном сопряжении балки 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 (рис.).

Если нагрузка передается на колонну через фрезерованные торцы опорных ребер балок, расположенных близко к центру колонны, то пли­та оголовка поддерживается снизу ребрами, идущими под опорными ребрами балок (рис. а и б).

Рис. Оголовки колонн при опирании балок сверху

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

. (8)

Высоту ребра оголовка определяют требуемой длиной швов, пере­дающих нагрузку на стержень колонны (длина швов не должна быть больше 85∙β w ∙k f:

. (9)

Толщину ребра оголовка определяют из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением

, (10)

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:

. (11)

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, и укрепить от потери устойчивости стенки стержня колонны в местах пе­редачи больших сосредоточенных нагрузок, 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.

Если балка крепится к колонне сбоку (рис.), вертикальная ре­акция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны. Торец опорного ребра балки и верхняя кромка столика пристраиваются. Толщину столика принимают на 20-40 мм больше толщины опорного ребра балки.

Рис. Опирание балки на колонну сбоку

Столик целесообразно приваривать к колонне по трем сторонам.

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

Лекция 13

Фермы. Общая характеристика и классификация

Ферма - система стержней, соединенных между собой в узлах и образующих геомет­рически неизменяемую кон­струкцию. Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы (рис. а) могут воспринимать нагрузку, при­ложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространствен­ные фермы (рис. б, в) образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом на­правлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башен­ная конструкция (рис. г).

Рис. Плоская (а) и пространственные (б, в, г) фермы

Основными элементами ферм являются пояса, образующие кон­тур фермы, и решетка, состоящая из раскосов и стоек (рис.).

1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - раскосы; 4 - стойка

Рис. Элементы ферм

Расстояние между узлами пояса называют панелью (d ) , рас­стояние между опорами - пролетом (l ), расстояние между осями (или наружными гранями) поясов - высотой фермы (h ф ).

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

Соединения элементов в узлах осуществляют путем непосредст­венного примыкания одних элементов к другим (рис. а) или с помощью узловых фасонок (рис. б). Для того чтобы стерж­ни ферм работали в основном на осевые усилия, а влиянием моментов можно было пренебречь, элементы ферм центрируют по осям, проходящим через центры тяжести.

а – при непосредственном примыкании элементов решетки к поясу;

б – при соединении элементов с помощью фасонки

Рис. Узлы ферм

Фермы классифицируют по статической схеме, очертанию поясов, системе решетки, способу соединения элементов в узлах, величине усилия в элементах. По статической схеме фермы бывают (рис.): балочные (разрезные, не­разрезные, консольные), арочные, рамные и вантовые.

Балочные разрезные системы (рис.а) применяются в покрытиях зданий, мостах. Они просты в изготовлении и мон­таже, не требуют устройства сложных опорных узлов, но весьма металлоемки. При больших пролетах (более 40 м) разрезные фермы получаются негабаритными и их приходится собирать из отдельных элементов на монтаже. При числе перекрываемых пролетов два и более применяют неразрезные фермы (рис. б). Они экономичнее по расходу металла и обладают большей жесткостью, что позволяет уменьшить их высоту. Но при осадке опор, в неразрезных фермах возника­ют дополнительные усилия, поэтому их применение при слабых просадочных основаниях не рекомендуется. Кроме того, усложнен монтаж таких конструк­ций.

а - балочная разрезная; 6 - балочная неразрезная; в, е - консольная;

г - рамная; д - арочная; ж - вантовая; з - комбинированные:

Рис. Системы ферм

Консольные фермы (рис. в, е) используют для навесов, башен, опор воздушных линий электропередач. Рамные системы (рис. д) экономичны по расходу стали, имеют меньшие габариты, од­нако более сложны при монтаже.Их применение рационально для большепролетных зданий. Применение арочных систем (рис. д),хотя и дает экономию стали, приводит к увеличению объема поме­щения и поверхности ограждающих конструкций.Их применение вызвано в основном архитектурными требованиями. В вантовых фермах (рис. ж) все стержни работают только на растяжение и могут быть выполнены из гибких элементов, например стальных тросов. Растяжение всех элементов таких ферм достигается выбором очертания поясов и решетки, а также созданием предварительного напряжения. Работа только на растяжение позволяет полностью ис­пользовать высокие прочностные свойства стали, поскольку снима­ются вопросы устойчивости. Вантовые фермы рациональны для большепролетных перекрытий и в мостах. Применяются также комбинированные системы, состоящие из балки, подкрепленной снизу шпренгелем или раско­сами, либо сверху аркой (рис. з). Эти системы просты в изготовлении (вследствие меньшего числа элементов) и рациональны в тяжелых конструкциях, а также в конструкциях с подвижными нагрузками. Весьма эффективно применение комбинированных систем при уси­лении конструкций, например, подкрепление балки, при недоста­точной ее несущей способности, шпренгелем или подкосами.

В зависимости оточертания поясов фермы подразделяют на сегментные, полигональные, трапецеидальные, с параллельными поясами и треугольные (рис.).

Наиболее экономичной по расходу стали является ферма, очерченная по эпюре моментов. Для одно­пролетной балочной системы с равномерно распределенной нагруз­кой это сегментная ферма с параболическим поясом (рис. а). Однако криволинейное очертание пояса повышает трудоемкость изготовления, поэтому такие фермы в настоящее время практически не применяют.

Более приемлемым является полигональное очертание (рис. б) с переломом пояса в каждом узле. Оно достаточно близко соответст­вует параболическому очертанию эпюры моментов, не требует изго­товления криволинейных элементов. Такие фермы иногда применя­ют для перекрытия больших пролетов и в мостах.

