Конструирование ферм. Общие требования. Опирание колонны на подколонник бетонного фундамента Опирание фермы на металлическую колонну

Примыкание фермы к колонне сбоку позволяет осуществлять как шарнирное, так и жесткое сопряжение ригеля с колонной (рис. 5.8).

При жестком сопряжении в узле возникает, помимо опорного давления FR , узловой момент M . При расчете момент заменяется парой горизонтальных сил H 1 = M /h о , которые воспринимаются узлами крепление нижнего и верхнего поясов к колонне. Нижний пояс дополнительно воспринимает усилие от распора рамы N p = Q . В большинстве случаев опорный момент фермы имеет знак минус, т.е. направлен против часовой стрелки. В этом случае сила Н 1, как и Н р , прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Сжимающие напряжения на поверхности контакта невелики и не проверяются.

Опорный фланец крепится к полке колонны на болтах грубой или нор-мальной точности, которые ставятся в отверстия на 3 – 4 мм большедиаметра болтов, чтобы они не могли воспринимать опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик. Количество болтов принимается конструктивно (обычно 6…8 болтов диаметром 20 – 24 мм).

Если в опорном узле возникает положительный момент (это возможно, как правило, при легких кровлях), то усилие Н отрывает фланец от колонны, следовательно, болты следует рассчитывать на растяжение с учетом эксцентриситета, вызванного несовпадением центра болтового поля и осевой линии нижнего пояса фермы, по которой приложено усилие Н (рис. 5.9).

Рис. 5.8. Узел сопряжения фермы с колонной

Рис. 5.9. К расчету болтов крепления фланца опорного узла к колонне

Условно предполагается, что возникающее при этом вращение узла проходит вокруг линии, проходящей через ось болтов, наиболее удаленных от точки приложения силы Н (примерно на 40 – 80 мм ниже верха фасонки).

Усилие, приходящееся на наиболее нагруженный болт определяется по формуле

N max = N 1 = ,

где z – расстояние от нижнего пояса фермы (линия приложения силы Н ) до оси наиболее удаленного болта;

l 1 – расстояние между крайними болтами;

– сумма квадратов расстояний между осями болтов и осью вращения узла ();

n = 2 – количество болтов в каждом горизонтальном ряду соединения.

Вертикальное давление FR передается с опорного фланца узла фермы через строганные поверхности на опорный столик, причем фланец выпускается за пределы фасонки на а ≤ 1,5 tф .

Опорный столик выполняется из листа стали толщиной 30 –40 мм или при небольшом опорном давлении (FR = 200 – 250 кН) из отрезка уголка с частично срезанной полкой. Опорный столик делается несколько шире опорного фланца и приваривается к колонне.

Сопряжение фермы с колонной можно считать шарнирным, если фланец верхнего узла фермы сделать тонким (tфл = 8 – 10 мм) и возможно малой длины, а расстояние между болтами по горизонтали принять достаточно большим (b о = 160 – 200 мм). В этом случае фланец будет гибким и не сможет воспринимать сколько-нибудь существенную силу Н 1.

При жестком сопряжении фланец верхнего узла и болты его крепления к колонне рассчитываются на отрывающее усилие Н 1.

Другим вариантом шарнирного узла при примыкании фермы к колонне сбоку является сопряжение верхнего пояса с колонной на болтах нормальной точности, поставленных в овальные отверстия.

В нижнем опорном узле передача опорного давления FR и горизонтальной силы, появляющейся в результате узлового момента рамы, осуществляется раздельно.

Пример 5.8. Рассчитать конструкцию жесткого сопряжения фермы с колонной (см. рис. 5.8). Максимальный отрицательный опорный момент М = – 1144,6 кН∙м. Опорное давление FR = – 479,3 кН. Усилия в нижнем поясе N 1 = + 399,4 кН, в опорном раскосе N 2 = – 623,9 кН. Поперечная сила в колонне на уровне нижнего пояса фермы Q = – 112,6 кН.

Материал конструкций – сталь С255 с расчетными сопротивлениями Rу = 24 кН/см2 и Rs = 0,58 Ry = 13,92 кН/см2. Сварка механизированная в среде углекислого газа, сварочная проволока Св-08Г2С, диаметр проволоки d = 2 мм. Расчетные сопротивления: металла шва Rwf = 21,5 кН/см2, металла по границе сплавления Rwz = 16,65 кН/см2. Сварка выполняется в нижнем положении. Коэффициенты f = 0,9; z = 1,05; wf = wz = 1 (конструкция эксплуатируется при t > –40оC); с = 1.

Расчет швов выполняем по металлу границы сплавления.

Катеты швов принимаем в зависимости от толщины уголков. В одном узле желательно иметь не более двух типоразмеров швов. Полученные по расчету длины швов округляются в большую сторону до 10 мм. Если по расчету длина шва меньше 50 мм, то принимается lw = 50 мм.

Принимаем катеты швов:

– вдоль обушки kf = 10 мм < kf, max = 1,2tуг = 1,2 ∙ 9 = 10,8 мм;

– вдоль пера kf, min = 5 мм при толщине более толстого из свариваемых листов tф = 14 мм (см. табл. 3.5).

Определяем размеры фасонки в опорном узле фермы.

Толщину фасонки выбираем в зависимости от максимального усилия в стержнях решетки по табл. 5.6.

При усилии в опорном раскосе N 2 = – 623,9 кН принимаем толщину фасонки tф = 14 мм.

Размеры фасонок определяем по необходимой длине швов крепления нижнего пояса и опорного раскоса.

Прикрепление нижнего пояса к фасонке.

