Калькулятор розрахунок металевої стійки. Excel Калькулятор для металевих конструкцій. Розрахунок позацентрово-стиснутої колони за умовною гнучкістю

Обчислення зусиль у стійках роблять з урахуванням прикладених до стійки навантажень.

Середні стійки

Середні стійки каркасу будівлі працюють і розраховуються як центрально стислі елементи на дію найбільшого стискаючого зусилля N від власної ваги всіх конструкцій покриття (G) та снігового навантаження та снігового навантаження (Р сн).

Рисунок 8 – Навантаження на середню стійку

Розрахунок центрально стислих середніх стійок виробляють:

а) на міцність

де - розрахунковий опірдеревини стиску вздовж волокон;

Площа нетто поперечного перерізу елемента;

б) на стійкість

де - Коефіцієнт поздовжнього вигину;

- Розрахункова площа поперечного перерізу елемента;

Навантаження збираються із площі покриття за планом, що припадає на одну середню стійку ().

Малюнок 9 – Вантажні площі середньої та крайньої колон

Крайні стійки

Крайня стійка знаходиться під дією поздовжніх до осі стійки навантажень (G і Р сн), які збираються з площі та поперечних , та Х.Крім цього від дії вітру виникає поздовжня сила.

Рисунок 10 – Навантаження на крайню стійку

G – навантаження від власної ваги конструкцій покриття;

Х – горизонтальна зосереджена сила, прикладена у точці примикання ригеля до стойке.

У разі жорсткого закладення стійок для однопрогонової рами:

Рисунок 11 – Схема навантажень при жорсткому затисканні стійок у фундаменті

де - горизонтальні вітрові навантаження відповідно від вітру ліворуч і праворуч, прикладені до стійки у місці примикання до неї ригеля.

де - Висота опорного перерізу ригеля або балки.

Вплив сил буде суттєвим, якщо ригель на опорі має значну висоту.

У разі шарнірного спирання стійки на фундамент для однопрогонової рами:

Рисунок 12 – Схема навантажень при шарнірному опиранні стояків на фундаменті

Для багатопрогонових рамних конструкцій при вітрі ліворуч p 2 і w 2 , а при вітрі праворуч p 1 і w 2 дорівнюватимуть нулю.

Крайні стійки розраховуються як стисло-згинальні елементи. Значення поздовжньої сили N і згинального моменту M приймаються для такого поєднання навантажень, при якому виникають найбільші стискаючі напруги.

1) 0.9 (G + P c + вітер зліва)

2) 0.9 (G + P c + вітер праворуч)

Для стійки, що входить до складу рами, максимальний момент, що згинає, беруть як max з обчислених для випадку вітру зліва М л і праворуч М пр:

де е – ексцентриситет додатку поздовжньої сили N, що включає найбільш несприятливе поєднання навантажень G, P c , P b – кожна зі своїм знаком.

Ексцентриситет для стійок із постійною висотою перерізу дорівнює нулю (е = 0), а для стійок із змінною висотою перерізу береться як різницю між геометричною віссю опорного перерізу та віссю докладання поздовжньої сили.

Розрахунок стисло - вигнутих крайніх стійок проводиться:

а) на міцність:

б) на стійкість плоскої форми згину за відсутності закріплення або при розрахунковій довжині між точками закріплення l p > 70b 2 /n за формулою:

Геометричні характеристики, що входять до формул, обчислюються в опорному перерізі. З площини рами стійки розраховують як центрально стислий елемент.

Розрахунок стислих і стисло-вигнутих складеного перерізупроводиться за наведеними вище формулами, проте при обчисленні коефіцієнтів φ і ξ у цих формулах враховується збільшення гнучкості стійки за рахунок податливості зв'язків, що з'єднують гілки. Ця збільшена гнучкість названа наведеною гнучкістю n .

Розрахунок гратчастих стійокможна звести до розрахунку ферм. При цьому вітрове рівномірно розподілене навантаження зводиться до зосереджених вантажів у вузлах ферми. Вважається, що вертикальні сили G, Pc, Pb сприймаються лише поясами стійки.

На практиці часто виникає необхідність розрахунку стійки або колони на максимальне осьове (поздовжнє) навантаження. Зусилля, у якому стійка втрачає стійке стан (несучу здатність) є критичним. На стійкість стійки впливає спосіб закріплення кінців стійки. У будівельній механіці розглядають сім способів закріплення кінців стійки. Ми розглянемо три основні способи:

Для забезпечення певного запасу стійкості необхідно, щоб дотримувалася умова:

Де: Р – діюче зусилля;

Встановлюється певний коефіцієнт запасу стійкості

Отже, для розрахунку пружних систем необхідно вміти визначати величину критичної сили Ркр. Якщо мати на увазі що зусилля Р прикладено до стійки викликає тільки малі відхилення від прямолінійної форми стійки довжиною, то його можна визначити з рівняння

де: E – модуль пружності;
J_min - мінімальний момент інерції перерізу;
M(z) - згинальний момент, рівний M(z) = -P ω;
ω – величина відхилення від прямолінійної форми стійки;
Вирішуючи це диференціальне рівняння

А і постійні інтегрування, визначаються за граничними умовами.
Зробивши певні дії та підстановки отримаємо кінцевий вираз для критичної сили Р