а - сегментное; б - полигональное; в - трапецеидальное; г - с параллельными поясами; д, е, ж, и - треугольное

Рис. Очертания поясов ферм:

Фермы трапецеидального очертания (рис. в) имеют конструктивные пре­имущества прежде всего за счет упрощения узлов. Кроме того, при­менение таких ферм в покрытии позволяет устроить жесткий рам­ный узел, что повышает жесткость каркаса.

Фермы с параллельными поясами (рис. г) имеют равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, наибольшая повторяемость элементов и деталей и возможность их унификации, что способствует индустриализации их изготовления.

Фермы треугольного очертания (рис. д, е, ж, и) рациональ­ны для консольных систем, а также для балочных систем при сосре­доточенной нагрузке в середине пролета (подстропильные фермы). При распределенной нагрузке треугольные фермы имеют повышен­ный расход металла. Кроме того, они имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен и допускает только шарнирное сопряжение с колоннами. Средние раскосы получаются чрезвычайно длинными, и их сечение приходится подбирать по пре­дельной гибкости, что вызывает перерасход металла.

По способу соединения элементов в узлах фермы подразделяют на сварные и болтовые. В конструкциях, изготовленных до 50-х го­дов, применялись также клепаные соединения. Основными типами ферм являются сварные. Болтовые соединения, как правило, на вы­сокопрочных болтах применяют в монтажных узлах.

По величине максимальных усилий условно различают легкие фермы с сечениями элементов из простых прокатных или гнутых профилей (при усилиях в стержнях N < 3000 кН) и тяжелые фермы с элементами составного сечения (N > 3000 кН).

Эффективность ферм может быть повышена при создании в них предварительного напряжения.

Системы решеток ферм

Системы решетки, применяемые в фермах, показаны на рис.

а - треугольная; б - треугольная со стойками; в, г - раскосная; д - шпренгельная; е - кресто­вая; ж - перекрестная; и - ромбическая; к - полураскосная

Рис. Системы решеток ферм

Выбор типа решетки зависит от схемы приложения нагрузок, очертания поясов и конструктивных требований. Для обеспечения компактности узлов угол между раскосами и поясом желательно иметь в пределах 30...50 0 .

Треугольная система решетки (рис. а) имеет наименьшую суммарную длину элементов и наименьшее число узлов. Различают фермы с восходящими и нисходящими опорными раскосами.

В местах приложения сосредоточенных нагрузок (например, в местах опирания прогонов кровли) можно установить дополнительные стойки или подвески (рис. б). Эти стойки служат также для уменьшения расчетной длины пояса. Стойки и подвески работают только на ме­стную нагрузку.

Недостатком треугольной решетки является наличие длинных сжатых раскосов, что требует дополнительного расхода стали для обеспечения их устойчивости.

В раскосной решетке (рис. в, г) все раскосы имеют усилия одного знака, а стойки - другого. Раскосная решетка более металлоемка и трудоемка по сравнению с треугольной, так как общая длина эле­ментов решетки больше и в ней больше узлов. Применение раскос­ной решетки целесообразно при малой высоте ферм и больших уз­ловых нагрузках.

Шпренгельную решетку (рис. д) применяют при внеузловом приложении сосредоточенных нагрузок к верхнему поясу, а также при необходимости уменьшения расчетной длины пояса. Она более трудоемка, но может обеспечить снижение рас­хода стали.

Крестовую решетку (рис. е) применяют при действии нагрузки на ферму как в одном, так и в другом направлении (например, ветровая нагрузка). В фермах с поясами из тавров можно применить перекрестную решетку (рис. ж) из одиночных уголков с креплением рас­косов непосредственно к стенке тавра.

Ромбическая и полураскосная решетки (рис. и, к) благодаря двум системам раскосов обладают большой жесткостью; эти системы применяют в мостах, башнях, мачтах, связях для уменьшения расчетной длины стержней.

Типы сечений стержней ферм

По расходу стали для сжатых стержней ферм наиболее эффек­тивным является тонкостенное трубчатое сечение (рис. а). Круг­лая труба обладает наиболее благоприятным для сжатых элементов распределением материала относительно центра тяжести и при рав­ной с другими профилями площади сечения имеет наибольший ра­диус инерции (i ≈ 0,355d), одинаковый во всех направлениях, что позволяет получить стержень наименьшей гибкости. Применение труб в фермах дает экономию стали до 20...25 % .

Рис. Типы сечений элементов легких форм

Большим преимуществом круглых труб является хорошая обте­каемость. Благодаря этому ветровое давление на них меньше, что особенно важно для высоких открытых сооружений (башен, мачт, кранов). На трубах мало задерживается иней и влага, поэтому они более стойки против коррозии, их легко очищать и окрашивать. Все это повышает долговечность трубчатых конструкций. Для предот­вращения коррозии внутренние полости трубы следует герметизиро­вать.

Прямоугольные гнуто-замкнутые сечения (рис. б), позволяют упростить узлы сопряже­ния элементов. Однако, фер­мы из гнутозамкнутых профилей с бесфасоночными узлами требуют высокой точности из­готовления и могут быть выполнены только на специализированных заводах.

До последнего времени легкие фермы проектировали в основном из двух уголков (рис. в, г, д, е). Такие сечения имеют большой диапазон площадей, удобны для конструирования узлов на фасонках и прикрепления примыкающих к фермам конструкций (прогонов, кровельных панелей, связей). Существенным недостатком такой конструктивной формы являются; большое количество элементов с различными типоразмерами, значительный расход металла на фа-сонки и прокладки, высокая трудоемкость изготовления и наличие щели между уголками, что способствует коррозии. Стержни с сечением из двух уголков, составленных тавром, не эф­фективны при работе на сжатие.

