1. Назначение и описание конструкции Колонны – элементы конструкции, работающие на сжатие или на сжатие с продольным изгибом. Колонны служат для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций через фундаменты на грунт. Колонна состоит из 3 основных частей: стержня – основного несущего элемента колонны; оголовка, представляющего собой опору для вышележащей конструкции и распределяющего нагрузку по сечению стержня; базы (башмака), распределяющей сосредоточенную нагрузку от стержня по поверхности фундамента и закрепляющей колонну в фундаменте. Центрально-сжатые колонны работают на продольную силу, приложенную по оси колонны и вызывающую равномерное сжатие поперечного сечения. Сплошностенчатые колонны применяют при больших нагрузках и небольших высотах. В центрально-сжатых колоннах нагрузки приложены либо непосредственно к центру сечения колонны, либо симметрично относительно оси стержня. Рисунок 1 – колонна сплошного сечения оголовок стержень база 2. Выбор и обоснование материала Колонна сплошного сечения относится к 3 группе сварных конструкций. По таблице 50 приложение 1 СНиП II-23-81* определяем материал для колонны сплошного сечения при эксплуатации в климатическом районе II3 с расчетной температурой эксплуатации от минус 40°С до минус 50°С. Для изготовления колонны сплошного сечения принять сталь марки. С 255 по ГОСТ 27772 – 88, где, С – сталь строительная. 255 – предел текучести δт = 255 МПа Из таблицы 51* СНиП II-23-81* выписываем в таблицу 1 Таблица 1 – Нормативные и расчетные сопротивления проката | Сталь | Толщина проката, мм | Нормативное сопротивление проката, МПа | Расчетное сопротивление проката, МПа | | Листового широкополосного универсального | Фасонного | Листового широкополосного универсального | Фасонного | | Ryn | Run | Ryn | Run | Ry | Ru | Ry | Ru | | C 255 | 2-3.9 | 255 (26) | 380 (39) | — | — | 250 (2550) | 370 (3800) | — | — | | 4-10 | 245 (25) | 380 (39) | 255 (26) | 380 (39) | 240 (2450) | 370 (3800) | 250 (2500) | 370 (3800) | | 11-20 | 245 (25) | 370 (38) | 245 (25) | 370 (38) | 240 (2450) | 360 (3700) | 240 (2450) | 360 (3700) | | 21-40 | 235 (24) | 370 (38) | 235 (24) | 370 (38) | 230 (2350) | 360 (3700) | 230 (2350) | 360 (3700) | По таблице 55 приложение 2 СНиП II-23-81* выбираем материал для сварки, соответствующей стали и заносим в таблицу 2. При сварки колонны сплошного сечения ручную дуговую сварку штучно плавящемся электродом с покрытием применить при выполнении сборочных операций в качестве прихватки. Основную сварку выполнить полуавтоматом в среде защитного газа для колонны сплошного сечения. Поясные швы большой протяженности выполнить автоматической дуговой сваркой под слоем флюса. Короткие швы выполнить полуавтоматической сваркой в среде защитного газа. Таблица 2 – Материалы для сварки, соответствующие маркам стали | Группы конструкций в климатических районах | Марка стали | Материалы для сварки | | Под флюсом | В углекислом газе (по ГОСТ 8050-85) или в его смеси с аргоном (по ГОСТ 10157-79*) | Покрытыми электродами | | Марки | Тип электродов (по ГОСТ 9467-75) | | Флюсов (по ГОСТ 9087-81) | Сварочной проволоки (по ГОСТ 2246-70*) | | 1 во всех районах; 2, 3 и 4 в районах I1, I2, II2 и II3 | C 255 | АН-348-А | Св-08А | Св-08Г2С | Э42А | Из таблицы 56 СНиП II-23-81* определяем нормативные и расчетные сопротивления материалов швов сварных соединений с угловыми швами и заносим в таблицу 3. Таблица 3 – Нормативные и расчетные сопротивления металла швов сварных соединений с угловыми швами | Сварочные материалы | Rwun, МПа (кгс/см2) | Rwf, МПа (кгс/см2) | | Тип электрода (по ГОСТ 9467-75) | Марка проволоки | | Э42, Э42А | Св-08, Св-08А | 410(4200) | 180(1850) | Из таблицы 1 ГОСТ 27772-88 определяем химический состав проката и заносим в таблицу 4. Таблица 4 – Химический