Оголовок; 2 – стержень; 3 – база.

Рисунок 3. Колонна сварная.

Раздел 2. Расчетная часть.

2.1. Проектирование сплошной колонны.

Расчетная длина колонны

Требуемая площадь поперечного сечения колонны ,

где – расчетное сопротивление стали.

– коэффициент продольного изгиба в первом приближении, соответствующий гибкости

Определяем габариты поперечного сечения колонны:

Радиус инерции .

Габариты поперечного сечения: , .

, - коэффициенты формы поперечного сечения колонны.

Принимаем с учетом сортамента на листовой прокат

Подбираем толщину стенки и поясов поперечного сечения колонны:

. По сортаменту на листовой прокат принимаем Тогда на долю поясов приходиться площадь .

Требуемая толщина одного пояса составит: . По сортаменту на листовой прокат принимаем .

Проверяем подобранное поперечное сечение колонны:

Фактическая площадь .

Минимальный момент инерции .

Минимальный радиус инерции .

Наибольшая гибкость .

Условная гибкость .

При .

.

Значения и незначительно отличаются друг от друга.

Нормальное напряжение: .

Прочность поперечного сечения колонны обеспечена, т. к. перегрузка не превышает 5%.

Проверяем условия обеспечения устойчивости стенки и поясов поперечного сечения:

При условной гибкости

, следовательно, укрепление стенки продольными ребрами жесткости не требуется.

Так как , то и поперечных рёбер жёсткости так же не надо.

Устойчивость поясов проверяется неравенством:

В нашем случае: , т.е. устойчивость поясов обеспечена.

 

Рисунок 4. Поперечное сечение сплошной колонны.

 

2.2. Проектирование сквозной колонны.

Проектируем сквозную колонну, стержень которой состоит из двух швеллеров.

2.2.1. Расчет относительно материальной оси X.

 

Задаёмся как и раньше . По полученной площади поперечного сечения и, используя сортамент фасонного проката, подбираем два швеллера с суммарной площадью и с радиусом инерции

Тогда гибкость ,

Условная гибкость , где .

Коэффициент .

 

Напряжение .

Прочность подобранного сечения колонны обеспечена.

 

2.2.2. Расчет относительно свободной оси Y.

 

Определяем ширину поперечного сечения колонны из условия её равной устойчивости.

Предварительно задаемся гибкостью ветви .

Гибкость ,

Радиус инерции .

Требуемое расстояние между обушками швеллеров с полками, ориентированными внутрь . Это расстояние должно быть не менее удвоенной ширины полки швеллера плюс зазор 100 мм для возможности очистки и окраски ветвей стержня колонны с внутренней стороны.

- расчетная ширина приемлема.

 

Рисунок 5. Поперечное сечение сквозной колонны.

Производим окончательную проверку подобранного поперечного сечения сквозной колонны. По сортаменту на фасонный прокат для швеллера №40 выбираем:

момент инерции относительно собственной оси Y ;

радиус инерции относительно собственной оси Y ;

расстояние от обушка до собственной оси Y .

Момент инерции всего сечения колонны относительно общей оси Y:

.

Расчетная длина ветви . Принимаем расстояние между планками в свету .

Радиус инерции всего поперечного сечения колонны: ,

гибкость , приведенная гибкость .

Полученное значение приведенной гибкости меньше, чем значение гибкости относительно оси X, т.е. , следовательно, проверка напряжений не требуется.

Производим расчет планок.

Ширина планки . Принимаем .

Толщина планки принимаем .

Планки заводят на ветвь стержня на .

Должны соблюдаться условия: и ; в нашем случае:

и .

Отношение жёсткостей планки и ветви стержня:

, т.е. деформативностью планок можно пренебречь.

 

 

 

 

Рисунок 6. Расположение планок на стержне колонны.

 

2.3. Сравнение вариантов.

 

Для окончательного выбора варианта конструкции стержня колонны сравним площади их поперечных сечений.

Площадь поперечного сечения сплошной колонны: .

Площадь поперечного сечения сквозной колонны:

.