При относительно небольшом усилии стержни ферм можно вы­полнять из одиночных уголков (рис. ж). Такое сечение проще в изготовлении, особенно при бесфасоночных узлах, поскольку имеет меньше сборочных деталей, не имеет щелей, закрытых для очистки и окраски.

Использование для поясов ферм тавров (рис. и) позволяет значительно упростить узлы. В такой ферме уголки раскосов и стоек можно приварить непосредственно к стенке тавра без фасонок. Это в два раза уменьшает количество сборочных деталей и снижает тру­доемкость изготовления:

Если пояс ферм работает, помимо осевого усилия, и на изгиб (при внеузловой передаче нагрузки), рационально сечение из дву­тавра или двух швеллеров (рис. к, л).

Весьма часто сечения элементов фермы принимают из разных видов профилей: пояса из двутавров, решетка из гнутозамкнутых профилей, или пояса из тавров, решетка из парных или одиночных уголков. Такое комбинированное решение оказывается более рацио­нальным.

Сжатые элементы ферм следует проектировать равноустойчивыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При одинако­вых расчетных длинах l x = l y этому условию отвечают сечения из круглых труб и квадратных гнутозамкнутых профилей/.

В фермах из парных уголков близкие радиусы инерции (i x ≈ i y) имеют неравнополочные уголки, поставленные большими полками вместе (рис. г). Если расчетная длина в плоскости фермы в два раза меньше, чем из плоскости (например, при наличии шпренгеля), рационально сечение из неравнополочных уголков, составленных вместе малыми полками (рис. д), так как в этом случае i y ≈ 2i x .

Стержни тяжелых ферм отличаются от легких более мощными и развитыми сечениями, составленными из нескольких элементов (рис.).

Рис. Типы сечений элементов тяжелых ферм

Определение расчетной длины стержней фермы

Несущая способность сжатых элементов зависит от их расчетной длины:

l ef = μ× l , (1)

где ц - коэффициент приведения длины, зависящий от способа за­крепления концов стержня;

l - геометрическая длина стержня (расстояние между центрами узлов или точками закрепления от смещения).

Заранее мы не знаем, в каком направлении произойдет выпучи­вание стержня при потере устойчивости: в плоскости фермы или в перпендикулярном направлении. Поэтому для сжатых элементов необходимо знать расчетные длины и проверить устойчивость в обо­их направлениях. Гибкие растянутые стержни могут провисать под действием собственного веса, их легко повредить при транспорти­ровке и монтаже, а при действии динамических нагрузок они могут вибрировать, поэтому их гибкость ограничена. Для проверки гибкости необходимо знать и расчетную длину растянутых стержней.

На примере стропильной фермы производственного здания с фонарем (рис.) рассмотрим приемы определения расчетных длин. Возможное искривление поясов фермы при потере устойчиво­сти в ее плоскости может произойти между узлами (рис. а).

Поэтому расчетная длина пояса в плоскости фермы равна расстоя­нию между центрами узлов (μ = 1). Форма потери устойчивости из плоскости фермы зависит от того, в каких точках пояс закреплен от смещения. Если по верхнему поясу уложены жесткие металлические или железобетонные панели, приваренные или закрепленные к поя­су на болтах, то ширина этих панелей (как правило, равная расстоя­нию между узлами) и определяет расчетную длину пояса. Если в ка­честве кровельного покрытия используется профилированный на­стил, прикрепленный непосредственно к поясу, то пояс закреплен от потери устойчивости по всей длине. При кровле по прогонам расчетная длина пояса из плоскости фермы равна расстоянию между прогонами, закрепленными от смещения в горизонтальной плоско­сти. Если прогоны не закре­пили связями, то они не могут пре­пятствовать смещению пояса фермы и расчетная длина пояса будет равна всему пролету фермы. Для того что­бы прогоны обеспечивали закрепле­ние пояса, необходимо поставить горизонтальные связи (рис. б)и связать с ними прогоны. На уча­стке покрытия под фонарем необходимо поставить распорки.

а - деформации верхнего пояса при потере устойчивости в плоскости фер­мы; б, в - то же, из плоскости фермы; г - деформации решетки

Рис. К определению расчет­ных длин элементов ферм

Таким образом, расчетная длина пояса из плоскости фермы в общем случае равна расстоянию между точками, закрепленными от смеще­ния. Элементами, закрепляющими пояс, могут служить кровельные па­нели, прогоны, связи и распорки. В процессе монтажа, когда элементы кровли еще не установлены для за­крепления фермы, из их плоскости могут использоваться временные связи или распорки.

При определении расчетной длины элементов решетки мо­жно учесть жесткость узлов. При потере устойчивости сжатый элемент стремится повер­нуть узел (рис.г). Примыкающие к этому узлу стержни сопротивляются изгибу. Наибольшее со­противление повороту узла оказывают растянутые стержни, по­скольку их деформация от изгиба ведет к сокращению расстояния между узлами, между тем как от основного усилия это расстояние должно увеличиваться. Сжатые же стержни слабо сопротивляются изгибу, так как деформации от поворота и осевого усилия направле­ны у них в одну сторону и, кроме того, они сами могут терять ус­тойчивость. Таким образом, чем больше растянутых стержней при­мыкает к узлу и чем они мощнее, т.е. чем больше их погонная жест­кость, тем больше степень защемления рассматриваемого стержня и меньше его расчетная длина. Влиянием сжатых стержней на защем­ление можно пренебречь.

