5.4. Подбор сечения нижней части колонны.

Сечение нижней части колонны проектируем сквозным, состоящим из двух ветвей, соединённых раскосной решёткой с дополнительными стойками. Высота сечения . Принимаем сечение подкрановой ветви из прокатного двутавра, сечение наружной ветви – из двух уголков, соединённых листом (рис. 7). Раскосы и стойки решётки колонны проектируем из одиночных уголков.

Подкрановую ветвь колонны рассчитываем по усилиям

Наружную ветвь колонны рассчитываем по усилиям

Определим ориентировочное положение центра тяжести колонны. Принимаем ,.

Усилие в подкрановой ветви

Усилие в наружной ветви

Определяем требуемую площадь ветвей и компонуем их сечение. Для фасонного проката толщиной из стали класса С285, толщинойиз стали класса С285. Предварительно задаёмся.

Для подкрановой ветви

Для наружной ветви

Из условия обеспечения общей устойчивости колонны из плоскости действия момента (из плоскости рамы) высоту сечения нижней части колонны назначают в пределах (1/20 – 1/30) Н_Н, что соответствует гибкости  = 60…100. При Н_Н =1640 см высота сечения будет от 1640/20 = 82см до 1640/30 = 54,67см. Назначаем высоту сечения нижней части колонны 60см.

Принимаем для подкрановой ветви двутавр №60 (ГОСТ 8239-89), площадь сечения А_В1=138 см² моменты инерции и радиусы инерции сечения

Сечение наружной ветви принимаем из двух уголков, соединённых вертикальным листом (рис. 5). Учитывая условия размещения сварных швов и удобства сварки, назначаем лист сечением . Требуемая площадь уголкаПринимаем два уголка ∟ГОСТ 8509-93 с площадью сечения 68.58 см².

Площадь сечения наружной ветви .

Расстояние от наружной грани до центра тяжести ветви

Моменты инерции сечения наружной ветви:

Радиусы инерции сечения наружной ветви:

Общая площадь сечения колонны

Расстояние между осями ветвей

Расстояние от центра тяжести сечения до центральных осей ветвей:

Уточняем усилия в стержнях колонны с учётом фактических y₁ и у₂:

Проверяем устойчивость ветвей колонны из плоскости рамы (относительно оси у-у) при расчётной длине .

Подкрановая ветвь: гибкость ветвикоэффициент продольного изгиба;

Недонапряжение

Наружная ветвь: гибкость ветвикоэффициент продольного изгиба;

Недонапряжение

Максимальная гибкость колонны из плоскости рамы не превышает предельно допустимой: где.

Из устойчивости равноустойчивости подкрановой ветви в плоскости и из плоскости рамы определяем требуемое расстояние между узлами решётки:

Угол наклона раскосов к горизонтали принимается в пределах .

Назначаем расстояние между узлами решётки (рис. 5), разделив нижнюю часть колонны на целое число панелей, и приняв высоту траверсы в узле сопряжения верхней и нижней частей колонны, что в пределах рекомендуемых значений.

Проверяем устойчивость ветвей колонны в плоскости рамы (относительно осей 1–1 и 2–2) при их расчётной длине, равной расстоянию между узлами решётки.

Подкрановая ветвь:

Наружная ветвь:

Устойчивость нижней части колонны обеспечена.

Рис. 7. Конструктивная схема и сечение колонны.

Рассчитываем элементы решётки подкрановой части колонны. Раскосы решётки рассчитываем на большую из поперечных сил: фактическую Q_max =357.4 кН или условную Q_fic = , которая может быть определена после проверки устойчивости колонны в целом как единого стержня. Приближённо при R_y=200 МПа Q_fic= =0.2A, при R_y = 440 МПа Q_fic=0.6А. Для R_y = 270 МПа Q_fic=0.317А=0.317364.76=115.63кН.

Усилие сжатия в раскосе

где

Для сжатых элементов решётки из одиночных уголков, прикреплённых к ветви одной полкой коэффициент условий работы .