Предпочтение отдаем варианту сплошного поперечного сечения колонны, так как его площадь меньше и, следовательно, экономичнее по расходу материала и менее трудоёмка.

 

2.4. Расчёт и конструирование базы.

 

2.4.1. Определяем размеры опорной плиты.

Расчетная сила давления на фундамент с учетом веса колонны:

, где

т/м³ – плотность стали;

- коэффициент надежности.

Материал фундамента бетон марки М100 с нормативным сопротивлением

Задавшись коэффициентом сопротивления бетона , определяем расчетное сопротивление бетона: .

Требуемая площадь опорной плиты .

Принимаем ширину плиты при толщине листов траверсы . Тогда размер выпуска .

Требуемая длина плиты . Принимаем , тогда выпуск плиты за пояса стержня .

 

 

Рисунок 7. Опорная плита вместе со стержнем в плане.

 

Определяем толщину плиты.

Среднее напряжение в бетоне .

На участках, опёртых по четырём сторонам (внутри поперечного сечения стержня колонны): ; и . По таблице определяем . Величина изгибающего момента на этом участке составит:

.

На участках, опёртых по трём сторонам (между листами траверсы и поясом стержня колонны): ; и . По таблице определяем . Величина изгибающего момента на этом участке составит:

.

На консольных участках величина изгибающего момента составит:

.

Вследствие большой разницы между моментами предусматриваем укрепление плиты рёбрами жёсткости толщиной .

 

 

Рисунок 8. Опорная плита вместе со стержнем и рёбрами жёсткости в плане.

 

Тогда и . По таблице выбираем . Изгибающий момент на этом участке составит:

.

Максимальный изгибающий момент .

Толщина плиты . По таблице принимаем толщину плиты .

2.4.2. Рассчитаем и сконструируем траверсу.

Принимаем катет сварных швов . Тогда при четырех сварных швах необходимая высота траверсы:

. Принимаем .

Проверяем прочность траверсы на изгиб и срез.

Нагрузка на единицу одного листа траверсы:

Изгибающий момент в месте приварки траверсы к колонне:

.

Поперечная сила в месте приварке траверсы к колонне:

.

Момент сопротивления листа траверсы .

Нормальное напряжение в сечении траверсы:

.

Касательное напряжение в сечении траверсы:

.

Прочность траверсы обеспечена.

 

 

Рисунок 9. Траверса.

 

2.4.3. Рассчитаем и сконструируем ребра жёсткости.

Нагрузка на единицу длины ребра .

Изгибающий момент в месте приварки ребра .

Поперечная сила в месте приварки ребра .

Требуемая высота ребра .

Принимаем высоту ребра по таблице.

Касательное напряжение .

Прочность ребра жёсткости обеспечена.

 

 

 

 

Рисунок 10. Ребро жёсткости.

 

2.5. Конструирование оголовка колонны.

 

Оголовок колонны представляет собой плиту, на которой располагаются выше лежащие балки. Размеры оголовка зависят от поперечного сечения стержня колонны и назначаются конструктивно.

 

Рисунок 11. Оголовок колонны в плане.

 

Толщину оголовка принимаем равной толщине опорной плите - . Выпуск оголовка за стержень колонны принимаем 60 мм с каждой стороны.

 

2.6. Расчёт сварных швов.

 

Швы, прикрепляющие ребро к колонне проверяем по результирующему напряжению:

Швы, прикрепляющие элементы базы к плите определяем по катету.

Катет шва, прикрепляющего траверсу: .

Катет шва, прикрепляющего ребро жесткости: .

Принимаем катеты швов в соответствии с толщиной плиты .

Такого же катета назначаем швы, прикрепляющие к плите пояса и стенку стержня колонны, а также и оголовок к стержню колонны.

 

2.7. Проверка принятого расчётного сопротивления бетона.

 

Размеры верхнего обреза фундамента примем на 300 мм больше размеров опорной плиты.

Тогда длина обреза фундамента .

Ширина обреза фундамента .

Коэффициент .

Полученный коэффициент не отличается от принятого ранее, следовательно, все конструктивные решения и расчеты верны.