Сжатый пояс слабо защемлен в узлах, поскольку погонная жест­кость растянутых элементов решетки, примыкающих к узлу, невели­ка. Поэтому при определении расчетной длины поясов мы не учитывали жесткость узлов. Аналогично и для опорных раскосов и стоек. Для них расчетные длины, как и для поясов, равны геометрической, т.е. расстоянию между центрами уз­лов.

Для прочих элементов решетки принимается следующая схема. В узлах верхнего пояса большинство элементов сжаты и мера защемления мала. Эти узлы можно считать шарнирными. В узлах нижнего пояса большинство сходящихся в узле элементов растяну­ты. Эти узлы являются упругозащемленными.

Степень защемления зависит не только от знака усилий стерж­ней, примыкающих к сжатому элементу, но и от конструкции узла. При наличии фасонки, ужесточающей узел, защемление больше, поэтому, согласно нормам, в фермах с узловыми фасонками (например, из парных уголков) расчетная длина в плоскости фермы равна 0,8×l , а в фермах с примыканием элементов впритык, без узло­вых фасонок - 0,9×l .

При потере устойчивости из плоскости фермы степень защемле­ния зависит от крутильной жесткости поясов. Фасонки из своей плоскости гибкие и могут рассматриваться как листовые шарниры. Поэтому в фермах с узлами на фасонках расчетная длина элементов решетки равна расстоянию между узлами l 1 . В фермах с поясами из замкнутых профилей (круглых или прямоугольных труб), имею­щих высокую крутильную жесткость, коэффициент приведения рас­четной длины может быть принят равным 0,9.

В таблице приведены расчетные длины элементов для наиболее распространенных случаев плоских ферм.

Таблица - Расчетные длины элементов ферм

Примечание. l -геометрическая длина элемента (расстояние между центрами узлов); l 1 - расстояние между центрами узлов, закрепленных от смещения из плоскости фермы (поясами ферм, связями, плитами покрытия и т.д.).

Подбор сечения сжатых и растянутых элементов

Подбор сечения сжатых элементов

Подбор сечений сжатых элементов ферм начинается с определения требуемой площади из условия устойчивости

, (2)

.

1) Предварительно можно принять для поясов легких ферм l = 60 - 90 и для решетки l = 100 - 120. Большие значения гиб­кости принимаются при меньших усилиях.

2) По требуемой площади подбирают из сортамента подходящий профиль, определяют его фактические геометрические характеристики A, i х, i y .

3) Находят l х = l x /i x и l y =l y /i y , по большей гибкости уточняют коэффици­ент j.

4) Делают проверку устойчивости по формуле (2).

Если гиб­кость стержня предварительно была задана неправильно и проверка показала перенапряжение или значительное (больше 5-10 %) недонапряжение, то проводят корректировку сечения, принимая проме­жуточное между предварительно заданной и фактической значение гибкости. Обычно второе приближение достигает цели.

Примечание. Местную устойчивость сжатых элементов, выполненных из про­катных сечений, можно считать обеспеченной, поскольку из усло­вий прокатки толщина полок и стенок профилей больше, чем требу­ется из условий устойчивости.

При выборе типа профилей нужно помнить, что рациональным является сечение, имеющее одинаковые гибкости как в плоскости, так и из плоскости фермы (принцип равноустойчивости), поэтому при назначении профилей необходимо обратить внимание на соотношение рас­четных длин. Например, если проектируем ферму из уголков и расчетные длины элемента в плоскости и из плоскости одинаковы, то рационально выбрать неравнополочные уголки и поставить их большими полками вместе, так как в этом случае i x ≈ i y , и при l x = l y λ x ≈ λ y . Если расчетная длина из плоскости l y в два раза больше расчетной длины в плоскости l x (например, верхний пояс на участке под фонарем), то более рациональным будет сечение из двух неравнополочных уголков, поставленных вместе малыми полками, так как в этом случае i x ≈ 0,5×i y и при l x =0,5×l y λ x ≈ λ y . Для элемен­тов решетки при l x =0,8×l y наиболее рациональным будет сечение из равнополочных уголков. Для поясов ферм лучше запроектировать сечение из неравнополочных уголков, поставленных вместе меньшими полками, чтобы при подъ­еме фермы обеспечить большую жесткость из плоскости.

Подбор сечения растянутых элементов

Требуемую площадь сечения растянутого стержня фермы определяем по формуле

. (3)

Затем по сортаменту выбирают профиль, имеющий ближайшее большее значение площади. Проверка принятого сечения в этом случае не требуется.

Подбор сечения стержней по предельной гибкости

Элементы ферм следует проектировать, как правило, из жестких стержней. Особенно существенное значение жесткость имеет для сжатых элементов, предельное состояние которых определяется по­терей устойчивости. Поэтому для сжатых элементов ферм в СНиПе установлены требования по предельной гибкости более жесткие, чем в зарубежных нормативных документах. Пре­дельная гибкость для сжатых элементов ферм и связей зависит от назначения стержня и степени его загруженности: , где N - расчетное усилие, j×R y ×g c - несущая способность.

Растянутые стержни также не должны быть слишком гибкими, особенно при воздействии динами­ческих нагрузок. При статических нагрузках гибкость растянутые элементов ограничивается только в вертикальной плоскости. Если растянутые элементы предварительно напряжены, то их гибкость не ограничивается.

Ряд стержней легких ферм имеют незначительные усилия и, сле­довательно, небольшие напряжения. Сечения этих стержней подби­рают по предельной гибкости. К таким стержням обычно от­носят дополнительные стойки в треугольной решетке, раскосы в средних панелях ферм, элементы связей и т.п.

