При шарнирном опирании колонны в двух плоскостях какие связи необходимо установить в опорном узле
По узлам. Не был уверен и спасибо за здоровую критику. Внёс изменения, чтобы не вводить в заблуждение. Ребра, в данном конкретном случае, поставлены конструктивно
Уважаемый господин инженер, интересно ваше мнение на счет работы прогонов как распорок в серии Молодечно. Как вы считаете, нужно ли считать прогон на сжатие, которое в нем возникает при передаче продольной силы с вертикальных связей покрытия? При этом, конечно, считаем, что швеллер раскреплен настилом «из плоскости». Спасибо.
по поводу того узла, что с горизонтальными рёбрами,у вас на самом узле показана заводская сварка верхних горизонтальных рёбер, а на 4-4 монтажная. Я поступаю непопулярно, пишу примечания, что сразу приварить соединительную накладку к вертикальному ребру, а уже потом вварить его к колоне, соблюдая при этом требования мин расстояния между швами и тд на заводе ругались, но делали
забыл добавить балка прикручивается к накладке, которая уже приваренная к колоне
Прогоны-распорки всегда проверял на сжатие и считаю, что надо, так как во время работы сжатия в них таки возникает
Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 28.05.2015 2015-05-28
Статья просмотрена: 12939 раз
Библиографическое описание:
Абрашитов, В. С. Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом / В. С. Абрашитов, А. Н. Жуков, Э. Х. Алмаметов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 11 (91). — С. 213-217. — URL: https://moluch.ru/archive/91/19612/ (дата обращения: 06.11.2021).
Одной из основных задач при проектировании стальных рамных каркасов многопролётных зданий является закрепление колонны в фундаменте, обеспечивающее восприятие поперечной и продольной сил, а также изгибающего момента расчетной величины при основном и особом сочетании нагрузок.
В соответствии с расчётной схемой металлического каркаса многопролётного здания имеется в узлах соединения колонны с фундаментом либо шарнирное, либо жёсткое сопряжение (рис.1).
Рис.1. Узел соединения колонны с фундаментом
При анализе проектной документации нескольких зданий для Пензы и Пензенской области выявлено, что соединение металлической колонны из прокатного двутавра с железобетонным столбчатым фундаментом осуществляется через металлическую базу из плиты базы и четырёх анкерных болтов (рис. 2). Причём анализируемые проекты имели здания с несколькими пролетами и высотой не менее трёх этажей. Соединения несущих балок с колонной осуществлено по шарнирной схеме. Естественно, что при определении усилий в элементах поперечной рамы необходимо было вводить жёсткое соединение фундамента с колонной в виде жёсткого закрепления, так как в противном случае система становится статически изменяемой (при шарнирном соединении колонн с фундаментом). В рабочей же документации показывается узел соединения колонны с фундаментом через плоскую плиту и четыре анкерных болта.
Рис. 2. Соединение колонн с железобетонным фундаментом
Вместе с тем базы колонн имеют закрепления нижнего конца в фундаменте либо шарнирное, либо жёсткое. Причём если колонны центрально сжаты, то крепления их к фундаментам можно осуществлять непосредственно за опорную плиту болтами, чаще всего двумя и иногда четырьмя, которые условно можно назвать монтажными. При этом такое закрепление называют шарнирным, так как на плиту базы не действует изгибающий момент (М=0). Анкерные болты должны воспринимать изгибающие моменты и работать, как правило, на растяжение, что приводит к тому, что база проектируется с наличием распределительных траверс по схеме на рис.3, то есть жёсткой.
Рис. 3. Жёстко опёртая база внецентренно-сжатой колонны
Напряжение под плитой базы колонны определяется в зависимости от величины значений N и M по формуле:
,
где В — ширина плиты базы, а L — длина базы.
Значения этих напряжений могут быть разные в виде схем (рис.4):
Рис.4 Эпюры нагружения
Анализируя оба варианта эпюр нагружения, можно сказать, что по первому варианту болты не работают на растяжение и их условно можно назвать монтажными, так как они работают на сжатие.
