Расчёт и проектирование центрально-сжатых сквозных колонн

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение  04

1 Конструкторский раздел  06

1.1 Описание конструкции колонны   06

1.2 Выбор и обоснование металла сварной конструкции  07

1.3 Расчет и конструирование стержня колонны   08

1.4 Расчет и конструирование соединительных планок  10

1.5 Расчет сварных швов, прикрепляющих планки к ветвям колонны  14

1.6 Расчет и конструирование базы колонны  16

1.7 Расчет и конструирование оголовка колонны и ее стыков  20

2 Технологический раздел  21

2.1 Выбор способа сварки  и методов контроля качества сварных  

      соединений  21

2.2 Выбор режимов сварки и сварочного оборудования  22

2.3 Технология изготовления  сквозной колонны

Заключение

Список использованных источников 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

      Сквозные колонны состоят из двух ветвей, соединенных решеткой из уголков или планками. Решетка обеспечивает совместную работу ветвей. Ветви проектируют из швеллеров или двутавров. Подбор сечения начинают отн-но материальной оси Х. Задаются гибкостью 50…80, определяют коэффициент продольного прогиба  и определяют Атр=N/Ry. Подбирают калибр профиля. Из условия равноустойчивости отн-но оси Х и У подбирают ширину колонны ''b'', учитывая гибкость отдельных ветвей, т. к. решетка обладает некоторой деформативностью. Этот фактор учитывается введением в расчет приведенной гибкости  относительно свободной оси. Чтобы сохранить неизменяемость контура поперечного сечения в сквозных колоннах ветви соединяются диафрагмами через 3-4 м по высоте колонны. В центр. сж. колоннах возможен изгиб от случайных эксцентриситетов. От изгиба возникает Qfic, которая воспринимается профилем. 2-ветв и более стержни в любом случае будут более деформативны, чем 1-ветв. за счет деформации решетки (относительно свободной оси) Оголовок колонны служит для эффективной передачи усилия от вышележащей конструкции на стержень. При свободном опирании балку ставят обычно на колонну. В этом случае оголовок состоит из опорной плиты и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку на стержень колонны. Торцы опорных ребер обязательно строгают, чтобы обеспечить более плотное примыкание к плите оголовка. Ребро оголовка всегда ставится параллельно опорным ребрам балки. Рассчитываем шов 1, крепящий опорную плиту к ребру. вычисляем расчетную длину шва, определяем kf. Рассчитываем шов 2, задаемся kf и определяем lw. Отсюда hp=lw+1см и по сортаменту. Толщину ребра tр назначаем из условия среза и по сортаменту. База служит для эффективной передачи усилий от стержня колонны на фундамент. База колонны состоит из опорной плиты, траверс, ребер жесткости и анкерных болтов. При шарнирном сопряжении анкерные болты ставятся конструктивно для фиксации и прикрепляются непосредственно к опорной плите. При жестком сопряжении анкера крепятся через спец выносные консоли и затягиваются усилием, близким к расчетному сопротивлению.  при шарн сопряж – 20…30 мм, при жестком –30…36. Размер опорной плиты – из конструк. соображений из условия размещения стержня колонны на плите с min свесом 40 мм. Опорная плита работает как пластина на упругом основании, на изгиб от отпора фундамента. При этом деформации направлены вверх. Давление фундамента принимается равномерно по всей поверхности. Высота траверсы – из условия шва.

Колонна работает на внецентренное  сжатие. Расчетные усилия M, N, Q. При  расчете проверяется прочность, а также общая и местная устойчивость элементов. Сечение ступенчатой колонны подбирают отдельно для верхнего и нижнего участков.

В сплошных колоннах так  как верхняя часть колонны  не подвержена непосредственному воздействию  динамических нагрузок, то расчет ведется с учетом развития пластических деформаций. В сквозных колоннах стержень состоит из двух ветвей: наружной и подкрановой. Двутавр принимают ''К'' или ''Ш''. Считается, что ветви колонны работаю на центральное сжатие, в то время как вся колонны – на внецентр сжатие. Из условия местной устойчивости стенки определяется толщина стенки (для сварного швеллера). Решетка колонны рассчитывается на наибольшую перерезывающую силу. В колоннах постоянного сечения при небольших кранах применяют обычно одноступенчатые консоли. При кранах большой грузоподъемности колонны выполняются сквозными, а консоль устраивается в виде усиленных швеллеров или двутавров. Учитывая возможность неравномерной передачи усилия на ветвь колонны, усилия в каждой ветви увеличивают на 20. Для внецентренно сжатой колонны база применятся только с траверсами. Конструктивное решение базы зависит от способа сопряжения колонны с фундаментом и может быть жестким или шарнирным. В промзданиях колонны имеют жесткое сопряжение в плоскости рамы, а из плоскости рамы – шарнирное. Существует два типа баз: общие и раздельные. Общие базы применяются для сплошных колонн, а также для сквозных колонн и если hн < 1000мм. В остальных случаях база раздельная.

 

 

 

 

 

       1 Конструкторский раздел

 

1.1 Описание  конструкции колонны

 

Колонна служит для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций через фундаменты на грунт. Колонна состоит из 3-ёх основных частей:

 - стержень - основной несущий элемент колонны, передаёт нагрузку от оголовка к базе;

- оголовок – представляет собой опору для вышележащей конструкции, распределяющего нагрузку по сечению стержня;

- база – служит  для закрепления колонны в  фундаменте, а так же распределяет  сосредоточенную нагрузку от  стержня по поверхности фундамента, и закрепляющей колонну в фундаменте.

Центрально – сжатая колонна работает на продольную силу приложенную по оси колонны и вызывающую равномерное сжатие поперечного сечения. В центрально – сжатых колоннах нагрузки приложены либо непосредственно к центру сечения колонны либо симметрично относительно оси стержня.

