Опирание ферм на колонны из квадратных труб. Стальные стропильные и подстропильные фермы. Технология монтажа металлических ферм

e=M/N, где: М - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.

Наиболее рациональной областью применения полезной модели являются покрытия однопролетных зданий, изготавливаемых из прямоугольных замкнутых и прокатных профилей пролетами до 24 и более метров. Ил.2.

Полезная модель относится к строительству и касается узла опирания фермы с нисходящими раскосами на колонну.

Известен узел опирания фермы на колонну, содержащий трубчатый пояс и нисходящий раскос фермы и колонну с оголовком, в котором опорный узел фермы и колонны выполнены на фасонках (см. Металлические конструкции. Стройиздат. Москва 1973, стр.286, рис.18.26 б)).

Недостатком решения является необходимость и трудоемкость изготовления двух узлов.

Прототипом полезной модели является узел опирания фермы на колонну, содержащий ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма (см. Справочник проектировщика. Москва, Стройиздат 1980, стр.270, рис.15.18).

В таком решении нисходящий раскос выполнен из квадратной трубы, который препятствует выполнению опирания колонны на узел фермы и опорный узел приходится расчленять на два узла (на узел для фермы и узел для колонны), что приводит к трудоемкости выполнения общего узла решения рамы (узла опирания фермы на колонну).

Полезная модель направлена на упрощение изготовления опорного узла фермы с колонной и самой фермы.

Цель достигается тем, что в узле опирания фермы на колонну, содержащем ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма, согласно полезной модели, нисходящий раскос и подобные стержни фермы выполнены из двух швеллеров или уголков, прикрепленных стенками или полками профилей внахлест к поясам фермы, а оголовок колонны выполнен из двух отрезков швеллеров, ориентированных полками друг к другу и параллельных верхнему поясу фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами, уперт в верхний пояс фермы и прикреплен к нисходящим раскосам монтажными болтами.

Цель также достигается тем, что для ферм с загруженными поперек приопорными панелями, центр опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет равный

e=M/N, где: M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения: N - усилие в колонне.

Полезная модель поясняется чертежами, где: на фиг.1 - изображена схема фермы с поясом из квадратных или прямоугольных труб и нисходящими раскосами из двух швеллеров или уголковых профилей и колонн из прямоугольных или круглых труб; на фиг.2 - узел опирания фермы на колонну.

Узел опирания фермы 1 на колонну 2, например, из прямоугольных (фиг. 1) или круглых труб, содержит верний наклонный под углом «i» пояс 3 из квадратных или прямоугольных профилей. Нисходящие раскосы 4 фермы 1 и подобные стержни фермы (фиг.1) выполнены из двух параллельных швеллеров или уголков 4, прикрепленных стенками швеллеров или полками уголков внахлест к поясам 3 фермы 1 (фиг.2). Оголовок 5 колонны 2 выполнен из двух отрезков швеллеров 5, ориентированных полками друг к другу (сечение по 1-1) и параллельных верхнему поясу 3 фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами 4, уперт через центрирующую прокладку 6 в верхний пояс 3 фермы и прикреплен к нисходящим раскосам 4 монтажными болтами 7 (фиг.2).

Благодаря такому решению удается сократить количество узловых фасонок в опорном узле фермы и выполнить всю ферму за счет нахлеста стенок швеллеров и полок уголковых профилей, то есть снижается трудоемкость изготовления фермы, кроме того при монтаже ферма 1 насаживается на оголовок 5 колонны 2, что также упрощает монтаж фермы.

Для ферм с загруженными поперек приопорными панелями, (например, с опиранием профнастила на панель пояса или с опиранием на панель пояса прогона покрытия), центр 8 опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет равный

e=M/N, где: M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.

Это позволяет уменьшить изгибные напряжения в приопорной панели, что полезно и определяется расчетом.

Наиболее рациональной областью применения полезной модели являются покрытия однопролетных зданий, изготавливаемых из прямоугольных замкнутых и прокатных профилей пролетами до 24 и более метров.