Зная расчетную длину стержня l ef и значение предельной гиб­кости l пр, определяем требуемый радиус инерции i тр = l ef / l тр. По нему в сортаменте выбираем сечение, имеющее наименьшую площадь.

База колонны – нижняя часть колонны, передающая нагрузку на фундамент.

Базы колонн должны выполнять следующие задачи: 1) Надежно фиксировать нижнюю часть стержня колонны на фундаменте, 2) Воспринимать нагрузки от стержня колонны и распределять ее по площади фундамента. Фундаменты, как правило, выполнены из монолитного или сборного железобетона.

Рис. 1. Условно шарнирная база.

Используется для центрально-сжатых колонн. Состоит из опорной плиты, на которую устанавливается фрезерованный торец стержня.

Рис. 2. Жесткая база

Жесткая база в плоскости анкерных болтов и шарнирная из плоскости анкерных болтов. Используется для стоек фахверка и т.п. Состоит из опорной плиты, которая крепится к фундаменту анкерными болтами.

Рис. 3. Жесткая база

Используется для сжато-изгибаемых колонн. Состоит из опорной плиты, которая крепится к фундаменту анкерными болтами.

Рис. 4. Шарнирная база.

Используется для центрально-сжатых колонн. Состоит из опорной плиты, которая крепится к фундаменту анкерными болтами.

Рис. 5. Жесткая база

Используется для сжато-изгибаемых колонн. Состоит из опорной плиты, усиленной ребрами жесткости, которая крепится к фундаменту анкерными болтами.

Виды производства стали, применяемой в металлических конструкциях

Сортамент для стальных конструкций

Вопрос 5. Влияние различных факторов на свойства стали.

Вопрос 6. Виды дефектов кристаллической решетки и механизм разрушения стали. Работа стали при неравномерном распределении напряжений. Работа стали при неравномерном распределении напряжения.

Вопрос 7. Алюминиевые сплавы, и их состав, свойства и особенности работы

Группы предельных состояний

Расчет конструкций по предельным состояниям и сопоставление его с расчетом по допускаемым напряжениям

Вопрос 9. Нагрузки, действующие на сооружение. Виды нагрузок. Нормативные и расчетные нагрузки.

Вопрос 10. Предельное сопротивление материала. Нормативные и расчетные напряжения. Коэффициенты надежности.

Вопрос 11. Виды напряжений и их учет при расчете элементов конструкций. Основные, дополнительные, местные, начальные напряжения. Виды напряжений и их учет при расчете элементов конструкций

Вопрос 12. Работа и расчет на прочность центрально растянутых и центрально сжатых элементов. Работа стали на растяжение

Работа стали на сжатие

Вопрос 13. Работа стали в сложном напряженном состоянии. Учет сложного напряженного состояния при расчете стальных конструкций. Работа стали при сложном напряженном состоянии

Вопрос 14. Упруго-пластическая работа стали при изгибе. Шарнир пластичности. Основы расчета изгибаемых элементов. Упруго пластическая работа стали при изгибе. Шарнир пластичности

Вопрос 15. Работа стержней при кручении.

Вопрос 16. Устойчивость элементов металлических конструкций. Потеря устойчивости центрально-сжатых стержней. Устойчивость элементов металлических конструкций

Потеря устойчивости центрально сжатых стержней

Вопрос 17. Потеря устойчивости внецентренно сжатых и сжато-изогнутых стержней. Потеря устойчивости внецентренно сжатых стержней

Вопрос 18. Потеря устойчивости изгибаемых элементов

Вопрос 19. Потеря местной устойчивости элементов металлических конструкций

Вопрос 20. Работа стали при повторных нагрузках. Усталостная и вибрационная прочность.

Вопрос 21. Расчет элементов стальных конструкций на прочность с учетом хрупкого разрушения (проверка на хладостойкость).

Вопрос 22. Сварка. Классификация сварки. Структура сварного шва. Сварные трещины. Термический класс сварки.

Вопрос 23. Типы сварных соединений и швов.

Вопрос 24. Расчет стыковых и угловых сварных швов. Расчет стыковых сварных швов.

Расчет угловых сварных швов

Фланговые угловые швы

Лобовые угловые швы

Вопрос 25. Конструктивные требования к сварным соединениям.

Вопрос 26. Основные дефекты сварных швов и виды контроля качества.

Вопрос 27. Виды болтов, применяемых в металлических конструкциях. Болтовые соединения. Заклепочные соединения. Болтовые соединения

Болты грубой, нормальной точности

Болты повышенной точности

Высокопрочные болты

Анкерные болты

Заклепочные соединения

Вопрос 28. Расчет болтовых соединений без контролируемого натяжения болтов.

Расчет болтов и заклепок на срез.

Расчет болтового и заклепочного соединения на смятие.

Расчет болтов и заклепок на растяжение

Расчет высокопрочных болтов.

Вопро 29. Расчет фрикционных соединений на высокопрочных болтах.

Вопрос 30. Конструирование болтовых соединений.

Вопрос 31. Балки и балочные конструкции. Типы балок и балочных клеток. Балки и балочные конструкции

Балочные клетки

Вопрос 32. Стальной настил балочных клеток. Основы расчета и конструирования. Расчет прокатных балок. Плоский стальной настил балочных клеток

Расчет прокатной балки

Вопрос 33. Расчет разрезных составных балок. Компоновка сечения балки. Изменение сечения балки по длине. Проверка прочности балки. Расчет разрезных составных балок

Предварительный подбор сечения балки.

