Стыки верхней и нижней частей одностенчатой оплошной колонны
БИЛЕТ № 1
1.Общая характеристика металлических каркасов производственных зданий (по числу пролетов, этажности, по виду внутрицехового транспорта).
Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны. По числу пролетов одноэтажные здания подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты). В настоящее время строится больше многопролетных (с числом пролетов два и более) зданий.
Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепятся к каркасу здания.
Каркас, т.е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и передающий на фундаменты нагрузки от веса ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия, нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консольные краны), температурные технологические воздействия и т.п., может выполняться из железобетона, смешанным (т.е. часть конструкций — железобетонные, часть — стальные) и стальным. Выбор материала каркаса является важной технико-экономической задачей.
Многие современные производственные здания характеризуются большими пролетами, большой высотой помещений, большими нагрузками от мостовых кранов.
Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения, быть надежной, долговечной и наиболее экономичной.
Соответственно к металлическим конструкциям каркасов предъявляются различные требования, а именно: - эксплуатационные; - надежности и безопасности; - долговечности и устойчивость к агрессивным средам; - экономические; - архитектурные.
Однако некоторые требования являются общими для всех производств зданий из металлоконструкций:
- удобство обслуживания и ремонта производственного оборудования, что требует соответствующего расположения колонн, подкрановых путей, связей и других элементов каркаса;
- нормальная эксплуатация кранового оборудования и других подъёмных механизмов, включая доступность его осмотра и ремонта;
- необходимые условия аэрации и освещения зданий;
- долговечность конструкций, которая зависит в основном от степени агрессивности внутрицеховой среды;
- относительная безопасность при пожарах и взрывах.
2.Конструкция, подбор и проверка сечения сквозной внецентренно-сжатой колонны, устойчивость ветвей и стержня колонны в целом.
Стержень решетчатой колонны состоит из двух ветвей, связанных между собой соединительной решеткой. Решетку обычно устанавливают в двух плоскостях (по граням ветвей), хотя для легких колонн иногда применяют решетку, расположенную по оси сечения. Для лучшего включения обоих ветвей колонны в работу на вертикальную нагрузку от кранов в колоннах крайних рядов верхний конец первого (сверху) раскоса целесообразно крепить к подкрановой ветви.
Распространенные сечения сквозных колонн:
Для колонн крайних рядов чаще применяют несимметричные сечения с наружной ветвью швеллерной формы(для удобства примыкания стены). Наиболее проста эта ветвь из прокатного швеллера, применяется она только в легких колоннах; в более мощных колоннах ветвь проектируется либо из гнутого листа толщиной до 16 мм, либо составного сечения.
Колонны средних рядов проектируются обычно симметричного сечения с ветвями из прокатных профилей либо составного сечения. Сквозная колонна работает как ферма с параллельными поясами; от действующих в колонне расчетных усилий М и N в ее ветвях возникают только продольные усилия. Поперечную силу Q воспринимает решетка. Несущая способность колонны может быть исчерпана в результате потери устойчивости какой-либо ветви (в плоскости или из плоскости рамы) или в результате потери устойчивости колонны в целом (в предположении, что она работает как единый сквозной стержень).
Продольные усилия в ветвях колонны несимметричного сечения определяются по формулам:
В ветви 1: Nв1=N1*y2/h0 + M1/h0
В ветви 2: Nв2=N2*y1/h0 + M2/h0
Здесь N, Ь – расчетная продольная сила и изгибающий момент;
у1, у2 – расстояние от центра тяжести сечения колонны до центра тяжести соответствующих ветвей;
h0=y1+y2 – расстояние между центрами тяжести ветвей колонны. N и М принимают в комбинациях, дающих наибольшие значения Nв1 и Nв2.
После определения расчетных усилий в ветвях каждую из них проверяют на устойчивость в обоих плоскостях как работающую на центральное сжатие.
Устойчивость ветви l в плоскости колонны (рамы) Nв1/(φ1*Ав1)<= Rγ
Из плоскости колонны Nв1/(φу*Ав1)<= Rγ
Где φ1 – коэффициент продольного изгиба, определяемый по гибкости ветви λ в1=lв1/i1 (lв1 – расчетная длина ветви в плоскости колонны, равная расстоянию между узлами крепления решетки; i1 – радиус инерции сечения ветви относительно оси 1-1); - коэффициент продольного изгиба, определяемый по гибкости λу= lу/iу ( -расчетная длина ветви из плоскости колонны, равная обычно высоте нижней части колонны; - радиус инерции сечения ветви относительно оси у-у); Ав1- площадь сечения ветви.
