41. Расчет и конструирование сквоз-ных внецентренно сжатых колонн.

Стержень решетчатой колонны состоит из двух ветвей, связанных между собой соединительной решеткой. Решетку обычно устанавлива­ют в двух плос-костях (по граням ветвей). Для колонн крайних рядов чаще применяют несим-метричные сечения с наружной ветвью швеллерной формы (рис. 14.7, а). Наиболее проста эта ветвь из прокатного швеллера, при­меняется она только в легких колоннах; в более мощных колоннах ветвь проектируют либо из гнутого листа толщиной до 16 мм, либо со­ставного сечения.

Рис. 14.7, а

Колонны средних рядов проектируют обычно симметричного сечения

(рис. 14.7,б) с ветвями из прокатных профилей ли­бо составного сечения.

Рис. 14.7,б.

Сквозная колонна работает как ферма с парал­лельными поясами; от дей-ствующих в колонне расчетных усилий N и М в ее ветвях возникают только продольные усилия. Поперечную силу Q воспринимает решетка. Несущая способность колонны может быть ис­черпана в результате потери устой-чивости какой-либо ветви (в плоско­сти или из плоскости рамы) или в резуль-тате потери устойчивости ко­лонны в целом .Продольные усилия в ветвях колонны несимметричного сечения (рис. 14.8) определяют по формулам:

в ветви 1

в ветви 2

Здесь N, М — расчетные продольная сила и илибающий момент; y₁, y₂ — расстояние от центра тяжести сечения колонны до центра тяжести соответ-ствующих ветвей, h₀ — = y₁+ y₂ — расстояние между центрами тяжести ветвей колонны.Значения N и М принимают в ком­бинациях, дающих наибольшие значения N_B1 и N_B2.

После определения расчетных усилий в ветвях каждую из них про­веряют на устойчивость в обеих плоскостях как работающую на цент­ральное сжатие

Устойчивость ветви 1 в плоскости колонны (рамы)

из плоскости колонны

где φ₁ — коэффициент продольного из-гиба, определяемый по гибкости ветви λ_B1 =l _B1/i₁ расчетная длина ветви в пло-скости колонны, равная расстоянию ме-жду узлами крепления решетки; i₁— ра-диус инерции сечения ветви относи-тельно оси /—/); φ_y— коэффициент про-дольного изгиба, определяемый по гиб-кости λ_y =l _y/i_y (l_y — расчетная длина вет-ви из плоскости колонны, равная обыч-но высоте нижней части колонны, i_y –ра-диус инерции сечения ветви относи-тельно оси у—у); A_B1 — площадь сече-ния ветви.Аналогично проверяют устойчивость ветви 2.

Устойчивость колонны или ее участка как единого стержня (в пло­скости дей-ствия момента) проверяют как для вне-центренно сжатого стержня: N/φ_внA≤Rγ, но коэффициент φ_вн опреде­ляют в зависимости от условной приведенной гибкости относитель-ного эксцентриситетат_х.Относительный эксцентриситет для сквозных сечений определяют по фор­муле

где М_х — расчетное значение изгибаю-щего мо­мента при проверке устойчи-вости, принимае­мое так же, как для сплошных колонн, А — площадь сече-ния стержня (обеих ветвей);

I_x=A_В1y₁²+ A_В2y₂²— момент инерции се-чения колонны; y₁— расстояние от центра тяжести сечения до центра тя-жести наиболее нагруженной ветви колонны.Устойчивость сквозной колон-ны как единого стержня из плоскости действия момента проверять не нуж­но, так как она обеспечивается про­веркой устойчивости в этом направле­нии каждой из ветвей .Чтобы увеличить сопротивле­ние колонны скручиванию, ветви ко­лонны соединяют жесткими поперечными диафрагмами, располо-женны­ми у концов отправочных элемен-тов. Элементы решетки сквозной вне-центренно сжатой колонны рассчиты-вают на поперечную силу, равную большей из величин: определенной при статическом расчете, или услов­ной Q_ycл

Для упрощения уз-лов допускается центрировать раскосы по грани ветви.