Nоб 1 = (1 – α )N 1 = (1 – 0,25) 399,4 = 299,55 кН,

где α = 0,25 – коэффициент, учитывающий долю усилия на сварные швы у пера при креплении неравнополочных уголков, составленных узкими полками (см. табл. 5.9).

Nn 1 = αN 1 = 0,25 ∙ 399,4 = 99,85 кН.

lw,об = Nоб 1/(2βzkf Rwzγwzγc ) = 299,55 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 8,57 см.

Принимаем конструктивную длину шва вдоль обушка с добавлением 1 см на дефекты в начале и конце шва lw,об = 100 мм.

lw,n = Nn 1/(2βzkfRwzγwzγc ) = 99,85 / (2 ∙ 1,05 ∙ 0,5 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 5,7 см.

Принимаем lw,n = 70 мм.

Рассчитываем прикрепление опорного раскоса к фасонке.

Усилие, воспринимаемое швами у обушка:

Nоб 2 = (1 – α )N 2 = (1 – 0,25) 623,9 = 467,93 кН.

Усилие, воспринимаемое швами у пера:

Nn 2 = αN 2 = 0,25 ∙ 623,9 = 155,97 кН.

Расчетная длина шва вдоль обушка

lw,об = Nоб 2/(2βzkfRwzγwzγc ) = 467,93 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 13,4 см.

Принимаем lw,об = 150 мм.

Расчетная длина шва вдоль пера

lw,n = Nn 2/(2βzkfRwzγwzγc ) = 155,97 / (2 ∙ 1,05 ∙ 0,5 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 8,92 см.

Принимаем lw,n = 100 мм.

Конструируем опорный узел фермы, исходя из размещения сварных швов требуемой длины и конструктивных требований (расстояние от низа пояса до торца опорного фланца не менее 150 мм).

Проверяем фасонку на срез:

Производим условную проверку фасонки на выкалывание по сечению 1-1 при полной длине Σl = lГ + lв = 170 + 200 = 370 мм (см. рис. 5.8). Проверка выполняется приближенно, когда плоскости среза наклонены к оси элемента под углами, близкими к 45о, по формуле

Центр швов, прикрепляющих фланец к фасонке, не совпадает с осью нижнего пояса. Эксцентриситет составил е = 80 мм.

Фланец для четкости опирания выступает на 15 – 20 мм ниже фасонки опорного узла, но не более a max ≤ 1,5tфл. Выпускаем фланец за пределы фасонки на а = 20 мм, что меньше a max = 1,5 ∙ 16 = 24 мм.

Размеры опорного фланца назначаем конструктивно: толщина tфл = 16 – 20 мм; высота l = hф + a = 400 + 20 = 420 мм; ширина bфл = 180 мм (из условия размещения двух вертикальных рядов болтов).

Вертикальная реакция фермы FR передается с опорного фланца через строганые поверхности на опорный столик.

Площадь торца фланца

Афл = bфлtфл = 18 · 1,6 = 28,8 см2.

Торец фланца проверяем на смятие:

где Rp = 33,6 кН/см2 – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки) для стали С255, принимаемое по табл. 2.4.

Определяем расстояние между линиями центров тяжести верхнего и нижнего поясов в опорном сечении фермы:

H о = Hop – (z 1 + z 3) = 3150 – (30 + 30) = 3090 мм,

где z 1 и z 3 – привязки поясов (расстояние от обушков до центра тяжести уголков), округленные до 5 мм.

Горизонтальное усилие, передаваемое на верхний и нижний пояса ферм:

H 1 = M /h о= 1144,6 / 3,09 = 370,4 кН.

Общее горизонтальное воздействие на нижний пояс

H = H 1 + Hp = 370,4 + 112,6 = 483 кН.

Швы, прикрепляющие фасонку опорного узла к фланцу, работают в сложных условиях (рис. 5.10).

Рис. 5.10. К расчету сварного шва крепления фланца к фасонке

При действии опорного давления FR швы срезаются вдоль, в них возникают напряжения:

τR = FR /(2βzkf lw ) = 479,3 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39) = 5,85 кН/см2.

где kf = 10 мм (задаются в пределах 10 – 20 мм);

lw = hф – 10 = 400 – 10 = 390 мм.

Усилие Н приводит к срезу шва в направлении, перпендикулярном оси

τН = Н /(2βzkf lw ) = 483 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39) = 5,9 кН/см2.

Поскольку центр шва не совпадает с осью нижнего пояса, на шов действует момент

М = Не = 483 ∙ 8 = 3864 кН∙см.

Под действием момента шов также работает на срез перпендикулярно оси шва:

τМ = М /Wz = 6M /(2βzkf lw 2) = 6 ∙ 3864 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 392) = 7,26 кН/см2.

Шов проверяем в наиболее напряженной точке А по металлу границы сплавления по результирующей напряжений:

14,4 кН/см2 <

< Rwzγwzγc = 16,65 кН/см2.

Угловые швы крепления столика рассчитываем на усилие

F = 1,2FR = 1,2 ∙ 479,3 = 575,16 кН,

где коэффициент 1,2 учитывает возможный эксцентриситет передачи вертикального усилия, непараллельность торцов опорного фланца фермы и столика (неточность изготовления), вызывающую неплотность опирания фланца (его перекос в своей плоскости), что приводит к неравномерности распределения реакции между вертикальными швами.

Высота опорного столика lст устанавливается по требуемой протяженности сварных швов:

lст = lw + 1 = F /(2βzkfRwγwzγc ) + 1 =

575,16 / (2 ∙ 1,05 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) + 1 = 17,45 см.

Принимаем столик из листа 220× 180× 30 мм.

В узле крепления верхнего пояса сила Н 1 = 370,4 кН стремится оторвать фланец от колонны и вызывает его изгиб (рис. 5.11).