Компоновка сечения балки

Проверка прочности балки

Изменение сечения по длине балки

Вопрос 34. Проверка общей устойчивости балки. Проверка местной устойчивости поясов и стенки балки от действия нормальных и касательных напряжений. Проверка общей устойчивости балки

Проверка местной устойчивости сжатого пояса балки

Проверка местной устойчивости стенки балки

Вопрос 35. Расчет поясных швов составных балок. Расчет опорного ребра. Расчет монтажного стыка на высокопрочных болтах. Расчет поясных швов.

Расчет опорного ребра

Расчет монтажного стыка на высокопрочных болтах

Вопрос 36. Центрально-сжатые сплошные колонны. Типы сечений. Расчет и конструирование стержня сплошной колонны. Сплошные колонны Типы сечений стержня

Расчет стержня колонны

Вопрос 37. Центрально-сжатые сквозные колонны. Типы сечений. Типы решеток. Влияние решеток на устойчивость стержня сквозной колонны. Сквозные колонны Типы сечений и соединений ветвей сквозных колонн.

Стержень сквозной колонны с планками в двух плоскостях.

Стержень сквозной колонны с раскосами в двух плоскостях.

Вопрос 38. Расчет и конструирование стержня центрально-сжатой сквозной колонны. Стержень сквозной колонны с планками в двух плоскостях.

Стержень сквозной колонны с раскосами в двух плоскостях.

Вопрос 39. Расчет безраскосной решетки (планок)

Вопрос 40. Конструирование и расчет базы центрально-сжатой сплошной и сквозной колонн. Расчет базы центрально-сжатой колонны

Вопрос 41. Оголовки колонн и сопряжения балок с колоннами. Конструирование и расчет оголовка центрально-сжатой сплошной и сквозной колонн. Конструирование и расчет оголовка колонны

Вопрос 42. Фермы. Классификация ферм. Компоновка ферм. Элементы ферм. Типы сечений стержней легких и тяжелых ферм.

Классификация ферм

Компоновка ферм

Вопрос 43. Расчет ферм. Определение нагрузок. Определение усилий в стержнях фермы. Расчетные длины стержней ферм. Обеспечение общей устойчивости ферм в системе покрытия. Выбор типа сечения стержней.

Расчет ферм

Определение усилий в стержнях фермы.

Расчетные длины стержней ферм

Обеспечение обшей устойчивости ферм в системе покрытия

Выбор типа сечения

Вопрос 44. Подбор сечения сжатых и растянутых стержней ферм. Подбор сечения стержней ферм по предельной гибкости. Общие требования конструирования легких ферм. Расчет узлов ферм.

Подбор сечения сжатых стержней

Подбор сечения растянутых стержней

Подбор сечения стержней по предельной гибкости

Конструирование и расчет узлов ферм

Жесткое сопряжение балок с колоннами образует рамную систему (е).

При отпирания балок сверху опорный узел вышележащий конструкции имеет поперечное ребро с выступающим на 15-25 мм фрезерованным торцом, через который передается давление на колонну (рис. а, б, д). Реже применяют конструкция узла, где опорное давление передается внутренним ребром балки, расположенным над полкой колонны (в, г). Если поперечное опорное ребро вышележащих балки имеет выступающий торец (а, б, д), то опорное давления передается сначала на опорную плиту оголовка колонны, затем на опорное ребро оголовка, с этого ребра – на стенку колонны (или траверсу в сквозной колонне (д) и далее равномерно распределяется по сечению колоны. Опорная плита оголовка служит для передачи давления с торцов балки на опорные ребра оголовка, поэтому ее толщина определяется не расчетом, а конструктивными соображениями и принимается обычно 16-25мм. С опорной плиты давление передается на опорные ребра оголовка через горизонтальные сварные швы, прикрепляются торцы ребер к плите. Катет этих швов определяется по формуле

При установке опорной плиты на фрезерованный торец стержня колоны обеспечивает полное прилегание плиты к ребру колонны, и опорное давления передается непосредственным контактом поверхностей, а сварные швы, прикрепляющие, опорную плиту принимаются конструктивно.

е)

Ширина опорного ребра определяется из условия прочности на сжатие.

Кроме того должно соблюдаться условие, обеспечивающие местную устойчивость опорного ребра.

Низ опорных ребер оголовка укрепляется поперечными ребрами, препятствующими их скручиванию из плоскости колонны при неравномерном давлении торцов вышележащих балок, возникающие от неточности изготовления и монтажа.

С опорных ребер давление на стенку колонны передается через угловые швы. Исходя из этого требуема длина ребер.

Расчетная длина швов при этом не должна превышать .

Ребра также проверяют на срез: ,

где 2 – число срезов;

–толщина стенки колонны или траверсы сквозной колонны.

При больших опорных давлениях напряжения среза в стенке превышают расчетное сопротивление. В этом случае увеличивают длину ребра или принимают более толстую стенку. Можно увеличить толщину стенки только в оголовке колонны (б). Это решение снижает расход металла, но менее технологично в изготовлении.

Дальнейшее распределение давления со стенки колонны, по всему сечению стержня сплошной колонны обеспечивается сплошными швами, соединяющие полки и стенку.

В сквозных колоннах (д) давление с траверсы передается на ветви колонны через угловые швы, катет которых должен быть не менее:

Оголовок колонны с опорными ребрами балок, расположенными над полками колонны (в) конструируется и рассчитывается аналогично предыдущему, только роль опорных ребер оголовка выполняют полки колонны. Если давление с плиты оголовка передается на колонну через сварные швы (торец колонны не фрезерованный), то катет сварных швов, прикрепляющих одну полку колонны к плите определяется из условия их среза реакцией одной балки:

,

где - опорная реакция одной балки, - ширена полки колонны.