Сечение внецентренно сжатой сквозной колонны обычно подбирают в следующем порядке. Ориентировочно определяют усилия в ветвях колонны. Так как заранее положение центра тяжести сечения неизвестно, то предварительно принимают и h_o= h .

Так как в большинстве случаев (разница не более 10 %) то

Для симметричных сечений

y₁=y₂ = 0,5h₀. Далее находят требуемую площадь ветвей

и компонуют сечения ветвей. Ширину ветви для обеспечения устойчи­вости колонны из плоскости рамы принимают 1/20—1/30 длины ветви (длины колон-ны или ее участка из плоскости рамы).

После этого определяют геометри-ческие характеристики обеих вет­вей и всего сечения в целом. Уточняют зна-чение продольных сил в ветвях и про-веряют их устойчивость в обеих пло-скостях. Устойчивость стержня в це­лом проверяют после подбора сече-ний раскосов решетки.

42. Опирание подкрановых балок. Компоновка и расчет сопряжения верхней и нижней части колонны.В колоннах постоянного по высоте сече-ния подкрановые балки и другие конструкции опираются на специа-льные консоли (рис. 14.10). При кранах небольшой грузоподъемности применяются одностенчатые кснсоли

Консоль и швы ее крепления к колонне рассчитывают на изгибающий момент M=D_maxe и срез силой D_max

Напряжения у основания консоли и в швах ее крепления можно оп­ределить, предполагая, что момент восприни-мается только полками H =M/h_K, а вертикальная сила — стенкой. Полку колонны следует про­верить на растяжение в направлении толщины проката (линия /—/ на рис. 14.10, а).

В стенке колонны в месте примыкания консоли возникает сложное напряженное состояниие, и ее прочность проверяется по приведенным напряжениям по форму-ле

Где

А_ст-площадь стенки колонны

Швы крепления ребер колонны к стенке и полке необходимо прове­рить надействие усилия Н.

При передаче больших усилий устраивают двустенчатую консоль (рис. 14.10, в).

Сечение консоли проверяют на действие момента М = =D_maxe и перерезывающей силы D_max. Усилие в швах крепления консо­ли к ветвям колонны находят по правилу рычага: F=D_max[ (h+e)/h, F₁=D_maxe/h .

В ступенчатых колоннах подкрановые балки опираются на уступ колонны. Для передачи усилий от верхней части колонны и подкрановых балок на нижнюю часть в месте уступа устраивают траверсу. Высоту траверсы h_Tp при сопряжении верхней и нижней части сплошной колонны принимают равной 0,5—0,8 ширины нижней части колонны (рис. 14.11, а).

Усилие D_max через плиту толщиной 20—25 мм переда­ется на стенку траверсы. При передаче усилия через фрезерованную по­верхность стенка траверсы работает на смятие и проверяется по фор­муле

где l_cм=b_0.p + 2t_пл— длина сминаемой поверхности, b_0.p — ширина опорных ре-бер ба­лок, t_cт.тр t_пл — толщина стенки траверсы и плиты. Продольная сила N и изгибающий момент М от верхней части ко­лонны через вертикальные ребра также передаются на траверсу. В за­пас прочности допустимо считать, что усилия N и М передаются только через полки верхней части колонны: N_п=N/2±М/h_в, где N и М — уси­лия в сечении II- II. Соответственно требуемая длина шва крепления вертикального рео-ра к стенке траверсы (ш1) исходя из приварки четырьмя швами оп­ределяется по формуле

Из условия равнопрочности полки и шва крепления длину шва можно определить по предельному усилию в полке N_П=A_ПR, где А_п — площадь полки. В решетчатых колоннах траверса работает как балка двутаврового сечения, нагруженная усилиями N, М и D_max и имеющая пролет, рав­ный ширине нижней части колонны h_H (рис. 14.11, б).

Прочность тра­версы проверяется на изгиб и срез по формулам:

Здесь h_ст.тр, t_ст — высота и толщина стенки траверсы; W_Tp — момент сопротивления траверсы; М_тр, Q_Tp — изгибающий момент и поперечная сила.

