Конструктивное оформление стержня

Подобранное сечение стержня должно быть дополнено вспомогательными элементами – ребрами, диафрагмами, имеющими двойное назначение. Во-первых, они усиливают и подкрепляют места примыканий к стержню других конструкций, что желательно, т.к. в этих местах могут действовать дополнительные усилия или его компоненты, приложенные к стержню с эксцентриситетом относительно его оси (из-за чего возникают местные изгибающие моменты). Во-вторых они закрепляют, фиксируют форму сечения, препятствуя деформациям закручивания, а также способствуют повышению местной устойчивости элементов составных сечений.

Ребра в сплошных стойках и диафрагмы в сквозных стойках полезно вводить конструктивно (без расчета), например в уровне верха опорных столиков под балки типа главных и против поясных накладок (подкладок) при местном примыкании балок, ригелей рам (рисунок 74,б).

Рис. 74 – ребра в сплошных колоннах

Кроме этого согласно СНиП, п. 7.21, стенки сплошных колонн приh_w/t_w ≥ 2,2  следует укреплять парными ребрами жесткости, расположенными с шагом не более (2,5-3)h_w.

Наконец, на каждом отправочном элементе должно быть не менее двух ребер (диафрагм) для сквозных стоек, а расстояние между ними не должно быть больше 4 м.

В сквозных стойках расстояние между соединительными планками в свету, зависящее от фактически принимаемой гибкости ветви, определяется в последнем пункте подбора сечения. Здесь уместно уточнить их конструкцию. По рисунку 75 видно, что их ширина b_пл<b на 40-50 мм. Высоту, толщину и катет угловых швов находят расчетом. Для определения усилий, возникающих в плоскости планки в предельном состоянии, рассмотрим качественную схему по рисунку 75, а.

Поперечные силы в сечениях центрально-сжатого элемента возникают при его продольном изгибе в предельном состоянии, т.е. в определенном смысле они условны (фиктивны, не зависят непосредственно от N). Поэтому их определяют приближенно по [1, п. 5.8] или по табл. 11.

Таблица 11 - Поперечные силы в сечениях центрально-сжатого элемента

Для промежуточных значений R_y табличные значения надо интерполировать; площадь сечения стержня А = 2А_[ принимать в сантиметрах. В планке и швах ее крепления возникнут моменты

,                                           (145)

где 4 = 2 х 2 – две ветви и две плоскости планок; l_пл = l_lф+d – расстояние между осями планок; d ≈ 0,7b_пл, и уравновешивающие их перерезывающие силы

                                         (146)

Рис. 75 – К определению усилий в плоскости планки

а – схема к расчету; б – к определению площади сечения планки; в – эпюры усилий

Рассчитываем более слабое сечение (или планку, или шов), выполнив сопоставление по схеме

                                  (147)

При ручной сварке, а она применяется в таких соединениях наиболее часто, расчетным обычно оказывается металл шва, поэтому на рисунок 75,б показано его расчетное сечение – l_w = d, так как шов заводится на горизонтальные грани планки (если это не предусматривается, то l_w = в – 2 cм). Катет шва назначается конструктивно – К_f = 6-10 мм.

Расчет шва выполняется обычным образом, а его прочность оценивается по приведенным напряжениям.

                    (148)

где ;             ;               (149)

- их эпюры показаны на рисунке 75,в;

;  .             (150)

Если прочность шва не обеспечивается, корректируют d и k_f. Толщину планки принимают равной катету углового шва.

Оголовки стоек

Оголовок колонны служит опорой для выше лежащих конструкций и распределяет сосредоточенную нагрузку на колонну равномерно по сечению стержня.

Принципиально оголовки стоек балочных клеток можно разделить на две группы, предполагающие либо опирание балок сверху, либо примыкание балок сбоку. Сопряжение балок с колоннами может быть свободное (шарнирное) и жесткое. Свободное сопряжение передает только вертикальные нагрузки. Колонны в этом случае должны быть закреплены во время эксплуатации и монтажа от горизонтальных смещений защемлением в фундаменте или системами вертикальных связей. Жесткое сопряжение балок с колоннами образует рамную систему, способную воспринимать горизонтальные воздействия и уменьшать расчетный момент в балках. В этом случае балки примыкают к колонне сбоку.

