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

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

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

Из таблицы 1 ГОСТ 27772-88 определяем химический состав проката и заносим в таблицу 4.

Таблица 4 – Химический состав проката

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.