Для симметричных колонн среднего ряда М_тр= (N/2+M/h_н)a, a

Q_тр = N/2+M/h_н+kD_max/2. Коэффициент k=l,2 учитывает неравномер­ную переда-чу усилия D_max .Швы крепления траверсы к ветвям колонны (ш2) рассчитывают на опорную реакцию траверсы F_тр=Q_тр, а шов крепления ребра, устанав­ливаемого с наружной стороны колонны напротив траверсы (шЗ), — на усилие F = kD_max/2.

Для большей надежности крепления траверсы в полке верхней ча­сти и в стенке подкрановой ветви

(см. рис.14.11) делают прорези, в ко­торые заводят стенку траверсы. В этом случае швы крепления травер­сы к подкрановой ветви рассчитывают на усилие F=N/2 + Mlh_н+D_max (для средней колонны).

На это же усилие следует проверить на срез (линия /—/) стенку подкрановой ветви в месте крепления траверсы

где t_ст.в — толщина стенки ветви.

При необходимо увеличить высоту траверсы или сделать более толстую вставку в стенке ветви колонны.

В колонне со сплошностенчатой подкрановой частью траверса опи­рается не только на полки, но и стенку колонны, поэтому расчет травер­се на изгиб не требуется, а прочность швов крепления траверсы к под­крановой полке (ш2) и стенки (по линии /—/) допускается (в запас) проверять на усилие D_max.

43. Базы сплошных колонн пром. Зд-ий. К-ция и их расчет. База является опорной частью колонны и предна-значена для пере­дачи усилий с колонны на фундамент. В состав базы входят плита, тра­версы, ребра, анкерные болты и устройства для их крепления. Конструктивное решение базы зависит от типа колонны и способа сопряжения ее с фундаментом (жесткое или шар­нирное) . В производственных зданиях колонна в плоскости рамы имеет обыч-но жесткое сопряжение с фунда­ментом, а из плоскости —шарнирное.

Существует два типа баз — общая и раздельная.

Для сплошных, а также легких сквозных колонн (при ширине h< 1000 мм) приме-няются общие базы . Для лучшей пере-

дачи момента на фундамент база внецентренно сжатой колонны раз­вивается в плоскости действия мо­мента; центр плиты обычно совме­щается с центром тяжести колонны. Если момент одного знака по абсолютному значению значительно больше момента другого знака, воз­можна конструкция базы с плитой, смещенной в сторону действия боль­шего момента.

Под плитой в бетоне фундамен­та возникают нормальные напряже­ния Оф (рис. 14.17, б), определяемые по формулам внецентренного сжа­тия

где А_пл, W_пл — площадь и момент со-про­тивления плиты; В, L — ширина и длина плиты

Рис. 14.17(а, б,в)

Так как плита лежит на фундаменте свободно, для восприятия возмож­ного растяжения устанавливают ан керные болты, которые являются расчетными элементами.

Ширина плиты принимается на 100—200 мм шире сечения колонны. Тогда из условия прочности бетона фундамента на сжатие σ_фmax≤R_б из можно определить длину плиты

Расчет выполняют на комбинацию усилий N и М, дающую наибольшее краевое сжатие бетона.

Для обеспечения жесткости плиты и уменьшения ее толщины в базе устанавливают траверсы и ребра.

В легких колоннах применяют базы как с одностенчатои (см. рис. 14.16 а),

так и двустенчатой траверсой из листов или двух швеллеров (см. рис. 14.16, в). Для более мощных колонн устраивают двустенчатые траверсы из листов. Траверсы могут быть общими для полок ко­лонны (см. рис. 14.16, в)

и раздельными (см. рис. 14.16, г).