По второму варианту контактная зона плиты с фундаментом не может воспринимать растягивающие напряжения и растягивающие усилия, воспринимаемые анкерными болтами. Сила, которую воспринимают анкерные болты, определяется из условия статического равновесия системы по формуле:
,
где M и N — расчётные усилия для фундаментной плиты; 
— сила, которую воспринимают анкерные болты; a — расстояние от центра тяжести плиты базы до центра тяжести эпюры сжатых напряжений под плитой базы; y — расстояние от анкерных болтов до центра тяжести эпюры сжатых напряжений.
Чем меньше будет значение продольной силы и больше значение изгибающего момента, тем больше будет значение силы . Выполняя соединение колонны с плитой базы по рисунку 1 это соединение в технической литературе [1], [2], [3] всегда считалось шарнирно опёртым. Тем не менее, имеется техническое решение по типовой серии 1.423.3–8 вып.2, когда базу колонн проектируют без траверс для бескаркасных зданий, в зданиях с подвесным транспортом и с мостовыми кранами общего назначения грузоподъемностью до 5 тс. Такая плита базы должна быть рассчитана на изгиб по схеме на рис.5.
Рис.5 Схема грузовой площади при расчёте плиты базы на изгиб от отпора фундамента на плиту
Расчет плиты ведут по следующей методике, описанной в [5]:
Толщину опорной плиты следует определять расчетом на изгиб пластинки по формуле
(1)
где Мmax — наибольший из изгибающих моментов М, действующих на разных участках опорной плиты и определяемых по формулам:
1) для консольного участка плиты
(2)
2) для участка плиты, опертого на четыре стороны в направлении короткой и длинной сторон соответственно
(3)
3) для участка плиты, опертого по трем сторонам
(4)
для участка плиты, опертого на две стороны, сходящиеся под углом, по формуле (4), принимая при этом d1 — диагональ прямоугольника, а размер а1 в таблице Е.2 [5]- расстояние от вершины угла до диагонали. Здесь с — вылет консольного участка плиты;
α1, α2, α3 — коэффициенты, зависящие от условий опирания и отношения размеров сторон участка плиты и принимаемые согласно таблице Е.2 [5]; q — реактивный отпор фундамента под рассматриваемым участком плиты на единицу площади плиты.
При этом площадь стальной опорной плиты должна удовлетворять требованиям расчета на прочность фундамента. Передача расчетного усилия на опорную плиту может осуществляться через фрезерованный торец или через сварные швы конструкции, опирающейся на плиту [5].
В связи с этим необходимо рассчитать сварной шов, прикрепляющий плиту базы к сплошной колонне, применяя для этого формулу:
, (5)
где 
— момент сопротивления расчётного сечения сварного соединения по металлическому шву.
Данная формула применяется, если значение 
; то есть расчёт ведётся по металлу шва, а не по металлу границы сплавления (см. [5]).
Только если толщина плиты и сварные соединения колонны с плитой удовлетворяют вышеуказанным расчётам, можно считать соединение колонн с фундаментом по рисунку 1 условно жёстким и в расчётах опорный узел принимать жёстким. При проверке несущей способности уже изготовленных рам с устройством соединения колонн с фундаментом по типу рис. 1 без траверс нельзя считать соединения жесткими.
1. Металлические конструкции. Под ред. Н. С. Стрелецкого, М., 1961.
2. Муханов К. К. Металлические конструкции. М. Строиздат, 1967.
3. Васильев А. А. Металлические конструкции. М. Строиздат, 1975.
4. Металлические конструкции. Справочник проектировщика, Т. 2. Под ред. В. В. Кузнецова, М., 2011.
5. СП. 16. 13330. 2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция. СНиП II-23–81*. М., 2011.
