М4=2207.159 кН*м; N4=3377.461 кН.

Приведенный относительный эксцентриситет:

mef=М4*A*(y2+z0)/(N4*Ix),

mef=2207.159*103*34350*(726+57)/(3377.461*24114046669)=0.73.

По таблице 75 СНиП II-23-81* находим: φе=0.535.

σ=N4/(е*А)=3377.461/(0.535*34350)=183.8 МПа < Ry=240 МПа.

Для комбинации усилий догружающих подкрановую ветвь:

М3=1986.137 кН*м; N3=3447.64 кН.

Приведенный относительный эксцентриситет:

mef=М3*A*y1/(N3*Ix),

mef=1986.137*34350*967/(3447.64*24114046669)=0.79.

По таблице 75 СНиП II-23-81* находим: φе=0.519.

σ=N3/(е*А)=3447.64/(0.519*34350)=193.4 МПа < Ry=240 МПа.

Устойчивость сквозной колонны как единого стержня из плоскости действия момента не проверяем, т.к. она обеспечена проверкой устойчивости отдельных ветвей.

4.5 Расчет и конструирование узла сопряжения верхней и нижней частей колонны

Расчетные комбинации усилий в сечении над уступом:

1) М=814.921 кН*м; N=-413.04 кН.

2) М=-155.079 кН*м; N=-672.24 кН.

Давление кранов Dmax=3034.6 кН.

Прочность стыкового шва (ш1, рис.24) проверяем по нормальным напряжениям в крайних точках сечения надкрановой части. Площадь шва равна площади сечения колонны.

1-я комбинация М и N.

Наружная полка:

σwН.п.=N/А0+IMI/Wх=-413.04*103/16720-814.921*106/4045928=-226.1 МПа.

IσwН.п.I=I-226.1I МПа < Ry=240 МПа.

Внутренняя полка:

σwВ.п.=N/А+IMI/W=-413.04*103/16720+814.921*106/4045928=176.7 МПа.

IσwВ.пI=I176.7I МПа < Ry=240 МПа.

2-я комбинация М и N:

Наружная полка:

σwН.п.=N/А0-M/Wх=-672.24*103/16720-(-155.079)*106/4045928=-1.9 МПа.

IσwН.п.I=I-1.9I МПа < Ry=240 МПа.

Внутренняя полка:

σwВ.п.=N/А+M/W=-672.24*103/16720+(-155.079)*106/44045928=-78.5 МПа.

IσwВ.пI=I-78.5I МПа < Ry=240 МПа.

Толщину стенки траверсы определяем из условия смятия:

tтр≥Dmax/(lсм*Rb*),

где lсм=bop+2*tпл=300+2*20=340 мм,

bop=300 мм; tпл=20 мм; Rр=360 МПа.

tтр≥3034.6/(340*360*1)=24.8 мм, принимаем tтр=25 мм по ГОСТ 82-70*.

Усилие во внутренней полке верхней части колонны (2-ая комбинация):

Nп=N/2+M/hв,

Nп=-672.24/2+(-155.079)*103/700=-557.7 кН.

Длина шва крепления вертикального ребра траверсы к стенке траверсы (ш2):

Lш2=Nп/(4*kf*βf*Rwf*wf)<85*βf.*kf,

Lш2=557.7/(4*8*0,9*180*1)=107.6 мм < 85*0,9*8=612 мм.

Принимаем полуавтоматическую сварку проволокой марки Св-08А, d=1,4...2 мм.

В стенке подкрановой ветви делаем прорезь, в которую заводим стенку траверсы.

Для расчета шва крепления траверсы к подкрановой ветви (ш3) принимаем вторую комбинацию усилий, дающую наибольшую опорную реакцию траверсы F:

М=-155.079 кН*м; N=-672.24 кН.

F=N*hв/2*hн+M/hн-0,9*Dmax.

F=-672.24*700/(2*1750)+(-672.24)*103/1750-0,9*3034.6=-2954.2 кН.

Требуемая длина шва:

Lш3=F/(4*kf*βf*Rwf*wf) < 85*βf.*kf,

Lш3=2954.2/(4*9*0,9*180*1)=506.5 мм < 85*0,9*9=688.5 мм.