а ) б )

Рис. 5.11. К расчету узла крепления верхнего пояса фермы к колонне:

а – работа фланца на изгиб; б – расчетная схема

Принимаем болты класса прочности 5.6 с расчетным сопротивлением болтов, работающих на растяжение, Rbt = 210 МПа = 21 кН/см2 (табл. 5.11).

Таблица 5.11

Расчетные сопротивления срезу и растяжению болтов

Напряженное состояние	Обозначение	Расчетные сопротивления, МПа, болтов классов
Напряженное состояние	Обозначение

Растяжение

П р и м е ч а н и е. В таблице указаны значения расчетных сопротивлений для одноболтовых соединений.

Задаемся диаметром одного болта dб = 24 мм с площадью сечения нетто Abn = 3,52 см2 (см. табл. 3.17).

Несущая способность одного болта на растяжение

Nb = AbnRbt = 3,52 ∙ 21 = 73,92 кН.

Необходимое число болтов

n = H 1/(Nbγc ) = 370,4 / (73,92 ∙ 1) = 5.

Принимаем n = 6, располагая их по ширине фланца в два ряда. Диаметр отверстия под болты d о = 27 мм.

Размещаем болты согласно требованиям (см. табл. 3.18)

Минимальное расстояние между центрами болтов

а 1 = 2,5d 0 = 2,5 ∙ 27 = 67,5 мм, принимаем а 1 = 80 мм.

Расстояние от центра болта до края элемента с = 1,5d 0= 1,5 ∙ 27 ≈ 40 мм.

Расстояние между болтами

b 0 = b – 2с = 200 – 2 ∙ 40 = 120 мм.

Высота фланца

а = 2а 1 + 2с = 2 ∙ 80 + 2 ∙ 40 = 240 мм.

Момент при изгибе фланца определяется как в защемленной балке пролетом b 0

Мфл = H 1 b 0 / 8 = 370,4 ∙ 12 / 8 = 555, кН∙см.

Требуемый момент сопротивления фланца

Wфл = Мфл / (Ry γc ) = 555,6 / (23 ∙ 1) = 24,16 см3.

Минимальная толщина фланца

tфл = = = 2,46 см.

Принимаем tфл = 25 мм.

Шов крепления фланца к фасонке работает на срез и его катет определяется:

kf = H 1 / (2βz lw Rwz γwz γc ) = 370,4 / (2 ∙ 1.05 ∙ 23 ∙ 16.65 ∙ 1 ∙ 1) = 0,46 см,

где lw = а – 1 = 24 – 1 = 23 см.

Принимаем минимальный катет шва kf = 7 мм при полуавтоматической сварке более толстого листа tфл = 25 мм (см. табл. 22).

Стальные стропильные фермы изготовляют трех типов: полигональные, треугольные и с параллельными поясами (рис. 66, а). Тип фермы выбирают в зависимости от материала кровли. Так, при рулонных кровлях применяют полигональные фермы с уклоном верхнего пояса 1:8 и 1: 12 и с параллельными поясами, а при кровлях из асбестоцементных и стальных волнистых листов — треугольные с уклоном верхнего пояса 1:3,5 или полигональные с ломаным нижним поясом (уклон 1:4—1:6).

Практически стальные фермы можно применять при любых пролетах. Унифицированные фермы имеют пролеты 24, 30 и 36 м; применяют их при шаге колонн 6 и 12 At.
Высота ферм на опоре: полигональных 2,2 м, с параллельными поясами 2,5 и 3,75 At. Размеры панелей верхнего пояса приняты равными 3 At. В случае использования в покрытии плит шириной 1,5 ж в фермах устраивают шпренгельную решетку. В треугольных фермах панели верхнего пояса имеют длину только 1,5 м.

Пояса и решетку ферм конструируют из двух уголков, между которыми предусматривают прокладки, обеспечивающие требуемую жесткость элементов. Решетки сопрягают с поясами сваркой с введением в узлах фасонок из листовой стали толщиной 8—18 At At. Сходящиеся в узлах стержни центрируют с учетом геометрической схемы фермы.

Сопряжение ферм со стальными и железобетонными колоннами в большинстве случаев шарнирное. Однако фермы полигональные и с параллельными поясами можно сопрягать со стальными колоннами жестко.

Шарнирное крепление ферм к колоннам (стальным и железобетонным) производят с помощью надопорной стойки двутаврового составного сечения, которую соединяют с колонной анкерными болтами. Элементы фермы крепят к надопорной стойке черными болтами с введением между фасонками и колонной опорных пластин (рис. 66, б).

Рис. 66. Стальные стропильные фермы:
а — типы ферм: б— шарнирное сопряжение фермы с колонной; в — то же, жесткое

При жестком сопряжении ферм с колоннами надопорные стойки отсутствуют, а верхний и нижний пояса ферм посредством фасонок и дополнительных пластин крепят сваркой непосредственно к колоннам (рис. 66, в).

Стальные подстропильные фермы имеют длину 12, 18 и 24 м (рис. 67, а), а в отдельных случаях (например, в мартеновских цехах) их длина может достигать 48 м. Сконструированы они аналогично стропильным фермам. Верхний пояс подстропильных ферм крепят к колоннам черными болтами с опиранием на монтажный столик, воспринимающий вертикальное давление, нижнего пояса — посредством горизонтальных планок (рис. 67, б). К железобетонным колоннам подстропильные фермы крепят через опорную плиту или стальной оголовок.

Рис. 67. Подстропильные стальные фермы:
о — схемы ферм; б — крепление к колоннам; а — крепление стропильных ферм к подстропильным

Стропильные фермы сопрягают с подстропильными в пределах их высоты на черных болтах с передачей вертикального давления непосредственно на верхний пояс и на опорный столик нижнего пояса (рис. 67, в).