Связи между колоннами
Связи
| Связи — важные элементы стального каркаса, которые необходимы для выполнения следующих требований: – обеспечение неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов; – восприятие и передача на фундаменты некоторых нагрузок (ветровых, горизонтальных от кранов); – обеспечение совместной работы поперечных рам при местных нагрузках (например, крановых); – создание жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации; – обеспечение условий высококачественного и удобного монтажа. Связи подразделяются на связи между колоннами и связи между фермами (связи по покрытию). |
Система связей между колоннами (9.8) обеспечивает во время эксплуатации и монтажа:
– геометрическую неизменяемость каркаса;
– несущую способность каркаса и его жесткость в продольном направлении;
– восприятие продольных нагрузок от ветра в торец здания и торможения моста крана;
– устойчивость колонн из плоскости поперечных рам.
| 9.8. Связи между колоннами (блок 4) Связи между колоннами – система элементов, соединяющих колонны, которые выполняют следующие функции: – обеспечивают геометрическую неизменяемость каркаса; – обеспечивают несущую способность каркаса и его жесткость в продольном направлении; – воспринимают продольные нагрузки от ветра в торец здания и торможения моста крана; – повышают устойчивость колонн из плоскости поперечных рам. Связи между колоннами включают: – жесткие вертикальные диски выше и ниже подкрановых балок; – продольные элементы, присоединяющие колонны к жестким дискам. |
Для выполнения этих функций необходим хотя бы один вертикальный жесткий диск по длине температурного блока и система продольных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему. В жесткие диски (рис. 11.5) включены две колонны, подкрановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неизменяемость.
Решетка проектируется крестовой (рис. 9.13, а), элементы которой принимаются гибкими [l] = 220 и работают на растяжение при любом направлении сил, передаваемых на диск (сжатый раскос теряет устойчивость) и треугольной (рис. 9.13, б), элементы которой работают на растяжение и сжатие. Схема решетки выбирается так, чтобы ее элементы было удобно крепить к колоннам (углы между вертикалью и элементами решетки близки к 45°). При больших шагах колонн в нижней части колонны целесообразно устройство диска в виде двухшарнирной решетчатой рамы, а в верхней — использование подстропильной фермы (рис. 9.13, в). Распорки и решетка при малых высотах сечения колонн (например, в верхней части) располагаются в одной плоскости, а при больших высотах (нижняя часть колонны) — в двух плоскостях.
Рис. 9.13. Схемы конструкций жестких дисков связей между колоннами:
а — при обеспечении устойчивости нижней части колонн из плоскости рамы; б — при необходимости установки промежуточных распорок; в — при необходимости использования подкранового габарита.
Рис. 9.14. Схемы температурных перемещений и усилий:
а — при расположении вертикальных связей
посередине каркаса; б — то же, в торцах каркаса
При размещении жестких дисков (связевых блоков) вдоль здания нужно учитывать возможность перемещений колонн при температурных деформациях продольных элементов (рис. 9.14, а). Если поставить диски по торцам здания (рис. 9.14, б), то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) и в связях возникают значительные температурные усилия.
Поэтому при небольшой длине здания (температурного блока) ставится вертикальная связь в одной панели (рис. 9.15, а). При большой длине здания вертикальные связи ставятся в двух панелях (рис. 9.15, б), причем расстояние между их осями должно быть таким, чтобы усилия Ft были невелики. Предельные расстояния между дисками зависят от возможных перепадов температур и установлены нормами (табл. 9.3).
По торцам здания крайние колонны соединяют между собой гибкими верхними связями (см. рис. 9.15, а). Вследствие относительно малой жесткости надкрановой части колонны расположение верхних связей в торцевых панелях незначительно сказывается на температурных напряжениях.
Вертикальные связи между колоннами ставят по всем рядам колонн здания; располагать их следует между одними и теми же осями.