1. Узел опирания фермы на колонну, содержащий ферму с нисходящими раскосами и наклонным поясом, выполненным из квадратных или прямоугольных профилей, и колонну с жестко присоединенным к колонне оголовком, на который оперта через центрирующую прокладку ферма, отличающийся тем, что нисходящий раскос и подобные стержни фермы выполнены из двух швеллеров или уголков, прикрепленных стенками или полками профилей внахлест к поясам фермы, а оголовок колонны выполнен из двух отрезков швеллеров, ориентированных полками друг к другу и параллельных верхнему поясу фермы, при этом он размещен между нисходящими раскосами, уперт в верхний пояс фермы и прикреплен к нисходящим раскосам монтажными болтами.

2. Узел опирания фермы на колонну по п.1, отличающийся тем, что для ферм с загруженными поперек приопорными панелями центр опорного узла фермы сдвинут наружу колонны на эксцентриситет, равный e=M/N, где M - величина опорного момента в панели пояса от ее пролетного загружения; N - усилие в колонне.

Конструирование ферм начинают с вычерчивания осевых линий, образующих геометрическую схему фермы.

Затем наносят контуры стержней так, чтобы осевые линии совпадали с центрами тяжести сечений. Для несимметричных сечений (тавров, уголков) привязки осей округляют до 5 мм.

Когда сечение пояса по длине фермы меняется, в геометрической схеме принимают одну осевую линию поясов и к ней привязывают элементы пояса. Для удобства опирания примыкаю­щих элементов (для ферм перекрытий - настила или прогонов) верхнюю грань пояса сохраняют на одном уровне. Места изменения сечения поясов выносят от центра узла в сторону меньшего усилия. Резку стержней решетки производят нормально к оси стержня; для крупных стержней можно допустить косую резку для уменьше­ния размеров фасонок. Для снижения сварочных напряжений в фасонках, стержни решетки не доводят до поясов на расстояние равному » шести толщин фасонок, но не более 80 мм. Между торца­ми стыкуемых элементов поясов ферм, перекладываемых накладка­ми, оставляют зазор не менее 50 мм.

Толщину фасонок выбирают в зависимости от действующих усилий (табл. 7.2). При значительной разнице усилий в стержнях решетки можно принимать две толщины в пределах отправочного элемента. Допустимая разница толщин фасонок в смежных узлах - 2 мм.

Размеры фасонок определяют по необходимой длине швов креп­ления элементов. Необходимо стремиться к простейшим очертаниям фасонок, чтобы упростить их изготовление и уменьшить количество обрезков.

Целесообразно унифицировать размеры фасонок и иметь на ферму не более одного-двух типоразмеров. Фермы пролетом 18 – 36 м разбивают на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах. Целесообразно для удобства укрупнительной сборки и изготовления проектировать так, чтобы пра­вая и левая полуфермы были взаимозаменяемы.

Фермы из парных уголков

В фермах со стержнями из двух уголков, составленных тавром, узлы проектируют на фасонках, которые заводят между уголками. Стержни решетки прикрепляют к фасонке фланговыми швами (рис. а).

Усилие в элементе распределяется между швами по обушку и перу уголка обратно пропорционально их расстояниям до оси стержня:

где b- ширина полки уголка;

z 0 - расстояние от центра тяжести уголка до его обушка.

а – крепление раскоса к фасонке; б – промежуточный узел;

в, г – опирание прогонов и плит

Рисунок – Узлы ферм из парных уголков

Для прокатных уголков в практических расчетах значения коэф­фициентов a 1 и a 2 можно принять по таблице.

Концы фланговых швов для снижения концентрации напряже­ний выводят на торцы стержня на 20 мм (рис. а). К поясу фасонки рекомендуется прикреплять сплошными швами минимальной толщины. Фасонки выпускают за обушки поясных уголков на 10...15 мм (рис.б). Швы, прикрепляющие фасонку к поясу, при отсут­ствии узловых нагрузок рассчитывают на разность усилий в смеж­ных панелях пояса (рис.б) N = N 2 – N 1 . В месте опирания на верхний пояс прогонов или кровельных плит (рис.в) фасонки не доводят до обушков поясных угол­ков на 10...15 мм.

