4. Расчет стальной одноступенчатой колонны каркаса промышленного здания

4.1. Исходные данные

Колонна одноступенчатая со сплошной верхней и сквозной нижней частью. Сопряжение колонны с фундаментом – жесткое, с ригелем шарнирное.

Материал – ВСтЗкП2 , - для листа. – для фасонного проката.

Геометрические размеры: , , , , – определены при компоновке рамы (см. рис. 3.1).

Расчетные усилия:

для верхней части (сеч. 3);

для нижней части (сеч. 1);

(сеч. 1);

и соотношение жесткостей – из расчета рамы.

Конструктивная схема показана на рис. 4.1

Рисунок 4.1

4.2. Расчетные длины участков колонны

При и

по таб. 2,2[7] ,.

В плоскости рамы

;

;

из плоскости рамы

,.

4.3. Расчет надкрановой части колонны

Виду малых нагрузок, действующих на надкрановую часть колонны сечение колонны будем подбирать исходя из конструктивных соображений.

Ширину полки назначаем не менее длины колонны из плоскости рамы –.

Принимаем ширину ребра .

Следовательно толщина полки должна составлять .

Принимаем .

.

Далее по таб. 3.3 [7] при и при

.

Отсюда .

Принимаем , в этом случаес в расчетную площадь сечение включается полностью.

Проверяем местную устойчивость полки по формуле:

.

Вычисляем геометрические характеристики сечения.

Общая площадь:

;

Расчетная площадь:

.

;

.

.

;

.

Проверяем устойчивость в плоскости рамы

Определяем:

;

.

;

.

По таб. 3.1 [7]

.

.

По таб. 3.2 [7] при и приопределяеми проверяем устойчивость по формуле:

Проверяем устойчивость из плоскости рамы.

Предварительно проверим местную устойчивость стенки. Определяем краевые напряжения в стенке:

Сжимающие:

;

растягивающие:

.

Величина .

Поперечная сила в сечении 3-3.

.

.

Местная устойчивость стенки обеспечена, если

, но не более , где

.

Устойчивость стенки обеспечена, т.к. , поэтому при проверке устойчивости учитывается.

Определяем

; ;, где.

При ипо таб. 3.4 [7],.

.

Гибкость стенки , поэтому ребра жесткости не нужны.

Сварные швы, соединяющие стенку и полки принять сплошными, по данным таб. 3.6 [7].

4.4. Расчет подкрановой части колонны

4.4.1 Расчет ветвей подкрановой части

Принимаем и определяем

, .

Усилия в ветвях:

,

.

Требуемая площадь ветвей

, .

Подкрановую ветвь принимаем из двутавра № 60Б1 [1, 549]; его характеристики: , , , , ; наружную ветвь компонуем из трех листов как составной швеллер, толщину его стенки и полок назначаем по требованию жесткости.

Рисунок 4.2.- К расчету решетчатой колонны

Местная устойчивость стенки обеспечена, если

,

где . Отсюда ,

принимаем стенку из листа 630x16, , полки 120x10, , .

Местная устойчивость полок обеспечена т.к.

Геометрические характеристики наружной ветви:

,

;

;

;

;

,

;

.

Уточняем усилия в ветвях

,

.

Гибкости и коэффициенты продольного изгиба:

(по табл. 25 [3]); .

Проверяем устойчивость ветвей из плоскости рамы (относительно оси у).

Подкрановая ветвь

.

Наружная ветвь

.

Требуемая по условию равноустойчивости длина ветви:

- подкрановой: ,

- наружной: .

Принимаем , .

Проверяем устойчивость ветвей в плоскости рамы (относительно осей x₁ и x₂)

Для подкрановой ветви:

, .

Для наружной ветви:

,.

4.4.2 Расчет решетки

Определим поперечную силу

,

(из расчета рамы, загружения 1,2,3,4,5).

Принимаем . Определяем , ,

α – угол наклона раскоса к ветви (рис. 4.2).

. .

Принимаем └ 90х7, А_уг = 12,3 см², i_min = 1,78 см².

, ,.

4.4.3 Проверка устойчивости колонны в плоскости рамы как единого сквозного стержня

Геометрические характеристики:

А = А_пв + А_нв = 131 + 124,8 = 255,8 см²,

,

, ,

.

Проверка устойчивости

При

, (по табл. 4.2 [5]),

.

При , ,

.