Рис. 9.15. Расположение связей между колоннами в зданиях:
а — коротких (или температурных отсеках); б — длинных; 1 — колонны; 2 — распорки; 3 — ось температурного шва; 4— подкрановые балки; 5 — связевый блок; 6— температурный блок; 7 —низ ферм; 8 — низ башмака
Таблица 9.3. Предельные размеры между вертикальными связями, м
| Характеристика здания | От торца блока до оси ближайшей вертикальной связи | Между осями вертикальных связей в одном блоке |
| Отапливаемое | 90 (60) | 50 (40) |
| Неотапливаемое и горячие цеха | 75 (50) | 50 (40) |
При проектировании связей по средним рядам колонн в подкрановой части следует иметь в виду, что довольно часто по условиям технологии необходимо иметь свободное пространство между колоннами. В этих случаях конструируют портальные связи (см. рис. 11.5, в).
Связи, устанавливаемые в пределах высоты ригелей в связевом и торцевом блоках, проектируют в виде самостоятельных ферм (монтажного элемента), в остальных местах ставят распорки.
Продольные элементы связей в точках крепления к колоннам обеспечивают несмещаемость этих точек из плоскости поперечной рамы. Эти точки в расчетной схеме колонны могут быть приняты шарнирными опорами. При большой высоте нижней части колонны бывает целесообразна установка дополнительной распорки, которая закрепляет нижнюю часть колонны посередине ее высоты и сокращает расчетную длину колонны.
Рис. 9.16. Работа связей между колоннами при воздействии: а — ветровой нагрузки на торец здания; б — мостовых кранов.
Передача нагрузок. В точке А (рис. 9.16, а) гибкий элемент связей 1 не может воспринимать сжимающую силу, поэтому Fw передается более короткой и достаточно жесткой распоркой 2 в точку Б. Здесь сила по элементу 3 передается в точку В. В этой точке усилие воспринимается подкрановыми балками 4, передающими силу Fw на связевый блок в точку Г. Аналогично работают связи и на силы продольных воздействий кранов F (рис. 9.16, б).
Элементы связей выполняются из уголков, швеллеров, прямоугольных и круглых труб. При большой длине элементов связи, воспринимающие небольшие усилия, рассчитываются по предельной гибкости, которая для сжатых элементов связей ниже подкрановой балки равна 210 — 60a (a — отношение фактического усилия в элементе связей к его несущей способности), выше — 200; для растянутых эти значения составляют соответственно 200 и 300.
Связи по покрытию (9.9).
| Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм, перераспределение местных нагрузок (например, крановых), приложенных к одной из рам, на соседние рамы, удобство монтажа, заданную геометрию каркаса, восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок. Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей. |
| 9.9. Связи по покрытию Связи по покрытию – система элементов, соединяющих стропильные фермы, которая включает: – горизонтальные поперечные связи по верхним поясам ферм; – горизонтальные продольные связи по верхним поясам ферм; – горизонтальные поперечные связи по нижним поясам ферм; – горизонтальные продольные связи по нижним поясам ферм; – вертикальные связи в местах поперечных горизонтальных связей для образования жесткого блока; – вертикальные связи по оси колонн в уровне стропильных ферм; – распорки, присоединяющие фермы к жестким блокам. |
Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижнего и верхнего поясов ферм и верхнего пояса фонаря. Горизонтальные связи состоят из поперечных и продольных (рис. 9.17 и 9.18).
Рис. 9.17. Связи между фермами: а — по верхним поясам ферм; б — по нижним поясам ферм; в — вертикальные; / — распорка в коньке; 2 — поперечные связевые фермы
Рис. 9.18. Связи между фонарями
Элементы верхнего пояса стропильных ферм сжаты, поэтому необходимо обеспечить их устойчивость из плоскости ферм. Ребра кровельных плит и прогоны могут рассматриваться как опоры, препятствующие смещению верхних узлов из плоскости фермы при условии, что они закреплены от продольных перемещений связями.