Найменше значення критичної сили буде за n = 1 (ціле число) і

Рівняння пружної лінії стійки матиме вигляд:

де: z - Текуча ордината, при максимальному значенні z = l;
Допустиме вираз для критичної сили називається формулою Л. Ейлера. Видно, що величина критичної сили залежить від жорсткості стійки EJ min прямо пропорційно і від довжини стійки l назад пропорційно.
Як було сказано, стійкість пружної стійки залежить від способу її закріплення.
Рекомендована величина запасу міцності для сталевих стійок дорівнює
n y =1,5÷3,0; для дерев'яних n y =2,5÷3,5; для чавунних n y =4,5÷5,5
Для обліку способу закріплення кінців стійки вводиться коефіцієнт кінців наведеної гнучкості стійки.

де: μ - коефіцієнт наведеної довжини (Таблиця);
i min – найменший радіус інерції поперечного перерізу стійки (таблиця);
- довжина стійки;
Вводитиметься коефіцієнт критичного навантаження:

, (Таблиця);
Таким чином, при розрахунку поперечного перерізу стійки необхідно враховувати коефіцієнти μ та ϑ величина яких залежить від способу закріплення кінців стійки та наведена в таблицях довідника по сопромату (Г.С. Писаренко та С.П.Фесік)
Наведемо приклад розрахунку критичної сили для стрижня суцільного перерізу прямокутної форми - 6×1 см., Довжина стрижня ι = 2м. Закріплення кінців за схемою ІІІ.
Розрахунок:
За таблицею знаходимо коефіцієнт ϑ = 9,97, μ = 1. Момент інерції перерізу буде:

а критичне напруження буде:

Очевидно, що критична сила Р кр =247 кгс викличе у стрижні напругу всього 41кгс/см 2 , що значно менше межі проточності (1600кгс/см 2), проте ця сила викличе викривлення стрижня, а значить втрату стійкості.
Розглянемо інший приклад розрахунку дерев'яної стійки круглого перерізузащемленою в нижньому кінці та шарнірно закріпленою на верхньому (С.П. Фесік). Довжина стійки 4м, сила стиснення N = 6тс. Допустима напруга [σ]=100кгс/см 2 . Приймаємо коефіцієнт зниження напруги на стиск φ=0.5. Обчислюємо площу перерізу стійки:

Визначаємо діаметр стійки:

Момент інерції перерізу

Обчислюємо гнучкість стійки:
де: μ=0.7, виходячи зі способу затискання кінців стійки;
Визначаємо напругу у стійці:

Очевидно, що напруга у стійці становить 100кгс/см 2 і вона дорівнює допустимій напрузі [σ]=100кгс/см 2
Розглянемо третій приклад розрахунку сталевий стійкиз двотаврового профілю, довжиною 1.5м, сила стиснення 50тс, напруга, що допускається [σ]=1600кгс/см 2 . Нижній кінець стійки защемлений, а верхній вільний (І спосіб).
Для підбору перерізу використовуємо формулу і задаємося коефіцієнтом =0.5, тоді:

Підбираємо із сортаменту двотавр №36 та його дані: F=61.9см 2 , i min =2.89см.
Визначаємо гнучкість стійки:

де: з таблиці, рівне 2, враховуючи спосіб защемлення стійки;
Розрахункова напруга у стійці буде:

5 кгс, що приблизно рівно допустимому напрузі, і на 0.97% більше, що допустимо в інженерних розрахунках.
Поперечний переріз стрижнів працюючих на стиск буде раціональним при найбільшому радіусі інерції. При розрахунку питомого радіусу інерції
найбільш оптимальним є трубчасті перерізи, тонкостінні; для яких величина ξ=1÷2.25, а для суцільних або прокатних профілів ξ=0.204÷0.5

Висновки
При розрахунку на міцність і стійкість стійок колон необхідно враховувати спосіб закріплення кінців стійок, застосовувати рекомендований запас міцності.
Значення критичної сили одержано з диференціального рівняння вигнутої осьової лінії стійки (Л. Ейлера).
Для обліку всіх факторів, що характеризують навантажену стійку, введено поняття гнучкості стійки - λ, коефіцієнт провиденої довжини - μ, коефіцієнт зниження напруги - ϕ, коефіцієнт критичного навантаження - ϑ. Їх значення беруть із таблиць довідників (Г.С.Писарентко та С.П.Фесік).
Наведено приблизні розрахунки стійок, визначення критичної сили - Ркр, критичного напруги - σкр, діаметра стійок - d, гнучкості стійок - λ та інші характеристики.
Оптимальним перетином для стійок і колон є трубчасті тонкостінні профілю з однаковими головними моментами інерції.

Використовувана література:
Г.С Писаренко «Довідник із опору матеріалів».
С.П.Фесік «Довідник з опору матеріалів».
В.І. Анур'єв «Довідник конструктора-машинобудівника».
СНиП II-6-74 «Навантаження та впливи, норми проектування».

Часто люди, які роблять у дворі критий навісдля автомобіля або для захисту від сонця та атмосферних опадів, перетин стійок, на які спиратиметься навіс, не розраховують, а підбирають перетин на око або проконсультувавшись у сусіда.