Пояса стропильных и подстропильных ферм выполняют из стали марки Ст. 3 и низколегированной, а элементы решетки — из стали Ст. 3.

Конструкция опорных узлов ферм зависит от способа сопряжения фермы с колонной.

При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколонника). При таком решении возможно опирание ферм как на металлическую, так и на железобетонную колонну. Аналогично решается и узел опирания стропильной фермы на подстропильную. Опорное давление фермы Fф передается с опорного фланца фермы через строганые или фрезерованные поверхности на опорную плиту колонны или опорный столик подстропильной фермы. Опорный фланец Для четкости опирания выступает на 10-20 мм ниже фасовки опорного узла. Площадь торца фланца определяется из условия смятия (при наличии пригонки).Верхний пояс фермы конструктивно на болтах грубой или нормальной точности прикрепляют к фасонке надколонника. Для того чтобы узел не мог воспринять усилия от опорного момента и обеспечивал шарнирность сопряжения, отверстия в фасовках делают на 5-6 мм больше диаметра болта.

Горизонтальные усилия от опорного момента H1>=M1/hОП воспринимаются узлами крепления верхнего и нижнего поясов. Последний дополнительно воспринимает усилие от распора рамы HР. В большинстве случаев опорный момент фермы имеет знак минус, и сила H1 как и HР, прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Напряжения по поверхности контакта невелики и их можно не проверять. Если сила H=H1+HP отрывает фланец от колонны (при положительном знаке момента), то болты крепления фланца к колонне работают на растяжение и их прочность следует проверить с учетом внецентренного относительно центра болтового поля приложения усилия.

Швы крепления фланца к фасонке воспринимают опорную реакцию фермы Fф и внецентренно приложенную силу H (центр шва не совпадает с осью нижнего пояса). Под действием этих усилий угловые швы работают на срез в двух направлениях.

Если линия действия силы H1, не проходит через центр фланца, то швы и болты рассчитывают с учетом эксцентриситета.

В случае действия больших опорных моментов и при необходимости повышения жесткости узла сопряжения ригеля с колонной целесообразно выполнить соединение верхнего пояса с колонной на сварке.

Опирание стропильных ферм на подстропильные выполнятся в большинстве случаев по шарнирной схеме. При неразрезных стропильных фермах для обеспечения жесткости узла необходимо перекрыть верхние пояса стропильных ферм накладкой, рассчитанной на восприятие усилия от опорного момента. В узле нижнего пояса это усилие прижимает фланец фермы к стойке, и дополнительные элементы для его восприятия не требуются

Конструирование и расчет баз внецентренно-сжатых колонн сквозного сечения.Базу колонны нужно запроектировать раздельной, с траверсами.

Необходимо определить размеры плит под ветвями, толщину плит, высоту траверс из условия прикрепления к ветвям сварными швами, а также проверить швы крепления траверсы к плите. Проектирование баз под ветвями аналогично проектированию баз центрально-сжатых колонн. Расчетными усилиями являются наибольшие усилия в ветвях в нижнем сечении нижней части колонны. Кроме того, нужно проверить, существует ли сочетание нагрузок, при котором появляются растягивающие усилия в какой либо ветви колонны. При определении расчетной комбинации усилий в этом случае усилия от постоянной нагрузки следует принимать с коэффициентом 0,9. Если при каком-либо сочетании нагрузок получается растягивающее усилие в ветви, то оно должно быть воспринято анкерными болтами. Условие прочности крепления колонны в этом случае N в ≤ nф Rbа Аb n х ф / х в, (11.1) где nф – количество фундаментных болтов ветви, работающей на растяжение; Rbа – их расчетное сопротивление /1/; Аb n – расчетная площадь сечения болта /1/; хв – расстояние от центра тяжести ветви до центра тяжести сечения колонны; хф – расстояние от линии действия равнодействующей усилий в фундаментных болтах ветви до центра тяжести сечения колонны. Величина хв принимается конструктивно. Расчет и конструирование базы

Продольная сила и изгибающий момент составляющие невыгодную комбинацию, принимаются по табл. 5 для сечений “в заделке”.

где -расчетное сопротивление сжатию материала фундамента(для бетона класса)

Рис.8 База колонны

Участок 1 ─ консольный

где ─ нагрузка приходящаяся на плиту шириной 1 м;

─ вылет консоли.

Участок 2 ─ опирание на 4 стороны

где ─ коэффициент, определяется по прил. 4 табл.1 в зависимости от соотношения короткой закрепленной стороны к свободному краю

Участок 3 ─ опирание на 3 стороны

где ─ коэффициент, определяется по прил. 4 табл.1 в зависимости от соотношения короткой закрепленной стороны к свободному краю Толщина опорной плиты

поэтому принимаем

Определение нормативных и расчетных изгибающих моментов и поперечных сил для подкрановых балок.

Максимальный момент возникает в сечении, близком к середине пролета. Для определения наибольших изгибающих моментов и поперечных сил устанавливаем краны в невыгоднейшее положение (рис. 6.2.1).

Наибольший изгибающий момент от вертикальных давлений колес двух мостовых кранов:

Где –𝛾 n =0.95-коэффицент надежности по назначению ;

- 𝛾 f =1.1- коэффициент надежности по нагрузке;

K д =1.1 – коэффициент динамики, для режима работы мостового крана 7К.

Расчетный момент с учетом собственного веса подкрановых конструкций равен:

где a =1,05– коэффициент, учитывающий влияние собственной массы подкрановых конструкций на значение максимального изгибающего момента.

