КЛ Спец констр МК

Проведені теоретичні і експериментальні дослідження каркасів промислових будівель свідчать про необхідність розгляду впливу поворотів фундаментів на розподіл згинальних моментів по довжині колони і на її горизонтальні поперечні зсуви. При випробуваннях поворот фундаментів приводить до зниження моментів в рівні бази колони на 54–66%, а в рівні фундаменту на 35–40%. При цьому горизонтальне переміщення посередині висоти колони збільшується в 1,8–2,4 рази. Забетонування башмаків черевиків колон збільшує ступінь їхнього закладення, що при зануренні конструкцій викликає значне підвищення напружень в нижніх перерізах колон в порівнянні з напруженням при незабетонованих башмаках. Наведений аналіз дозволяє зробити висновок що величина поворотів незабетонованих башмаках колон, яка має місце при звичайних ґрунтах, помітно не впливає на значення поперечних зсувів і напружень в перерізах колон рами.

При розгляді сумісної роботи конструкцій і основ в розрахункових схемах звичайно розглядають фундамент і колону як єдиний елемент, що має в межах висоти фундаменту нескінченну жорсткість. Тому для розрахунків з урахуванням поворотів фундаментів головна задача полягає у визначенні центра повороту. Центр повороту розташовується в точці, яка належить вертикальній осі, що проходить через центр ваги підошви. Для спрощення розрахункової схеми центр повороту рекомендується приймати на рівні підошви фундаменту. Кількісна оцінка деформативности основи виконується за допомогою кута

повороту . Значення кута повороту від одиничного моменту залежать при заданих розмірах фундаменту тільки від механічних властивостей ґрунту.

В розрахункових схемах поперечних рам сталевих каркасів виробничих будівель гратчастий ригель замінюється суцільним, з еквівалентним моментом інерції, розташованим в рівні нижнього пояса. Спряження ригеля з колоною приймається або шарнірним, або жорстким. В конструктивній схемі (див. рис. 1,а) шарнірне сполучення забезпечують спирання кроквяної ферми на колону зверху, або при спиранні на колону збоку за допомогою піддатливого фланця.

Конструкція жорсткого спряження передбачає обов'язкове кріплення ферми до колони збоку за допомогою фланця або горизонтальної накладки. При цьому ступінь защемлення залежить від товщини фланця і відстані між болтами кріплення його до колони. Обварювання фланця, розрахованого на жорстке спряження ригеля з колоною приводить до зменшення поперечних зсувів навантажених рам на 4–7%, зменшення величини згинальних моментів в опорних перерізах колон.

41

h0 – висота ферми на опорі.

За умови роботи фланця на вигин, без урахування защемлення його болтами, величина

F розраховується за формулою:

3 b

Окрім врахування фактичної жорсткості кріплення ферми до колони, певний резерв несучої здатності може бути отриманий за рахунок розвантажувального впливу опорних моментів від навантажень, прикладених до ригеля. Зменшення зусиль в поясах ферм на підставі перевірочних розрахунків складає 10–20%.

В розрахунковій схемі на рис. 6.1,б переводиться заміна наскрізного ригеля суцільним, розташованим в рівні нижнього пояса. Це пояснюється наближеним визначенням еквівалентного моменту інерції ригеля і фактичним кріпленням його до колони в двох точках по висоті, відстань між якими сумірна з висотою колони.

Прийняття в уточненій розрахунковій схемі (див. рис. 6.2) з'єднання ригеля з колоною в двох точках по висоті, за допомогою шарнірних прикріплень, забезпечує зниження згинальних моментів в колонах. Для рам з колонами постійного перерізу це зниження залежить, в основному, від відношення висоти ригеля на опорі до висоти колони і складає 10–20% для верхніх перетинів колон і 5–10% для нижніх перерізів. Для рам з східчастими колонами необхідно також ураховувати відношення геометричних характеристик верхньої і нижньої частин колони. Неправильне врахування спряження ригеля з колоною для східчастих колон може викликати збільшення (на 20–40%) або зменшення (на 15–50%) розрахункових моментів при порівнянні з фактичними значеннями силових чинників.

1.2. Облік просторової роботи каркасів промислових будівель

Розрахунок основних несучих конструкцій каркасів промислових будівель виконується, як правило, з використанням плоскої розрахункової схеми. Стояки рам приймаються жорстко защемленими на рівні верхнього уступу фундаменту. Гратчасті ригелі замінюються суцільними і розглядаються як жорстко або шарнірно оперти на стояки.

Значне зниження розрахункових зусиль в елементах плоских поперечних рам може бути досягнуте за рахунок урахування просторової роботи каркаса.

Доцільність розгляду спільної роботи сталевих конструкцій визначається на основі аналізу геометричних розмірів споруди, її конструктивної схеми, характеру, величини і способу прикладення навантажень, типу подовжніх конструкцій, що перерозподіляють навантаження, діючи в поперечному напрямку.

