Розрахунок та конструювання з’єднувальних елементів та зварних швів

2.2.1 З умов забезпечення рівностійкості колони   визначаємо відстань гілок від вільної вісі (див.  табл.3)

    ,                                                                                                          (2.8)

  де  - відстань між гілками стержня колони;

    ,  - коефіцієнти радіусів інерції, які залежать від типу перерізу (див. табл.3).

Прийняте значення відстані між гілками стержня колони повинно бути не менше подвоєної ширини полки прокатного профілю  плюс зазор 100мм для можливості очистки та фарбування гілок з вибраного боку

 

,                                                                                         (2.9)       

де  - ширина полиці;

 - висота перерізу, яка дорівнюється номеру прокатного профілю.

Робиться висновок: З двох величин вибирається більше, яке округляється до нуля в см.

 

2.2.2 Для того, щоби гілки стержня колони працювали, як єдине ціле їх з’єднують за допомогою планок або решітки. З’єднувальні елементи розраховуються на умовну поперечну силу, близькі значення якої можливо визначити по таблиці 5.

 

Таблиця5

Значення умовної поперечної сили

Розрахунковий опір , МПа	210	260	290	380	440	530
	0,2А	0,3А	0,4А	0,5А	0,6А	0,7А

 

де  - площа перерізу стержня колони, приймається в сантиметрах.

Примітка: Для проміжних значень  табличні значення потрібно інтерполіровать.

      Визначаємо умовну поперечну силу   (див. рис. 1.б).

2.2.3 Розрахунок  з’єднувальних планок:

2.2.3.1 Визначаємо розміри з’єднувальних планок (рис. 1)

 

а) Назначаємо ширину з’єднувальної планки

                                                                                                     (2.10)            

б) Довжина з’єднувальної планки визначається по формулі

 

                                                                                                                  (2.11)    де = b-2 b_f - величина просвіту між гілками стержня колони, якщо гілка виконана зі швелера та l₁= b- b_f, якщо гілка виконана з двотавра;

 - величина заходу ланок на гілки колони.

 

в) Товщина з’єднувальної планки назначається з умов забезпечення стійкості

;                                                                                                                              (2.12)

;

                   .

  Робиться висновок щодо вибраних розмірів з’єднувальної планки. Ширина та товщина планки вибирається по таблицям листового сортаменту. Ширина – в розрахованих границях (формула 2.10), а товщина  близько до найбільшого значення серед розрахованих товщин (формула 2.12)

 2.2.3.2 Визначаємо розрахункову довжину гілки стержня колони (довжина гілки в світу між планками, див. рис.1а)

 

                                                                                                                                     (2.13)                                      

де  - гнучкість однієї гілки стержня колони відносно вісі паралельної вільної вісі, рекомендується її приймати в границях:

.

Та округляємо l_b  до нуля в см в меншу сторону l_b=.

2.2.3.3Розраховуємо відстань між центрами планок

                                                                                                                            (2.14)                                          

2.2.3.4 Визначаємо умовну поперечну силу, яка приходиться на планку з одного боку колони.

                                                                                                                                  (2.15)

2.2.3.5 Планки працюють на згинання від діяння умовної поперечної сили . В місці кріплення планок діють перерізуючи сила  та згинальний момент , які визначаються по формулам (див. рис 1.а,б,в)

                                                                                                         (2.16)

 де с - відстань між гілками в осях;

                                                                                          (2.17)        

                         

     

     Рис.1 До розрахунку стержня колони і з’єднувальних планок

2.2.3.6 В зварних колонах планки кріпляться до гілок колони внапусток та зварюються кутовими швами. Міцність кутового шва визначаємо у такій послідовності:

а) Визначаємо, який із перерізів кутових швів по міцності більш   небезпечний, по металу шва чи по межі сплавлення. Для цього по таблицям СНиП ІІ-23-81* знаходимо:

 - розрахунковий опір кутового шва на зріз по металу шва попередньо призначив зварювальні матеріали (тип електроду або марку зварювальної проволоки);

 - розрахунковий опір кутового шва на зріз по межі сплавлення;

 - коефіцієнт глибини проплавлення по металу шва;

 - коефіцієнт глибини проплавлення по металу межі сплавлення;

 - нормативний опір основного металу по тимчасовому опору.

 

Робиться висновок.  Небезпечний переріз, буде той де добуток буде менший  чи . Розрахунок зварних швів ведемо по небезпечному перерізу.

         б) Визначаємо розрахунково площу шва  та момент опору шва . Приймаємо приварку планок (залежно від її товщини) до полиць гілок колони кутовими швами з катетом .