| Для закрепления плит и прогонов от продольных смещений устраиваются поперечные связи по верхним поясам ферм, которые целесообразно располагать в торцах цеха, чтобы они (вместе с поперечными горизонтальными связями по нижним поясам ферм и вертикальными связями) обеспечивали пространственную жесткость покрытия. При большой длине здания или температурного блока (более 144 м) устанавливаются дополнительные поперечные связевые фермы. Это уменьшает поперечные перемещения поясов ферм, возникающие вследствие податливости связей. |
Необходимо обращать особое внимание на завязку узлов ферм в пределах фонаря, где нет кровельного настила. Здесь для раскрепления узлов верхнего пояса ферм из их плоскости предусматриваются распорки, причем такие распорки в коньковом узле фермы обязательны (рис. 9.19, б). Распорки прикрепляются к торцевым связям в плоскости верхних поясов ферм.
В процессе монтажа (до установки плит покрытия или прогонов) гибкость верхнего пояса из плоскости фермы не должка быть более 220. Если коньковая распорка не обеспечивает этого условия, между ней и распоркой в плоскости колонн ставится дополнительная распорка.
В зданиях с мостовыми кранами необходимо обеспечить горизонтальную жесткость каркаса как поперек, так и вдоль здания. При работе мостовых кранов возникают усилия, вызывающие поперечные и продольные деформации каркаса цеха. Если поперечная жесткость каркаса недостаточна, краны при движении могут заклиниваться, при этом нарушается нормальная их эксплуатация. Чрезмерные колебания каркаса создают неблагоприятные условия для работы кранов и сохранности ограждающих конструкций. Поэтому в однопролетных зданиях большой высоты (Н0 > 18 м), в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью (Q ≥ 10 т, с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы при любой грузоподъемности обязательна система продольных связей по нижним поясам ферм.
Рис. 9.19. Работа связей покрытия:
а — схема работы горизонтальных связей при действии внешних нагрузок; б и в’— то же, при условных силах от потери устойчивости поясов ферм; / — связи по нижним поясам ферм; 2 — то же, по верхним; 3 — распорка связей; 4 — растяжка связей; 5 — форма потери устойчивости или колебаний при отсутствии распорки (растяжки); 6 — то же, при наличии распорки.
Горизонтальные силы от мостовых кранов воздействуют в поперечном направлении на одну плоскую раму и две-три смежные. Продольные связи обеспечивают совместную работу системы плоских рам, вследствие чего поперечные деформации каркаса от действия сосредоточенной силы значительно уменьшаются (рис. 9.19, а).
Жесткость этих связей должна быть достаточной для того, чтобы вовлечь в работу соседние рамы, и их ширина назначается равной длине первой панели нижнего пояса фермы. Связи обычно устанавливают на болтах. Приварка связей увеличивает их жесткость в несколько раз.
Прилегающие к опорам панели нижнего пояса ферм, особенно при жестком сопряжении ригеля с колонной, могут быть сжатыми, в этом случае продольные связи обеспечивают устойчивость нижнего пояса из плоскости ферм. Поперечные связи закрепляют продольные, а в торцах здания они необходимы и для восприятия ветровой нагрузки, направленной на торец здания.
Стойки фахверка передают ветровую нагрузку Fw в узлы поперечной горизонтальной торцевой фермы, поясами которой служат нижние пояса торцевой и смежной с ней стропильных ферм (см. рис. 9.19, а). Опорные реакции торцевой фермы воспринимаются вертикальными связями между колоннами и передаются на фундамент (см. рис. 9.19). В плоскости нижних поясов также устраиваются промежуточные поперечные связи, расположенные в тех же панелях, что и поперечные связи по верхним поясам ферм.
Чтобы избежать вибрации нижнего пояса ферм вследствие динамического воздействия мостовых кранов, нужно ограничить гибкость растянутой части нижнего пояса из плоскости рамы. Для сокращения свободной длины растянутой части нижнего пояса приходится в некоторых случаях предусматривать растяжки, закрепляющие нижний пояс в боковом направлении. Эти растяжки воспринимают условную поперечную силу Qfic (рис. 9.19, в).