Зрозуміти їх можна, навантаження на стійки, в даному випадку є колонами, не дуже великі, обсяг виконуваних робіт теж не величезний, та й зовнішній виглядколон іноді набагато важливіше за їхню несучу здатність, тому навіть якщо колони будуть зроблені з багаторазовим запасом за міцністю - великої біди в цьому немає. Тим більше, що на пошуки простої та виразної інформації про розрахунок суцільних колон можна витратити нескінченну кількість часу без будь-якого результату – розібратися в прикладах розрахунку колон для виробничих будівель з додатком навантаження у кількох рівнях без хороших знань сопромату практично неможливо, а замовлення розрахунку колони в інженерної організації може звести всю очікувану економію нанівець.

Ця стаття написана з метою хоч трохи змінити існуючий стан справ і є спробою максимально просто викласти основні етапи розрахунку металевої колони, не більше. Усі основні вимоги щодо розрахунку металевих колон можна знайти в СНиП II-23-81 (1990).

загальні положення

З теоретичної точки зору розрахунок центрально-стисненого елемента, яким є колона, або стійка у фермі, настільки простий, що навіть незручно про це говорити. Достатньо розділити навантаження на розрахунковий опір сталі, з якої виготовлятиметься колона – все. У математичному вираженні це виглядає так:

F = N/Ry (1.1)

F- потрібна площа перерізу колони, см²

N- зосереджене навантаження, що додається до центру тяжкості поперечного перерізу колони, кг;

Ry- розрахунковий опір металу розтягуванню, стиску та вигину за межею плинності, кг/см². Значення розрахункового опору можна визначити за відповідною таблицею.

Як бачимо, рівень складності завдання відноситься до другого, максимум до третього класу. початкової школи. Однак на практиці все далеко не так просто, як у теорії, з низки причин:

1. Прикласти зосереджену навантаження точно до центру тяжкості поперечного перерізу колони можна лише теоретично. Насправді навантаження завжди буде розподіленим і ще буде деякий ексцентриситет додатка наведеного зосередженого навантаження. А якщо є ексцентриситет, значить є поздовжній згинальний момент, що діє в поперечному перерізі колони.

2. Центри тяжкості поперечних перерізів колони розташовані на одній прямій – центральній осі, теж лише теоретично. На практиці через неоднорідність металу та різних дефектів центри тяжкості поперечних перерізів можуть бути зміщені щодо центральної осі. А це означає, що розрахунок потрібно проводити за перерізом, центр ваги якого максимально віддалений від центральної осі, через що ексцентриситет дії сили для цього перетину максимальний.

3. Колона може мати не прямолінійну форму, а бути трохи вигнутою в результаті заводської або монтажної деформації, а це означає, що поперечні перерізи в середній частині колони матимуть найбільший ексцентриситет застосування навантаження.

4. Колона може бути встановлена ​​з відхиленнями від вертикалі, а це означає, що вертикально діюче навантаження може створювати додатковий згинальний момент, максимальний в нижній частині колони, а якщо точніше, в місці кріплення до фундаменту, втім це актуально, тільки для колон, що окремо стоять. .

5. Під дією прикладених до неї навантажень колона може деформуватися, а це означає, що знову з'явиться ексцентриситет програми навантаження і як наслідок додатковий згинальний момент.

6. Залежно від того, як саме закріплена колона, залежить значення додаткового згинального моменту внизу та в середній частині колони.

Все це призводить до появи поздовжнього вигину і вплив цього вигину при розрахунках потрібно якось враховувати.

Природно, що розрахувати вищезгадані відхилення для конструкції, яка ще тільки проектується, практично неможливо – розрахунок буде дуже довгим, складним, а результат все одно є сумнівним. А ось ввести у формулу (1.1) якийсь коефіцієнт, який би врахував вищевикладені фактори, дуже навіть можна. Таким коефіцієнтом є φ - Коефіцієнт поздовжнього вигину. Формула, в якій використовується цей коефіцієнт, виглядає так:

F = N/φR (1.2)

Значення φ завжди менше одиниці, це означає, що перетин колони завжди буде більшим, ніж якщо просто порахувати за формулою (1.1), це я до того, що зараз почнеться найцікавіше і пам'ятати, що φ завжди менше одиниці – не завадить. Для попередніх розрахунків можна використовувати значення φ не більше 0,5-0,8. Значення φ залежить від марки сталі та гнучкості колони λ :

λ = l ef / i (1.3)

l ef- Розрахункова довжина колони. Розрахункова та реальна довжина колони - різні поняття. Розрахункова довжина колони залежить від способу закріплення кінців колони та визначається за допомогою коефіцієнта μ :

l ef = μ l (1.4)

l - Реальна довжина колони, см;

μ - Коефіцієнт, що враховує спосіб закріплення кінців колони. Значення коефіцієнта можна визначити за таблицею:

Таблиця 1.Коефіцієнти для визначення розрахункових довжин колон і стійок постійного перерізу (відповідно до СНиП II-23-81 (1990))