Таблица – Распределение усилий между швами по обушку и перу

Чтобы прикрепить прогоны, к верхнему поясу фермы приваривают уголок с отверстиями для болтов. В местах опирания крупно­панельных плит, если тол­щина поясных уголков менее 10 мм при шаге ферм 6 м и менее 14 мм при шаге ферм 12 м, верхний пояс ферм для предотвращения отгиба полок усиливают накладками t = 12мм. Во избежание ослабления сечения верхнего пояса не следует приваривать накладки поперечными швами.

Если к узлу приложена сосредоточенная нагрузка (рис. в),то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на совместное действие продольного усилия (от разницы усилий в поясах) и сосредоточенной нагрузки. Условно усилие F передается на участки швов l 1 и l 2 . Напряжения в швах от этого усилия

; (1)

от продольного усилия

,

где Sl w - суммарная длина швов крепления пояса к фасонке.

Прочность шва проверяют на совместное действие усилий по формуле

При расчете узлов обычно задаются k f и определяют требуемую длину шва.

Фасонки ферм с треугольной решеткой следует конструировать прямоугольного очертания, а с раскосной решеткой – в виде прямо­угольной трапеции.

Для обеспечения плавной передачи усилия и снижения концен­трации напряжений угол между краем фасонки и элементом решет­ки должен быть не менее 15°. Стыки поясов необходимо перекрывать накладками, выполнен­ными из уголков (рис.а) (при одинаковой толщине поясов) или листов (рис.б). Для обеспечения совместной работы уголков их соединяют про­кладками. Расстояние между прокладками должно быть не более 40 i для сжатых элементов и 80 i для растянутых, где i - радиус инерции одного уголка относительно оси, параллельной прокладке. При этом в сжатых элементах ставится не менее двух прокладок.

о - с уголковыми накладками, б - с листовыми накладками

Рис. - Узлы ферм с изменением сечения пояса:

Если уголки не соединены прокладками, то при расчете каждый уголок рассмат­ривают отдельно, а его гибкость определяют, исходя из минималь­ного для одного уголка радиуса инерции i min .

Конструкция опорных узлов ферм зависит от вида опор (металлические или железобетонные колонны, кирпичные стены и т.д.) и способа сопряжения (жесткое или шарнирное).

При свободном опирании ферм на нижележащую конструкцию опорный узел показан на рис. Давление фермы F R через плиту передается на опору. Площадь А пл определяют по несущей способности материала опоры:

где R оп - расчетное сопротивление материала опоры на сжатие.

Плита работает на изгиб от отпора материала опоры аналогично плите базы колонны.

Опорную плиту прикрепляют к опоре на анкерных болтах. Аналогично конструируют опорный узел при опирании фермы в уровне верхнего пояса (рис. б).

При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнитель­ной стойки (надколенника) (см. рис.).

Опорное давление фермы передается с опорного флан­ца фермы через фрезерованные поверх­ности на опорную плиту ко­лонны. Опорный фланец для четкости опирания выступает на 10... 20 мм ниже фасонки опорного узла. Площадь тор­ца фланца определяется из условия смятия: А³F R / R p ,

где R p - расчетное сопро­тивление стали смятию тор­цевой поверхности (при на­личии пригонки).

Рисунок – Свободное опирание фермы

Рис. – Опирание фермы на колонну сверху

Верхний пояс фермы конструктивно на болтах грубой или нор­мальной точности (класс точности С или В) прикрепляют к фасонке надколонника. Для того чтобы узел не мог воспринять усилия от опорного момента и обеспечивал шарнирность сопряжения, отвер­стия в фасонках делают на 5...6 мм больше диаметра болтов.

Для проектирования жесткого узла сопряжения фер­мы с колонной необходимо прикрепить ферму к колонне сбоку (рис.). При жестком сопряжении в узле возникает помимо опорного давления F R момент М. Передача этих усилий производит­ся раздельно.