Из условия прочности стенки подкрановой ветви в месте крепления траверсы определяем высоту траверсы hтр:

hтр≥F/(2*tw*Rs*),

где tw=17.5 мм – толщина стенки двутавра подкрановой ветви.

hтр≥2954.2*103/(2*17.5*140*1)=1205.8 мм.

Принимаем высоту траверсы hтр=1500 мм.

Проверим прочность траверсы как балки, нагруженной усилиями N, M, Dmax.

Максимальная поперечная сила в траверсе:

Qmax=N*hв/2*hн+M/hн-k*0,9*Dmax/2,

где k=1,2 – коэффициент, учитывающий неравномерную передачу усилия Dmax.

Qmax=-672.24*700/(2*1750)+(-155.079)/1750-1,2*0,9*3034.6/2=-1955.3 кН.

Касательное напряжение:

τтр=Qmax/(tтр*hтр),

τтр=1955.3/(25*1500)=52.1 МПа < Rs=140 МПа.

Рисунок 24. Соединение верхней и нижней частей колонны

4.6 Расчет и конструирование базы колонны

4.6.1 Определение расчетных усилий

База колонны представлена на рисунке 25.

Расчетные комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 4–4):

1) M=2207.16 кH*м; N=-3377.46 кH (для расчета базы наружной ветви);

2) M=-1425.54 кH*м; N=-3377.46 кH (для расчета базы подкрановой ветви).

Усилия в ветвях колонны:

- в подкрановой ветви:

Nв1=N*y2/h0+M/h0,

Nв1=3377.5*726/1693+1425.5*103/1693=2290.36 кН;

- в наружной ветви:

Nв2=N*y1/h0+M/h0,

Nв2=3377.5*967/1693+2207.2*103/1661=3232.86 кН.

4.6.2 База наружной ветви

Подберем плиту базы и траверсы наружной ветви колонны.

Требуемая площадь плиты:

Апл.тр=Nв2/(Rb*γ),

Апл.тр=3232.86/(8.5*1.2)=316947 мм2.

По конструктивным соображениям свес плиты с2 принимаем не менее 40 мм. Тогда:

Вbk+2*с2=597+2*40=677 мм, принимаем В=700 мм, тогда

с2=(В-bk)/2=(700-597)/2=51.5 мм.

Требуемая длина плиты:

Lтр=Апл.тр/В,

Lтр=316947/700=453 мм, принимаем L=500 мм.

Фактическая площадь плиты:

Апл.факт=B*L,

Апл.факт=700*500=350000 мм2.

Среднее напряжение в бетоне под плитой:

b=Nв2/Апл.факт,

b=3232.86*103/350000=9.24 МПа.

Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету равно:

p=2*(bf+tw-z0),

p=2*(220+18-57)=362 мм.

Толщину траверсы принимаем tтрав=14 мм, тогда свес плиты с1 будет равен:

c1=(L-p-2*tтрав)/2,

c1=(500-362-2*14)/2=55 мм.

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты (на 1 м):

- участок 1 (консольный свес с=с1=55 мм):

M1=σb*c12/2=9.24*552/2=14.0 кН*м;

- участок 2 (консольный свес с=с2=51.5 мм):

M2=σb*c22/2=9.24*51.52/2=12.2 кН*м;

- участок 3 (плита, опертая на четыре стороны):

b/a=562/220=2.6 => α=0.125.

M3=α*σb*a2=0.125*9.24*2202*10-3=55.9 кН*м;

- участок 4 (плита, опертая на четыре стороны):

d=p-tw-a=362-18-220=124 мм,

b/d=562/124=4.5 => α=0.125,

M4=α*σb*d2=0.125*9.24*1242=17.7 кН*м.

Принимаем для расчета Мmax=55.9 кН*м.

Требуемая толщина плиты (с учетом припуска на фрезеровку - 2 мм):

tпл=(6*Mmax/Ry)0,5+2,

tпл=(6*103*55.9/240)0,5+2=39.4 мм, принимаем по ГОСТ 82-70* tпл=40 мм.

Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилия в ветви передаем на траверсу через 4 угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-08А; d=1,4…2 мм; f=0,9. Назначаем kf=14 мм.