Як бачимо, значення коефіцієнта μ змінюється у кілька разів залежно від способу закріплення колони, і тут головна складність у тому, яку розрахункову схему вибрати. Якщо не знаєте, яка схема закріплення відповідає Вашим умовам, приймайте значення коефіцієнта μ=2. Значення коефіцієнта μ=2 приймається в основному для колон, що окремо стоять, наочний приклад окремо стоїть колони - ліхтарний стовп. Значення коефіцієнта μ=1-2 можна приймати для колон навісів, куди спираються балки без жорсткого кріплення до колони. Цю розрахункову схему можна приймати, коли балки навісу не жорстко кріпляться до колон і коли балки будуть мати відносно великий прогин. Якщо на колону спиратимуться ферми, жорстко прикріплені до колони зварюванням, можна приймати значення коефіцієнта μ=0,5-1. Якщо між колонами будуть діагональні зв'язки, можна приймати значення коефіцієнта μ=0,7 при нежорсткому кріпленні діагональних зв'язків або 0,5 при жорсткому кріпленні. Однак такі діафрагми жорсткості не завжди бувають у 2 площинах і тому використовувати такі значення коефіцієнта потрібно обережно. При розрахунку стояків ферм використовується коефіцієнт μ=0,5-1 залежно від методу закріплення стояків.

Значення коефіцієнта гнучкості приблизно показує відношення розрахункової довжини колони до висоти чи ширини поперечного перерізу. Тобто. чим більше значення λ тим менше ширина або висота поперечного перерізу колони і відповідно тим більший запас по перерізу знадобиться при одній і тій же довжині колони, але про це трохи пізніше.

Тепер, коли ми визначили коефіцієнт μ , можна обчислити розрахункову довжину колони за формулою (1.4), а для того, щоб дізнатися значення гнучкості колони, потрібно знати радіус інерції перерізу колони i :

де I- момент інерції поперечного перерізу щодо однієї з осей, і тут починається найцікавіше, тому що в ході вирішення задачі ми якраз і маємо визначити необхідну площуперерізу колони FАле цього мало, виявляється, ми ще повинні знати значення моменту інерції. Так як ми не знаємо ні того, ні іншого, то розв'язання задачі виконується у кілька етапів.

На попередньому етапі зазвичай приймається значення λ в межах 90-60 для колон з відносно невеликим навантаженням можна приймати λ = 150-120 (максимальне значення для колон - 180, значення граничної гнучкості для інших елементів можна дізнатися за таблицею 19 * СНиП II-23-81 (1990). по Таблиці 2 визначається значення коефіцієнта гнучкості φ :

Таблиця 2. Коефіцієнти поздовжнього вигину φ центрально-стислих елементів.

Примітка: значення коефіцієнта φ у таблиці збільшено у 1000 разів.

Після цього визначається необхідний радіус інерції поперечного перерізу шляхом перетворення формули (1.3):

i = l ef /λ (1.6)

За сортаментом підбирається прокатний профіль із відповідним значенням радіуса інерції. На відміну від елементів, що згинаються, де перетин підбирається тільки по одній осі, так як навантаження діє тільки в одній площині, в центрально стиснутих колонах поздовжній вигин може відбутися відносно будь-якої з осей і тому чим ближче значення I z до I y , тим краще, іншими словами найкращі профілі круглого або квадратного перерізу. А тепер спробуємо визначити перетин колони з урахуванням отриманих знань.

Приклад розрахунку металевої центрально-стиснутої колони

Є: бажання зробити навіс біля будинку приблизно такого вигляду:

В даному випадку єдиною центрально-стиснутою колоною за будь-яких умов закріплення і при рівномірно розподіленому навантаженні буде колона, показана на малюнку червоним кольором. Крім того, і навантаження на цю колону буде максимальним. Колони, позначені на малюнку синім та зеленим кольором, можна розглядати як центрально-стислі, тільки за відповідного конструктивне рішеннята рівномірно-розподіленому навантаженні, колони, позначені помаранчевим кольором, будуть або центрально стислими або позацентрово-стислими або стійками рами, що розраховується окремо. У цьому прикладі ми розрахуємо переріз колони, позначеної червоним кольором. Для розрахунків приймемо постійне навантаження від власної ваги навісу 100 кг/м2 і тимчасове навантаження 100 кг/м2 від снігового покриву.

2.1. Таким чином, зосереджене навантаження на колону, позначену червоним кольором, складе:

N = (100 +100) · 5 · 3 = 3000 кг

2.2. Приймаємо заздалегідь значення λ = 100, тоді за таблицею 2 коефіцієнт вигину φ = 0,599 (для сталі з розрахунковою міцністю 200 МПа, це значення прийнято для забезпечення додаткового запасу за міцністю), тоді необхідна площа перерізу колони:

F= 3000 / (0,599 · 2050) = 2,44 см & sup2

2.3. За таблицею 1 приймаємо значення μ = 1 (оскільки покрівельне покриттяз профільованого настилу, належним чином закріплене, забезпечуватиме жорсткість конструкції в площині, паралельній площині стіни, а в перпендикулярній площині відносну нерухомість верхньої точки колони забезпечуватиме кріплення крокв до стіни), тоді радіус інерції

i= 1 · 250/100 = 2,5 см

2.4. За сортаментом для квадратних профільних труб цим вимогам задовольняє профіль з розмірами поперечного перерізу 70х70 мм з товщиною стінки 2 мм, що має радіус інерції 2,76 см. Площа перерізу такого профілю 5,34 см². Це набагато більше, ніж потрібно з розрахунку.