4.5 Расчет узла сопряжения верхней и нижней частей колонны

Рисунок 4.3. - К расчету узла сопряжения верхней и нижней частей колонны:

а) конструктивные решения узла; б) расчетная схема траверсы; в) сечение траверсы

Расчетные усилия в сечении над уступом (сечение над уступом):

1),

2),

D_max = 2034,38 кН.

4.5.1 Проверка прочности шва 1 (Ш 1)

, .

Комбинация усилий 1.

Слева ,

Справа .

Комбинация усилий 2.

Слева ,

Справа.

Назначаем высоту траверсы предварительно h_тр = 800 мм и толщину подкрановой площадки t_пл = 20 мм.

, здесь Принимаем t_ст = 18 мм.

4.5.2 Расчет швов 2 крепления ребра к траверсе

Усилия в швах

(1 комбинация);

(2 комбинация).

, где

Принята сварка полуавтоматическая проволокой СВ-08А, d = 1,4…2 мм. Расчет выполнен по металлу шва.

4.5.3 Расчет швов 3 крепления траверсы к подкрановой ветви

Наибольшую нагрузку на швы 3 (их 4) дает комбинация усилий от нагрузок 1,2,3,4,5 (сечение 3-3, над уступом).

Нагрузка на швы ,

где 0,9 – коэффициент сочетаний.

Требуемая длина шва, если .

Из условия прочности стенки подкрановой ветви на срез в зоне швов (линия 1-1) определяем h_тр.

, где для двутавра 60Б1, .

Окончательно принимаем .

4.5.4 Проверка прочности траверсы как балки, загруженной N, M, D_max

Нижний пояс траверсы принимаем конструктивно 560x12, верхний пояс из двух горизонтальных ребер 250х12 (см. рисунок 32).

Геометрические характеристики траверсы:

Максимальный изгибающий момент в траверсе возникает при N_n.max.

При загружении +М_max = +418,96 кНм и N = +84,96 кН во внутренней полке

Максимальная поперечная сила в траверсе с учетом D_max возникает при загружениях 1,2,3,4,5 (расчет шва 3).

,

здесь коэффициент 1,2 учитывает неравномерную передачу усилия D_max на два сечения.

.

4.6 Расчет и конструирование базы колонны

Проектируем базу раздельного типа (рисунок 33). Бетон фундамента класса В-12,5, R_b=7,5 МПа. Для расчета базы принимаем комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 1-1), создающие наибольшее давление на базу каждой ветви.

Рисунок 4.4.-. К расчету базы колонны

Для подкрановой ветви:.

Для наружной ветви: .

(снег наружную ветвь не разгружает).

Усилия в ветвях: , .

4.6.1 База подкрановой ветви

Требуемая площадь плиты .

По конструктивным соображениям свес плиты тогда , принимаем .

принимаем .

Напряжение в бетоне под плитой .

Центр тяжести плиты совмещается с центром тяжести ветви. Траверсы базы крепятся сварными швами и полками ветви, они делят плиту на три участка 1,2,3. Первый и второй – консольные с вылетами соответственно и , третий оперт по контуру, его размеры: и (данные для расчета длин участков взяты из характеристик двутавра 60Б1 – [1, 549]), толщина траверсы принята 12 мм.

Изгибающие моменты на отдельных участках:

.

здесь , так как .

Требуемая толщина плиты .Высоту траверсы определяем из условия размещения четырех швов креплений траверс ветви. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-08А, d = 1,4…2 см, к_ш = 0,8 см.

Требуемая длина шва:

. Принимаем .

Проверка прочности траверсы ни изгиб и срез не требуется, т.к. вылет траверсы 5 см по отношению к высоте 45 см очень мал.

4.6.2 База наружной ветви

Требуемая площадь опорной плиты

,,

Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету равно .

При толщине траверсы 12 мм

Размеры участков 3 и 4:

длина участков одинаковая: , ширина участка 3: а₃ = 12 см, участка 4 –

.

Участки 1 и 2 консольные, с вылетами , участки 3 и 4 оперты по контуру с отношением сторон .

Напряжение в бетоне под плитой .

Изгибающие моменты на отдельных участках:

.

.

По наибольшему изгибающему моменту в плите базы подкрановой ветви назначаем

.

С учетом расчета подкрановой ветви принимаем t_пл = 25 мм. Траверсы принимаем с размерами: t_тр=12 мм, .

4.6.3 Расчет анкерных болтов

Расчетное сочетание в сечении 1-1 N_minM_cоот:

Наибольшее усилие растяжения

.

Требуемая площадь болтов нетто .

Принимаем четыре анкерных болта типа IV d = 30 мм по [7, 171], с .