Проверяют устойчивость колонны в плоскости действия момента, как единого стержня.
Определяют геометрические характеристики всего сечения нижней части колонны:
- площадь сечения 
, см2, 
;
- момент инерции 
, см4, относительно оси х-х
;
- радиус инерции 
, см, 
;
- гибкость 
Составные сжатые стержни, ветви которых соединены решетками, проверяют на устойчивость относительно свободной оси по приведенной гибкости 
, которую определяют по формуле
,
где 
- коэффициент, зависящий от угла наклона раскоса, при
=45°…60° принять 
= 27;
- площадь сечения раскосов по двум граням сечения
колонны, 
.
Определяют условную приведенную гибкость 
.
Для комбинации усилий, догружающих наружную ветвь М2 = + Mmax
(кН·м) , N2 = Nсоотв (кН), находим относительный эксцентриситет 
по
формуле
,
далее, по полученным значениям и определяют коэффициент 
и проверяют устойчивость колонны по формуле
,
где 
- коэффициент условий работы, 
=1.
То же, выполняем для комбинации усилий, догружающих подкрановую ветвь М1 = - Mmax (кН·м) , N1 = Nсоотв (кН). Находим относительный эксцентриситет по формуле
,
далее, по полученным значениям и определяют коэффициент и проверяют устойчивость колонны по формуле
.
Устойчивость сквозной колонны как единого стержня из плоскости действия момента проверять не нужно, так как она обеспечена проверкой устойчивости отдельных ветвей.
3.Многоэтажные промышленные здания: основные положения расчета (железобетонный каркас).
(теория без расчета) Многоэтажные производственные здания, как правило, проектируются с полным сборным железобетонным каркасом.
Иногда многоэтажные производственные здания проектируют с неполным каркасом (студенту – зарисовать разрез 4-х этажного здания с 4-мя пролетами, с неполным каркасом).
Основные элементы каркаса – колонны (они могут быть на один этаж, на два и даже три этажа; цельные или составные); ригели; плиты перекрытий и связи.
Междуэтажные перекрытия (из сборного железобетона) бывают двух типов: балочные и безбалочные.
Колонны и ригели, соединенные между собой жестко, в узлах, образуютрамы каркаса. В различных случаях эти рамы могут в плане зданиярасполагаться по-разному.Здесь следует обратить внимание на наличие в многоэтажных зданияхгоризонтальных и вертикальных связей. Сначала поясним – что же такое «горизонтальные связи». В многоэтажных производственных зданиях, как правило, несколько междуэтажных перекрытий. Они и являются жесткими горизонтальными связями, распределяющими ветровую нагрузку между элементами каркаса. Обеспечивают они совместную пространственную работу всех элементов каркаса здания.
А где же вертикальные связи? Эти функции выполняют:
· а) поперечные или продольные железобетонные стены;
· б) крестообразные стальные элементы, устанавливаемые между колоннами;
· в) жесткое ядро, которое образуется пересечением поперечных и продольных железобетонных (сильно армированных) стен, сопутствующих лестничным клеткам, лифтовым шахтам и др.
Рамная система.Пространственная жесткость здания обеспечивается работой самого каркаса, рамы которого воспринимают и горизонтальные, и вертикальные нагрузки (иными словами «рамы все берут на себя»).
Рамно-связевая система. Вертикальные нагрузки воспринимаются рамами, а горизонтальные и рамами, и вертикальными диафрагмами (связями) (другими словами рамы берут на себя все; при горизонтальных нагрузках работают вертикальные диафрагмы).
Связевая система. Вертикальные нагрузки воспринимаются колоннами каркаса, а горизонтальные – вертикальными связями.
Опыт строительства показывает, что рамно-связевые системы имеютпреимущества по сравнению с рамными системами:
- упрощаются узловые сопряжения (элементов каркаса); - они проще унифицируются (что немаловажно при заводском изготовлении); - достигается некоторое сокращение расхода стали (за счет облегчения закладных деталей в стыках и уменьшения арматуры в колоннах).
Однако, рамно-связевая система, имеющая такие плюсы, применима не во всех случаях. А именно, в случаях, когда поперечные стены или лестничные клетки отсутствуют или расстояние между ними очень велико, а также когда перекрытия ослаблены отверстиями, обеспечить удовлетворительную работу железобетонного каркаса рамно-связевой системы не удается.