2.5.1. Ми можемо збільшити гнучкість колони, причому потрібний радіус інерції зменшиться. Наприклад, при λ = 130 коефіцієнт вигину φ = 0,425, тоді необхідна площа перерізу колони:

F = 3000 / (0,425 · 2050) = 3,44 см & sup2

2.5.2. Тоді

i= 1 · 250/130 = 1,92 см

2.5.3. За сортаментом для квадратних профільних труб цим вимогам задовольняє профіль з розмірами поперечного перерізу 50х50 мм з товщиною стінки 2 мм, що має радіус інерції 1,95 см. Площа перерізу такого профілю 3,74 см & sup2, момент опору для цього профілю становить 5,66 см & sup3.

Замість квадратних профільних труб можна використовувати рівнополочний куточок, швелер, двотавр, звичайну трубу. Якщо розрахунковий опір сталі обраного профілю більше 220 МПа, можна перерахувати перетин колони. Ось у принципі і все, що стосується розрахунку металевих центрально-стислих колон.

Розрахунок позацентрово-стиснутої колони

Тут звичайно виникає питання: а як розрахувати інші колони? Відповідь це питання сильно залежить від способу кріплення навісу до колон. Якщо балки навісу будуть жорстко кріпитися до колон, то при цьому буде утворена досить складна статично невизначена рама і тоді колони слід розглядати як частину цієї рами і розраховувати перетин колон додатково на дію поперечного згинального моменту, ми ж розглянемо далі ситуацію коли колони, показані на малюнку , з'єднані з навісом шарнірно (колонну, позначену червоним кольором, ми більше не розглядаємо). Наприклад, оголовок колон має опорний майданчик - металеву пластину з отворами для болтового кріплення балок навісу. З різних причин навантаження на такі колони може передаватися з чималим ексцентриситетом:

Балка, показана на малюнку, бежевим кольором, під впливом навантаження трохи прогнеться і це призведе до того, що навантаження на колону передаватиметься не центром тяжкості перерізу колони, а з ексцентриситетом еі при розрахунку крайніх колон цей ексцентриситет слід враховувати. Випадків позацентрового навантаження колон і можливих поперечних перерізів колон існує безліч, що описується відповідними формулами для розрахунку. У нашому випадку для перевірки перерізу позацентрово-стиснутої колони ми скористаємося однією з найпростіших:

(N/φF) + (M z /W z) ≤ R y (3.1)

В даному випадку, коли перетин самої навантаженої колони ми вже визначили, нам достатньо перевірити, чи підходить такий перетин для інших колон з тієї причини, що завдання будувати сталеливарний завод у нас немає, а ми просто розраховуємо колони для навісу, які будуть однакового перетину. з міркувань уніфікації.

Що таке N, φ і R y ми вже знаємо.

Формула (3.1) після найпростіших перетворень, набуде наступного вигляду:

F = (N/R y)(1/φ + e z ·F/W z) (3.2)

так як М z = N · e zчому значення моменту саме таке і що таке момент опору W, досить докладно пояснюється в окремій статті.

на колони, позначені малюнку синім і зеленим кольором, складе 1500 кг. Перевіряємо необхідний переріз при такому навантаженні і раніше визначеному φ = 0,425

F = (1500/2050) (1/0,425 + 2,5 · 3,74 / 5,66) = 0,7317 · (2,353 + 1,652) = 2,93 см²

Крім того, формула (3.2) дозволяє визначити максимальний ексцентриситет, який витримає вже розрахована колона, в даному випадку максимальний ексцентриситет становитиме 4,17 см.

Необхідний переріз 2,93 см & sup2 менше прийнятого 3,74 см & sup2, а тому квадратну профільну трубуз розмірами поперечного перерізу 50х50 мм із товщиною стінки 2 мм можна використовувати і для крайніх колон.

Розрахунок позацентрово-стиснутої колони за умовною гнучкістю

Як не дивно, але для підбору перерізу позацентрово-стиснутої колони - суцільного стрижня є ще простіша формула:

F = N/φ е R (4.1)

φ е- коефіцієнт поздовжнього вигину, що залежить від ексцентриситету, його можна було б назвати ексцентриситетним коефіцієнтом поздовжнього прогину, щоб не плутати з коефіцієнтом поздовжнього прогину φ . Однак розрахунок за цією формулою може виявитися більш тривалим, ніж за формулою (3.2). Щоб визначити коефіцієнт φ енеобхідно все одно знати значення виразу e z ·F/W z- яке ми зустрічали у формулі (3.2). Цей вираз називається відносним ексцентриситетом і позначається m:

m = e z · F/W z (4.2)

Після цього визначається наведений відносний ексцентриситет:

m ef = hm (4.3)

h- це не висота перерізу, а коефіцієнт, який визначається за таблицею 73 СНиПа II-23-81. Просто скажу, що значення коефіцієнта hзмінюється не більше від 1 до 1,4, більшість простих розрахунків можна використовувати h = 1,1-1,2.

Після цього потрібно визначити умовну гнучкість колони λ¯ :

λ¯ = λ√‾(R y / E) (4.4)

і лише після цього за таблицею 3 визначити значення φ е :

Таблиця 3. Коефіцієнти ?

