1. Назначение и описание конструкции

Колонны – элементы конструкции, работающие на сжатие или на сжатие с продольным изгибом.

Колонны служат для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций через фундаменты на грунт. Колонна состоит из 3 основных частей:

стержня – основного несущего элемента колонны;

оголовка, представляющего собой опору для вышележащей конструкции и распределяющего нагрузку по сечению стержня;

базы (башмака), распределяющей сосредоточенную нагрузку от стержня по поверхности фундамента и закрепляющей колонну в фундаменте.

Центрально-сжатые колонны работают на продольную силу, приложенную по оси колонны и вызывающую равномерное сжатие поперечного сечения.

Сплошностенчатые колонны применяют при больших нагрузках и небольших высотах.

В центрально-сжатых колоннах нагрузки приложены либо непосредственно к центру сечения колонны, либо симметрично относительно оси стержня.

Рисунок 1 – колонна сплошного сечения

оголовок

стержень

база

2. Выбор и обоснование материала

Колонна сплошного сечения относится к 3 группе сварных конструкций. По таблице 50 приложение 1 СНиП II-23-81* определяем материал для колонны сплошного сечения при эксплуатации в климатическом районе II3 с расчетной температурой эксплуатации от минус 40°С до минус 50°С.

Для изготовления колонны сплошного сечения принять сталь марки.

С 255 по ГОСТ 27772 – 88,

где,     С – сталь строительная.

   255 – предел текучести  δт = 255 МПа

Из таблицы 51* СНиП II-23-81* выписываем в таблицу 1

Таблица 1 – Нормативные и расчетные сопротивления проката

Сталь	Толщина проката, мм	Нормативное сопротивление проката, МПа	Расчетное сопротивление проката, МПа
Листового широкополосного универсального	Фасонного	Листового широкополосного универсального	Фасонного
Ryn	Run	Ryn	Run	Ry	Ru	Ry	Ru
C 255	2-3.9	255 (26)	380 (39)	—	—	250 (2550)	370 (3800)	—	—
4-10	245 (25)	380 (39)	255 (26)	380 (39)	240 (2450)	370 (3800)	250 (2500)	370 (3800)
11-20	245 (25)	370 (38)	245 (25)	370 (38)	240 (2450)	360 (3700)	240 (2450)	360 (3700)
21-40	235 (24)	370 (38)	235 (24)	370 (38)	230 (2350)	360 (3700)	230 (2350)	360 (3700)

По таблице 55 приложение 2 СНиП II-23-81* выбираем материал для сварки, соответствующей стали и заносим в таблицу 2.

При сварки колонны сплошного сечения ручную дуговую сварку штучно плавящемся электродом с покрытием применить при выполнении сборочных операций в качестве прихватки. Основную сварку выполнить полуавтоматом в среде защитного газа для колонны сплошного сечения. Поясные швы большой протяженности выполнить автоматической дуговой сваркой под слоем флюса. Короткие швы выполнить полуавтоматической сваркой в среде защитного газа.

Таблица 2 – Материалы для сварки, соответствующие маркам стали

Группы конструкций в климатических районах	Марка стали	Материалы для сварки
Под флюсом	В углекислом газе (по ГОСТ 8050-85) или в его смеси с аргоном (по ГОСТ 10157-79*)	Покрытыми электродами
Марки	Тип электродов (по ГОСТ 9467-75)
Флюсов (по ГОСТ 9087-81)	Сварочной проволоки (по ГОСТ 2246-70*)
1 во всех районах; 2, 3 и 4 в районах I1, I2, II2 и II3	C 255	АН-348-А	Св-08А	Св-08Г2С	Э42А

Из таблицы 56 СНиП II-23-81* определяем нормативные и расчетные сопротивления материалов швов сварных соединений с угловыми швами и заносим в таблицу 3.

Таблица 3 – Нормативные и расчетные сопротивления металла швов сварных соединений с угловыми швами

Сварочные материалы	Rwun, МПа (кгс/см2)	Rwf, МПа (кгс/см2)
Тип электрода (по ГОСТ 9467-75)	Марка проволоки
Э42, Э42А	Св-08, Св-08А	410(4200)	180(1850)

Из таблицы 1 ГОСТ 27772-88 определяем химический состав проката и заносим в таблицу 4.