Расчетный изгибающий момент от горизонтальных усилий равен:

Рис.6.2.1. Определение усилий M max и Q max при загружении подкрановой балки

двумя четырехколесными кранами.

Согласно указаниям норм , подкрановая балка загружается нагрузкой от двух максимально сближенных мостовых кранов, при этом грузы на крюках номинальные, а тележки вплотную приближены к данному ряду подкрановых балок (рис.5).

Для определения максимальных изгибающих моментов в подкрановой балке, действующих в вертикальной и горизонтальной плоскостях, используется правило Винклера.

Конструирование узла сопряжения подкрановых балок с колонной пром зданий

В узлах опирания подкрановых балок на колонны происходит передача больших вертикальных и горизонтальных усилий. Вертикальное давление разрезных подкрановых балок передается на колонну обычно через выступающий фрезерованный торец опорного ребра (рис. 15.17, а). Рассчитывают и конструируют опорное ребро так же, как и у обычных балок (см. гл. 7, § 5).

В неразрезных балках вертикальное давление передается через опорные ребра, пристроганные к нижнему поясу, а между поясом и опорной плитой колонны ставят прокладку (рис. 15.17,6).

В неразрезных подкрановых балках на опоре смежного, незагруженного пролета возникает отрицательная (направленная вниз) реакция. Анкерные болты, прикрепляющие балку к колонне, должны быть рассчитаны на это усилие.

Для восприятия горизонтальных поперечных воздействий кранов устанавливают дополнительные элементы крепления балок к колоннам (рис. 15.18, а). Эти элементы рассчитывают на горизонтальное усилие Hi

При наличии нескольких элементов крепления (например, стержней и накладок крепления тормозных конструкций к колонне) горизонтальное давление F T распределяется между ними пропорционально жесткостям. В запас несущей способности можно каждый элемент крепления рассчитывать на полное давление F?.

При проектировании узлов крепления подкрановых конструкций к колоннам следует учитывать особенности их действительной работы. При проходе крана балка прогибается и ее опорное сечение поворачивается на угол φ (рис. 15.18,6). Под влиянием температурных воздействий (особенно в горячих цехах) подкрановые конструкции удлиняются (укорачиваются), что приводит к горизонтальным смещениям опорных сечений относительно колонн. В результате элементы крепления получают горизонтальные перемещения А н.

За счет обжатия опорного сечения балок и обмятия прокладок под опорными ребрами элементы крепления получают также вертикальное смещение Av (см. рис. 15.18,6). Если конструкции креплений обладают достаточной жесткостью и препятствуют обжатию и повороту опорных сечений, то в элементах крепления возникают большие усилия, вызванные перемещениями Ан и Av, что при многократных повторных нагружениях приводит к усталостному разрушению элементов крепления. Это подтверждается результатами натурных обследований.

Поэтому конструкция крепления балок к колоннам в горизонтальном направлении должна обеспечивать передачу горизонтальных поперечных сил, допуская при этом свободу поворота и продольного смещения опорных сечений.

Для того чтобы обеспечить свободу продольных и вертикальных перемещений элементов крепления, применяют два типа узлов. В узлах 1-го типа поперечные горизонтальные воздействия передаются через плотно пригнанные к полкам колонны элементы (упорные планки), допускающие за счет проскальзывания свободу перемещений опорных сечений (рис. 15.19, а). Поскольку со временем контактные поверхности обминаются и в соединении образуется люфт, упорные элементы целесообразно крепить (для возможности их замены) на высокопрочных болтах. В узлах 2-го типа балки крепятся к колоннам с помощью гибких элементов. При малой жесткости этих элементов дополнительные усилия, возникающие в них от перемещений Ан и Av, невелики. В качестве гибких креплений используются листовые элементы или круглые стержни. В узле, показанном на рис. 15.19,6, горизонтальные поперечные силы воспринимаются гибкими круглыми стержнями. При больших горизонтальных нагрузках каждая балка может крепиться двумя или тремя болтами, расположенными один над другим. Достоинством такого крепления являются возможность рихтовки балок и простота его замены.

В зданиях с кранами особого режима работы при расчете элементов крепления рекомендуется учитывать дополнительные усилия, возникающие от перемещений А н

Изгибающий момент в элементе крепления, возникающий от перемещений, определяется как в балке с защемленными концами (см. рис. 15.18,0):

От перекоса опорного ребра балки на крепление передается также дополнительное горизонтальное усилие Н е (см. рис. 15.18, г), возникающее за счет смещения равнодействующей опорного давления F R с оси балки:

По экспериментальным исследованиям величину е можно принять равной 1/б ширины опорного ребра b.

В зданиях с большим перепадом температур (неотапливаемые здания, горячие цехи) при расчете элементов крепления следует также учитывать усилия, возникающие от температурных воздействий, или проектировать крепления, обеспечивающие свободу перемещений (например, с передачей усилий через упорные элементы).

Проверка местной устойчивости стенки подкрановой балки

Стенка подкрановой балки испытывает местные сжимающие напряжения в результате перемещения колес мостовых кранов по подкрановым рельсам. Стенка подкрановой балки также укрепляется парными поперечными ребрами жесткости, максимальное расстояние между которыми не должно превышать обычно a = 1; 1,5; 2 м (рис.12).опасное сечение =4*а-0,5hw

Проверяем местную устойчивость стенки балки среднего отсека см:

Нормальное напряжение в "опасном" сечении отсека

Расчетный изгибающий момент в пролетном отсеке равен

Расчетная поперечная сила в приопорном отсеке равна

Усредненные касательные напряжения в "опасном" сечении отсека

Рис. 6.5.1. К расчету устойчивости отсеков стенки подкрановой балки

Местные сжимающие напряжения:

где g f 1 =1,1– коэффициент увеличения вертикальной сосредоточенной силы на отдельное колесо мостового крана;

– расчетная нагрузка на колесе крана без учета динамичности;

см – условная длина распространения местных сжимающих напряжений;

c – коэффициент, принимаемый для сварных балок равным 3,25;

I р, f =I р +I f – сумма собственных моментов инерции подкранового рельса I р = 1083,3 сми верхнего пояса подкрановой балки I f .