Примітки:

1. Значення коефіцієнта φ е збільшені у 1000 разів.
2. Значення φ е слід приймати не більше φ .

Тепер для наочності перевіримо переріз колон, навантажених з ексцентриситетом, за формулою (4.1):

4.1. Зосереджене навантаження на колони, позначені синім та зеленим кольором, складе:

N = (100 +100) · 5 · 3/2 = 1500 кг

Ексцентриситет програми навантаження е= 2,5 см, коефіцієнт поздовжнього вигину φ = 0,425.

4.2. Значення відносного ексцентриситету ми вже визначали:

m = 2,5 · 3,74 / 5,66 = 1,652

4.3. Тепер визначимо значення наведеного коефіцієнта m ef :

m ef = 1,652 · 1,2 = 1,984 ≈ 2

4.4. Умовна гнучкість при прийнятому нами коефіцієнті гнучкості λ = 130, міцності сталі R y = 200 МПа та модулі пружності Е= 200000 МПа складе:

λ¯ = 130√‾(200/200000) = 4,11

4.5. За таблицею 3 визначаємо значення коефіцієнта φ е ≈ 0,249

4.6. Визначаємо необхідний переріз колони:

F = 1500 / (0,249 · 2050) = 2,94 см & sup2

Нагадаю, що при визначенні площі перерізу колони за формулою (3.1) ми отримали майже такий самий результат.

Порада:Щоб навантаження від навісу передавалося з мінімальним ексцентриситетом, в опорній частині балки робиться спеціальний майданчик. Якщо балка металева, з прокатного профілю, то зазвичай достатньо приварити до нижньої полиці балки шмат арматури.

П оперочник будівлі (рис. 5) один раз статично невизначений. Невизначеність розкриваємо, виходячи з умови однакової жорсткості лівої та правої стійок та однакової величини горизонтальних переміщень шарнірного кінця стійок.

Рис. 5. Розрахункова схема рами

5.1. Визначення геометричних характеристик

1. Висота перерізу стійки
. Приймемо
.

2. Ширина перерізу стійки приймається за сортаментом з урахуванням острожки
мм.

3. Площа перерізу
.

Момент опору перерізу
.

Статичний момент
.

Момент інерції перерізу
.

Радіус інерції перерізу
.

5.2. Збір навантаження

а) горизонтальні навантаження

Погонні вітрові навантаження

, (Н/м)

,

де - Коефіцієнт, що враховує значення вітрового тиску по висоті (додаток табл. 8);

- аеродинамічні коефіцієнти (при
м прийняти
;
);

- Коефіцієнт надійності по навантаженню;

- нормативне значення вітрового тиску (за завданням).

Зосереджені сили від вітрового навантаження на рівні верху стійки:

,
,

де - Опорна частина ферми.

б) вертикальні навантаження

Навантаження зберемо у табличній формі.

Таблиця 5

Збір навантаження на стійку, Н

Найменування
Постійна
1. Від панелі покриття
2. Від несучої конструкції
3. Власна вага стійки (орієнтовно)
Всього:
Тимчасова
4. Снігова

Примітка:

1. Навантаження від панелі покриття визначається за таблицею 1

,
.

2. Навантаження від балки визначається

.

3. Власна вага арки
визначається:

Верхній пояс
;

Нижній пояс
;

Стійки.

Для отримання розрахункового навантаження елементи арки множаться на , що відповідають металу або дереву.

,
,
.

Невідома
:
.

Згинальний момент у підставі стійки
.

Поперечна сила
.

5.3. Перевірочний розрахунок

У площині вигину

1. Перевірка з нормальних напруг

,

де - Коефіцієнт, що враховує додатковий момент від поздовжньої сили.

;
,

де - Коефіцієнт закріплення (прийняти 2,2);
.

Недонапруга не повинна перевищувати 20%. Однак, якщо прийняті мінімальні розміри стійки та
то недонапруга може перевищувати 20%.

2. Перевірка опорної частини на сколювання при згинанні

.

3. Перевірка стійкості плоскої форми деформування:

,

де
;
(табл. 2 дод. 4).

З площини вигину

4. Перевірка на стійкість

,

де
, якщо
,
;

- Відстань між зв'язками по довжині стійки. За відсутності зв'язків між стійками за розрахункову довжину приймається повна довжина стійки
.

5.4. Розрахунок прикріплення стійки до фундаменту

Випишемо навантаження
і
з таблиці 5. Конструкцію прикріплення стійки до фундаменту наведено на рис. 6.

де
.

Рис. 6. Конструкція прикріплення стійки до фундаменту

2. Напруги стиснення
, (Па)

де
.

3. Розміри стиснутої та розтягнутої зон
.

4. Розміри і :

;
.

5. Максимальне зусилля розтягування в анкерах

, (Н)

6. Необхідна площа анкерних болтів

,

де
- Коефіцієнт, що враховує ослаблення різьбленням;

- Коефіцієнт, що враховує концентрацію напруг у різьбленні;

- Коефіцієнт, що враховує нерівномірність роботи двох анкерів.

7. Необхідний діаметр анкера
.

Приймаємо діаметр за сортаментом (додаток табл. 9).