 

 

Раздел 3. Технологическая часть.

3.1. Анализ технологичности.

Для изготовления сварной колонны применяется сталь ВСт3пс, относящаяся к классу низкоуглеродистых сталей и к первой группе по свариваемости. Сварные соединения из сталей 1 группы свариваемости отличаются высоким качеством, получаются без применения особых приемов (подогрев при сварке и отпуск после неё). Заготовки для элементов колонны изготовляются из листового проката термической резкой и не нуждаются в дальнейшей механической обработке. Все сварные соединения располагаются симметрично, отсутствует скопление сварных швов в одном месте, имеется хороший доступ к местам сварки и для выполнения контрольных операций. Сварная колонна позволяет применять высокопроизводительные способы сборки и сварки с применением прогрессивного оборудования и не требует высокой квалификации основных рабочих. Все выше сказанное позволяет сделать вывод, что спроектированная сварная колонна является технологичной.

3.2 Технология сборки и сварки.

Заготовки получаем термической резкой, после которой производим правку. Заготовки из листового проката правим на листоправильных вальцах. Перед поступлением заготовок на сборку проверяем чистоту поверхности металла, габаритные размеры, качество подготовки кромок. Транспортировку осуществляем с помощью мостового крана. Сборку производим на плите с помощью установочных струбцин, состоящих из 2-х винтовых струбцин и талрепа. Листы, закрепленные в струбцины, устанавливаются талрепом на необходимое расстояние и прихватываются тонкими прутками. В собранном узле контролируем зазоры, относительное положение деталей. Сварку ведём вручную электродами Э60. После сварки зачищаем швы. Сборка основания ведется на стержне колонны. Сначала привариваем траверсы, затем рёбра жёсткости. Далее колонна кладется на подставку определённой высоты и к стержню прикладывается, прихватывается и приваривается опорная плита и с другой стороны оголовок. Применяем полуавтоматическую сварку в смеси и . В последнюю очередь привариваем рёбра жёсткости ручной дуговой сваркой электродами Э60. После сварки зачищаем швы и внешним осмотром выявляем дефекты: наплывы, подрезы, прожоги, не провар и т.д. Размеры сварных швов контролируем катетомерами. Изготовленную сварную колонну транспортируем на склад готовой продукции.

3.3 Применяемое оборудование.

Для полуавтоматической сварки применяем полуавтомат ПДГ-508 с источником питания ВДУ-504 проволокой СВ-08Г2С диаметром 1.6 мм. Для получения смеси углекислого газа и кислорода применяем смеситель УСД-1А. Для ручной сварки применяем источник питания ВДУ-506.

 

Литература.

1. Блинов А.Н., Лялин К.В. «Сварные конструкции», Стройиздат, М. 1990 г.

2. Михайлов А.М. «Сварные конструкции», Стройиздат, М, 1983 г.

3.Г А. Николаев Г.А. Винокуров В.А. «Сварные конструкции», В. школа, М,

1990 г.

 

 

Примечания

1. К подразделу 2.1.

1.1.При большой разнице между значениями φ₀ и φ₁ следует определить их среднеарифметическое значение: и сделать перерасчёт.

1.2.При условной гибкости должно соблюдаться неравенство .

1.3.В случае несоблюдения неравенств или необходимо укрепить стенку продольными рёбрами жёсткости.

1.4.В случае несоблюдения неравенства необходимо укрепить стенку поперечными рёбрами жёсткости.

2. К подразделу 2.2. (пункт 2.2.2).

2.1.Если приведённая гибкость больше гибкости относительно оси х, то следует провести проверку по нормальным напряжениям , где коэффициент

, где .

2.2.При несоблюдении неравенства следует увеличить толщину планок и сделать перерасчёт.

3. К подразделу 2.4.

3.1.В том случае, если экономичнее будет стержень колонны, состоящий из двух швеллеров, то при определении толщины плиты следует руководствоваться рисунком 4 и все размеры для определения изгибающих моментов назначить в зависимости от размеров поперечного сечения стержня колонны.

