10426

120

8.3. Основы конструктивного расчета стержня стальной центрально сжатой колонны сплошного сечения

При подборе поперечного сечения стержня колонны необходимо, кроме его общей устойчивости, обеспечить местную устойчивость всех элементов сечения (стенки, полки и др.) , простоту и надежность базы, оголовка и узлов их примыканий к фундаменту и вышерасположенным конструкциям.

Имеются несколько вариантов алгоритмов расчета стержня сплошной колонны. Рассмотрим один из них для стержня с поперечным сечением в форме сварного

двуатвра:

1) Задаются типом сечения и материалом стержня колонны и назначают в первом приближении требуемую площадь поперечного сечения по формуле:

Атр = N(ϕ1 × Ry ×γ c ),

где N − расчетное усилие на стержень колонны;

γ c − коэффициент условий работы стержня колонны (по табл. 1, [4];

ϕ1 − первоначально задаваемый коэффициент продольного изгиба центрально сжатого стержня, определяемый по табл. Д1[4] в зависимости от типа сечения ( " а" , "b" , "с" по табл. 7 [4]) и λ1 = λ1 Ry / E , λ1 = 100 – 50; предварительно для назначения λ1 можно воспользоваться следующими рекомендациями:

Ry – расчетное сопротивление материала колонны.

Полученная величина Атр является весьма приблизительной, т.к. получена на основании предварительно заданной гибкости колонны.

Определяются расчетные длины колонны:

Назначаемая толщина поясов должна соответствовать сортаменту листовой ста-

ли.

Толщина стенки может быть получена из условия обеспечения её местной устойчивости

121

Рис.8.2. Типы открытых сплошных сечений центрально сжатых колонн

где λ - максимальная условная гибкость колонны; откуда, принимая λ = λ1 и hω ≈ h, получим

122

Рис.8.3. Типы замкнутых сплошных сечений центрально сжатых колонн

3) Определяют геометрические характеристики назначенного сечения:

4)В зависимости от максимальной величины условной гибкости по табл. Д.1

[4]определяется коэффициент продольного изгиба φ (тип сечения b). Возможно определение коэффициента φ по формуле (8) [4]

ϕ= (0,5λ 2 )× (δ - δ 2 - 39,98 × λ 2 ),

где δ = 9,87(1 - α + β × λ )+ λ 2 , λ - максимальная условная гибкость колонны. Здесь α, β − коэффициенты по табл. 7 [4] в зависимости от типа сечения.

123

5) Проверяют устойчивость колонны:

N(ϕ × А × Ry × γ c )£ 1 .

Если левая часть неравенства существенно меньше правой, то имеет место завышение площади поперечного сечения и следует откорректировать сечение, уменьшая его. Эффективнее всего уменьшать сечение поясов.

Если неравенство не выполняется, следует увеличить сечение, добиваясь выполнения условия устойчивости.

После изменения сечения требуется снова определить все его необходимые геометрические характеристики и новое значение коэффициента продольного изгиба φ, а также проверить местную устойчивость элементов.

Для сварных двутавров в практике проектирования оптимальным считают соблюдение указанных неравенств с точностью до 5%.

6) Если сечение колонны подобрано по предельной гибкости λu, то предельные значения условной гибкости стенки λиω и поясов λиf следует увеличить путем умно-

жения на коэффициент, равный ϕ × А × Rу N , но не более, чем в 1,25 раза.

7)Поясные швы, соединяющие пояса и стенку стержня, назначаются конструктивно по табл. 38 [4].

8)При условной гибкости стенки λω ³ 2,3 стенки колонн укрепляется попереч-

ными ребрами жесткости, расположенными с шагом (2,5÷3,0) hω . Заметим, что эти

ребра мало влияют на увеличение местной устойчивости стенки, а увеличивают крутильную жесткость колонны в целом.

Известно, что эффективное сечение двутавра должно иметь стенку минимальной величины, ограниченной требованием её местной устойчивости. В случае невыполнения этого требования и желания оставить толщину стенки без изменения возмож-

ны два решения.

Первое решение. Местная устойчивость стенки обеспечивается постановкой продольного ребра жесткости (рис. 8.4).

При этом, если продольное ребро парное (с двух сторон стенки), то предельное значение условной гибкости стенки λω можно увеличить, умножив её на коэффициент

Продольные ребра жесткости следует включать в расчетное сечение колонны.