Если торец колонны фрезеруется, то сварные швы принимаются конструктивно с минимальным катетом. Чтобы обеспечить передачу опорного давления по всей ширине опорного ребра балки при большой ширине поясов балок и узких полках колонн, приходится проектировать уширенную траверсу (рис. г). Условно принимается, что опорное давление с плиты передается сначала полностью на траверсу, а затем с траверсы на полку колонны, в соответствии с этим рассчитывают швы крепления траверсы к плите и колонне. При опирании конструкции на колонну сбоку (е) вертикальная реакция передается через строганный торец опорного ребра балки на торец опорного столика и с него на полку колонны. Толщина опорного столика принимается на 5-10мм больше толщины опорного ребра балки. Если опорная реакция балки не превышает 200 кН, опорный столик делают из толстого уголка со срезано полкой, при большей величине реакции столик делают из листа со строганным верхним торцом. Каждый из двух швов, прикрепляющих столик к колонне, рассчитывается на 2/3 опорной реакции, чем учитывается возможная непараллельность торцов балки и столика, следствии неточности изготовления и в связи с этим неравномерная передача давления между торцами. Требуемую длину одного шва крепления столика определяют по формуле:

.

Иногда столик приваривают не только по бакам,но и по нижнему торцу, в этом случае общую длину шва определяют по усилию, равному

Сопряжение балок с колоннами может быть свободное (шарнирное) и жесткое . Свободное сопряжение передает только вертикальные нагрузки. Жесткое сопряжение образует рамную систему, способную воспринимать горизонтальные воздействия и уменьшать расчетный момент в балках. В этом случае балки примыкают к колонне сбоку.

При свободном сопряжении балки 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 (рис.).

Если нагрузка передается на колонну через фрезерованные торцы опорных ребер балок, расположенных близко к центру колонны, то пли­та оголовка поддерживается снизу ребрами, идущими под опорными ребрами балок (рис. а и б).

Рис. Оголовки колонн при опирании балок сверху

Ребра оголовка приваривают к опорной плите и к ветвям колонны при сквозном стержне или к стене колонны при сплошном стержне. Швы, прикрепляющие ребро оголовка к плите, должны выдерживать полное давление на оголовок. Проверяют их по формуле . (8)

Высоту ребра оголовка определяют требуемой длиной швов, пере­дающих нагрузку на стержень колонны (длина швов не должна быть больше 85∙β w ∙k f:

. (9)

Толщину ребра оголовка определяют из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением , (10)

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:

. (11)

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, и укрепить от потери устойчивости стенки стержня колонны в местах пе­редачи больших сосредоточенных нагрузок, 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.

Если балка крепится к колонне сбоку (рис.), вертикальная ре­акция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны. Торец опорного ребра балки и верхняя кромка столика пристраиваются. Толщину столика принимают на 20-40 мм больше толщины опорного ребра балки.

Рис. Опирание балки на колонну сбоку

Столик целесообразно приваривать к колонне по трем сторонам.

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

29.Конструирование ферм . Общие требования

Конструирование ферм начинают с вычерчивания осевых линий, образующих геометрическую схему фермы.

Затем наносят контуры стержней так, чтобы осевые линии совпадали с центрами тяжести сечений. Для несимметричных сечений (тавров, уголков) привязки осей округляют до 5 мм.

Когда сечение пояса по длине фермы меняется, в геометрической схеме принимают одну осевую линию поясов и к ней привязывают элементы пояса. Для удобства опирания примыкаю­щих элементов (для ферм перекрытий - настила или прогонов) верхнюю грань пояса сохраняют на одном уровне. Места изменения сечения поясов выносят от центра узла в сторону меньшего усилия. Резку стержней решетки производят нормально к оси стержня; для крупных стержней можно допустить косую резку для уменьше­ния размеров фасонок. Для снижения сварочных напряжений в фасонках, стержни решетки не доводят до поясов на расстояние равному » шести толщин фасонок, но не более 80 мм. Между торца­ми стыкуемых элементов поясов ферм, перекладываемых накладка­ми, оставляют зазор не менее 50 мм.

Толщину фасонок выбирают в зависимости от действующих усилий (табл. 7.2). При значительной разнице усилий в стержнях решетки можно принимать две толщины в пределах отправочного элемента. Допустимая разница толщин фасонок в смежных узлах - 2 мм.

Размеры фасонок определяют по необходимой длине швов креп­ления элементов. Необходимо стремиться к простейшим очертаниям фасонок, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков.

Фермы пролетом 18 – 36 м разбивают на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах. Целесообразно для удобства укрупнительной сборки и изготовления проектировать так, чтобы пра­вая и левая полуфермы были взаимозаменяемы.

Ферма - система стержней, соединенных между собой в узлах и образующих геомет­рически неизменяемую кон­струкцию. Фермы бывают плоскими (все стержни лежат в одной плоскости) и пространственными.

Плоские фермы (рис. а) могут воспринимать нагрузку, при­ложенную только в их плоскости, и нуждаются в закреплении из своей плоскости связями или другими элементами. Пространствен­ные фермы (рис. б, в) образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом на­правлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму. Примером пространственного бруса может служить башен­ная конструкция (рис. г).

Рис. Плоская (а) и пространственные (б, в, г) фермы

30.Фермы из парных уголков

В фермах со стержнями из двух уголков, составленных тавром, узлы проектируют на фасонках, которые заводят между уголками. Стержни решетки прикрепляют к фасонке фланговыми швами (рис. а).