 

 

b₁

 

а₂ а₁

 

Рисунок 4. Опорная плита вместе со стержнем сквозной колонны в плане.

Участок, закреплённый по четырём сторонам (внутри стержня колонны), имеет размеры:

, где d – толщина стенки швеллера.

, где h – высота швеллера.

Участок, закреплённый по трём сторонам (между листами траверсы), имеет размеры:

, где b – ширина поперечного сечения стержня; L_pl – длина опорной плиты

При расстановке рёбер жёсткости

3.2. При несоблюдении условия прочности траверсы следует увеличить её толщину, или высоту и сделать перерасчёт.

3.3 При несоблюдении условия прочности ребра жёсткости следует увеличить его высоту и сделать перерасчёт.

4.К подразделу 2.5.

4.1.Если полученный коэффициент значительно отличается от принятого, то следует изменить размеры верхнего обреза фундамента и сделать перерасчёт.

5. Образцы выполнения чертежей общего вида сплошной и сквозной колонн представлены на рисунках 5 и 6.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Образец чертежа общего вида колонны со сплошным стержнем.

 

 

 

Рисунок 6. Образец чертежа общего вида колонны со сквозным стержнем.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ.

Справочные таблицы.

Таблица 3. Сортамент стального листового проката.

 

Толщина листа t, мм.	4; 6; 8; 9; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 25; 28; 30; 32; 36; 40; 45; 50.
Ширина листа b, мм.	180;200; 220; 240; 250; 260; 280; 300; 320; 340; 360; 380; 400; 420; 450; 480; 500; 560; 600; 630; 650; 670; 700; 750; 800; 850; 900; 950; 1000; 1050;1100; 1250; 1400; 1420; 1500.

 

Таблица 4. Расчётные сопротивления стального проката.

 

Марка стали.	Толщина листового проката	Расчётные сопротивления R, Н/мм^2
Листовой прокат	Фасонный прокат
18сп	4…20
18кп	4…20
ВСт3пс6-1	4…50
ВСт3кп2	4…20
ВСт3сп	4…20
09Г2	4…20
10Г2С1	10…20
14Г2	4…9
15ХСНД	4…32
10ХСНД	4…32
14Г2АФ	4…50		-

 

Таблица 5. Значения коэффициента с для сварных балок.

 

Отношение площадей пояса и стенки балки	0,25	0,5
Значение коэффициента с	1,19	1,12	1,07	1,04

 

Таблица 6. Коэффициенты ξ, ε, ή.

 

Приложение нагрузки.	ε	ξ	ή
К верхнему поясу.	0,35	0,76	0,02
К нижнему поясу.	0,57	0,92	0,02
Независимо от места приложения.	0,41	0,73	0,016

 

Таблица 7. Коэффициент с_ст для стальных сварных балок.

 

Коэф. защемления стенки в поясах δ	<0,8						>30
Коэффициент сст		31,5	33,3	34,6	34,8	35,1	35,5

 

 

Таблица 8. Коэффициент с₁ для сварных балок.

 

δ μ	<0,5	0,6	0,8		1,2	1,4	1,6	1,8	>2
<1	11,5	12,4	14,8		22,2	27,1	32,6	38,9	45,6
			16,1	20,4	25,7	32,1	39,2	46,5	55,7
	12,3	13,3	16,6	21,6	28,1	36,3	45,2	54,9	65,1
	12,4	13,5	16,8	22,1	29,1	38,3	48,7	59,4	70,4
	12,4	13,6	16,9	22,5		39,7		63,3	76,5
>30	12,5	13,7		22,9		41,6	53,8	68,2	83,6

 

Таблица 9. Значение отношения для стальных сварных балок.

δ μ	0,8	0,9		1,2	1,4	1,6	1,8	>2
<1		0,146	0,183	0,267	0,359	0,455	0,54	0,618
		0,109	0,169	0,277	0,406	0,543	0,652	0,799
		0,072	0,129	0,281	0,479	0,711	0,93	1,132
		0,066	0,127	0,288	0,536	0,874	1,192	1,468
		0,059	0,122	0,296	0,574	1,002	1,539	2,154
>30		0,047	0,112	0,3	0,633	1,283	2,249	3,939

 

Таблица 10. Коэффициент с₂ для сварных балок.