Функції подовжніх дисків, що забезпечують просторову роботу каркаса можуть виконувати сталеві зв’язкові ферми, майданчики, а також обгороджувальні конструкції, виконані з інших матеріалів. До числа таких дисків відносяться, наприклад, покрівельні покриття і перекриття із збірних і монолітних, залізобетонних плит, сталевого профільованого настилу, хвилястої сталі; гальмівні конструкції і т.п.

При нежорсткій покрівлі із хвилястих азбестоцементних плит ураховуються тільки подовжні зв'язки покриття. Промислові будівлі можуть мати по висоті декілька подовжніх дисків, які задовольняють визначеним вимогам.

У кожному окремому випадку необхідно встановити, які саме диски повинні бути

43

враховані при розрахунку за просторовою схемою. Існуючі методи розрахунку дозволяють розглядати сумісну роботу конструкцій:

–з одним подовжнім диском у вигляді горизонтальних зв'язків або покрівельного покриття в одному рівні;

–з одним подовжнім диском у вигляді горизонтальних зв'язків або покрівельного покриття в різних рівнях;

–з одним подовжнім диском у вигляді горизонтальних зв'язків або покрівельного покриття і другим подовжнім диском, що включає гальмівні конструкції;

–за наявності декількох подовжніх дисків, що передають місцеві дії на каркаси торцевих стін, посилених спеціальними вертикальними зв'язками.

Розрахунок каркаса за просторовою схемою проводиться по різному, залежно від жорсткості подовжніх дисків, числа подовжніх дисків, що забезпечують спільну роботу конструкцій і розташування сітки колон. Конструктивна схема каркаса є системою

нерозрізних балок подовжніх дисків на пружно осідаючих опорах, де роль нерозрізних балок виконують подовжні конструкції, а пружно осідаючих опор – поперечні рами.

Розрахункова схема приймається у вигляді плоскої поперечної рами, що сприймає окрім прикладеного зовнішнього навантаження, також сили горизонтального опору), які виникають в площині подовжніх дисків унаслідок просторової роботи каркаса.

За наявності одного подовжнього диска наближений розрахунок поперечної рами виконується в наступній послідовності:

–визначають навантаження від кранів на кожну з колон даної рами;

–в плоскій рамі визначають зусилля від прикладеної до неї в площині подовжнього диска горизонтального навантаження Р = 1;

–приймають умовне закріплення поперечної рами від зсуву на рівні подовжнього диска шляхом установлення додаткового зв'язку;

визначають зусилля і реакцію R в додатковому зв'язку умовно закріпленої рами від навантажень кранів;

–визначають горизонтальну змішувальну силу:

настил) хвиляста сталь

44

Примітка: число рам у блоці – 4 і більш.

Розрахункові зусилля від навантажень кранів в даній рамі визначаються шляхом складання двох величин: зусиль від навантажень, визначених в умовно закріпленій рамі і зусиль від горизонтального навантаження P = 1, помножених на горизонтальну змішувальну силу H.

Коефіцієнт просторової жорсткості встановлюється за формулою:

де Е – модуль пружності сталі;

– зсув плоскої рами в площині диска від P =1, прикладеної в тій же площині; b – крок рам;

І – момент інерції подовжнього диска, який дорівнює сумі моментів інерції всіх подовжніх зв’язкових ферм покриття, помножених на коефіцієнт 0,7 при зварних зв’язкових фермах і 0,5 при болтових з'єднаннях елементів зв'язків.

Значення коефіцієнта r при жорсткій покрівлі наведені в таблиці 1.3.

Подовжні диски (зв'язки, майданчики і т.п.), що беруть участь в просторовій роботі каркаса), а також їхні кріплення повинні бути розраховані як нерозрізні системи на пружних опорах.

Розрахунок поперечних рам на навантаження від мостових кранів з урахуванням двох подовжніх дисків кінцевої жорсткості виконується за допомогою ЕОМ. Покриття вводиться в розрахунок у вигляді стержнів еквівалентної згинальної жорсткості, що дозволяє підсумовувати жорсткості покриттів і подовжніх зв'язків.

Залежність між значеннями коефіцієнтів покриття п і зв'язків с встановлюється за

45

Значення коефіцієнта Ке встановлені за результатами експериментальних досліджень і представлені графіком на рис. 1.3.

Розрахунок еквівалентної згинальної жорсткості проводиться за формулою:

де А – зсувна жорсткість залізобетонних плит;

В – крок рам, м.

Жорсткість гальмівних конструкцій визначається їхнім перерізов і конструктивними рішеннями вузла кріплення підкранових балок і гальмівних листів до колони. Розрізняють вузли "жорсткі" і "шарнірні". Гальмівні конструкції беруть участь в просторовій роботі каркаса, незалежно від виду спряження. Вплив типу кріплення гальмівних балок або ферм ураховується зменшенням їх згинальної жорсткості за допомогою коефіцієнта :

де I – момент інерції поперечного перерізу гальмівної балки або поясів гальмівної ферми щодо центра ваги.

