Узлы сопряжения стальных колонн с фундаментом

Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 28.05.2015 2015-05-28

Статья просмотрена: 12746 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: 19.08.2021).

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 М_max — 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.

Источник

Узлы металлических конструкций

Приведу примеры всех проектируемых узлов металлоконструкций, которые проектируя во всех своих проектах от простых до сложных. А это значит можно познакомиться с вариантами соединений всех основных конструкций сооружений: колонны, стойки, балки, фермы, прогоны. Каждый тип мной был изучен на стадии становления, а значит выполнены ручные расчёты. Именно поэтому я их уверенно применяю в своих рабочих чертежах и прикладываю по требованию в отчётах. Поспешный подход к сопряжениям во-первых увеличивает заметно расход металлопроката от 5% и выше, а во-вторых теряет эстетичность. Некоторые серийные варианты как раз, как правило, с небольшим запасом.

Все проектируемых мной типы узлов металлических конструкций

Крепление стоек к фундаменту

В основном жесткая работа в одном направлении, а в другом, для существенной экономии уже податливая. И для устранения этого минуса в этой плоскости применяются связи, расщепляющие все стойки. Расчёт сводиться к определению толщины опорной пластины с учётом рёбер жёсткости или без них,а также проверка прочности на растяжение анкерных болтов. Исключение база с траверсами, для которая требует дополнительных проверкой анкерной плитки и траверсы на изгиб. Другие проверки это несущая способность сварных швов и прочность участков анкерной плиты

Жёсткая база колонны
	Устанавливается в крайних рядах строения. Профиль используется прямоугольный, для оптимальной работы. А именно воспринимает в одном направлении ветровую нагрузку. Применяется при одноэтажных сооружениях в рамно-связевых системах
	Это уникальный случай, который не требует абсолютно связевых элементов. Абсолютно устойчива в обоих направлениях. Также применяется в одноэтажных зданиях
	Основная колонна зданий многоэтажных или высоких производственных помещений. Из плоскости обязательно скрепляется системой связей для устойчивости. Без дополнительных рёбер опорная плита по расчёту будет большей толщиной
	Двутавр типа «Б» облегчает расход металла при наличии грузоподъёмного оборудования при высоких объектах. Имеет развитое по высоте сечение, что уменьшает перемещения. На опоре в таких случаях повышенные изгибающие моменты, для чего и конструируется база с траверсами. Которые обычно выходят за пределы анкерной плиты

Податливое соединение применяются когда стойки обеспечены устойчивостью за счет системы связей металлокаркаса. Толщина пластина в общем применяется интуитивно-конструктивно, а болты подбираются из условия на срез!

Шарнирная опора стоек
	Такой вид справедлив видимо только для фахверковых стоек, производственных сооружений
	Применяются в полностью связевых системах малогабаритных одноэтажных домов. (Пр. каркасно тентовый ангар)

Сопряжение основных балок колоннам

Подобные узлы металлоконструкций перекрытий конструируем при много этажном строительстве. А также для одноэтажных объектов, но у меня они исключительно с профильными прокатами.

Податливые сопряжения балки с колонной
	Стандартный , простой способ крепления конструкции перекрытия
	Более надёжный, ввиду большей длины сварного шва, при этом требуется дополнительная прокладка между балкой и колонной для свободного монтажа. Минусом же является больший расход листового проката и трудоёмкость

Рамное соединение балки и колонны
	Применяю единственный способ жёсткого узла сопряжения, так считаю он оптимально сочетает надёжность и эстетичность

Прогоны покрытия здания

Проверка прочности узлов отсутствует так такое, главное подобрать конструктивно соединительные детали и диаметр болтов, который как правило М16. Исключения малые и большепролётные здания, где в прогонах, как в связях могут быть дополнительные усилия!

	Применяю исключительно при сэндвич панелях. Профильная труба хорошо работает на косой изгиб
	При сэндвич панелях а также при профилированном настиле коньковые прогоны соединяются между собой планками. Кроме всего для сэндвич необходимы дополнительные затяжки для их устойчивой работы.

Элементы связей каркаса

Расчет таких узлов сводиться, для средних по габаритам сооружений, в определения сечения по гибкости, а так же проверка несущей способности болтов

	Связь примыкает к стенке двутавра и для некой жёсткости от горизонтальной нагрузки необходимо установить дополнительное рёбра
	Упор идет непосредственно на стенку двутавра и в этом варианте нет необходимости в дополнительных деталях.
	Особенность данного решения — наличие дополнительной торцевой пластины, которая служит для распределения давления при тонкостенной профильной трубе
	Соединительная пластина должна пронизать поперечную трубу для передачи через неё продольных усилий, который возникают от действия ветра обычно

Балки перекрытия

Проверка прочности сводиться проверка болтов на срез и смятие, а также прочность сварных швов

	Распространённый тип, когда швеллер крепиться к косынке через болты, без дополнительных пластин
	Виду того что поперечное усилие передаваемой от балки из двутавра больше чем от швеллера. Возникает необходимость применять усиленное её примыкание. Такую задачу можно решить путём приварки дополнительной пластины с весомой толщиной

Стропильные фермы

Данные узлы металлоконструкций весьма ответственные. Расчёт необходим для определения толщины фланцевой пластины и диаметра болтов

Соединения отправочных марок ферм покрытия
	Самый популярный основной узел фермы — стыка нижнего пояса
	Для лёгкий видов стропильных конструкций применяется вот такое сопряжение, которое в общем разработал самостоятельно. Подходит для сечений нижнего профиля 80 и 100мм. (Пр. каркасно тентовый ангар)

Стандартные узлы примыкания ферм я уже не применяю в своих проектах!

Опирание стропильной фермы на колонну
	Пользуюсь разработанным самостоятельно видом узла, который обеспечивает передачу продольных усилий на стойку. Цель уменьшить усилия на конструкцию стойки и её базу.
	Другой вариант для большепролётных фермы, здесь уже колонны из двутавра

Подвижная крепление фахверковой стойки к ферме
	Овальные отверстия необходимы, что бы компенсировать прогиб стропильной фермы покрытия

Расчёты узлов

Все эти виды и другие узлы металлоконструкций проходят стадию конструирования. То есть расчет всех его основных элементов и деталей, примеры привожу на своём давнем первом сайте в категории расчёт металлических конструкций, где можно поискать мои решения. И неважно какое здание производственное, промышленное, общественное или сельскохозяйственное проектируется из таких вот решений.

Источник