Определяем требуемую длину шва:

lfтр=Nв2/(4*kf*βf*Rwf*γwf) < 85*βf*kf,

lfтр=3232.86*103/(4*14*0.9*180*1)=356.4 мм < 85*0,9*14=1071 мм

Принимаем hтр=400 мм.

Подберем анкерные болты.

Для определения анкерных болтов базы наружной ветви принимаем следующие комбинации усилий (см. рисунок 25):

Mмакс нар=1329.37 кН*м, Nмин сжим=413.04 кН.

Усилие в болтах базы наружной ветви:

Fа нар=(Mмакс нар-Nмин сжим*y1)/h0,

Fа=(1329.37-413.04*967*10-3)*103/1693=549.3 кН.

Требуемая площадь нетто одного болта:

Aнтрнар=Fa нар/(n*R),

где n – количество болтов в базе, шт,

R – расчетное сопротивление растяжению фундаментного болта, МПа.

Aнтрнар=549.3*103/(2*185)=1484.6 мм2.

Принимаем по ГОСТ 24379.0-80 в базе подкрановой ветви фундаментные болты 256 с площадью одного болта Aн нар=1874.0 мм2.

Подберем анкерные плитки.

Расчетный момент:

M=0,5*Fа нар*p/2,

M=0,5*549.3*362*10-3/2=49.70 кН*м.

Требуемый момент сопротивления сечения анкерной плитки с одной стороны от ветви колонны:

Wтр=M/(2*Ry),

Wтр=49.70*106/(2*240)=103547 мм3.

Примем два швеллера 14У по ГОСТ 8240-97 с суммарным моментом сопротивления Wx=140400 мм3.

Проверка прочности:

σ=M/(2*W)

σ=49.70*106/140400=177.0 МПа < Ry=240 МПа.

4.6.3 База подкрановой ветви

Подберем плиту базы и траверсы подкрановой ветви колонны.

Требуемая площадь плиты:

Апл.тр=Nв1/(Rb*γ),

Апл.тр=2290.36/(8.5*1.2)=224545 мм2.

По конструктивным соображениям свес плиты с2 принимаем не менее 40 мм. Тогда:

Вbk+2*с2=597+2*40=677 мм, принимаем В=700 мм, тогда

с2=(В-bk)/2=(700-597)/2=51.5 мм.

Требуемая длина плиты:

Lтр=Апл.тр/В,

Lтр=224545/700=321 мм, принимаем L=400 мм.

Фактическая площадь плиты:

Апл.факт=B*L,

Апл.факт=700*400=280000 мм2.

Среднее напряжение в бетоне под плитой:

b=Nв1/Апл.факт,

b=2290.36*103/280000=8.18 МПа.

Расстояние между траверсами в свету равно: p=230 мм.

Толщину траверсы принимаем tтрав=14 мм, тогда свес плиты с1 будет равен:

c1=(L-p-2*tтрав)/2,

c1=(400-230-2*14)/2=71 мм.

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты (на 1 м):

- участок 1 (консольный свес с=с1=71 мм):

M1=σb*c12/2=8.18*712/2=20.6 кН*м;

- участок 2 (консольный свес с=с2=51.5 мм):

M2=σb*c22/2=8.18*51.52/2=10.8 кН*м;

- участок 3 и 4 (плита, опертая на четыре стороны):

b/a=562/115=4.9 => α=0.125.

M3=α*σb*a2=0.125*8.18*1152*10-3=13.5 кН*м.

Принимаем для расчета Мmax=20.6 кН*м.

Требуемая толщина плиты (с учетом припуска на фрезеровку - 2 мм):

tпл=(6*Mmax/Ry)0,5+2,

tпл=(6*20.6*103/240)0,5+2=24.7 мм, принимаем по ГОСТ 82-70* tпл=25 мм.

Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилия в ветви передаем на траверсу через 4 угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-08А; d=1,4…2 мм; f=0,9. Назначаем kf=10 мм.

Определяем требуемую длину шва:

lfтр=Nв2/(4*kf*βf*Rwf*γwf) < 85*βf*kf,

lfтр=2290.36*103/(4*10*0.9*180*1)=353.5 мм < 85*0,9*10=765 мм.

Принимаем hтр=400 мм.

Подберем анкерные болты.

Для определения анкерных болтов базы подкрановой ветви принимаем следующие комбинации усилий:

Mмакс вн=1348.5 кН*м, Nмин сжим вн=331.67 кН.