 

μ	0,9		1,2	1,4	1,6	1,8		2,2	2,4	2,6
с2		39,2	45,2	52,8		72,6	84,7	84,7	84,7	84,7

 

Таблица 11. Коэффициент α для расчёта плит, опёртых по четырём сторонам.

 

		1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9		>2

 

Таблица 12. Коэффициент α₁ для расчёта плит, опёртых по трём сторонам.

 

	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9		1,2	1,4		>2
α1	0,06	0,074	0,088	0,097	0,107	0,112	0,12	0,126	0,132	0,133

 

 

 

Таблица 13. Сталь горячекатаная, балки двутавровые. ГОСТ 8239-89 [10].

Номер балки.	h, мм.	b, мм.	d, мм.	А, см^2	Ix, см^4	Wx, см^3	ix, см	Iy, см^4	Wy, см^3	iy, см
			4,5			39,7	4,06	17,9	6,49	1,22
			4,8	14,7		58,4	4,88	27,9	8,72	1,38
			4,9	17,4		61,7	5,73	41,9	11,5	1,55
				20,2			6,57	58,6	14,5	1,7
			5,1	23,4			7,42	82,6	18,4	1,88
			5,2	26,8			8,28		23,1	2,07
			5,4	30,6			9,13		28,6	2,27
			5,6	34,8			9,97		34,5	2,37
				40,2			11,2		41,5	2,54
			6,5	46,5			12,3		49,9	2,6
				53,8			13,5		59,9	2,79
			7,5	61,9			14,7		71,1	2,89
				72,6			16,2		86,1	3,03
			8,6	84,7			18,1			3,09
			9,5				19,9			3,23
			10,3				21,8			3,39
			11,1				23,6			3,54
							25,8			3,77
							27,7			3,94

 

Обозначения: h – высота профиля; b – ширина полки; d – толщина стенки; А – площадь профиля; I – момент инерции; W – момент сопротивления; i – радиус инерции.

Таблица 14. Сталь прокатная. Швеллеры. ГОСТ 8240-89 [10].

 

№ профиля.	h мм.	b мм.	d мм	A см^2	Ix см^4	Wx См^3	ix см	Iy см^4	Wy см^3	iy см.	z0 см.
			4,4	6,16	22,8	9,1	1,92	5,61	2,75	0,954	1,16
6,5			4,4	7,51	48,6		2,54	8,7	3,68	1,08	1,24
			4,5	8,98	89,4	22,4	3,16	12,8	4,75	1,19	1,31
			4,5	10,9		34,8	3,99	20,4	6,46	1,37	1,44
			4,8	13,3		50,6	4,78	31,2	8,52	1,53	1,54
			4,9	15,6		70,2	5,6	45,4		1,7	1,67
14а			4,9			77,8	5,66	57,5	13,3	1,84	1,87
				18,1		93,4	6,42	63,3	13,8	1,87	1,8
16а				19,5			6,49	78,8	16,4	2,01
			5,1	20,7			7,24			2,04	1,94
18а			5,1	22,2			7,32			2,18	2,13
			5,2	23,4			8,07		20,5	2,2	2,07
20а			5,2	25,2			8,15		24,2	2,35	2,28
			5,4	26,7			8,89		25,1	2,37	2,21
22а			5,4	28,8			8,99			2,55	2,46
			5,6	30,6			9,73		31,6	2,6	2,42
24а			5,6	32,9			9,84		37,2	2,78	2,67
				35,2			10,9		37,3	2,73	2,47
			6,5	40,5					43,6	2,84	2,52
				46,5			13,1		51,8	2,97	2,59
			7,5	53,4			14,2		61,7	3,1	2,68
				61,5			15,7		73,4	3,23	2,75

 

Обозначения: h – высота профиля; b – ширина полки; d – толщина стенки; А – площадь профиля; I – момент инерции; W – момент сопротивления; i – радиус инерции; z₀ – расстояние от центра тяжести до наружной грани стенки