Реконструкция двухветвевой сквозной стальный колонны промышленного здания

    Определение размеров опорной  плиты 

Требуемую площадь  опорной плиты ветви определяют из условия прочности бетона фундамента при местном смятии по формуле 

где N - расчетное  усилие в ветви на уровне базы; - расчетное сопротивление бетона смятию (табл.5 прил. 4).

Здесь - коэффициент увеличения R_b, зависящий от отношения площади верхнего обреза фундамента A_f к площади опорной плиты A_pl и принимаемой не более 1,5; при

В данном случае

Ширина опорной  плиты B_pl=b+2·(t_t+c)=23,0+2·(1+7,5)=40 см, где b=23см -ширина полки ветви колонны; t_t = 1см -толщина траверсы; с=7,5см - вылет консольной части плиты, принимаемый 50... 100мм.

Длина опорной плиты 

Принимаем размеры  опорной плиты 400 х 860 мм (А_pl= 3440 см² ), верхнего уступа фундамента – 660 х 1200 мм (А_f=7920 см², так как ).

Фактическое сжимающее  напряжение под опорной плитой (реактивный отпор фундамента)

Толщину опорной  плиты определяют из условия её работы на изгиб как пластинки, опертой  на торец ветви, траверсы и ребра. Нагрузкой является реактивный отпор  фундамента (σ_f). Изгибающий момент на консольном участке плиты 1 (рис.) можно определить как (с-вылет консоли). Наибольший момент участка плиты 2, опертого по трем сторонам, ; опертого по четырем сторонам (участок 3), .

Здесь α - коэффициент, принимаемый по табл.6 прил. 4 в зависимости  от отношения сторон а/b (рис. 4.6 а); β - коэффициент, принимаемый по табл.7 прил. 4 в зависимости от а₁/b₁. При a₁/b₁>2 . По наибольшему из найденных для различных участков плиты изгибающих моментов подсчитывают её толщину: .

Обычно толщину  плиты принимают в пределах от 20 до 40мм. Определим необходимую  толщину плиты шатровой ветви:

Здесь М_max=38,17 кН·см² - наибольший из изгибающих моментов:

Коэффициент условий  работы γ_с=1,2 при толщине опорной плиты до 40 мм из стали с пределом текучести до 285 МПа. [4, табл.6*].

Принимаем плиту  толщиной 30мм. 

    Расчет  траверсы 

Траверсу в расчетной  схеме представляем двухконсольной балкой , шарнирно опертой на полки  колонны. Нагрузка - реактивный отпор  фундамента с половины ширины плиты:

Первоначально определим  высоту траверсы из условия размещения двух сварных швов, необходимых для  её крепления к полкам колонны.

Расчет ведем  по металлу на границе сплавления, так как  или

При катете шва k_f= 8 мм (не менее, чем по табл. 4 прил. 6)

Округляя, принимаем  h_t= 50 см и производим проверку прочности траверсы на изгиб и на срез.

Расчетные усилия в  траверсе:

изгибающий момент

поперечная сила

Геометрические  характеристики сечения траверсы:

 

Проверка прочности  траверсы:

_{Требуется усиление траверсы. Приварим пластины, того же сечения, что и траверса, приварим к опорной плите.}

_{Проверим  усиленное сечение  по опасному фактору:}

_{Прочность обеспечена.} 

   Расчет  анкерных болтов 

Для расчета составляют „анкерную комбинацию" которая дает наибольший момент и минимальную продольную силу. (обычно это сочетание постоянной и ветровой нагрузок).  Если разгружает анкерные болты, то γ_f=0,9.

Усилие в анкерных болтах равно растягивающему усилию в ветви колонны:

 где N_min и M_s - анкерная комбинация усилий; у - расстояние от центра тяжести сечения колонны до центра тяжести сечения ветви, противоположной разгружаемой изгибающим моментом; h₀ - расстояние между центрами тяжести ветвей колонны.

Требуемая площадь  сечения нетто одного анкерного  болта подсчитывается по формуле

,

где n - число анкерных болтов, крепящих базу ветви к фундаменту; R_ba - расчетное сопротивление анкерного болта растяжению,

В рассматриваемом  примере анкерная комбинация усилий по таблице 1:

при загружениях 1,4,5 и 8 с коэффициентом надежности по нагрузке γ_f = 0,9 (множитель 0,9/1,1).

Усилие, действующее  в анкерных болтах, и требуемая  площадь их сечения:

материал болтов - сталь 09Г2С по ГОСТ 19281-73*.

По табл. 9, 10 прил. 6 принимаем два анкерных болта (тип  III) диаметром 56 мм, длина заделки болта в бетон 1000 мм.В целях унификации для шатровой ветви принимаем анкерные болты такого  же диаметра.

Расчет анкерных плиток, через которые передаются усилия с траверс на анкерные болты. Расчетная схема плитки – балка  на 2-х опорах и нагруженная сосредоточенными силами, равными усилиям в анкерных болтах Пролет анкерных плиток равен  расстоянию между осями траверс.

Расчетная схема  анкерной плитки

Ширину плиток принимаем  b_а= 190мм; материал плитки - сталь С345 с R_y=280 МПа при t=40...60 мм.