Опорное давление F R передается на опорный столик. Опорный столик делают из листа t=30...40 мм или при небольшом опорном давлении (F R ≤200...250 кН) из уголков со срезанной полкой. Опорный фланец прикрепляют к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, которые ставят в отверстия на 3...4 мм больше диаметра болтов, чтобы они не могли воспринять опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.

Рис. - Примыкание фермы к колонне сбоку

Момент раскладывается на пару сил Н = М / h оп, которые пере­даются на верхний и нижний пояса фермы. В большинстве случаев опорный момент имеет знак минус, т.е. направлен против часовой стрелки. В этом случае усилие Н прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Напряжения на поверхности контакта невелики и их можно не проверять. Болты ставят конструктивно (обычно б... 8 болтов диаметром 20...24 мм). Если в опорном узле возникает поло­жительный момент, то усилие Нотрывает фланец от колонны и бол­ты следует проверить на растяжение.

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

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).

Сопряжение ригеля с колонной может решаться как опиранием сверху, так и примыканием сбоку. Опирание сверху может быть только шарнирным (рис. 7.17). От фермы на опорную плиту вертикальной несущей конструкции здания передается только вертикальное усилие. Опирание ферм сверху может производиться на стены, железобетонные и металлические колонны. Для удобства монтажа узла и сварки расстояние между нижним поясом и опорной плитой принимают не менее 150 мм.

Сварные швы крепления фасонки и стойки к опорной плите оголовка колонны рассчитывают на опорную реакцию F r Опорная плита колонны работает на поперечный изгиб пластины опорами которой

Рис. 7.16.

Рис. 7.17.

а) на крайнюю колонну: 1- надколонник; 2 - нижний пояс фермы; 3 - оголовок колонны; б) опирание двух ферм на среднюю колонну

являются фасонка и опорная стойка, а усилием реактивный отпор (давление) опоры. Поэтому толщина плиты проверяется на изгиб. Обычно толщина плиты принимается равной 20-25 мм, что обеспечивает ее прочность.

Опорный узел с примыканием фермы к колонне сбоку (рис. 7.18) предусматривает как шарнирное (рис. 7.186), так и жесткое сопряжение (рис. 7.18в) фермы с колонной. При шарнирном сопряжении верхний пояс через фасонку крепится к опорному фланцу, который соединяется с колонной болтами и может совершать некоторое перемещение в горизонтальном направлении. Возможность перемещения верхнего пояса появляется, например, когда он прикреплен болтами, а диаметр отверстий на 5-6 мм больше диаметров болтов (рис. 7.186). В однопролетной раме более целесообразно жесткое сопряжение, так как оно уменьшает горизонтальные перемещения каркаса.

Жесткое сопряжение не позволяет верхнему поясу совершать перемещения. Этого можно достичь, например, приварив к верхнему поясу и колонне металлическую пластинку - так называемую рыбку (см. рис. 7.18в).

Расчет узла крепления нижнего пояса производится на расчетные усилия (рис. 7.18г): вертикальную реакцию (Рф = сумма опорных реакций от постоянной и снеговой нагрузок) и горизонтальную реакцию (Я р = сумма продольных усилий от распора рамы и рамных моментов).

Вертикальная реакция передается через строганный торец опорного ребра (фланец). С опорного ребра вертикальная реакция передается на опорный столик. Чтобы болты, прикрепляющие опорный фланец (опорное ребро) к колонне, не могли воспринять опорную реакцию в случае неплотного опирания фланца на опорный столик, предусматривают отверстия для болтов на 3-4 мм больше их диаметра. Ширина опорного ребра фермы b h принимается на 4-6 см меньше ширины полки верхней части колонны, толщина ребра предварительно принимаются t h = 3,0 см. Опорное ребро проверяется на выполнение условия прочности на смятие торцевой поверхности:

Сварные швы крепления фланца к фасонке работают на срез в двух направлениях, воспринимая вертикальную реакцию Сф и внецентренно приложенное горизонтальное усилие Я р, а также воспринимают изгибающий момент, возникающий от внецентренного приложения усилия Я р (, где е - эксцентриситет приложения горизонтального

Прочность этих швов проверяется в точке действия наибольших результирующих напряжений (точка А на рис. 7.18г) по формуле:

- напряжения от действия вертикального усилия V;

- от действия центрально приложенного горизонтального усилия Н;

От действия изгибающего момента при внецентренном приложении усилия Я.