8. Для прийнятого діаметра анкера знадобиться отвір у траверсі
мм.

9. Ширина траверси (куточка) рис. 4 має бути не менше
, тобто.
.

Приймемо рівнобічний куточок за сортаментом (додаток табл. 10).

11. Розмір розподільного навантаження ділянці ширини стойки (Рис. 7 б).

.

12. Згинальний момент
,

де
.

13. Необхідний момент опору
,

де - Розрахунковий опір стали прийнято 240 МПа.

14. Для попередньо прийнятого куточка
.

Якщо ця умова виконується, переходимо до перевірки напруги, якщо ні – повертається до пункту 10 і приймаємо більший куточок.

15. Нормальні напруження
,

де
- Коефіцієнт умов роботи.

16. Прогин траверси
,

де
Па - модуль пружності сталі;

- граничний прогин (прийняти ).

17. Виберемо діаметр горизонтальних болтів з умови їх розміщення поперек волокон у два ряди по ширині стійки
, де
- відстані між осями болтів. Якщо приймаємо болти металеві, то
,
.

Приймемо діаметр горизонтальних болтів за додатком табл. 10.

18. Найменша несуча здатність болта:

а) за умовою зминання крайнього елемента
.

б) за умовою вигину
,

де
- Додаток табл. 11.

19. Кількість горизонтальних болтів
,

де
- найменша здатність, що несе, з п. 18;
- Кількість зрізів.

Приймемо кількість болтів парне число, т.к. їх розставляємо у два ряди.

20. Довжина накладки
,

де - Відстань між осями болтів уздовж волокон. Якщо болти металеві
;

- Число відстаней за довжиною накладки.

Колона - це вертикальний елемент несучої конструкції будівлі, яка передає навантаження від вищерозташованих конструкцій на фундамент.

При розрахунку сталевих колон необхідно керуватися СП 16.13330 «Сталеві конструкції».

Для сталевої колони зазвичай використовують двотавр, трубу, квадратний профіль, складовий переріз зі швелерів, куточків, листів.

Для центрально-стислих колон оптимально використовувати трубу або квадратний профіль - вони економні за масою металу і мають гарний естетичний вигляд, проте внутрішні порожнини не можна пофарбувати, тому профіль має бути герметично.

Широко поширене застосування широкополочного двотавра для колон - при затисканні колони в одній площині даний вид профілю є оптимальним.

Велике значення впливає спосіб закріплення колони у фундаменті. Колона може мати шарнірне кріплення, тверде в одній площині і шарнірне в іншій або тверде в 2-х площинах. Вибір кріплення залежить від конструктиву будівлі та має більше значення для розрахунку т.к. від способу кріплення залежить розрахункова довжина колони.

Також необхідно враховувати спосіб кріплення прогонів, стінових панелей, балки або ферми на колону, якщо навантаження передається збоку колони, необхідно враховувати ексцентриситет.

При защемленні колони в фундаменті та жорсткому кріпленні балки до колони розрахункова довжина дорівнює 0,5l, однак у розрахунку зазвичай вважають 0,7l т.к. балка під дією навантаження згинається і повного защемлення немає.

На практиці окремо колону не вважають, а моделюють у програмі раму або 3-мірну модель будівлі, навантажують її і розраховують колону в складанні та підбирають необхідний профіль, але в програмах буває важко врахувати ослаблення перерізу отворами від болтів, тому буває необхідно перевіряти перетин вручну. .

Щоб розрахувати колону нам необхідно знати максимальні стискаючі/розтягувальні напруги та моменти, що виникають у ключових перерізах, для цього будують епюри напруги. У цьому огляді ми розглянемо лише розрахунок міцності колони без побудови епюр.

Розрахунок колони проводимо за такими параметрами:

1. Міцність при центральному розтягуванні/стисканні

2. Стійкість при центральному стисканні (у 2-х площинах)

3. Міцність при спільній дії поздовжньої сили та згинальних моментів

4. Перевірка граничної гнучкості стрижня (у 2-х площинах)

1. Міцність при центральному розтягуванні/стисканні

Відповідно до СП 16.13330 п. 7.1.1 розрахунок на міцність елементів із сталі з нормативним опором R yn ≤ 440 Н/мм2 при центральному розтягуванні або стисканні силою N слід виконувати за формулою

A n - площа поперечного перерізу профілю нетто, тобто. з урахуванням ослаблення його отворами;

R y - розрахунковий опір сталі прокату (залежить від марки сталі див. Таблицю В.5 СП 16.13330);

γ з - коефіцієнт умов роботи (див. Таблицю 1 СП 16.13330).

За цією формулою можна обчислити мінімально-необхідну площу перерізу профілю та задати профіль. Надалі в перевірочних розрахунках підбір перерізу колони можна буде зробити тільки методом підбору перерізу, тому тут ми можемо задати відправну точку, менше якої перетин бути не може.

2. Стійкість при центральному стисканні

Розрахунок на стійкість провадиться згідно СП 16.13330 п. 7.1.3 за формулою

A- Площа поперечного перерізу профілю брутто, тобто без урахування послаблення його отворами;

R

γ

φ - Коефіцієнт стійкості при центральному стиску.

