2. Расчет и конструирование сквозных внецентренно сжатых колонн.

Расчетные длины колонн, возможные формы потери устойчивости

Внецентренно сжатые колонны наиболее часто применяют в кар­касах промышленных цехов с крановыми нагрузками. Колонны рас­сматриваются как элементы поперечных рам, на которые действуют нагрузки от веса несущих конструкций, покрытия, крановые нагруз­ки вертикальные и горизонтальные, стеновые ограждения, ветровая нагрузка и др. Колонны обычно жестко заделывают в фундамент, а с ригелем (фермой или балкой) они имеют либо жесткие, рисунок 7.1, а, в, г, либо шарнирное, рисунок 7.1,б, соединения.

Различают колонны трех типов: постоянного сечения, перемен­ного сечения (ступенчатые) и раздельные, рисунок 7.1. Колонны по­стоянного сечения, рисунок 7,1, а, с консолью для подкрановой бал­ки рациональны при кранах сравнительно небольшой грузоподъем­ности— 150—200 кН. В настоящее время для экономии металла та­кие колонны чаще проектируют железобетонными.

Колонны переменного сечения, рисунок 7.1,6, в, наиболее распрост­ранены в каркасах промышленных зданий, так как пригодны почти для любых крановых нагрузок. Верхнюю (надкрановую) часть этих колонн обычно выполняют сплошной постоянного сечения, а ниж­нюю подкрановую — либо сплошной, либо сквозной. В сплошных колоннах обе ветви соединяют сплошным листом (обычно сваркой и реже на клепке), в сквозных — решетками из уголков илн план­ками из полосовой стали.

а – постоянного сечения

б, в – переменного сечения ступенчатые (с одним уступом)

г – ступенчатая раздельного типа

Рисунок 7.1 – Типы внецентренно сжатых колонн

Колонны раздельного типа рацио­нальны в цехах с тяжелыми крновыми нагрузками (бо­лее 150 т) режима 6К — 7К и при небольшой высоте (до 20 м). Наружная (шатровая) и внутренняя (подкрано­вая) ветви этих колонн соединяются гибкими в верти­кальной плоскости планками, благодаря чему каждая ветвь работает самостоятельно. Шатровая ветвь воспри­нимает нагрузку от конструкций покрытия и стенового ограждения, а подкрановая — от крана как центрально-сжатая стойка.

Типы и размеры сечений внецентренно-сжатых колонн назначают предварительно. В колоннах постоянного се­чения высоту сечения h принимают примерно 1/15l при высоте колонн 10—12 м; 1/18l — при высоте 14—16 м и 1/20l при высоте более 20 м (l — расстояние от верха фундамента до нижнего опорного узла фермы покрытия). В колоннах переменного сечения высоту сечения h₂ надкрановой части принимают в пределах 1/8 – 1/12 высоты l (обычно h₂=500 мм и реже 750—1000 мм), а высоту се­чения h₁, подкрановой части—1/10 – 1/20l в зависимости от высоты l₁ и типа сечения (сплошного или сквозного). Сплошное сечение по условиям экономии металла и тру­доемкости изготовления назначают при высоте сечения h до 1 м, сквозные — при h >1,2 м. Некоторые типы по­перечных сечений колонн показаны на рисунке 7.2.

а – в, ж – сплошные

г – з - сквозные

Рисунок 7.2 – Типы сечений внецентренно сжатых колонн

Рисунок 7.3 – К определению расчетных длин колонн постоянного сечения

Рисунок 7.4 – К определению расчетных длин ступенчатых колонн

7.2 Конструкция, подбор и проверка сечения сплошной внецентренно-сжатой колонны, учет требований к местной устойчивости полок и стенки колонны

После того, как расчетные длины определены, выбраны марка стали, выписаны , находят требуемую площадь сечения из условия обеспечения устойчивости: п.5.27[1],

где - коэффициент снижения расчетного сопротивления при внецентренном сжатии, табл.74 [1], зависит от условной гибкости и приведенного относительного эксцентриситета

;

η – коэффициент влияния формы сечения

Для определения этих параметров необходимо знать габариты сечения – высоту сечения h – определяют при компоновке поперечника, тогда

,

таким образом .