Прочность фасонки также необходимо проверить на срез по условию: где площадь среза фасонки:

Толщина опорного столика назначается не менее чем на 10 мм больше толщины фланца. Высота опорного столика /?/определяется из условия работы сварных швов его крепления к колонне на срез.

где коэффициент 1,2 учитывает возможную неравномерность передачи опорной реакции V в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.

Ширина опорного столика назначается конструктивно, на 2-4 см больше ширины опорного фланца фермы.

При шарнирном сопряжении ригеля с колонной расчет верхнего узла можно не проводить и ограничиться лишь конструктивными соображениями.

При жестком сопряжении ригеля с колонной необходимо проводить расчет верхнего опорного узла фермы на действие усилия P i от рамного момент (рис. 7.18а). Если опорный фланец выполнен достаточно тонким, а расстояние между болтами по горизонтали весьма большое (Ь 0 = 160-200 мм), то возможен изгиб фланца и перемещение верхнего пояса. Такое сопряжение является шарнирным. Если предусмотреть опорный фланец большой толщины, а болты затягивать с контролируемым усилием натяжения (на высокопрочных болтах), то перемещение верхнего пояса будет ограничено, и соединение можно считать жестким.

При конструктивном решении на высокопрочных болтах (7.18а) размеры фланца определяются из условия его работы на изгиб:

где - максимальный изгибающий момент.

Линия действия усилия проходит через центр фланца, поэтому усилия во всех соединительных болтах будут одинаковыми. Тогда требуемое число болтов:

где - несущая способность одного болта на растяжение.

Требуемая величина катета сварных швов крепления фланца к фасонке:

где l w - расчетная длина сварного шва принимается равной высоте фланца минус 1 см:

При конструктивном решении жесткого сопряжении фермы с колонной с помощью металлической пластинки (рис. 7.18в) конструктивно назначается ширина рыбки Ь г а необходимая толщина рыбки определяется по условию прочности:

Необходимая длина сварного шва, крепления пластины (рыбки) к колонне и к поясу фермы определяется по условию прочности:

Фермы пролетом 18-36 м разбиваются на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах.

При конструировании ферм покрытий предусматривается строительный подъем, равный прогибу от постоянной и длительной временной нагрузок. При плоских кровлях строительный подъем предусматривается принимается равным прогибу от суммарной нормативной нагрузки плюс пролета.

СТАЛЬНОЙКАРКАСОДНОЭТАЖНЫХЗДАНИЙ - ЧАСТЬ 3

Опирание колонны на подколонник бетонного фундамента, крайней надопорной стойки и стро­пильной фермы - на оголовок крайней колонны, средней надопорной стойки со стропильной и под­стропильной фермой - на оголовок средней колон­ны, подкрановой балки - на консоль рядовой или крайней колонны, рядовых и ендовных прогонов - на стропильные фермы охарактеризовано при опи­сании соответствующих конструкций. Ниже даются краткие пояснения, сопоставляющие и обобщаю­щие принципы конструирования основных узлов стального каркаса.

При опирании колонн на бетонный фундамент предусматривается подливка опорной плиты це­ментным раствором марки 400. Она компенсирует возможные неточности при бетонировании обреза фундамента и обеспечивает полное примыкание к нему опорной плиты. В траверсах предусматрива­ются отверстия для стока дождевой воды, попада ющей на опорную плиту при монтаже здания.

Передача нагрузок на колонну от разрезных подкрановых балок, стропильных и подстропиль­ных ферм происходит в расчетных плоскостях через приторцованные опорные ребра, положение кото­рых фиксируется установочными болтами.

В ряде случаев (крепление верхнего пояса раз­резных подкрановых балок к шейке колонны, на­веска стеновых панелей и тому подобное) крепеж­ные элементы допускают некоторое смещение кон­струкций, происходящее от воздействия временных или постоянных нагрузок.