В длинных зданиях, состоящих из нескольких температурных блоков, поперечные связевые фермы по верхним и нижним поясам ставят у каждого температурного шва (как у торцов), имея в виду, что каждый температурный блок представляет собой законченный пространственный комплекс.
Вертикальные связи между фермами устанавливают в тех же осях, в которых размещают горизонтальные поперечные связи (см. рис. 9.20, в). Вертикальные связи располагают в плоскости стоек стропильных ферм в пролете и на опорах (при опирании стропильных ферм в уровне нижнего пояса). В пролете устанавливают одну-две вертикальные связи по ширине пролета (через 12— 15 м). Вертикальные связи придают неизменяемость пространственному блоку, состоящему из двух стропильных ферм и горизонтальных поперечных связей по верхнему и нижнему поясам ферм. Стропильные фермы обладают незначительной боковой жесткостью, поэтому на монтаже их закрепляют к жесткому пространственному блоку распорками.
При отсутствии горизонтальных поперечных связей по верхним поясам для обеспечения жесткости пространственного блока и закрепления верхних поясов из плоскости вертикальные связи устанавливают через 6 м (рис. 9.20, д).
Рис. 9.20. Схемы систем связей по покрытию:
а — крестовые связи при 6-метровом шаге рам; б — связи с треугольной решеткой; в и г — то же, при 12-метровом шаге рамы; д — комбинация горизонтальных связей по нижним поясам ферм с вертикальными связями; I, II— связи соответственно по верхним и нижним поясам ферм
Сечения элементов связей зависят от их конструктивной схемы и шага стропильных ферм. Для горизонтальных связей при шаге ферм 6 м применяют крестовую или треугольную решетку (рис. 9.20, а, б). Раскосы крестовой решетки работают только на растяжение, а стойки — на сжатие. Поэтому стойки обычно проектируют из двух уголков крестового сечения, а раскосы — из одиночных уголков. Элементы треугольной решетки могут быть как сжаты, так и растянуты, поэтому их проектируют обычно из гнутых профилей. Треугольные связи несколько тяжелее крестовых, но монтаж их проще.
При шаге стропильных ферм 12 м диагональные элементы связей, даже в крестовой решетке, получаются весьма тяжелыми. Поэтому систему связей проектируют так, чтобы наиболее длинный элемент был не более 12 м, этими элементами поддерживают диагонали (рис. 9.20, в). На рис. 9.20, г показана схема связей, где диагональные элементы вписываются в квадрат размером 6 м и опираются на продольные элементы длиной 12 м, служащие поясами связевых ферм. Эти элементы приходится делать составного сечения или из гнутых профилей.
Вертикальные связи между фермами и фонарями лучше всего выполнять в виде отдельных транспортабельных ферм, что возможно, если их высота будет менее 3900 мм. Различные схемы вертикальных связей показаны на рис. 9.20, е.
| Элементы связей шатра рассчитываются, как правило, по гибкости. Предельная гибкость для сжатых элементов этих связей — 200, для растянутых — 400. Определить, растянут элемент связей или сжат, можно, если учесть, что связи воспринимают условные поперечные силы Qfic (как при эксплуатации, так и при монтаже), ветровые воздействия на торец здания Fw, продольные и поперечные воздействия мостовых кранов и что эти силы могут быть направлены в одну или другую сторону (см. рис. 9.19). |
На рис. 9.19 показаны знаки усилий, возникающих в элементах связей покрытия при определенном направлении ветровой нагрузки, местных горизонтальных усилий и условных поперечных сил. Многие элементы связей могут быть сжаты или растянуты. В этом случае их сечение подбирается по худшему случаю — по гибкости для сжатых элементов связей.
Распорки в коньке верхнего пояса ферм (элемент 3 на рис. 9.19, б) обеспечивают устойчивость верхнего пояса из плоскости ферм как во время эксплуатации, так и при монтаже. В последнем случае они прикреплены только к одной поперечной связи, сечение их подбирается исходя из сжатия.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