Общие траверсы приваривают к пол-кам колонны наружными швами . Они работают как двухконсольные балки под действием отпора бетона фун-дамента и усилия в анкерных болтах. Швы крепления траверсы воспри-нимают только сдви­гающее усилие. Такие траверсы целесообразны при небольшой ширине колонны (до 500—700 мм). При большей ширине колонны более эконо­мичны и удобны для сварки раздельные траверсы . Каждая траверса приваривается к по-лке колонны двумя швами и работает как консоль от отпора бетона или уси-лия в анкерном болте. Швы крепления траверсы воспринимают момент и сдвигающее усилие.Так как напряжения в бетоне фундамента под плитой распределяются неравномерно, при определе-нии моментов на различных участках ве­личину σ_ф принимают наибольшей в пределах каж­дого участка. Анкерные болты работают на растяжение и воспринимают усилие, отрывающее базу от фундамента и возникающее при действии момен­та. Усилие в анкерных болтах определяют в предположении, что бетон не рабо-тает на растяжение и растягивающая сила F_a, соответствующая растянутой зоне эпюры напряжений , полностью воспри­нимается анкерными болтами.

Исходя из уравнения равновесия сил относительно центра тяжести сжатой зоны бетона М—Na—F_ay = 0, усилие в анкерных болтах (с одной стороны базы) F_a—(M—Na)/у и требуемая пло-щадь сечения одного ан­керного болта A_б^нт=F_a/nR_а ^р/y;

п — число анкерных болтов с одной стороны базы; R_а ^р— расчетное сопро­тивление анкерного болта).

При расчете анкерных болтов не-обходимо принимать комбинацию на-грузок, дающую наибольшее растяги-вающее усилие в болтах. Исхо­дя из условия появления растягивающих напряжений в бетоне фунда­мента σ_фmin= NlBL—6M/BL²<0 при расчете анкерных болтов следует учитывать временные нагрузки, для которых M/N<L/6. Если для по­стоянной нагрузки M/N<L/6, значения N и М сле-дует определять при коэффициенте перегрузки для постоянной нагрузки n=0,9. Анкерные болты закрепляют на специальных столиках и анкерных плитках Анкерные столики ра­ботают по консольной схеме на изгиб от уси-лия в анкерном болте. Ан­керные плит-ки опираются на траверсы и работают как балка на двух опорах. При боль-шом расстоянии между траверсами под анкерные бол­ты устанавливают балочку из двух швеллеров.

Под сквозные колонны при ширине их 1 м и более устраивают,раздельные базы (рис. 14.18).

Центр плиты совмещают с центром тяжести ветвей, в противном случае в ветви колонны появляется дополни-тельный момент.Базу каждой ветви рассчитывают на свою комбинацию изгибающе­го момента и продольной силы, дающую наибольшие усилия сжатия в ветви в нижнем сечении колонны.

При значительном изгибающем мо-менте и небольшой продольной силе в одной из ветвей может возникнуть растягивающее усилие. Это усилие воспринимается анкерными болтами и определяется по формуле

Из условия появления растягивающих усилий в анкерных болтах в сочетании учитываются нагрузки, для которых

M/N > y₁₍₂₎/h_н

Анкерные болты располагают по оси ветвей и закрепляют на столиках или с помощью анкерной плитки.

Конструкция базы должна обеспечивать удобство прихватки дета­лей при их сборке и доступность сварки всех швов. При проектировании базы следует учитывать способ установки колонны на фундамент.Основным в настоящее время является безвы-верочный способ Сущность его заключается в том, что первоначально на фундамент устанав-ливают опорные плиты с верхней фре-зерованной поверхностью. Выверку плит и установку их в проектное положение вы­полняют с помощью установочных болтов (рис. 14.19).

Рис 14 19 . Опорные плиты баз при безвыверочном методе монтажа

1— плита, 2 —подливка, 3 — установоч-ный болт для рихтовки плиты под колонну, 4— анкерньые болты

После выверки под плиты подливают цементный раствор. Торец ко­лонны при изготовлении фрезеруют. На монтаже колонну устанавли­вают по осевым рискам на опорную плиту. Затем на анкерные болты надевают анкерные плитки и затягивают болты. После установки колонны ее стержень при­варивают к плите конструктивными швами.