Второе решение. Предполагается, что средняя часть стенки теряет местную устойчивость, и в работе остается новое (редуцированное) сечение, имеющее меньшую площадь Ad (рис. 8.5)

Аd = А - (hω - hd )× tω ,

124

Рис.8.4. Схема размещения продольного ребра на стенке

Рис.8.5. К учету редуцированной площади сечения стержня колонны

125

8.4.Основы компоновки стальных стержней сквозных центрально сжатых колонн

Стержень сквозной колонны состоит из нескольких ветвей, соединенных решетками (рис. 8.6). Решетки между ветвями обеспечивают их совместную работу и существенно влияют на устойчивость стержня в целом и его ветвей в отдельности. Решетка может быть безраскосной (из планок) и раскосной (из одиночных уголков). В сквозном стержне с двумя ветвями ось, пересекающая ветви, называется материальной, а ось, пересекающая решетки – свободной. В сквозном стержне с тремя и четырьмя ветвями все оси называют свободными.

Рис.8.6. Типы сквозных сечений центрально сжатывх колонн

126

Гибкости сквозного стержня, по которым определяют коэффициенты продольного изгиба, относительно материальной и свободных осей определяется по-разному:

-относительно материальной оси х − х гибкость определяют как для стержня сплошного сечения, т.е. λх = lef ,x ix ;

-относительно свободных осей ( y − y - при одной свободной или х − х, y − y -

при двух свободных осях) гибкость определяют с учетом податливости решеток и на-

зывают ее приведенной гибкостью λef.

Рассмотрим методику определения приведенной гибкости для сквозных стержней разных типов сечения.

Рис.8.7. Схема размещения решетки между ветвями

Рис.8.8. Схема продольного изгиба центрально сжатого стержня в зависимости от условий закрепления

127

Сквозной стержень на планках в двух параллельных плоскостях

Приведенная гибкость определяется по формуле:

J в1 - момент инерции ветви относительно оси 1-1 (рис. 8.6);

b − расстояние в осях ветвей;

J s - момент инерции одной из вертикальных планок относительно оси,

параллельной основной оси сечения, пересекающей планку (рис. 8.9); lв - длина ветви между осями планок (рис. 8.9).

Сквозной стержень на планках в 4-х плоскостях

Приведенная гибкость определяется по формуле:

Рис.8.9. Схема компоновки планок

128

129

Коэффициент продольного изгиба относительно свободных осей φef определяется как функция λef по табл. Д.1 [4], тип сечения b.

При проверке гибкостей ветвей в сквозных стержнях с раскосными решетками по [4, п.7.2.3; п.7.2.4] следует использовать условные гибкости λв1 , λв2 , λв3 , не превы-

шающие величин λвu £ 2,7 и λef .

Проверка общей устойчивости сквозного стержня выполняется по формуле:

где φmin – минимальное (φx или φef) значение коэффициента продольного изгиба.

Примечание.

Расчет сквозных стержней по вышеизложенной методике следует проводить согласно п.7.2.2 [4] и п.7.1.10 [23] при числе панелей между узлами в ветвях nв = 6 - 8.

При числе панелей пв ,< 6 допускается выполнять расчет по следующей схеме:

-в стержнях с планками - как рамных систем;

-в стержнях с раскосными решетками - согласно п. 7.2.5 [4] с заменой в формуле

(8.13) Ry на Ry = ϕ1 × Ry ,

где коэффициент устойчивости ветви: ϕ1 = 1,0 при λв £ 2,7 ;

ϕ1 = f (0,7 × lв ) при 3,2 £ λв £ 4,1 по формуле (8.12).

При бόльшем числе панелей рассматривается устойчивость шарнирно опертого идеально упругого сквозного стежня, для которого коэффициент приведенной длины получен в следующем виде [23]

μ = 1 +η π 2 EI y ,

iy2

где η = δ / lb – угол сдвига, зависящий от типа соединительных элементов.

8.5. Алгоритмы подбора сечения стержня сквозной колонны

8.5.1. Стержень на планках с одной свободной осью

Расчет поперечного сечения стержня с одной материальной и одной свободной

осями на планках (рис. 8.9,а)

а) Расчет относительно материальной оси 1) Определить расчетную длину стержня

lef ,x = H × μx ,

где H - длина стержня;

μx − коэффициент приведения геометрической длины к расчетной в зависимости от условий закрепления стержня по его концам (см. рис. 8.8).