состав проката | Наименование стали | Массовая доля элементов % | | Углерода, не более | Марганца, не более | кремния | Серы, не более | Фосфора, не более | Хрома, не более | Никеля, не более | Меди, не более | ванадия | Других элементов | | С 255 | 0,22 | 0,65 | 0,15-0,30 | 0,050 | 0,040 | 0,30 | 0,30 | 0,30 | — | — | 3. Расчетная часть Расчет и конструирование стержня колонны Подбор сечения стержня колонны Подобрать двутавровое сечение стержня сплошной колонны высотой H=6.0 м. Колонна в обоих направлениях шарнирно закреплена. Колонна нагружена расчетной сжимающей силой N=1500 кН. Материал сталь С 255 по ГОСТ 27772 – 88 Расчетная схема колонны, согласно условию, имеет вид, представлен-ный на рисунке 2 Рисунок 2 Следовательно, расчетная длина lef в обоих направлениях lx и ly с учетом коэффициента μ=1, учитывающего закрепления концов стержня колонны, определяется по формуле Определяем требуемую площадь сечения Атр Согласно приложению листовой прокат толщиной от 4 до 10 мм из стали С 255 имеет расчетное сопротивление Ry = 240 МПа = 24 кН/см² Задаемся в первом приближении значением φ0 = 0.7, чему согласно приложению соответствует гибкость λ0 ≈ 75 Определяем габариты сечения. Находим требуемые радиусы инерции Используя приближенные зависимости радиусов инерции от конфигура-ции сечения ( для сечения на рисунке 2 ) Определяем требуемые высоту и ширину сечения Для удобства автоматической приварки поясов к стенке принимаем Подбор толщины стенки и поясов Учитывая, что на площадь стенки приходится около 20% общей площади сечения, толщина стенки Округляя до реальной толщины листового проката, назначаем tw = 0.8 см = 8 мм. Тогда на долю поясов приходится площадь Отсюда требуемая толщина одного пояса Округляя, назначаем tf = 0.8см = 8мм. Полученные размеры проставляем на поперечном сечении стержня колонны ( рисунок 3 ) Рисунок 3 Проверка подобранного сечения Фактическая площадь ( смотри рисунок 3 ) Минимальный момент инерции Момент инерции площади сечения стенки относительно оси y пренебрегаем ввиду малости Минимальный радиус инерции Наибольшая гибкость Согласно приложению коэффициент продольного изгиба Проверим устойчивость подобранного сечения при Что указывает на отсутствие излишков материала Проверка условной обеспечения устойчивости стенки и поясов Условная гибкость Местная устойчивость стенки без укрепления продольными ребрами жесткости обеспечена, если выполняется неравенство Следовательно, укрепление стенки продольными ребрами не требуется В поперечных ребрах нет необходимости, если выполняется неравенство Устойчивость поясов обеспечена, если выполняется неравенство Неравенство не выполняется следовательно необходимо установить поперечные ребра жесткости на расстояние Расчет и конструирование оголовка колонны Рисунок 4 – оголовок Определение длины ребра оголовка Определяем толщину ребра Конструктивно принимаем ширину ребра - это расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности равно расчетному сопротивлению по пределу прочности, Принимаем Подобранное ребро проверить на срез Подобранное сечение опорного ребра выбрано правильно. Толщину опорной плиты назначаем конструктивно в пределах 10 – 20 мм, принимаем Расчет и конструирование базы колонны Рассчитать и законструировать базу центрально – сжатой колонны сплошного двутаврового сечения ( рисунок 5 ). Сжимающая нагрузка действующая на колонну . Материал фундамента – бетон класса B10 с расчетным сопротивлением осевому сжатию ( призменная прочность ) , материал элементов базы – сталь С 255. Сварка полуавтоматическая сварочной проволокой марки Св – 08Г2С по В соответствии с ранее принятой расчетной схемой колонны ( смотри рисунок 5 ) предусматриваем шарнирную базу ( рисунок 6) Рисунок 5 Рисунок 6 Расчетная сжимающая нагрузка на фундамент с учетом