При свободном сопряжении балки обычно ставят на колонну сверху, что обеспечивает простоту монтажа.

В этом случае оголовок колонны состоит из плиты и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку на стержень колонны.

Если нагрузка передается на колонну через фрезерованные торцы опорных ребер балок, расположенных близко к центру колонны, то плита оголовка поддерживается снизу ребрами, идущими под опорными ребрами балок.

Ребра оголовка приваривают к опорной плите и к ветвям колонны при сквозном стержне или к стене колонны при сплошном стержне. Швы, прикрепляющие ребро оголовка к плите, должны выдерживать полное давление на оголовок.

Высоту ребра оголовка определяют требуемой длиной швов, передающих нагрузку на стержень колонны (длина швов нe должна быть больше 85 ШkШ). Толщину ребра оголовка определяют из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением.

При малых толщинах стенок швеллеров сквозной колонны и стенки сплошной колонны их надо также проверить на срез в месте npикрепления к ним ребер. Можно в пределах высоты оголовка сделать стенку более толстой.

Чтобы придать жесткость ребрам, поддерживающим опорную плиту, и укрепить от потери устойчивости стенки стержня колонны в местах передачи больших сосредоточенных нагрузок, вертикальные ребра воспринимающие нагрузку, обрамляют снизу горизонтальными ребрами.

Опорная плита оголовка передает давление от вышележащей конструкции на ребра оголовка и служит для скрепления балок с колоннами монтажными болтами, фиксирующими проектное положение балок.

Толщина опорной плиты принимается конструктивно в пределах 20-25 мм.

При фрезерованном торце колонны давление от балок передается через опорную плиту непосредственно на ребра оголовка. В этом случае толщина швов, соединяющих плиту с ребрами, так же как и с ветвями колонны, назначается конструктивно.

Большие опорные давления балок лучше передавать на колонну через ребра, расположенные над полками колонн.

Если балка, крепится к колонне сбоку, вертикальная реакция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны. Торец опорного ребра балки и верхняя кромка столика пристраиваются. Толщину столика принимают на 20-40 мм больше толщины опорного ребра балки.

Столик целесообразно приваривать к колонне по трем сторонам.

Чтобы балка не зависла на болтах и плотно стала на опорный столик, опорные ребра балки прикрепляют к стержню колонны болтами, диаметр которых должен быть на 3-4 мм меньше диаметра отверстий.

Конструктивные решения могут быть самыми разнообразными. На рисунке 76 приведены примеры сопряжений со стойками.

Рис. 76 – Оголовки колонн при опирании балок сверху:

а – колонносквозная из прокатных швеллеров; б и в – сплошностенчатая двутавровая колонна; 1 – опорная плита; 2 – опорное ребро

Рис. 77 – Опирание балки на колонну сбоку:

1 – опорный столик из листа t = 25…40 мм; 2 – торец опорного ребра балки - строгать

Из них видно, что опирания удобны, центрированы и, вообще-то, естественны, когда со стойкой сопрягаются не более двух балок; примыкания, в комбинации с опираниями целесообразны при сопряжении трех – четырех балок.          

При примыкании и опирании балок на столики толщина и ширина последних назначаются конструктивно, из условия удобного и полного опирания опорных ребер, а высота уточняется расчетом фланговых швов креплений столиков на действие соответствующих опорных реакций с коэффициентом надежности (запаса) γ_f = 1,5. Поскольку толщины столиков достаточно большие, а отношение их высоты к ширине не должно уж очень большим (h/b ≤ 1.5), то целесообразно сначала задаться катетом шва, назначив его соизмеримым с толщиной элементов сечения стойки, с которыми осуществляется сварка (k_f ≈ 8…14 мм), а затем найти требуемую суммарную длину фланговых швов. Например, по металлу шва найдем

                  (151)

и распределим ее между швами в зависимости от вида столика, рисунок 78, так, чтобы длина отдельно взятого шва была в пределах ограничения l_w = β_fk_f, а расстояние между швами не превышало пяти толщин более тонкой из свариваемых деталей.

Решение по рисунку 78,б весьма распространено и используется с целью уменьшения высоты столика (длины стыковой накладки и т.п.). Помимо этого оно обеспечивает более равномерную передачу усилия со столика сечению стойки, ее поясу и т.п.

