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.
|