Усилие в болтах базы подкрановой ветви:

Fа вн=(Mмакс вн-Nмин сжим вн*y2)/h0,

Fа вн=(1348.5-331.67*726*10-3)*103/1693=654.3 кН.

Требуемая площадь нетто одного болта:

Aнтрвн=Fа вн/(n*R),

где n – количество болтов в базе, шт,

R – расчетное сопротивление растяжению фундаментного болта, МПа.

Aнтрвн=654.3*103/(2*185)=1768.4 мм2.

Принимаем по ГОСТ 24379.0-80 в базе подкрановой ветви фундаментные болты 256 с площадью одного болта Aн вн=1874.0 мм2.

Подберем анкерные плитки.

Расчетный момент:

M=0,5*Fа вн*p/2,

M=0,5*654.3*230*10-3/2=37.62 кН*м.

Требуемый момент сопротивления сечения анкерной плитки с одной стороны от ветви колонны:

Wтр=M/(2*Ry),

Wтр=37.62*106/(2*240)=78380 мм3.

Примем два швеллера 12У по ГОСТ 8240-97 с суммарным моментом сопротивления Wx=101200 мм3.

Проверка прочности:

σ=M/(2*W)

σ=37.62*106/(2*101200)=185.9 МПа < Ry=240 МПа.

Рисунок 25. База колонны

Список использованных источников

1. ГОСТ 1759.4-87. Болты, винты и шпильки. Механические свойства и методы испытания. Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. Москва.

2. ГОСТ 23119-78. Фермы стропильные стальные сварные с элементами из парных уголков для производственных зданий. Технические условия.

1. ГОСТ 24379.0-80. Болты фундаментные. Общие технические условия. Конструкция и размеры. Москва. 1981 г.

2. ГОСТ 26020-83. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент.

3. ГОСТ 27772-88. Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия. Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам. Москва.

4. ГОСТ 4121-96. Рельсы крановые. Технические условия. Минск. 1996 г.

5. ГОСТ 82-70. Прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный. Государственный комитет по стандартам. Москва.

6. ГОСТ 8509-93. Уголки стальные горячекатаные равнополочные. Сортамент. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск.

7. Серии I.460.2-10/88. Стальные конструкции покрытий одноэтажных производственных зданий с фермами из парных уголков. 1988 г.

8. СНиП 2.01.0.7-85*. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. Министерство строительства Российской Федерации. Москва. 1996 г.

9. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

10. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. Москва. Стройиздат. 1990 г.

11. СНиП II-26-76. Кровли.

12. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий.

13. Металлические конструкции. Под редакцией Беленя Е.И. Москва. Стройиздат. 1986 г.

14. Строительные конструкции: «Металлические конструкции», «Железобетонные и каменные конструкции», «Конструкции из дерева и пластмасс». Учебное пособие «Контроль знаний студентов по курсовому проектированию, экзаменам и зачетам» специальности 290300 «Промышленное и гражданское строительство» всех форм обучения. ИГАСУ. Составители: Малбиев С.А., Телоян А.Л, Лопатин А.Н. Иваново. 2006 г.

15. Металлические конструкции. Нормативные и справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. Телоян А.Л. Пермь. 2005 г.

16. Статический расчет рам одноэтажных однопролетных производственных зданий. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию для специальностей: 1402, 1205. Телоян А.Л. ИИСИ. Пермь. 1985 г.

17. Расчет и конструирование стальных стропильных ферм. Методическое указание для курсового и дипломного проектирования. Телоян А.Л. ИИСИ. Пермь. 1984 г.

18. Конструктивные схемы и узлы стальных конструкций одноэтажных производственных зданий. Методические указания для курсового и дипломного проектирования. Альбом №2. Телоян А.Л. ИИСИ. Пермь. 1985 г.

19. Проектирование и расчет стальных конструкций балочных перекрытий и центрально сжатых колонн. Методические указания к выполнению курсовой работы «Балочное перекрытие рабочей площадки». Телоян А.Л. ИИСИ. Пермь. 1988 г.

20. Курсовой проект «Стальной каркас одноэтажного производственного здания». Смирнов А. Ю. ИГАСУ. Пермь 2008 г.