Диаметр отверстия  в анкерной плитке на 6 мм больше диаметра анкерного болта

d=d_a+6 мм =56+6= 62 мм.

Максимальный изгибающий момент в анкерной плитке подкрановой  ветви

Требуемый момент сопротивления

С учетом ослабления сечения плитки отверстием под анкерный болт имеем

 толщина плитки

Принимаем толщину  анкерной плитки t_а=80мм. 

Альтернативные  варианты усиления металлических колонн:

• При усилении колонн путем изменения конструктивной схемы могут быть использованы различные схемы.

Усиление  колонн и поперечника в целом  путем изменения конструктивной схемы  

В высоких  однопролетных зданиях с кровлей  малой жесткости (например, из волнистых  листов асбофанеры) целесообразно ужесточение  связей по нижним поясам (схема "а") для увеличения эффекта пространственной работы. Этот прием рекомендуется  для относительно коротких зданий с  жесткими торцами.

Расчетная длина колонн из плоскости рамы может  быть уменьшена постановкой дополнительных распорок (схема "б"), а в плоскостях рамы - установкой подкосов (схема "г").

Целесообразно использование дополнительных стоек  и подкосов для снижения продольных усилий в колоннах. Кроме случаев, указанных в п.3.11, рекомендуется  также установка подкрановых  стоек, соединенных с основной колонной гибкими связями (схема "в").

• Для усиления колонн и стоек могут применяться предварительно напряженные шпренгельные системы, основным назначением которых является уменьшение расчетной длины сжатых элементов конструкции и увеличение момента инерции колонны или стойки в целом.

Недостатком этой схемы является передача на усиливаемый  сжатый элемент дополнительных сжимающих  напряжений от гибких предварительно напряженных элементов шпренгеля.

При усилении колонн и стоек могут быть использованы приемы регулирования усилий с частичной  разгрузкой усиливаемого элемента и  одновременным увеличением расчетного сечения (рис.12). Наиболее целесообразно  усиление постановкой предварительно изогнутых или изгибаемых в процессе монтажа элементов (рис.12, а, б, в), которые  при несмещаемых концах выпрямляются путем приложения поперечных воздействий  и скрепляются с колонной. Можно  также усиливать путем подведения телескопических напрягаемых стоек (рис.12, г) из трубчатых или других жестких профилей. 

 

Усиление  сплошных колонн а-в - предварительно изогнутыми элементами с последующим выпрямлением; г - предварительно напряженным элементом 

•  Усиление  колонн, стоек и других сжато-изогнутых  элементов также может осуществляться  введением в существующую схему  дополнительных шарниров, если это  уменьшит напряжение в усиливаемых конструкциях. При этом необходимо учитывать как возможное уменьшение изгибающих моментов, так и увеличение расчетной длины сжатого элемента. Используют также схемы усиления колонн, заключающиеся в замыкании шарниров.

 

Усиление  путем введения в схему дополнительных элементов жесткости и шарниров а - поперечный разрез; б, в - расчетные  схемы соответственно до и после  усиления; 1 - элементы жесткости; 2 - увеличение сечений; 3 - шарниры 

При значительных горизонтальных нагрузках на здание и большом количестве перенапряженных  колонн усиление их рекомендуется производить  путем введения горизонтальных жестких  конструкций (специально устраиваемых или используемых), передающих нагрузки на торцы здания. Конструкции торцов здания должны быть рассчитаны и законструированы с учетом восприятия нагрузок от всего  здания. При длине здания более  двух пролетов следует специально устраивать дополнительные поперечные вертикальные конструкции или связи, воспринимающие горизонтальные нагрузки и передающие их на фундаменты.

• При увеличении усилий в колоннах требуется проверить несущую способность фундаментов и оснований.

При недостаточной  несущей способности опорной  плиты ее усиление целесообразнее всего  выполнять путем установки дополнительных ребер, уменьшающих размеры участков плиты.

При перенапряжении анкеров рекомендуется устанавливать  дополнительные фундаментные болты, закрепив их в фундаментах или в дополнительной набетонке. 

Библиографический список.

1. Металлические конструкции:  В 3т. Т.1. Элементы  стальных конструкций. / Под ред. В.В.  Горева – М.: Высшая  школа, 1997г.

2. Металлические конструкции:  В 3т. Т.2. Конструкции  зданий. / Под ред.  В.В. Горева – М.: Высшая школа, 1999г.

3. Металлические конструкции:  В 3т. Т.3. Конструкции  зданий. / Под ред.  В.В. Горева –  М.: Высшая школа, 1999г.

4. СНиП II-23-81^*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. / Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1991г.

5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки  и воздействия. / Госстрой  СССР. – М.: ЦИТП  Госстроя СССР, 1986г.

6. Енджиевский Л.В.  Каркасы зданий  из лёгких металлических  конструкций и  их элементы. : Учебное  пособие / Л.В. Енджиевский,  В.Д. Наделяев,

И.Я. Петухова. –М.: Изд-во АСВ, 1998г.

7. Металлические конструкции.  Метод. указания  к курсовому проекту  для студентов  специальности 290300 – “Промышленное и гражданское строительство” заочной формы обучения / Сост. Л.В. Енджиевский,

И.Я. Петухова, С.В. Григорьев, В.Г. Кудрин. – Красноярск: КрасГАСА, 2002г.