веса колонны где A – площадь поперечного сечения колонны ( смотри рисунок 5 ) - объемный вес стали, - коэффициент надежности для собственного веса металлических конструкций, Задаваясь устанавливаем расчетное сопротивление бетона смятию Требуемая площадь опорной плиты Ширина плиты зависит от конструкции базы и размеров поперечного сечения стержня колонны. Чтобы плита не получилась слишком толстая, ее консольную часть принимаем ( рисунок 6 ) Толщину траверсы принимаем Ширина плиты Что удовлетворяет ГОСТ 82 – 70 на универсальную сталь Требуемая длина плиты Округляя принимаем Определение толщины плиты Плита работает на изгиб от равномерно распределенной нагрузки ( реактивного давления фундамента ) Рассматривая различные участки плиты определяем наибольший изгибающий момент в полосе шириной 1см Участок №1 – операние по четырем сторонам. Отношению в таблице соответствует коэффициент Изгибающий момент участка плиты опертой по четырем сторонам Участок №2 – операние по трем сторонам В этом случае плита рассчитывается как консоль с вылетом Изгибающий момент Участок №3 – консольный Таким образом, по большому значению изгибающего момента определяем толщину плиты По приложению назначаем , что подтверждает правильность принятого значения расчетного сопротивления ( приложение для листового проката толщиной от 4 до 20 мм ) Расчет траверсы Высоту листов траверсы находим из условия полной передачи усилия со стержня на опорную плиту через сварные швы ( при расчете по металлу шва ) Прикрепление траверсы к колонне выполняется полуавтоматической сваркой в углекислом газе сварочной проволокой марки Св – 08Г2С Расчетные характеристики - коэффициент зависящий от условий сварки по приложению, ; - катет шва, ; - расчетное сопротивление металла шва по приложению для сварочной проволоки Св – 08Г2С, ; - непровар и кратер, ; Проверяем допускаемую длину шва Округляя принимаем Проводим проверку прочности траверсы на изгиб и срез. Нагрузка на единицу длины одного листы траверсы Изгибающий момент в месте приварки к колонне Поперечная сила Момент сопротивления сечения листа Нормальное напряжение 
Касательное напряжение Прочность траверсы обеспечена с большим запасом. Расчетное сопротивление принято по приложению исходя из толщины траверсы Касательное напряжение т. е. прочность ребра обеспечена Проверяем швы, прикрепляющие ребро к колонне. При двух угловых швах толщиной то есть, прочность швов обеспечена Расчет швов, прикрепляющих элементы базы к плите Необходимая толщина швов, прикрепляющих листы траверсы: Ребра жесткости В соответствии с приложением исходя из толщины плиты , конструктивно принимаем , что вполне компенсирует несколько завышенную длину швов. Заключение Выбор марки стали, для центрально – сжатой колонны сплошного сечения производят с учетом климатического района, в котором конструкция будет монтироваться, эксплуатироваться, а также с учетом характера нагрузки, толщины проката, применяемого в колонне. Полученные расчетные значения размеров элементов колонны округляем в большую сторону до значения, соответствующего ГОСТ 27772 – 88 и ГОСТ 8240 – 89. В курсовом проекте проверена устойчивость колонны на прочность и жесткость, рассчитаны оголовок, стержень и база колонны. Список литературы Блинов А. Н., Лялин Н. В. Сварные конструкции. Учебник строй издат 1990 ГОСТ 27772 – 88 прокат для строительных сварных конструкций. Общие технические условия. Введение 01.01.89 до 01.01.99 – М; Издательство стандартов 1988 – 2БС СНиП . Нормы проектирования стальных конструкций. ГОСстрой СССР. Введение 01.01.87. Взамен СНиП ; СНиП ГОСТ 82 – 70. Прокат стальной, горячекатаной, широкополосный универсальный сортамент. Методические рекомендации к курсовому проектированию по предмету “Сварные конструкции” для средних специальных учебных заведений.
| 