Як бачимо, ця формула дуже нагадує попередню, але тут з'являється коефіцієнт φ щоб його обчислити нам спочатку потрібно обчислити умовну гнучкість стрижня λ (Позначається з рисою зверху).

де R y - розрахунковий опір сталі;

E- модуль пружності;

λ - Гнучкість стрижня, що обчислюється за формулою:

де l ef - розрахункова довжина стрижня;

i- Радіус інерції перерізу.

Розрахункові довжини l ef колон (стійок) постійного перерізу або окремих ділянок ступінчастих колон згідно СП 16.13330 п. 10.3.1 слід визначати за формулою

де l- Довжина колони;

μ - Коефіцієнт розрахункової довжини.

Коефіцієнти розрахункової довжини μ колон (стійок) постійного перерізу слід визначати в залежності від умов закріплення їх кінців та виду навантаження. Для деяких випадків закріплення кінців та виду навантаження значення μ наведено у наступній таблиці:

Радіус інерції перерізу можна визначити у відповідному ГОСТ-е на профіль, тобто. попередньо профіль має бути вже заданий і розрахунок зводиться до перебору перерізів.

Т.к. радіус інерції у 2-х площинах для більшості профілів має різні значенняна 2-х площинах (однакові значення мають тільки труба і квадратний профіль) і закріплення може бути різним, а отже і розрахункові довжини теж можуть бути різні, то розрахунок на стійкість необхідно зробити для 2-х площин.

Отже тепер у нас є всі дані, щоб розрахувати умовну гнучкість.

Якщо гранична гнучкість більша або дорівнює 0,4, то коефіцієнт стійкості φ обчислюється за такою формулою:

значення коефіцієнта δ слід обчислити за такою формулою:

коефіцієнти α і β дивіться у таблиці

значення коефіцієнта φ , обчислені за цією формулою, слід приймати не більше (7,6/ λ 2) при значеннях умовної гнучкості понад 3,8; 4,4 та 5,8 для типів перерізів відповідно а, b та с.

При значеннях λ < 0,4 для всех типов сечений допускается принимать φ = 1.

значення коефіцієнта φ наведено у додатку Д СП 16.13330.

Тепер коли всі вихідні дані відомі робимо розрахунок за формулою, представленою спочатку:

Як було зазначено вище, потрібно зробити 2-а розрахунку для 2-х площин. Якщо розрахунок не задовольняє умові, то підбираємо новий профіль з більш великим значеннямрадіуса інерції перерізу. Також можна змінити розрахункову схему, наприклад, змінивши шарнірне загортання на жорстку або закріпивши зв'язками колону в прольоті, можна зменшити розрахункову довжину стрижня.

Стислі елементи із суцільними стінками відкритого П-подібного перерізу рекомендується зміцнювати планками або ґратами. Якщо планки відсутні, то стійкість слід перевіряти на стійкість при згинально-крутильній формі втрати стійкості згідно з п.7.1.5 СП 16.13330.

3. Міцність при спільній дії поздовжньої сили та згинальних моментів

Як правило колона навантажена не тільки осьовим стискальним навантаженням, але і згинальним моментом, наприклад від вітру. Момент також утворюється, якщо вертикальне навантаження прикладене не по центру колони, а збоку. У цьому випадку необхідно здійснити перевірочний розрахунок згідно з п. 9.1.1 СП 16.13330 за формулою

де N- Поздовжня стискаюча сила;

A n - площа перерізу нетто (з урахуванням ослаблення отворами);

R y - розрахунковий опір сталі;

γ з - коефіцієнт умов роботи (див. Таблицю 1 СП 16.13330);

n, Сxі Сy- Коефіцієнти, що приймаються за таблицею Е.1 СП 16.13330

Mxі My- моменти щодо осей X-Xта Y-Y;

W xn,min та W yn,min - моменти опору перерізу щодо осей X-X та Y-Y (можна знайти в ГОСТ-і на профіль або в довіднику);

B- бімомент, у СНиП II-23-81 * цього параметра не було в розрахунках, цей параметр ввели для обліку депланації;

Wω,min – секторальний момент опору перерізу.

Якщо з першими трьома складовими питань не повинно бути, то облік бімомента викликає деякі проблеми.

Бімомент характеризує зміни, що вносяться до лінійних зон розподілу напруг депланації перерізу і, по суті, є парою моментів, спрямованих у протилежні сторони

Варто відзначити, що багато програм не можуть розрахувати бімомент, у тому числі і SCAD його не враховує.

4. Перевірка граничної гнучкості стрижня

Гнучкість стиснених елементів λ = lef / i, як правило, не повинні перевищувати граничних значень λ u, наведених у таблиці

Коефіцієнт в даній формулі це коефіцієнт використання профілю, згідно з розрахунку на стійкість при центральному стиску.

Так само як і розрахунок на стійкість цей розрахунок потрібно зробити для 2-х площин.

Якщо профіль не підходить необхідно змінити перетин збільшивши радіус інерції перерізу або змінивши розрахункову схему (змінити закріплення або закріпити зв'язками, щоб зменшити розрахункову довжину).

Якщо критичним чинником є ​​гранична гнучкість, марку сталі можна взяти найменшу т.к. на граничну гнучкість марка сталі впливає. Оптимальний варіант можна визначити методом підбору.

Posted in Tagged