Критическое нормальное напряжение:

И фор. 77

кгс/см 2 ,

где – коэффициент, определяемый по табл. 25 .

Определяем условную гибкость стенки балки

в соответствии с п. 7.10 , стенку балки необходимо укрепить поперечными ребрами жесткости. Расстояние между основными поперечными ребрами не должно превышать см. Принимаем расстояние между поперечными ребрами жесткости a=1,5 м.

Максимальное расстояние между поперечными ребрами жесткости (в осях) устанавливается в зависимости от условной гибкости.

При жестком сопряжении в узле возникает, помимо опорного давления F R , узловой момент M . При расчете момент заменяется парой горизонтальных сил H 1 = M /h о , которые воспринимаются узлами крепление нижнего и верхнего поясов к колонне. Нижний пояс дополнительно воспринимает усилие от распора рамы N p = Q . В большинстве случаев опорный момент фермы имеет знак минус, т.е. направлен против часовой стрелки. В этом случае сила Н 1 , как и Н р , прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Сжимающие напряжения на поверхности контакта невелики и не проверяются.

Рис. 5.8. Узел сопряжения фермы с колонной

Рис. 5.9. К расчету болтов крепления фланца опорного узла к колонне

Усилие, приходящееся на наиболее нагруженный болт определяется по формуле

N max = N 1 = ,

где z – расстояние от нижнего пояса фермы (линия приложения силы Н ) до оси наиболее удаленного болта;

l 1 – расстояние между крайними болтами;

– сумма квадратов расстояний между осями болтов и осью вращения узла ();

n = 2 – количество болтов в каждом горизонтальном ряду соединения.

Вертикальное давление F R передается с опорного фланца узла фермы через строганные поверхности на опорный столик, причем фланец выпускается за пределы фасонки на а ≤ 1,5 t ф .

Опорный столик выполняется из листа стали толщиной 30 –40 мм или при небольшом опорном давлении (F R = 200 – 250 кН) из отрезка уголка с частично срезанной полкой. Опорный столик делается несколько шире опорного фланца и приваривается к колонне.

Сопряжение фермы с колонной можно считать шарнирным, если фланец верхнего узла фермы сделать тонким (t фл = 8 – 10 мм) и возможно малой длины, а расстояние между болтами по горизонтали принять достаточно большим (b о = 160 – 200 мм). В этом случае фланец будет гибким и не сможет воспринимать сколько-нибудь существенную силу Н 1 .

В нижнем опорном узле передача опорного давления F R и горизонтальной силы, появляющейся в результате узлового момента рамы, осуществляется раздельно.

Пример 5.8. Рассчитать конструкцию жесткого сопряжения фермы с колонной (см. рис. 5.8). Максимальный отрицательный опорный момент М = – 1144,6 кН∙м. Опорное давление F R = – 479,3 кН. Усилия в нижнем поясе N 1 = + 399,4 кН, в опорном раскосе N 2 = – 623,9 кН. Поперечная сила в колонне на уровне нижнего пояса фермы Q = – 112,6 кН.

Материал конструкций – сталь С255 с расчетными сопротивлениями R у = 24 кН/см 2 и R s = 0,58 R y = 13,92 кН/см 2 . Сварка механизированная в среде углекислого газа, сварочная проволока Св-08Г2С, диаметр проволоки d = 2 мм. Расчетные сопротивления: металла шва R wf = 21,5 кН/см 2 , металла по границе сплавления R wz = 16,65 кН/см 2 . Сварка выполняется в нижнем положении. Коэффициенты f = 0,9; z = 1,05; wf = wz = 1 (конструкция эксплуатируется при t > –40 о C); с =1.

Расчет швов выполняем по металлу границы сплавления.

Принимаем катеты швов:

– вдоль обушки k f = 10 мм < k f , max = 1,2t уг = 1,2 ∙ 9 = 10,8 мм;

– вдоль пера k f , min = 5 мм при толщине более толстого из свариваемых листов t ф = 14 мм (см. табл. 3.5).

Определяем размеры фасонки в опорном узле фермы.

Толщину фасонки выбираем в зависимости от максимального усилия в стержнях решетки по табл. 5.6.

При усилии в опорном раскосе N 2 = – 623,9 кН принимаем толщину фасонки t ф = 14 мм.

Размеры фасонок определяем по необходимой длине швов крепления нижнего пояса и опорного раскоса.

Прикрепление нижнего пояса к фасонке.

N об 1 = (1 – α )N 1 = (1 – 0,25) 399,4 = 299,55 кН,

N n 1 = αN 1 = 0,25 ∙ 399,4 = 99,85 кН.

l w ,об = N об 1 /(2β z k f R wz γ wz γ c ) = 299,55 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 8,57 см.

l w , n = N n 1 /(2β z k f R wz γ wz γ c )= 99,85 / (2 ∙ 1,05 ∙ 0,5 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 5,7 см.

Принимаем l w , n = 70 мм.

Рассчитываем прикрепление опорного раскоса к фасонке.

Усилие, воспринимаемое швами у обушка:

N об 2 = (1 – α )N 2 = (1 – 0,25) 623,9 = 467,93 кН.

Усилие, воспринимаемое швами у пера:

N n 2 = αN 2 = 0,25 ∙ 623,9 = 155,97 кН.