Задаёмся гибкостью раскоса

Требуемая площадь раскоса

Принимаем уголок ∟ГОСТ 8509–93, А_р = 27.33 см²,

Расчётная дина раскоса l_ef = l_p = 187.68 см. Гибкость раскоса _max = l_ef / i_min = 187.68 / /2.78 = 67.512,  = 0.746. Напряжение в раскосе

Стойки решётки колонны рассчитываем на условную поперечную силу в наиболее нагруженной ветви колонны

Конструктивно стойки принимаем из уголков ∟ГОСТ 8509–93, А_с = 10.67 см²,

Гибкость раскоса _max = l_ef / i_min = 125 / 1.37 = 91.24,  = 0.568. Напряжение в стойке

Проверяем устойчивость нижней части колонны в плоскости действия момента как единого стержня. Геометрические характеристики всего сечения:

Гибкость колонны в плоскости рамы _x = l_х1 / i_х = 3002,84 / 58.48 = 51.344.

Приведенная гибкость

где

Условная приведённая гибкость

Для расчётной комбинации усилий догружающих подкрановую ветвь,

, (по таблице 75 [1]) ;

Для расчётной комбинации усилий, догружающих наружную ветвь

,

(по таблице 75 [1]) ;

Условная поперечная сила в нижней части колонны

Устойчивость сквозной колонны как единого стержня из плоскости действия момента проверять не нужно, так как она обеспечена проверкой устойчивости отдельных ветвей.

5. Сопряжение надкрановой и подкрановой частей колонны.

Прикрепление верхней части колонны к нижней проектируем при помощи траверсы. Высота траверсы предварительно принята . Для обеспечения общей жёсткости узла ставим рёбра жёсткости и горизонтальные пояса. Вертикальные рёбра назначаем толщинойравной толщине полки надкрановой части колонны. Ширину рёбер принимаем 219 мм с общей шириной , равной ширине полки надкрановой части колонны. Нижний пояс назначаем сечением ▬. Верхний пояс располагаем ниже на 200 мм от верха траверсы и назначаем из двух листов сечением ▬. Принимаем толщину плиты на уступе. Конструкция узла сопряжения верхней и нижней частей колонны показана на рис. 8.

Расчётные комбинации усилий в сечении 3–3 над уступом:

(сечение 3–3) (1, 2, 8)

(сечение 3–3) (1, 3,5,7)

Расчётное давление кранов

Стыковые сварные швы №1 проверяем на прочность по нормальным напряжениям. Контроль качества стыковых швов принимаем физическим методом. В этом случае расчётное сопротивление швов .

Напряжения во внутренней полке надкрановой части колонны определяем для первой комбинации усилий

Напряжения в наружной полке для второй комбинации усилий

Толщину стенки траверсы и вертикального ребра подкрановой ветви определяем из условия смятия от воздействия

где

ширина опорного ребра подкрановой балки;

Принимаем

Рис. 8. Конструкция узла сопряжения верхней и нижней частей колонны.

Проверяем прочность сварных швов №2, которые передают с внутренней полки колонны на траверсу усилие

Сварку выполняем механизированным способом (полуавтоматом) в лодочку сварной проволокой марки Св-08Г2С диаметром 1.42 мм. Вертикальные рёбра траверсы привариваем швами катетом.

Расчёт прочности шва проводим по сечению металла границы сплавления сварного соединения, так как , где

Расчётная длина фланговых швов должна быть не более

Для расчёта сварных швов №3, прикрепляющих траверсу к подкрановой ветви колонны, составляем комбинацию усилий, дающую наибольшую опорную реакцию траверсы. Такой комбинацией является сочетание 1, 2, 3, 5, 8(-), включающее загружение 3 силой:

где k= 1.2 – учитывает неравномерную передачу усилия;

= 0.9 – коэффициент сочетания, учитывающий, что усилияMиNприняты для второго основного сочетания.

Принимаем .

Прочность швов, прикрепляющих вертикальное ребро к стенке подкрановой ветви, обеспечивается, так как усилие в них, равное , меньше усилия в швах, расположенных с другой стороны стенки колонны.

Стенку подкрановой ветви колонны проверяем на срез по усилию, вычисленному для сочетания 1, 2, 3, 5, 8 (-) при полной передаче усилия ,

Для двутавра №60 толщина стенки. Расчётная высота среза, равная высоте стенки траверсы, гдетолщина нижнего пояса траверсы.

Траверса работает как балка пролётом , загруженная усилиямиMиNв сечении 3-3 надкрановой части колонны над траверсой. Определяющей является та комбинацияMиN, которой соответствует наибольшая реакция на правой опоре.