Таблица 4 – Химический состав проката

Наименование стали	Массовая доля элементов %
Углерода, не более	Марганца, не более	кремния	Серы, не более	Фосфора, не более	Хрома, не более	Никеля, не более	Меди, не более	ванадия	Других элементов
С 255	0,22	0,65	0,15-0,30	0,050	0,040	0,30	0,30	0,30	—	—

3. Расчетная часть

Расчет и конструирование стержня колонны

Подбор сечения стержня колонны

Подобрать двутавровое сечение стержня сплошной колонны высотой H=6.0 м. Колонна в обоих направлениях шарнирно закреплена. Колонна нагружена расчетной сжимающей силой N=1500 кН. Материал сталь С 255 по ГОСТ 27772 – 88

Расчетная схема колонны, согласно условию, имеет вид, представлен-ный на рисунке 2

Рисунок 2

Следовательно, расчетная длина lef в обоих направлениях lx и ly с учетом коэффициента μ=1, учитывающего закрепления концов стержня колонны, определяется по формуле

Определяем требуемую площадь сечения Атр

Согласно приложению листовой прокат толщиной от 4 до 10 мм из стали С 255 имеет расчетное сопротивление Ry = 240 МПа = 24 кН/см²

Задаемся в первом приближении значением φ0 = 0.7, чему согласно приложению соответствует гибкость λ0 ≈ 75

Определяем габариты сечения. Находим требуемые радиусы инерции

Используя приближенные зависимости радиусов инерции от конфигура-ции сечения ( для сечения на рисунке 2 )

Определяем требуемые высоту и ширину сечения

Для удобства автоматической приварки поясов к стенке принимаем

Подбор толщины стенки и поясов

Учитывая, что на площадь стенки приходится около 20% общей площади сечения, толщина стенки

Округляя до реальной толщины листового проката, назначаем                tw = 0.8 см = 8 мм. Тогда на долю поясов приходится площадь

Отсюда требуемая толщина одного пояса

Округляя, назначаем tf = 0.8см = 8мм. Полученные размеры проставляем на поперечном сечении стержня колонны ( рисунок 3 )

Рисунок 3

Проверка подобранного сечения

Фактическая площадь ( смотри рисунок 3 )

Минимальный момент инерции

Момент инерции площади сечения стенки относительно оси y пренебрегаем ввиду малости

Минимальный радиус инерции

Наибольшая гибкость

Согласно приложению коэффициент продольного изгиба

Проверим устойчивость подобранного сечения при

Что указывает на отсутствие излишков материала

Проверка условной обеспечения устойчивости стенки и поясов

Условная гибкость

Местная устойчивость стенки без укрепления продольными ребрами жесткости обеспечена, если выполняется неравенство

Следовательно, укрепление стенки продольными ребрами не требуется

В поперечных ребрах нет необходимости, если выполняется неравенство

Устойчивость поясов обеспечена, если выполняется неравенство

Неравенство не выполняется следовательно необходимо установить поперечные ребра жесткости на расстояние

Расчет и конструирование оголовка колонны

Рисунок 4 – оголовок

Определение длины ребра оголовка

Определяем толщину ребра

Конструктивно принимаем ширину ребра

 - это расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности равно расчетному сопротивлению по пределу прочности,

Принимаем

Подобранное ребро проверить на срез

Подобранное сечение опорного ребра выбрано правильно. Толщину опорной плиты назначаем конструктивно в пределах 10 – 20 мм, принимаем

Расчет и конструирование базы колонны

Рассчитать и законструировать базу центрально – сжатой колонны сплошного двутаврового сечения ( рисунок 5 ). Сжимающая нагрузка действующая на колонну . Материал фундамента – бетон класса B10 с расчетным сопротивлением осевому сжатию ( призменная прочность ) , материал элементов базы – сталь С 255. Сварка полуавтоматическая сварочной проволокой марки Св – 08Г2С по

В соответствии с ранее принятой расчетной схемой колонны ( смотри рисунок 5 ) предусматриваем шарнирную базу ( рисунок 6)