Значення Кт приймаються залежно від умов спряження:

Кт = 1,0 – для суцільних гальмівних листів при жорсткому спряженні з колонами;

Кт = 0,2 – для суцільних гальмівних листів при шарнірному спряженні;

Кт = 0,8 – для гальмівних ферм при жорсткому спряженні;

Кт = 0,15– для гальмівних ферм при шарнірному спряженні.

Рис. 1.3

Послідовність основних етапів при виконанні автоматизованого розрахунку на ЕОМ для двох подовжніх дисків відповідає розглянутій задачі визначення розрахункових зусиль від навантажень кранів з урахуванням одного диска. Аналіз ефективності уточнення розрахункової схеми каркаса показав, що включення в роботу двох подовжніх дисків більшою мірою відповідає фактичній роботі несучих конструкцій каркаса. Урахування спільної роботи конструкцій на підставі наведених розрахунків сприяє зниженню матеріаломісткості і трудомісткості робіт при реконструкції і посиленні, підвищує експлуатаційну надійність промислових об'єктів.

46

1.3. Регулювання напружено-деформованого стану сталевих конструкцій

Ефективність технічних рішень при експлуатації і реконструкції каркасів виробничих будівель можна підвищити за рахунок штучного регулювання зусиль. Суть регулювання напружено-деформованого стану конструктивних елементів при виявленні резервів несучої здатності полягає в наступному:

–створення попереднього напруження для підвищення міцності і стійкості;

–створення попереднього напруження для зниження переміщень від заданих навантажень.

Попередня напруження доцільне, якщо ефект, одержуваний від нього, повністю окуповує додаткові витрати. Основною ідеєю попереднього напруження є створення штучним шляхом в конструкції напруження зворотного знака тим напруженням, які виникають при дії експлуатаційного навантаження (див. рис. 1.4).

Без попереднього напруження матеріал в конструкції досягає розрахункового опору при навантаженні Р (див. рис. 1.4, а) При створенні в матеріалі попереднього напруження зворотного знака R розрахунковий опір досягається при навантаженні P2>P1. У цьому випадку дією навантаження погашають попереднє напруження, а потім матеріал працює на основне напруження, що викликається навантаженням.

У багатьох випадках граничний стан конструкцій визначається не граничними

напруженнями, а заданими граничними переміщеннями , які встановлені вимогами експлуатації. В даній ситуації попереднє напруження зменшує переміщення від заданого навантаження і дозволяє підвищити розрахункові навантаження при експлуатації.

Попереднім напруженням створюють в конструкції початкові переміщення 0 , зворотні за знаком переміщенням від навантаження (див. рис. 1.4, б). При дії експлуатаційного навантаження спочатку погашаються початкові переміщення 0 і потім конструкція переміщається у напрямку дії навантаження. Отриманий при цьому ефект аналогічний будівельному підйому.

Всі способи регулювання напруження поділяються на дві групи:

–способи для нерозрізних балок і ферм;

–способи для розрізних і нерозрізних конструкцій.

Класифікація методів попереднього напруження і регулювання напруження в конструкціях наведена на рис. 1.5.

Всі способи регулювання в нерозрізних конструкціях зводяться до зміни в необхідному напрямку епюри згинальних моментів і поперечних сил. Регулюванням епюри згинальних моментів можна або зменшувати згинальні моменти в прогонах за рахунок різкого збільшення моментів під опорами, або вирівнювати згинальні моменти. Регулювання здійснюється або у вигляді попереднього напруження, тобто з прикладанням зовнішніх сил, або без застосування зовнішніх дій (введення шарнірів, використовування дії власної ваги і тощо). До способів першої групи відносяться:

–зміна рівня опор;

–зміна статичної схеми при монтажі введенням тимчасових шарнірів.

Головне достоїнство способів першої групи полягає в простоті регулювання напруження без використовування попереднього напруження.

Друга група способів регулювання напруження включає:

47

–попередній вигин, розтягування, стиснення або вигин елементів без застосування високоміцних тросів;

–попереднє натягування високоміцних затягувань або шпренгелів.

Способи регулювання напруження першого напрямку розширюють область пружної роботи конструктивних елементів і підвищують їхню несучу здатність до граничної величини без настання пластичних деформацій. Головним достоїнством другого напрямку є досягнення оптимального розподілу зусиль і заміна в розтягнутому шпренгелі (затягуванню) звичайної сталі на високоміцну.

Рис. 1.4

Основним методом регулювання напруження для балочних нерозрізних металевих конструкцій в умовах експлуатації і реконструкції є метод зміни рівня опор. Введення тимчасових шарнірів і стояків використовується при спеціальному обгрунтовуванні і, перш за все, в сталезалізобетонних конструкціях.

Розглянемо розрахунковий апарат, який використовується для регулювання згинальних

48