В месте восприятия сосредоточенных усилий сечения элементов колонн и ферм усиливаются до­полнительными ребрами и накладками. Большинство соединений выполняется на черных болтах с последующей монтажной сваркой.

Крепление прогонов к верхнему поясу стропиль­ной фермы фиксируется опорными коротышами из уголков.

Стальные стропильные фермы с уклоном верх­него пояса 1: 3,5 предназначены для перекрытия однопролетных бесфонарных, неотапливаемых складских помещений с кровлей из волнистых ас-бестоцементных листов. Склады оборудуются под­весными однобалочными кранами грузоподъемно­стью до 5 т или опорными кранами грузоподъем­ностью до 30 т. Фермы треугольного очертания с горизонталь­ным нижним поясом пролетом 18; 24; 30 и 36 м выполняются в соответствии с длиной кровельных волнистых асбестоцементных листов с узловой пе­редачей нагрузки через 1,25 м. Нагрузка переда­ется расположенными по верхнему поясу стальны­ми прогонами, к которым крепятся кровельные листы.

Стержни фермы и прогоны изготовляются из горячекатаных профилей стали марки «сталь 3», распорки на опорах стропильных ферм - из сталь­ного облегченного гнутого профиля по ГОСТ 8278-75. При использовании в прогонах облегчен­ных профилей взамен горячекатаных достигается экономия стали около 3 кг на 1 м 2 покрытия.

Заводские и монтажные узлы треугольных ферм, за исключением опорного, аналогичны опи­санным выше полигональным фермам. Опорный узел предусматривает различные варианты привяз­ки колонн. При больших нагрузках узловая фасонка опорного узла увеличивается в пределах край­ней панели и усиливается наклонными ребрами. Ферма опирается строганой поверхностью опор­ного ребра на стальной оголовок колонны и закреп­ляется на нем посредством болтов и монтажной сварки. В зданиях с опорными или подвесными кранами нижние пояса ферм развязываются связями так же, как и в зданиях с тяжелым режимом работы.

Стальные стропильные фермы полигонального очертания из электросварных труб запроектирова­ны в типовом исполнении для пролетов 18, 24 и 30 м. Высота на опоре в осях стержней у ферм всех указанных пролетов 2,9 м. Нижний пояс го­ризонтален, верхний имеет уклон 1,5%. Проекция длины панели (расстояния между узлами) по верхнему поясу 3 м. Незначительный эксцентриси­тет решетки предусмотрен для удобного сочленения труб в бесфасоночных узлах. Номинальная длина стропильных ферм на 400 мм менее пролета зда­ния. Крайние панели укорочены на 200 мм для размещения надопорных стоек. В местах подвески кранов решетка усиливается дополнительными стержнями в виде обоймы из двух швеллеров.

Лист2.12,Связипостальнымколоннам

Фермы пролетом 18 м поставляются одной от­правочной маркой; фермы пролетом 24 и 30 м - двумя отправочными марками с монтажным сты­ком по оси симметрии.

Надопорные стойки имеют высоту сечения: крайние 200 мм + привязка, средние 2X200 мм, Они конструируются из двутавров соответствующе­го профиля. Высота надопорных стоек складывает­ся из высоты ферм 2900 мм, высоты подъема оси нижнего пояса над оголовком колонны 280 мм и высоты подъема плоскости опирания прогонов над осью верхнего пояса ферм 120 и 200 мм соответ­ственно при диаметрах труб верхнего пояса до 127 мм и более. Отсюда полная высота надопор­ных стоек 3300 или 3380 мм. Плоскость опирания прогонов фиксируется опорными столиками, раз­мещенными в узлах стропильных ферм.

Подстропильные фермы треугольного очерта­ния крепятся непосредственно к стенкам двутав­ров средних надопорных стоек. Отсюда их номи­нальная длина на 10 мм менее шага колонн. Сред­ние стойки подстропильных ферм выполнены из прокатного двутавра с подвеской в виде сварного двутавра. Для опирания стропильных ферм на отметке верха колонн эта подвеска снабжена дву­мя столиками.