Рисунок 5

Рисунок 6

Расчетная сжимающая нагрузка на фундамент с учетом веса колонны

где A – площадь поперечного сечения колонны ( смотри рисунок 5 )

 - объемный вес стали,

 - коэффициент надежности для собственного веса металлических конструкций,

Задаваясь  устанавливаем расчетное сопротивление бетона смятию

Требуемая площадь опорной плиты

Ширина плиты зависит от конструкции базы и размеров поперечного сечения стержня колонны. Чтобы плита не получилась слишком толстая, ее консольную часть принимаем  ( рисунок 6 ) Толщину траверсы принимаем

Ширина плиты

Что удовлетворяет ГОСТ 82 – 70 на универсальную сталь

Требуемая длина плиты

Округляя принимаем

Определение толщины плиты

Плита работает на изгиб от равномерно распределенной нагрузки ( реактивного давления фундамента )

Рассматривая различные участки плиты определяем наибольший изгибающий момент в полосе шириной 1см

Участок №1 – операние по четырем сторонам. Отношению  в таблице соответствует коэффициент

Изгибающий момент участка плиты опертой по четырем сторонам

Участок №2 – операние по трем сторонам

В этом случае плита рассчитывается как консоль с вылетом

Изгибающий момент

Участок №3 – консольный

Таким образом, по большому значению изгибающего момента  определяем толщину плиты

По приложению назначаем , что подтверждает правильность принятого значения расчетного сопротивления  ( приложение для листового проката толщиной от 4 до 20 мм )

Расчет траверсы

Высоту листов траверсы находим из условия полной передачи усилия со стержня на опорную плиту через сварные швы ( при расчете по металлу шва )

Прикрепление траверсы к колонне выполняется полуавтоматической сваркой в углекислом газе сварочной проволокой марки Св – 08Г2С

Расчетные характеристики

 - коэффициент зависящий от условий сварки по приложению, ;

 - катет шва, ;

 - расчетное сопротивление металла шва по приложению для сварочной проволоки Св – 08Г2С, ;

 - непровар и кратер, ;

Проверяем допускаемую длину шва

Округляя принимаем

Проводим проверку прочности траверсы на изгиб и срез.

Нагрузка на единицу длины одного листы траверсы

Изгибающий момент в месте приварки к колонне

Поперечная сила

Момент сопротивления сечения листа

Нормальное напряжение

Касательное напряжение

Прочность траверсы обеспечена с большим запасом. Расчетное сопротивление  принято по приложению исходя из толщины траверсы

Касательное напряжение

т. е. прочность ребра обеспечена

Проверяем швы, прикрепляющие ребро к колонне. При двух угловых швах толщиной

то есть, прочность швов обеспечена

Расчет швов, прикрепляющих элементы базы к плите

Необходимая толщина швов, прикрепляющих листы траверсы:

Ребра жесткости

В соответствии с приложением исходя из толщины плиты , конструктивно принимаем , что вполне компенсирует несколько завышенную длину швов.

Заключение

Выбор марки стали, для центрально – сжатой колонны сплошного сечения производят с учетом климатического района, в котором конструкция будет монтироваться, эксплуатироваться, а также с учетом характера нагрузки, толщины проката, применяемого в колонне.

Полученные расчетные значения размеров элементов колонны округляем в большую сторону до значения, соответствующего ГОСТ 27772 – 88 и ГОСТ 8240 – 89.

В курсовом проекте проверена устойчивость колонны на прочность и жесткость, рассчитаны оголовок, стержень и база колонны.

Список литературы

Блинов А. Н., Лялин Н. В. Сварные конструкции. Учебник строй издат 1990

ГОСТ 27772 – 88 прокат для строительных сварных конструкций. Общие технические условия. Введение 01.01.89 до 01.01.99 – М; Издательство стандартов 1988 – 2БС

СНиП . Нормы проектирования стальных конструкций. ГОСстрой СССР. Введение 01.01.87. Взамен СНиП ; СНиП

ГОСТ 82 – 70. Прокат стальной, горячекатаной, широкополосный универсальный сортамент.

Методические рекомендации к курсовому проектированию по предмету “Сварные конструкции” для средних специальных учебных заведений.