Для первого сочетания усилий

Для второго сочетания усилий

Изгибающий момент у грани внутренней полки верхней части колонны

Геометрические характеристики сечения траверсы:

Положение центра тяжести

Момент инерции

Напряжения в верхних волокнах траверсы от изгибающего момента

Расчётная поперечная сила в траверсе с учётом части опорного давления подкрановых балок при сочетании 1, 2, 3, 5, 8(-) . Проверяем стенку траверсы на срез

6. База колонны.

Ширина нижней части колонны превышает 1м, поэтому проектируем базу раздельного типа. Конструкция базы колонны показана на рис. 8. Базу каждой ветви колонны конструируем и рассчитываем как базу центрально сжатой колонны. Для исключения дополнительных моментов центр тяжести плиты совмещаем с центром тяжести ветвей. Базу под каждую ветвь рассчитываем на отдельную комбинацию усилий MиN, которая даёт наибольшее сжимающее усилие в ветви в нижнем сечении колонны.

Расчётные комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 1–1):

1) – для подкрановой ветви (1, 3, 5, 7);

2) – для наружной ветви (1, 2, 3, 5, 8).

Расчетные усилия в ветвях колонны:

Принимаем для фундамента бетон класса В20 с расчетным сопротивлением на сжатие . Расчетное сопротивление бетона на местное сжатие:

,

где для бетона класса ниже В25;

принимаем максимальное значение ;

коэффициент условий работы бетона.

База наружной ветви:

Требуемая площадь плиты из условия прочности бетона под плитой

.

По конструктивным соображениям свес плиты принимаем не менее 4 см. Тогда ширина плиты.

Принимаем , тогда.

Длина плиты . Принимаем.

Фактическая площадь плиты .

Среднее напряжение в бетоне под плитой

.

Принимаем толщину траверсы .

Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету . Тогда свес плиты.

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты:

Участок 1: защемленный консольный свес с вылетом

;

Участок 2: консольный свес с вылетом не является расчетным;

Участок 3: плита, опертая на четыре стороны, при отношении сторон участка , рассматривается как шарнирно опертая балочная пластинка с пролётным моментом;

Участок 4:плита, опертая на четыре стороны, имеет меньшие размеры сторон, и ее пролетный момент не является расчетным.

Принимаем для расчета .

Требуемая толщина плиты ,

где для стали С285 толщиной 21-40 мм,для опорных плит толщиной до 40 мм из стали с. Принимаем.

Высота траверсы определяется прочностью сварных швов, прикрепляющих траверсу к стержню колонны, и прочностью самой траверсы, работающей как балка на двух опорах.

Ширина грузовой площади, с которой собирается реактивное давление фундамента на одну траверсу (рис. 9),

.

Нагрузка на более нагруженную внутреннюю траверсу

.

Сварные швы, прикрепляющие траверсы к ветви колонны выполняем механизированной сваркой проволокой СВ-08Г2С. Расчет швов проводим по металлу границы сплавления. Катет швов принимаем .

Требуемая длина сварных швов

.

Принимаем высоту траверс .

Интенсивность погонной нагрузки на траверсу

Определяем в траверсе усилия QиM:

Момент сопротивления траверсы

Проверка траверсы на срез

.

Проверка траверсы на прочность по нормальным напряжениям

Рис. 10. Грузовая площадь, расчётная схема и эпюры усилий для расчётасхема и эпюры усилий для расчётатраверсы базы колонны

Проверка траверсы на прочность по приведенным напряжениям в опорном сечении при

Расчетная комбинация усилий в нижнем сечении колонны для расчета анкерных болтов

Усилие в анкерных болтах

Анкерные болты проектируем из марки стали 09Г2С по ГОСТ 19281-73^*с расчётным сопротивлением растяжению. Требуемая площадь болтов. Принимаем8болтов диаметромd=56мм.

В связи с большим усилием крепление анкерных болтов осуществляем к анкерной балочке из двух швеллеров. Анкерную балочку с пролетом рассматриваем свободно лежащей на траверсах и нагруженной четырьмя сосредоточенными силами от анкерных болтов.

Усилие одного болта .

Изгибающий момент .

Требуемый момент сопротивления .

Принимаем сечение балочки из двух швеллеров №12 cW=50.6 см³.

База наружной ветви:

Требуемая площадь плиты .

Ширину плиты принимаем такой же, как и в базе наружной ветви , тогда консольный свес плиты.

Длина плиты . Принимаем.

Фактическая площадь плиты .

Среднее напряжение в бетоне под плитой

.

Консольный свес плиты .