                                                                                                                  (2.18)                                                     

                                                                                                                       (2.19)

2.2.3.7 Розраховуємо напруження у шві від перерізуючої сили  - та  від згинального моменту .

- дотичне напруження від ;                                                            (2.20)             

- нормальне напруження від                                                              (2.21)     

     де  - розрахункова довжина зварного шва з одного боку  планки.

 

2.2.3.8 Перевіряємо шви на міцність на сумісне діяння перерізуючої сили та згинального моменту

                                                                                                    (2.22)

Робиться висновок щодо забезпечення міцності зварного шва.

2.2.3 Розрахунок з’єднувальної решітки.

Решітка забезпечує сумісну роботу віток стержня колони та суттєво впливає на стійкість колони в цілому та її віток. Приймаються решітки різноманітних систем: із розносів та розпірок.

Елементи розкосої решітки конструюють з одиночних кутників, частіше приймають кутники розміром 45´4 чи 50´5мм.

Попередньо їх підбирають по граничній гнучкості , а потім розраховують на повздовжнє зусилля , яке виникає під діями умовної поперечної сили . Розкоси одного напрямку виявляються стиснутими, другого – розтягнутими.

Кут нахилу розкосу решітки не повинен виходити за межі  (для звичайної трикутникової решітки оптимальним є , для трикутникової з розпірками - ).

З’єднувальну решітку розраховують у такому порядку:

 

2.2.4.1 Викреслюємо геометричну схему колони, спочатку задавшись кутом   нахилу розкосу решітки (див. рис.2)

2.2.4.2 Визначаємо довжину розкосу між вузлами решітки з умови центрівки кутників на зовнішню грань (швелерів, кутників) чи на вісь (двотаврів) гілки стержню колони

 

                                                                                                                          (2.23)                                

2.2.4.3 Розраховуємо потрібний радіус інерції розкосу (рівнобокого кутника) по формулі:

                                                                                                                    (2.24)                                        

По таблицям сортаменту вибираємо необхідний кутник та виписуємо його площу поперечного перерізу і радіуси інерції.

 - площа кутника

,  - радіуси інерції.

2.2.4.4Визначаємо зусилля в розкосі решітки

                                                                                                                                (2.25)                                                                                                           

де n – кількість гілок в стержні колони.

Якщо решітка колони окрема розкосів має ще стояки, то зусилля в стояках визначається по формулі:

                                                                                                                        (2.26)                               

Рис.2 До розрахунку з’єднувальної решітки

 

2.2.4.5 Визначаємо гнучкість елементів решітки та по таблиці 4 знаходимо коефіцієнт поздовжнього згинання.

А) для розкосів

,

тоді

а) для стояків

,

де = b,  тоді

2.2.4.6 Перевіряємо елементи решітки на стійкість

а) для розкосів

б) для стояків

        Робиться висновок щодо забезпечення стійкості елементів решітки.

2.2.4.7 Розраховуємо  необхідну довжину швів для кріплення розкосів та стояків по обушку та по перу, попередньо вибрав спосіб зварювання (ручний, автоматичний, напівавтоматичний), зварювальні матеріали (тип електроду або марку зварювальної проволоки) та визначив небезпечний переріз кутового зварного шва (див. п 2.2.4.4а)

а) довжина шва по обушку

                                                                                             (2.25)                                          

б) довжина шва по перу

                                                                                          (2.26)                                 

 

2.2.4.8 Після розрахунку швів необхідно сконструювати вузли решітки тобто накреслити його у масштабі 1:1 на мілімітровці.

Конструктивно приймаємо загальну довжину швів у обушка та у пера не менше 40мм, товщину швів =4...5мм.

 

Робиться висновок щодо довжини швів на обушку та на пері.

2.3 Перевірка стійкості колони відносно вільної вісі.

При з’єднанні планками

2.3.1 Уточнюємо  розміри ширини планки та відстані між її центрами. Виконуємо розстановку планок уздовж стержня колони та визначаємо їх кількість.

Розстановку потрібно вести зверху. Верхня планка упирається в плиту оголовка (див рис. 3).

 

 

Рис.3 Геометрична схема колони при з’єднанні гілок стержня планками

2.3.2 Розраховуємо геометричні характеристики перерізу стержня колони:

а) осьовий момент інерції перерізу стержня колони відносно вільної вісі

               [см⁴],                                                                                        (2.27)                            

де  - відстань між центром ваги перерізу гілки стержня колони та вільною віссю, якщо гілка виконана зі швелеру та а= , якщо гілка виконана з двотавра (див. рис 1);

б) радіус інерції відносно вільної вісі

            [см²]                                                                                                      (2.28)                              

в) гнучкість відносно вільної вісі

               

г) гнучкість вітки стержня колони відносно особистої вісі

                

д) приведена гнучкість

           -для стержня з двох гілок                                                                (2.29)                        

 

     - для стержня з чотирьох гілок,                                                        (2.30)                

де ,  - гнучкість окремих віток стержня колони відносно особистих вісів y-y та х-х для симетричного перерізу з рівнобічних кутників.