БИЛЕТ № 2
1. Требования надежности и долговечности, предъявляемые к производственным зданиям.
Режим работы кранов и тип подвеса груза учитываются при проектировании каркасов. В связи с этим перед началом проектирования каркаса должны быть получены исчерпывающие данные о транспортном оборудовании и подсчитано количество циклов нагружения конструкций за нормативный срок их эксплуатации. За количество циклов для подкрановых конструкции можно принять число подъемов груза за срок их службы. На работу и долговечность строительных конструкции здания большое влияние оказывает внутрицеховая среда. Степень агрессивности воздействия внутрицеховой среды на стальные конструкции определяется скоростью коррозионного поражения незащищенной поверхности металла. В зависимости от концентрации агрессивных газов и относительной влажности установлены 4 степени агрессивности среды для стальных конструкций:1.неагрессивная,2.слабая,3.средняя, 4.сильная. В некоторых зданиях стальные конструкции подвергаются высоким тепловым воздействиям, случайным воздействиям расплавленного металла или огня. При проектировании таких зданий нужно учитывать специальную защиту конструкций от чрезмерного нагрева. При проектировании зданий, эксплуатируемых в условиях низких температур, учитывается возможность хрупкого разрушения стали, выбирают соответствующие марки стали, проверяют конструкции на хрупкое разрушение, предусматривают дополнительные связи, сокращают размеры температурных отсеков, а также предусматривают мероприятия, уменьшающие концентрацию напряжений. При проектировании каркасов зданий со взрывоопасным производством предусматривают возможность “сбрасывания” части конструкции при взрыве без полного разрушения каркаса.
Требования достаточной надежности (прочности, устойчивости, выносливости, малой деформативности) для каркасов производственных зданий имеются некоторые особенности: это требования повышенной жесткости каркасов зданий с кранами тяжелого режима работы, введение различных коэффициентов условий работы в зависимости от условий эксплуатации конструкций, их элементов и соединений, необходимость расчета некоторых элементов на выносливость.
2. Узлы опирания подкрановых балок и стыки стальных колонн.
Стыки колонн бывают заводские и монтажные. Заводские стыки устраиваются из-за ограниченности длины прокатных профилей (смотрите раздел Сортамент). Монтажные стыки устраиваются из-за ограниченных транспортных возможностей (9 — 13 м при перевозке на одной платформе и 19 — 27 мм при перевозке на сцепе).
Заводские стыки элементов обычно располагают вразбежку, не концентрируя их в одном месте, поскольку соединение отдельных элементов можно произвести до общей сборки стержня. Примеры сварных заводских стыков отдельных элементов колонн показаны на фигуре.
Заводские сварные стыки
Заводские сварные стыки: а — поясов сварного двутавра; б — двутавровых ветвей
сплошной колонны; в — ветви сквозной колонны на планках.
Основным условием образования прочного стыка является обеспечение передачи усилия с одного элемента на другой. При сварке встык это обеспечивается соответствующей длиной сварных швов (смотрите раздел Сварные соединения), а при стыковании накладками, кроме необходимой длины сварных швов, также и соответствующей площадью сечения накладок, которая должна быть не меньше площади сечения основных стыкуемых элементов.
Простейшим и потому наиболее рекомендуемым является прямой стык со сваркой встык. Осуществление такого стыка возможно во всех случаях, поскольку во внецентренно сжатых колоннах всегда можно найти сечение с пониженными растягивающими напряжениями.
Монтажные стыки колонн располагают в местах, удобных для монтажа конструкций. Для колонн переменного сечения таким местом является уступ на уровне опирания подкрановых балок, где меняется сечение колонны.
Стыки верхней и нижней частей одностенчатой оплошной колонны
На фигуре показаны типы стыков верхней и нижней частей одностенчатой сплошной колонны: заводского и монтажного.
На фигуре показано прикрепление верхней части колонны к нижней сквозной при помощи двухстенчатой и одностенчатой траверсы.
В колоннах с нижней решетчатой частью верхняя часть прикрепляется при помощи детали, называемой траверсой. Траверса работает на изгиб как балка на двух опорах и должна быть проверена на прочность; эпюра моментов в траверсе показана на фигуре. Прикрепление траверсы к ветвям колонны осуществляется сплошными швами и рассчитывается на опорную реакцию траверсы. Для обеспечения общей жесткости узла сопряжения верхней и нижней частей колонны ставятся горизонтальные диафрагмы или ребра жесткости.