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты:

Участок 1: защемленный консольный свес с вылетом

;

Участок 2: консольный свес с вылетом не является расчетным;

Участок 3: плита, опертая на четыре стороны, при отношении сторон участка , рассматривается как шарнирно опертая балочная пластинка с пролётным моментом;

Принимаем для расчета .

Требуемая толщина плиты , Принимаем.

Нагрузка на траверсу

.

Так как нагрузка на траверсу базы подкрановой ветви меньше нагрузки на траверсу базы наружной ветви, то высоту траверсы принимаем такой же, как и в базе наружной ветви . В этом случае прочность заведомо обеспечена.

Расчетная комбинация усилий в нижнем сечении колонны для расчета анкерных болтов .

Усилие в анкерных болтах

Анкерные болты проектируем из марки стали 09Г2С по ГОСТ 19281-73^*с расчётным сопротивлением растяжению. Требуемая площадь болтов. Принимаем8болтов диаметромd= 56мм.

В связи с большим усилием крепление анкерных болтов осуществляем к анкерной балочке из двух швеллеров. Анкерную балочку с пролетом рассматриваем свободно лежащей на траверсах и нагруженной четырьмя сосредоточенными силами от анкерных болтов.

Усилие одного болта .

Изгибающий момент .

Требуемый момент сопротивления .

Принимаем сечение балочки из двух швеллеров №12 cW=50.6 см³.

6. Ферма.

0. Исходные данные.

Проектируем ферму с параллельными поясами и уклоном . Пролет фермы, шаг ферм. Высота фермы по обушкам уголков. Привязка опорного узла фермы к разбивочной оси колонны. Высота фермы в осях предварительно принята. Данная высота, и геометрические длины элементов фермы уточнены после подбора сечений стержней фермы. Материал фермы – сталь С285. Пояса и решетка приняты таврового сечения из парных уголков.

Расчетные усилия в стержнях фермы получены при статическом расчете рамы и приведены в распечатке с ЭВМ. Узловая постоянная нагрузка на ферму , узловая снеговая нагрузка –.

Разработана схема связей по верхним и нижним поясам ферм покрытия, которая приведена на рис. 10. Распорки в плоскости верхних поясов установлены из условия обеспечения предельной гибкости верхних поясов ферм из их плоскости в стадии монтажа. Проверка указанного условия приводится после подбора сечения поясов фермы.

Схема фермы с нумерацией узлов и стержней и геометрические длины стержней приведены на рис. 11.

Рис. 11. Геометрическая схема фермы.

0. Подбор сечений стержней фермы.

Для фасонного проката из стали С285 при толщине проката до 20 мм.

0. Расчет и конструирование узлов фермы.

Предварительно выполняем расчет сварных швов, прикрепляющих раскосы и стойки решетки к фасонкам фермы. Для сварки узлов принимаем механизированную сварку в нижнем положении проволокой Св-08Г2С диаметром в углекислом газе.

Коэффициенты глубины проплавления ,. Расчетные сопротивления металла шваи зоны сплавления. Коэффициенты условий работы шва.

Несущая способность швов определяется прочностью по границе сплавления, т. к. .

Прикреплять элементы решетки из уголков к фасонкам рекомендуется двумя фланговыми швами. Значения коэффициентов, учитывающих распределение усилия в элементе между швами по обушку и перу уголка, принимаются по таблице 4.

Распределение усилий между швами по обушку и перу уголков.

Таблица 4

Тип сечения	Обушок уголка	Перо уголка
	0.7	0.3
	0.75	0.25
	0.65	0.35

Требуемые расчетные длины швов:

– по обушку – по перу

Расчет сварных швов

Таблица 6.

№ стер-жня	Сечение	N, кН	Шов по обушку			Шов по перу
			кН	мм	мм	кН	мм	мм
7	125x9	591,13	413,8	7	170	177	5	100
8	75x7	494,79	346,4	7	140	148,4	5	90
9	125x9	372,8	261	7	110	112	5	70
10	63x6	250,81	175,6	6	80	75,24	5	50
11	75x7	128,82	90,17	7	40	38,6	5	30
12	63x6	89,88	62,92	6	30	27	5	20

Конструирование узлов фермы выполняем путем вычерчивания их в масштабе. По полученным длинам швов крепления раскосов и стоек определяем размеры фасонки. Стержни решетки не доводим до поясов на расстояние , но не более 80мм.