 

2.3.3 По значенню приведеної гнучкості по таблиці 4 визначаємо коефіцієнт повздовжнього згинання

              

2.3.1. Перевіряємо стійкість колони відносно вісі y-y

              

2.3.2. Недонапруження складає:

                                                                                                            (2.31)

Робиться висновок щодо виконання умов стійкості стержня колони.

 

  При з’єднанні решіткою.

 

2.3.1. Визначаємо відстань між центрами суміжних вузлів решітки на гілці стержня колони

                                                                                                                                       (2.32)                             

Виконуємо розстановку вузлів решітки уздовж стержня колони та визначаємо їх кількість (див. рис. 4).

 

2.3.2. Розраховуємо геометричні характеристики

 

а) Осьовий момент інерції перерізу стержня колони відносно вільної всі

             [см⁴]                                                                                         (2.33)                                

де  - відстань між центром ваги перерізу гілки стержня колони та вільною віссю, якщо гілка виконана зі

 

Рис.4 Геометрична схема колони при з’єднанні гілок стержня решіткою

швелеру та а= , якщо гілка виконана з двотавра (див. рис 1);

 

б) радіус інерції відносно вільної вісі

              [см²]

в) гнучкість відносно вільної вісі

                                              

г) приведена гнучкість

 

 для стержня з двох гілок;                                        

 - для стержня з чотирьох гілок,                                                      (2.34)                               

де  - найбільша гнучкість всього стержня;

А – площа перерізу всього стержня;

,  - площі перерізу розкосів решіток, які лежать на взаємо перпендикулярних площинах.

,  - коефіцієнти, які визначають по формулі

                                                                                                                 (2.35)

де  - геометрична довжина розкосу;

 - відстань між вузлами решітки;

С – відстань між осями віток стержня колони.

 

2.3.3. По значенню приведеною гнучкості по таблиці 4 визначаємо коефіцієнт повздовжнього згинання

                =

2.3.4. Перевіряємо стійкість колони відносно вільної вісі

              

2.3.5. Недонапруження складає

               

Робиться висновок щодо виконання умов стійкості стержня колони.

 

  2.4 Розрахунок та конструювання бази колони

 

База колони є опорною частиною колони, яка служить для перерозподілу зосередженого тиску, яке виникає від стержня колони, рівномірно по площі обпирання та передачі цього навантаження на фундамент, а також забезпечує закріплення нижньої частини колони. Конструктивне рішення бази залежить від типу колони та умов її закріплення у фундаменті (шарнірне чи жорстке).

Найпростіша база складається з опорної плити, яка приварена до фрезерованого торця стержня. Таке рішення доцільне при невеликих поздовжніх зусиллях та шарнірному закріпленню колони у фундаменті.

Для зменшення товщини плити її укріплюють траверсами та ребрами жорсткості, які забезпечують більш рівномірну передачу навантаження від стержня колони на фундамент і є опорою для плити при згинанні її під дією тиску фундаменту.

Анкерні болти фіксують вірне положення колони відносно фундаменту. У центрально стиснутих колонах вони, по суті, не мають зусиль, і тому їх діаметр призначають конструктивно в межах 20-30мм для шарнірних баз та 24...38мм для жорстких..

При шарнірному обпиранні анкерні болти кріплять безпосередньо до опорної плити, за рахунок гнучкості якої забезпечується піддатливість з’єднання, якщо виникнуть випадкові моменти (див. рис. 5).

 

               Рис.5 Шарнірно закріплена база колони

Жорсткі бази мають не менше 4-х анкерних болтів, які кріпляться до траверс за допомогою спеціальних столиків та затягуються з напруженням, близьким до розрахункового опору, що уникає можливість повороту стержня колони (див. рис.6).

Анкерні болти при їх установлюванні заводять у спеціальні отвори, ширина яких на 10...30мм більше діаметра болта чи пропускають між траверсами.

На болти надягають шайби товщиною 20...30мм з отвором на 3мм більшими діаметра болта. Гайки завертають, а шайби приварюються монтажним зварюванням до плити чи траверсам.

 

 

             Рис.6 Жорстко закріплена база колони