Последовательность: находят сначала относительный эксцентриситет ; - ядровое расстояние; - момент сопротивления сжатого волокна;

где, эксцентриситет , тогда .

Для определения приведенного относительного эксцентриситета необходимо знать η – коэффициент влияния формы сечения, табл.73 [1], зависит от λ и m. Кроме того приблизительно задаются соотношением площадей полки и стенки (например, если сечение двутавровое, то это тип сечения 5, а соотношение можно принять среднее, т.е 0,5)

По требуемой площади сечения подбирают по сортаменту прокатный двутавр с параллельными гранями полок (тип Ш) или компонуют сечение из трех листов - составное.

При компоновке сечения из тонких листов необходимо обеспечить местную устойчивость элементов сечения.

Для внецентренно сжатых элементов двутаврового сечения отношение расчетной высоты стенки к толщине следует принимать не более значений табл.28[1], в зависимости от m и λ.

При больших сечениях, особенно высоте сечения 700 мм и более, толщина стенки из условия местной устойчивости получается большой, тяжелой. Наиболее рационально 6,8,10,12мм.

В таких случаях уменьшают толщину стенки, а ее устойчивость обеспечивают постановкой продольны ребер жесткости, с одной или двух сторон стенки. Продольные ребра включаются в расчетное сечение колонны.

Момент инерции продольного разреза относительно оси стенки у-у должен

быть не менее

При постановке ребра с одной стороны стенки, его момент инерции I_p вычисляется относительно оси, совмещенной с гранью стенки.

При наличии ребер неустойчивую часть стенки считают выключившейся из работы и в расчете сечение колонны (только при определении площади сечения) включают два крайних участка стенки шириной .

Все прочие геометрические характеристики определяются для целого сечения.

Назначив толщину стенки, определяют требуемую площадь полки А_n:

- при устойчивой стенке: ;

- при неустойчивой: .

Из условия обеспечения устойчивости колонны из плоскости действия момента ширина полки b_n принимается не менее .

Толщину полки назначают с учетом местной устойчивости, табл.29[1].

так для неокаймленной полки двутавра: предельное отношение ширины свеса к толщине полки

Скомпоновав сечение колонны, проводят проверку ее устойчивости в плоскости и из плоскости момента.

Проверка устойчивости в плоскости действия момента

,

для определения - табл. 74, [1], а значения - определяются уже точно для принятого сечения.

Проверка устойчивости из плоскости момента

где с – коэффициент, определяемый согласно п.5.31[1], в зависимости от m

- коэффициент продольного изгиба для как для центрально сжатого стержня, табл.72[1].

Проверка прочности выполняется по формуле

где - изгибающий момент из плоскости рамы;

- момент и продольная сила в плоскости рамы;

n, - коэффициенты, приложение 5[1].

Расчет на прочность не требуется выполнять при , и при отсутствии ослабления сечения.

Прежде чем выполнять проверку из плоскости действия момента, проверяют соблюдение условия (90) п.7.16[1]

;

где , - наибольшее сжимающее напряжение в стенке,

- расстояние от центра тяжести до сжатого края стенки.

- соответствующее напряжение у противоположного края стенки (yp – расстояние от центра тяжести сечения до разгружаемого моментом края стенки);

- среднее касательное напряжение в стенке.

Если это условие выполняется, то проверку устойчивости колонны из плоскости действия момента проводят с учетом всей площади сечения; если стенка не устойчива, т.е. условие 90 не выполняется, то в расчет включают два участка стенки по ;

Если недонапряжение в основной проверке > 5% или перенапряжение - проводят корректировку сечения и повторную проверку.

3. Многоэтажные промздания служат для размещения различных производств – легкого машиностроения, приборостроения, цехов химической, электротехнической, радиотехнической промышленности, а также базисных складов, холодильников, гаражей.