44. Конструктивные решения покры-тия( с прогонами и без них). Прогоны кровлей, работа и их расчет. Система покрытия производственных зданий состоит из ограждающих конструкций, несущих элементов (прогонов, ферм, фо­нарей), на которые опирается кровля, и связей по покрытию, обеспечи­вающих пространственную неизменяемость, жесткость и устойчивость всего покрытия и его отдельных элементов.

Конструкция кровельного покрытия реша­ется с применением прогонов или без них. В первом случае между стро­пильными фермами через 1,5—3 м устанавдйвают прогоны, на которые укладывают мелкоразмерные кровель-ные плиты, листы, настилы. Во втором случае непосредственно на стропильные фермы кладут крупно­размерные плиты или панели шириной 1,5—3 м и длиной 6 или 12 м, совмещающие функции несущих и ограждающих конструкций. Оба эти варианта применяют для отапливаемых и неотапливаемых зданий вне зависимости от шага стропильных ферм (6 или 12 м). При выборе кон­струкции кровли учитывают технологические и экономические факторы: назначение здания, темпера-турный режим внутрицеховой среды, стои­мость возведения, наличие произ-водственных баз по изготовлению круп­норазмерных панелей, условия транспортированияи т. д.

Кровля по прогонам получается легче, но требует большего расхода металла и более трудоемка в монта­же. Беспрогонная кровля обеспечи­вает меньший расход стали ; основной недостаток ее — большая собственная масса.

Покрытия по прогонам Конструктивная схема покрытия по прогонам показана на рис. XIII.1.

Рис. XIII.1.

В качестве прогонов применяют прокатные балки, балки из гнутого листа либо легкие сквозные конструкции (особенно при шаге стропиль­ных ферм 12 м). Кровельные покрытия бывают теплыми с термоизо­ляцион-ным слоем (применяют их в отапливаемых производственных зданиях) и холодными без утепляющей прослойки; применяют их для неотапливаемых зданий (складов, вспомогательных помещений), а также для горячих цехов, имеющих избыточные тепловыделения от технологических агрегатов.

Для теплых кровель в качестве кровельных плит, укладываемых по прогонам, широко применяют ста-льной профилированный настил, армоцементные и асбестоцемен-тные плиты. Целесообразно при устройстве кровель применять стальной профилированный настил Профилированные листы уклады­вают по прогонам, расположенным обычно через 3 м по разрезной или не­разрезной схеме. Листы крепят к про­гонам само-нарезающими болтами. Меж­ду со-бой листы соединяют вдоль длин­ной стороны комбинированными за­клеп-ками.Для устройства теплой кровли в качестве плит можно применятьармо- цементные плиты

Холод-ные кровли покрытия часто выполняют из волнистых асбесто-цементных, стальных или алюминиевых листов, укладываемых по про­гонам; они являются одновременно несущими и ограждающими кон­струкциями.

При установке алюминиевых листов иа стальные лрогоны во избе­жание электрохимической коррозии необходим» исключить возможность непосредственного контакта стали и алюмината.

Применение асбестоцементных листов в горячих цехах ограничено их малой долговечностью из-за пересушиваний и последующего рас­трескивания. В горячих цехах металлургических заводов часто применяют сталь­ную кровлю из плоских листов

Иногда для холодных кровель применяют армоцементные плиты , по которым устраивают выравнивающий слой и наклеивают рулонный гидроизоляционный ковер.

Беспрогонные покрытия

Конструктивная схема беспрогонного покрытия показана на рис. XIII.5

Рис. XIII.5

.Для теплых кровель широко применяют крупнопанельные унифи-цированные железобетонные плиты шириной 1,5 и 3 м и длиной 6 и 12 м

Лучше применять плиты шириной 3 м, так как при этом обеспечива­ ется узловая передача нагрузки при типовых размерах панелей ферм. При плитах шириной 1,5 м верхний пояс фермы работает на местный изгиб или нужно устанавливать дополнительные шпренгели.

Прогоны Простейшими прогонами являются балки из прокатных швеллеров или двутавров. Такие прогоны рациональны при пролете 6 м; при шаге ферм 12 м прокатные прогоны не применяют, так как они становятся очень тяжелыми и приводят к большому расходу стали.