Расчетная длина шва вдоль обушка

l w ,об = N об 2 /(2β z k f R wz γ wz γ c ) = 467,93 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 13,4 см.

Принимаем l w ,об = 150 мм.

Расчетная длина шва вдоль пера

l w , n = N n 2 /(2β z k f R wz γ wz γ c )= 155,97 / (2 ∙ 1,05 ∙ 0,5 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 8,92 см.

Принимаем l w , n = 100 мм.

Проверяем фасонку на срез:

Производим условную проверку фасонки на выкалывание по сечению 1-1 при полной длине Σl = l Г + l в = 170 + 200 = 370мм (см. рис. 5.8). Проверка выполняется приближенно, когда плоскости среза наклонены к оси элемента под углами, близкими к 45 о, по формуле

Фланец для четкости опирания выступает на 15 – 20 мм ниже фасонки опорного узла, но не более a max ≤ 1,5t фл. Выпускаем фланец за пределы фасонки на а = 20 мм, что меньше a max = 1,5 ∙ 16 = 24 мм.

Размеры опорного фланца назначаем конструктивно: толщина t фл = 16 – 20 мм; высота l = h ф + a = 400 + 20 = 420 мм; ширина b фл = 180 мм (из условия размещения двух вертикальных рядов болтов).

Вертикальная реакция фермы F R передается с опорного фланца через строганые поверхности на опорный столик.

Площадь торца фланца

А фл = b фл t фл = 18 · 1,6 = 28,8 см 2 .

Торец фланца проверяем на смятие:

где R p = 33,6 кН/см 2 – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки) для стали С255, принимаемое по табл. 2.4.

Определяем расстояние между линиями центров тяжести верхнего и нижнего поясов в опорном сечении фермы:

H о = H op – (z 1 + z 3) = 3150 – (30 + 30) = 3090 мм,

где z 1 и z 3 – привязки поясов (расстояние от обушков до центра тяжести уголков), округленные до 5 мм.

Горизонтальное усилие, передаваемое на верхний и нижний пояса ферм:

H 1 = M /h о = 1144,6 / 3,09 = 370,4 кН.

Общее горизонтальное воздействие на нижний пояс

H = H 1 + H p = 370,4 + 112,6 = 483 кН.

Швы, прикрепляющие фасонку опорного узла к фланцу, работают в сложных условиях (рис. 5.10).

Рис. 5.10. К расчету сварного шва крепления фланца к фасонке

При действии опорного давления F R швы срезаются вдоль, в них возникают напряжения:

τ R = F R /(2β z k f l w ) = 479,3 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39) = 5,85 кН/см 2 .

где k f = 10 мм (задаются в пределах 10 – 20 мм);

l w = h ф – 10 = 400 – 10 = 390 мм.

Усилие Н приводит к срезу шва в направлении, перпендикулярном оси

τ Н = Н /(2β z k f l w ) = 483 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39) = 5,9 кН/см 2 .

Поскольку центр шва не совпадает с осью нижнего пояса, на шов действует момент

М = Не = 483 ∙ 8 = 3864 кН∙см.

Под действием момента шов также работает на срез перпендикулярно оси шва:

τ М = М /W z = 6M /(2β z k f l w 2) = 6 ∙ 3864 / (2 ∙ 1,05 ∙ 1 ∙ 39 2) = 7,26 кН/см 2 .

Шов проверяем в наиболее напряженной точке А по металлу границы сплавления по результирующей напряжений:

14,4 кН/см 2 <

< R wz γ wz γ c = 16,65 кН/см 2 .

Угловые швы крепления столика рассчитываем на усилие

F = 1,2F R = 1,2 ∙ 479,3 = 575,16 кН,

Высота опорного столика l ст устанавливается по требуемой протяженности сварных швов:

l ст = l w + 1 = F /(2β z k f R w γ wz γ c ) + 1 =

575,16 / (2 ∙ 1,05 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) + 1 = 17,45 см.

Принимаем столик из листа 220× 180× 30 мм.

а ) б )

Рис. 5.11. К расчету узла крепления верхнего пояса фермы к колонне:

а – работа фланца на изгиб; б – расчетная схема

На бумагу наносят схему узла: оси сходящихся в нем элемен-тов, затем контуры элементов, начиная с пояса (рис. ниже). С осевы-ми линиями схемы совмещают линии центров тяжести элементов.

При центрировании для нанесения контуров уголков (в фермах со стержнями из парных уголков) от осевых линий откладывают в сторону обушка уголка округленное до 5 мм расстояние Z 0 от цент-ра тяжести до обушка, определенное из сортамента. В противопо-ложном направлении от оси откладывают расстояние (b - Z 0). Ана-логично поступают и при сечениях другой формы. После нанесе-ния контура элементов показывают обрез уголков решетки так, чтобы в сварных узлах между краями пояса и элементов решетки оставал-ся зазор 40-50 мм для уменьшения вредного влияния усадки швов в фасонках (рис. ниже).

Центрирование узлов легких ферм

Такое же расстояние желательно соблюдать между краями со-седних элементов решетки в узлах и между краями (торцами) со-седних швов, крепящих накладки в стыках пояса. Обрез уголка, как правило, производят перпендикулярно к оси. Допустимо срезать часть полки уголка, но не далее начала закругления, что позволяет несколько уменьшить размер фасонки.