Усилие в элементе распределяется между швами по обушку и перу уголка обратно пропорционально их расстояниям до оси стержня:

,

где b- ширина полки уголка;

z 0 - расстояние от центра тяжести уголка до его обушка.

а – крепление раскоса к фасонке; б – промежуточный узел;

в, г – опирание прогонов и плит

Рисунок – Узлы ферм из парных уголков

Для прокатных уголков в практических расчетах значения коэф­фициентов a 1 и a 2 можно принять по таблице.

Концы фланговых швов для снижения концентрации напряже­ний выводят на торцы стержня на 20 мм (рис. а). К поясу фасонки рекомендуется прикреплять сплошными швами минимальной толщины. Фасонки выпускают за обушки поясных уголков на 10...15 мм (рис.б). Швы, прикрепляющие фасонку к поясу, при отсут­ствии узловых нагрузок рассчитывают на разность усилий в смеж­ных панелях пояса (рис.б) N = N 2 – N 1 . В месте опирания на верхний пояс прогонов или кровельных плит (рис.в) фасонки не доводят до обушков поясных угол­ков на 10...15 мм.

Чтобы прикрепить прогоны, к верхнему поясу фермы приваривают уголок с отверстиями для болтов. В местах опирания крупно­панельных плит, если тол­щина поясных уголков менее 10 мм при шаге ферм 6 м и менее 14 мм при шаге ферм 12 м, верхний пояс ферм для предотвращения отгиба полок усиливают накладками t = 12мм. Во избежание ослабления сечения верхнего пояса не следует приваривать накладки поперечными швами.

Если к узлу приложена сосредоточенная нагрузка (рис. в),то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на совместное действие продольного усилия (от разницы усилий в поясах) и сосредоточенной нагрузки. Условно усилие F передается на участки швов l 1 и l 2 . Напряжения в швах от этого усилия ; (1)

от продольного усилия

,

где Sl w - суммарная длина швов крепления пояса к фасонке.

Прочность шва проверяют на совместное действие усилий по формуле

При расчете узлов обычно задаются k f и определяют требуемую длину шва.

Фасонки ферм с треугольной решеткой следует конструировать прямоугольного очертания, а с раскосной решеткой – в виде прямо­угольной трапеции.

Для обеспечения плавной передачи усилия и снижения концен­трации напряжений угол между краем фасонки и элементом решет­ки должен быть не менее 15°. Стыки поясов необходимо перекрывать накладками, выполнен­ными из уголков (рис.а) (при одинаковой толщине поясов) или листов (рис.б). Для обеспечения совместной работы уголков их соединяют про­кладками. Расстояние между прокладками должно быть не более 40 i для сжатых элементов и 80 i для растянутых, где i - радиус инерции одного уголка относительно оси, параллельной прокладке. При этом в сжатых элементах ставится не менее двух прокладок.

о - с уголковыми накладками, б - с листовыми накладками

Рис. - Узлы ферм с изменением сечения пояса:

Конструкция опорных узлов ферм зависит от вида опор (металлические или железобетонные колонны, кирпичные стены и т.д.) и способа сопряжения (жесткое или шарнирное).

При свободном опирании ферм на нижележащую конструкцию опорный узел показан на рис. Давление фермы F R через плиту передается на опору. Площадь А пл определяют по несущей способности материала опоры: , (7.9)

где R оп - расчетное сопротивление материала опоры на сжатие.

Опорную плиту прикрепляют к опоре на анкерных болтах. Аналогично конструируют опорный узел при опирании фермы в уровне верхнего пояса (рис. б).

При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнитель­ной стойки (надколенника) (см. рис.).

Опорное давление фермы передается с опорного флан­ца фермы через фрезерованные поверх­ности на опорную плиту ко­лонны. Опорный фланец для четкости опирания выступает на 10... 20 мм ниже фасонки опорного узла. Площадь тор­ца фланца определяется из условия смятия: А³F R / R p ,

где R p - расчетное сопро­тивление стали смятию тор­цевой поверхности (при на­личии пригонки).

Рисунок – Свободное опирание фермы Рис. – Опирание фермы на колонну сверху

Верхний пояс фермы конструктивно на болтах грубой или нор­мальной точности (класс точности С или В) прикрепляют к фасонке надколонника. Для того чтобы узел не мог воспринять усилия от опорного момента и обеспечивал шарнирность сопряжения, отвер­стия в фасонках делают на 5...6 мм больше диаметра болтов.

Для проектирования жесткого узла сопряжения фер­мы с колонной необходимо прикрепить ферму к колонне сбоку (рис.). При жестком сопряжении в узле возникает помимо опорного давления F R момент М. Передача этих усилий производит­ся раздельно.

Опорное давление F R передается на опорный столик. Опорный столик делают из листа t=30...40 мм или при небольшом опорном давлении (F R ≤200...250 кН) из уголков со срезанной полкой. Опорный фланец прикрепляют к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, которые ставят в отверстия на 3...4 мм больше диаметра болтов, чтобы они не могли воспринять опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.

Рис. - Примыкание фермы к колонне сбоку

Момент раскладывается на пару сил Н = М / h оп, которые пере­даются на верхний и нижний пояса фермы. В большинстве случаев опорный момент имеет знак минус, т.е. направлен против часовой стрелки. В этом случае усилие Н прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Напряжения на поверхности контакта невелики и их можно не проверять. Болты ставят конструктивно (обычно б... 8 болтов диаметром 20...24 мм). Если в опорном узле возникает поло­жительный момент, то усилие Нотрывает фланец от колонны и бол­ты следует проверить на растяжение.