Высоту промзданий принимают от 3 до 7 этажей, иногда до 12 – 14 этажей. Ширина может быть 18 – 36 м. Высоту этажа принимают кратной модулю 1,2 м и принимают равной 3.6; 4.8; 6 м, для первого этажа 7.2 м. Наиболее распространенная сетка колонн 6×6, 9×6, 12×6 м. Конструктивные схемы промзданий показаны на рисунке 13.1.

Для промстроительства наиболее удобны многоэтажные каркасные здания без специальных вертикальных диафрагм, т.к. они препятствуют размещению технологического оборудования. основные несущие конструкции - ж/б рамы и связывающие их междуэтажные перекрытия. Пространственная жесткость здания обеспечивается в поперечном направлении работой многоэтажных рам, в продольном – работой вертикальных стальных связей или вертикальных ж/б диафрагм, располагаемых по рядам колонн и в плоскости наружных стен (по связевой системе). Если в продольном направлении невозможна постановка связей, то их заменяют ригелями, т.е. жесткость и в продольном направлении обеспечивается по рамной системе.

Рисунок 13.1 – Конструктивные схемы многоэтажных производственных зданий

В зданиях с балочными перекрытиями (рис. 3) верхний этаж при наличии мостовых кранов (здания химической промышленности) компонуют из колонн, ригелей и подкрановых балок, конструктивно аналогичных применяемым для одноэтажных промышленных зданий. Ригели устанавливают на консоли колонн с применением ванной сварки выпусков арматуры и обетонированием

Рисунок 13.2 – Здание с межферменными этажами

стыка на монтаже. Для междуэтажных перекрытий применяют ребристые плиты шириной 1500 или 3000 мм. Плиты, укладываемые по линии колонн, служат связями-распорками, обеспечивающими устойчивость каркаса на монтаже.

В таких зданиях возможны два типа опирания плит перекрытий: на полки ригелей таврового сечения (для производства со станочным оборудованием, нагрузки от которого близки к равномерно распределенным); по верху ригелей прямоугольного сечения (главным образом, для зданий химической промышленности с оборудовани­ем» проходящим через этажи и передающим большую сосредоточенную нагрузку на одну опору). В обоих типах опирания плит типовые ригели при пролетах 6 и 9 м имеют одинаковое сечение 800 мм и ширину ребра 300 мм.

Типовые конструкции многоэтажных промышленных зданий с балочными перекрытиями разработаны под различные временные нагрузки — 5…25 кН/м².

В зданиях с безбалочными перекрытиями (рисунок 13.3) ригелем многоэтажной рамы в поперечном и продольном направлениях служит безбалочная плита, жестко связанная с колоннами с помощью капителей. Пространственная жесткость здания в обоих направлениях обеспечивается рамной системой. Унификация размеров плит и капителей средних и крайних пролетов безбалочного перекрытия достигается смещением наружных самоне­сущих стен с оси крайнего ряда колонн на расстояние, равное половине ширины надкапительной плиты.

Рисунок 13.3 - Конструкции многоэтажных промышленных зданий с безбалочными перекрытиями

Многоэтажные промышленные здания с часто расположенными опорами при сетке колонн 6×6 или 9×6 м не всегда удовлетворяют требованиям гибкой планировки цехов, модернизации оборудования и усовершенствования производства без дорогостоящих переустройств. Поэтому применять их следует в случае больших временных нагрузок на перекрытия — более 10 кН/м².

Особенность конструктивного решения универсальных промышленных зданий с этажами в межферменном пространстве состоит в том, что они имеют крупную сетку колонн - 18×6м, 18×12м, 24×6м. Большие пролеты здания перекрывают безраскосными фермами. При этом в пределах конструктивной высоты этих ферм устраивают дополнительные этажи, в которых размещают инженерное оборудование и коммуникации, бытовые, складские и другие вспомогательные помещения. Высота межферменных этажей может быть 2,4м; 3,0м и 3,6м.

Пример решения конструкций универсального промышленного здания приведен на рисунке 13.2. Здание имеет 6 этажей — три основных и три межферменных. Безраскосные фермы, жестко связанные с колоннами, являются составной частью многоэтажного каркаса и работают как ригели рам.