В данном курсовом проекте  рассчитывается центрально-сжатая сварная  колонна.

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Выбор и  обоснование металла сварной колонны

Сталь 09Г2С-конструкционная низколегированная  для сварных конструкций

Сварка производится без подогрева и без последующей термообработки

Применяется для изготовления металлоконструкций для промышленных зданий, колонн, подкрановых ферм для мостовых кранов

Таблица 1 – Химический состав стали

Марка стали	ГОСТ	Содержание элементов, %
		С	Мn	Si	Cr	Ni	Cu
09Г2С	19281-89	0,09	1,3-1,7	0,5-0,8	<0,3	<0,3	<0,3

 

Таблица 2 – Механические свойства стали

Марка стали	ГОСТ	Временное сопротивление разрыву, МПа	Предел  текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, мДж/м2
09Г2С	19281-89	390	540	20	39-44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Расчет и конструирование  стержня колонны

 

 Ориентировочно принимаем коэффициент продольного изгиба

Определяем требуемую  площадь поперечного сечения  стержня колонны Атр, см2, по формуле:

 

, (1)

 

где N – расчетная нагрузки, кН; 

Ry – расчетное сопротивление  металла, кН/см2 [1, с. 41].

 

Так как сечение колонны  состоит из двух швеллеров, находим  требуемую площадь одного швеллера , см2, по формуле:

 

 (2)

 

По таблицам сортамента подбираем близкую к требуемой  площади

А'тр действительную площадь поперечного сечения одного швеллера А'д и вписываем геометрические характеристики швеллера:

№ швеллера 24;

А'д = 30,6 см2;

Iх = 2 900 см4;

Iy = 208 см4;

rx = 9,73 см;

rу=2,6 см;

zo = 2,42 см.

Определяем действительное значение площади поперечного сечения  стержня  , см2, по формуле:

=2 30,6=61,2 см2 (3)

Определяем гибкость стержня колонны относительно оси х-х, λх, по формуле

 (4)

 
 

где lp – расчетная длина стержня  колонны, зависящая от закрепления  ее концов в соответствии с рисунком 1, см;

        lp = 2hk= 1000 см;

 

rx – радиус инерции, см.

          По λх определяем действительное значение коэффициента продольного изгиба φд [2, с. 348]. φд = 0,867

Проверяем стержень колонны  на устойчивость σ, кН/см2, по формуле

 

 (7)

 

22,61 кН/см < 24кН/см ,

 

где ус – коэффициент  условий работы [2, с. 343].

Стержень колонны должен иметь минимальное сечение, удовлетворяющее требованию устойчивости. Недонапряжение и перенапряжение не должно превышать 5 %.

 

1.4 Расчет и конструирования соединительных планок

 

Определяем расстояния lв, см, между соединительными планками 2 соответствии с рисунком 2, по формуле:

 

 (8)

 

где λв – гибкость одной ветви;

λв= 30...40;

rу – радиус инерции одного  швеллера 1 относительно собственной

оси, см.

Определяем расстояние между швеллерами b, исходя из условия равноустойчивости.

 

 (9)

   102,76 < 102,77

Выражаем гибкость стержня относительно оси у-у, λу

 

 (10)

 

Определяем необходимый  радиус инерции сечения стержня ry, см, относительно оси у-у, по формуле:

 

 (11)

Рисунок 1-Сечение стержня  сварной колонны

 

Если полки швеллера расположены наружу, в соответствии с рисунком 1, то расстояние между ветвями колонны b, см, определяем по формуле:

 

 (12)

 

Принимаем b = 18 cм

Определяем геометрические характеристики сечения стержня.

Определяем момент инерции сечения  колонны относительно оси у-у I'у, см4,по формуле:

 

 (13)

 

Если полки швеллера расположены  внутрь, то расстояние а, см, определяем по формуле:

 

 (14)

 Определяем действительное значение радиуса инерции сечения стержня относительно оси у-у ry, см, по формуле:

 

 (15)

 

Определяем действительную гибкость стержня колонны относительно оси  у-у λ'у, по формуле:

 

 (16)

 

Определяем приведенную гибкость стержня, λпр, по формуле:

 

 (17)

 

Если l_пр³l_х, то l_пр определяем действительный коэффициент продольного изгиба j_д и производим проверку стержня колонны на устойчивость.

Определяем условную поперечную силу Fусл, кН, возникающую  в сечении стержня как следствие  изгибающего момента.

Для сталей с σв до 330 МПа условную поперечную силу Fусл, кН, определяем по формуле:

 

 (18)

 

Определяем силу Т, кН, срезывающую планку, при условии  расположения планок с двух сторон, по формуле:

 

 (17)

 

Определяем момент М, кН см, изгибающий планку в ее плоскости, при условии расположения планок с двух сторон, в соответствии с рисунком 2, по формуле:

 

 (19)

 

Принимаем размеры планок.

Высота планки dпл, см

 

 (20)

 

Толщина планки Sпл, см

 

 (21)

Примем толщину планки принимаем Sпл= 10,5 мм

Рисунок 2 – Схема расчета  соединительных планок

1.5 Расчет сварных швов, прикрепляющих планки к ветвям  колонны

 

Определяем напряжение от изгибающего момента в шве  в соответствии с рисунками 2, 4, кН/см²

 

 (22)

 

где Wш – момент сопротивления  сварного шва, см3.

 

 (23)

 

где β – коэффициент, зависящий  от способа сварки;

Кf – катет сварного шва;

lш – длина сварного шва, прикрепляющего планку к стержню колонны,

 

Определяем напряжение среза в  сварном шве  , кН/см2, по формуле:

 

 (24)

 

где Аш – площадь поперечного  сечения сварного шва, см2