Широко применяются прогоны из гнутых листов толщиной 4—6 мм швеллерного сечения. Прогоны из гну­тых листов могут иметь сравнительно развитую высоту при относитель­но тонкой стенке, поэтому их применяют при шаге ферм 6 и 12 м с лег­кой (холодной) кровлей. На коньке кровли, у ендов многопролетных зданий, над остеклением фонарей применяют составные прогоны из прокатных профилей либо гнутые профили усложненной формы .

Прогоны сплошного сечения Сплошные прогоны, расположенные на скате кровли, работают на изгиб в двух плоскостях. Вертикальная нагрузка q от кровли может быть разложена на q_x, действующую в плоскости большей жесткости прогона, и скатную составляющую q_y (рис XIII.10,а).

При небольших уклонах кровли скатная составляющая невелика вследствие малой жесткости прогона относительно оси у—у; напряжения от нее, однако, получаются большими. Чтобы уменьшить изгибающий мрмент, от скат­ной составляющей прогоны раскрепляют тяжами из круглой стали диаметром 18—22 мм (рис. XIII.10,б),

уменьшающими расчетный про­лет прогона в плоскости ската. Тяжи ставят между всеми прогонами, за исключением конькового. В панелях у конька тяжи идут наклонно и крепятся к стропильной ферме или к коньковому прогону вблизи опор. Если на коньке установлены два наклонных прогона то они должны быть связаны между собой. Погонная вертикальная на­грузка на прогон

где q_ф — расчетная нагрузка от массы 1 м^г кровли;α— угол наклона кровли к гори­зонту (прн уклоне кровли i<1/8 можно принимать cos α =1); р—расчетная нагрузка от снега,; b — расстояние между прогонами; q_С,М. — расчетная по­гонная нагрузка от собственной массы прого-на.В зданиях с фонарями, с перепадами высот по длине или ширине расчетная снеговая нагрузка не является равномерной по ширине про­лета здания и существенно увеличивается у перепадов высот , что является особо опасным для прогонов и учитывается коэф­фициентом с.

Составляющие нагрузки q_x и q_y в зависимости от угла наклона ската кровли а будут равными:

Значения изгибающих моментов в плоскости меньшей жесткости прогона зависят от числа тяжей (рис. XIII. 10,в).

При шаге ферм 6 м обычно ставят один тяж, при шаге 12 м или крутом скате лучше поста­вить два. При постановке одного тяжа изгибающий момент в плоскости ската находят как опорный момент в двухпролетной неразрезной балке. Наибольшие напряжения в прогоне от совместного действия изгиба в двух плоскостях

Прочность прогонов разрешается проверять с учетом развития пла­ стических деформаций по формуле

Если кровельный настил «крепится к прогонам жестко и образует плотное полотнище то скатная состав-ляющая будет восприниматься самим полотни-щем кровли. В этом случае необходи-мость в тяжах отпадает и прогоны можно рассчитывать только на нагрузку q_х. Общую устойчи­вость прогонов не проверяют, так как устойчивость их обеспечена сила­ми трения между прогонами и опирающимися на него по всей длине кровельными плитами или настилом.

Прогиб прогонов проверяют только в плоскости его большей жестко­сти, он не должен превышать 1/200 пролета . Вертикальный прогиб прогонов, устанав-ливаемых над остеклением фо­нарей во избежание растрескивания стекол должен быть не более 1/500 пролета.

Сквозные (решетчатые) прогоны значи-тельно легче сплошных при большом весе кровли и шаге^ стропильных ферм 6 м, а при шаге ферм 12 м — с любой нагрузкой.

Верхний пояс этих прогонов выполнен из двух прокатных илн гнутых швеллеров, располо-женных полками наружу на расстоянии 80 мм. Эле­менты решетки из гнутых швел-леров заводят между элементами пояса и приваривают к ним без фасонок.

Сквозные прогоны рассчитывают как фермы с соответствующей си­стемой решетки и неразрезным верхним поясом. Верхний пояс прогона работает на сжатие с изгибом , остальные элементы испытывают продольные усилия.