Рис. 78 – Варианты опорных столиков

Базы стоек

Общее положение

База колонны служит для распределения сосредоточенного давления от стержня колонны по площади подколонника фундамента и обеспечивают закрепление нижнего конца колонны в соответствии с принятой расчетной схемой колонны.В этом плане ее основным элементом является опорная плита с площадью

,                      (152)

где R_b - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию (зависит от его класса – В10 –В15); γ_b ≈ 1.2 – коэффициент условия работы бетона под опорной плитой, учитывающей повышение его прочности за счет подкрепляющего влияния периферийных зон фундамента, выступающих за пределы плиты. Размеры плиты в плане назначаются в увязке с найденной требуемой площадью А_о.п. и конструкцией базы.

Различают два типа баз – шарнирный и жесткий. Их традиционные решения показаны на рисунке 79: а – шарнирная база, крепление анкерных болтов к опорной плите ограниченной толщины (≤ 30 мм); б – жесткая база, крепление анкерных болтов к столикам из уголков и профиля (толщина опорной плиты ограничена только наличием проката).

Рис. 79 – Варианты баз колонн:

а – шарнирная база; б -жесткая

Шарнирные базы имеют наиболее простую конструкцию. При небольших расчетных усилиях в колоннах (до 4000-5000 кН) чаще всего применяются базы с траверсами. Траверса воспринимает нагрузку от стержня колонны и передает ее на опорную плиту. Чтобы достичь более равномерной передачи давления с плиты на фундамент, жесткость плиты увеличивают дополнительными ребрами между ветвями траверс. В легких колоннах роль траверсы могут выполнять консольные ребра, приваренные к стержню колонны и опорной плите. Для центрально сжатых колонн со значительным усилием (6000-10000 кН и более) применяется база, состоящая из толстой стальной опорной плиты, на которую опирается фрезерованный торец стержня. В этом случае ребра и траверса отсутствуют и плита, чтобы равномерно передать нагрузку на подколонник, должна иметь значительную толщину.

При шарнирном сопряжении колонны с фундаментом анкерные болты ставятся лишь для фиксации проектного положения колонны и закрепления ее в процессе монтажа. Анкеры в этом случае прикрепляются непосредственно к опорной плите базы. Благодаря гибкости плиты обеспечивается необходимая податливость сопряжения при действии случайных моментов.

Жесткие базы имеют не менее четырех анкерных болтов, которые прикрепляют колонну к фундаменту через выносные консоли или траверсы. Анкерные болты затягиваются с напряжением, близким к расчетному сопротивлению. Благодаря этому исключается поворот колонны на опоре.

Диаметр анкерных болтов при шарнирном сопряжении принимают равным d = 20…30 мм, при жестком d = 24…36 мм. Для возможности некоторой передвижки колонны в процессе ее установки диаметр отверстия для анкерных болтов принимается в 1,5-2 раза больше диаметра анкеров. На анкерные болты надевают шайбы с отверстием, которое на 3 мм больше диаметра болта, и после натяжения болта гайкой шайбу приваривают к базе.

Далее ведется расчет сварных швов базы. Задавшись катетом шва, находят требуемую длину швов.

Сначала рассчитываются сварные швы, соединяющие колону с траверсой. Для этого задаемся катетом шва k_w, находим требуемую длину сварных швов (эти швы вертикальные, 4 шва) l_w. Требуемая высота траверсы h_тропределяется по формуле (10 мм в данном случае берется на непровар):

                                  (153)

Затем рассчитываются горизонтальные сварные швы, соединяющие траверсу с плитой. Зная длину этих швов, находим требуемый катет шва.

Опорные столики рассчитывают как шарнирно-опертые балки (см. рисунок )

Обычно базы колонн заглубляют на 500-1000 мм ниже отметки пола здания и обетонируют для защиты от коррозии.

С иными решениями полезно ознакомиться по учебнику. Размер с ≈ 50 ÷ 100 мм назначается на данном этапе достаточно свободно, тоже толщина траверсы – 8 ÷ 10 мм и с учетом соответствующей ширины сечения стойки можно принять В, по А_о.п. найти требуемую L и проверить их соотношение – L/B ≤ 1.5, рекомендуемое именно для центрально сжатых стоек. Если фактическое L/B> 1,5, нужно скорректировать B и L, а иногда и класс бетона.