Приварку раскосов рекомендуется делать лишь фланговыми швами по обушку и перу, конструктивно выводя их на торец стерж-ня на длину 20 мм. Следует стремиться к наиболее простому очер-танию фасонки (прямоугольник, прямоугольная трапеция, паралле-лограмм и т. п.). Прикрепление фасонки к поясу, если в узле не уст-раивают стык пояса, должно быть рассчитано на равнодействующую усилий N всех элементов решетки, примыкающих непосредствен-но к узловой фасонке. При прямолинейном поясе эта равнодейству-ющая равна разности усилий в соседних панелях пояса (N = N 2 -N 1 рис. выше). Если к поясным уголкам в узле приложена сосредото-ченная нагрузка F (что имеется в верхних узлах стропильных ферм), то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на равно-действующее усилие от сосредоточенной нагрузки и разности уси-лий в соседних панелях. При нагрузке F, перпендикулярной поясу, равнодействующая

N = √N 2 -N 1 2 +F 2

Сварные швы наносят с двух сторон — со стороны обушка и пера — по всей длине примыкания фасонки к поясу. С этой целью край фасонки выводят наружу на 10-15 мм (рис. выше). Однако не всегда конструктивно удобно выпускать всю фасонку за грань пояса, например, при установке по верхнему поясу прогонов, прикрепляе-мых к уголковым коротышам (см. рис. выше), или накладок, на которые опираются железобетонные плиты (рис. ниже). В этом случае часть фасонки не доводят до обушка уголков на 10—15 мм. Таким образом, основными рабочими расчетными швами в этом случае будут швы, наложенные у пера. Обычная конструкция промежуточных сварных узлов (без стыка пояса) легких ферм со стержнями из парных угол-ков показана на рис. выше (верхний пояс) и рис. выше (нижний пояс).

При изменении сечений поясов необходимо осуществлять стык поясных уголков. Как правило, стык располагают в узле, при этом часть фасонки может быть использована в качестве стыкового элемента.

В случае применения в поясе ферм уголков с разной толщиной полок заводской стык поясов выполняют с помощью листовых на-кладок и фасонок (рис. ниже).

Стык поясов с помощью листовых накладок

Считают, что через накладки передается 70% усилия в стыке, остальные 30% — через фасонку, при этом в работу включается часть фасонки на ширине не более 2b (где b — ширина полки мень-шего уголка). Для включения фасонки в работу стыка ее продолжа-ют за узел. Обычно стык относят в сторону панели с меньшим уси-лием на 500 мм.

В фермах с поясами из тавров, полученных путем продольного роспуска широкополочных двутавров, и стержнях решетки из пар-ных уголков необходимо иметь узловые уширения, чтобы получить требуемую длину сварных швов. Для этого к стенке тавра стыко-вым швом прикрепляют фасонку (рис. ниже).

Узлы фермы с поясами из тавров и решеткой из парных уголков

Стыковой шов рассчитывают на срез от суммы расчетных уси-лий в примыкающих раскосах, спроектированных на ось пояса. За-водские стыки, как и в ферме из уголков, относят в сторону панели с меньшим усилием на 500 мм. Их выполняют с введением верти-кальных листовых вставок и горизонтальных накладок (рис. выше).

Стропильные фермы могут опираться на железобетонные колон-ны, кирпичные стены или элементы стального каркаса производствен-ных зданий — стальные колонны. Пример конструирования опорно-го узла фермы при опирании его на железобетонную колонну сверху показан на рис. ниже. Жесткое соединение стропильной фермы со стальной колонной каркаса здания показано на рис. ниже.

Опирание стропильной фермы на железобетонную колонну

а — трапециевидной; 6 — треугольной

Жесткое соединение фермы со стальной колонной

а — торец опорного ребра строгать; Н — распор

По транспортным условиям фермы больших пролетов (более 18 м) разбивают на отдельные отправочные элементы, назначая укрупнительные (монтажные) стыки в середине пролета. Как пра-вило, укрупнительные стыки осуществляют с помощью горизон-тальных и вертикальных листовых накладок. Горизонтальные накладки перекрывают поясные уголки и полку тавра, передавая 70% усилия в стыке, а вертикальные накладки стыкуют фасонки и стен-ки тавра, передавая 30% усилия в стыке. К вертикальным наклад-кам в фермах из уголков приваривают ребра для прикрепления связей. Аналогичные ребра в фермах с поясами из тавров при-крепляют к стойкам. В стыке верхнего пояса трапециевидной фер-мы горизонтальная накладка имеет перегиб. Примеры осуществ-ления узлов легких ферм с укрупнительными стыками представ-лены на рис. ниже.

Укрупнительные узлы поясов легких ферм

а — схема фермы; б— верхнего из тавров; в— нижнего из парных уголков

В стержнях, сечение которых составлено из двух уголков или каких-либо других профилей, необходима установка связующих про-кладок, обеспечивающих совместную работу профилей как едино-го сечения.

Все стыки рассчитывают на усилие, которое на 20% больше дей-ствительного. Это объясняется некоторой нечеткостью работы уз-лов со стыками. Вертикальные швы следует рассчитывать на со-вместное действие вертикального опорного давления и изгибаю-щего момента, вызванного внецентренным приложением продоль-ной силы относительно центра тяжести швов.

В гидротехнических затворах элементы связевых ферм часто принимают из сварных тавров. Это приводит к некоторым особен-ностям конструирования узлов.

В таких узлах для прикрепления стержней к фасонкам исполь-зуют одновременно стыковые и угловые фланговые сварные швы или одни стыковые швы. Пример осуществления узла плоского зат-вора показан на рис. ниже.

Узел плоского гидротехнического затвора

1,2 — продольные и поперечные связи

В случае прикрепления стержней двумя типами сварных швов стенка сварного тавра прикрепляется с помощью стыкового шва, а полка — четырьмя фланговыми швами, для чего в полке предвари-тельно делается прорезь на длину шва и шириной на 1 мм больше толщины фасонки.