Детальное руководство по расчету и проектированию центрально-сжатой сквозной колонны из двух швеллеров (Курсовая работа)

В современном строительстве, где оптимизация затрат и повышение эффективности конструкций играют ключевую роль, центрально-сжатые колонны сквозного сечения занимают одно из ведущих мест. Эти элементы, работающие преимущественно на осевое сжатие, являются незаменимыми в каркасах промышленных и гражданских зданий, эстакадах, несущих системах рабочих площадок и междуэтажных перекрытий. Их широкое применение обусловлено не только экономичностью в расходе материала, но и возможностью создания легких, жестких и устойчивых конструкций, способных воспринимать значительные нагрузки, что напрямую влияет на общую стоимость и долговечность сооружений.

Данная курсовая работа ставит перед собой амбициозную цель: не просто представить алгоритм расчета, а дать исчерпывающее, глубоко проработанное руководство по проектированию центрально-сжатой сквозной колонны, выполненной из двух прокатных швеллеров. В ней будут подробно рассмотрены теоретические основы, методология выбора материалов и сортамента, пошаговые расчеты на прочность и устойчивость, а также детальное конструирование узлов – оголовка и базы колонны.

Основными элементами любой колонны являются:

• Оголовок: Верхняя часть, предназначенная для приема и распределения нагрузки от вышележащих конструкций (балок, ферм) на стержень колонны. Его задача – обеспечить центральную передачу усилия, исключая эксцентриситет, тем самым предотвращая возникновение дополнительных изгибающих моментов, критически опасных для сжатых элементов.
• Стержень: Несущая часть колонны, воспринимающая основную осевую нагрузку и передающая ее от оголовка к базе. Его сечение и длина определяют общую устойчивость и прочность всей конструкции, становясь решающими факторами ее несущей способности.
• База: Нижняя часть колонны, служащая для передачи нагрузки от стержня на фундамент. База должна равномерно распределять давление, предотвращая локальное смятие материала фундамента и обеспечивая стабильность всей системы.

Правильное понимание функций каждого элемента и корректное их проектирование в соответствии с действующими нормами является залогом надежности и долговечности всей конструкции, а также ключевым фактором ее безопасной и эффективной эксплуатации.

Общие принципы, определения и нормативная база

Проектирование любой несущей конструкции начинается с четкого понимания ее назначения, механизма работы и нормативной среды, в которой она существует. Именно это позволяет заложить прочный фундамент для дальнейших расчетов и конструктивных решений, минимизируя риски и ошибки.

Определение и классификация центрально-сжатых колонн

В мире строительных конструкций, центрально-сжатая колонна представляет собой стержневой элемент, который воспринимает внешнюю нагрузку, приложенную строго вдоль его продольной оси и проходящую через центр тяжести поперечного сечения. Такой вид нагружения идеализирует работу колонны, исключая изгибающие моменты. На практике, конечно, всегда присутствуют небольшие эксцентриситеты, но в рамках классического подхода они учитываются через коэффициенты продольного изгиба, что позволяет сохранить простоту расчетов без потери точности.

Когда речь заходит о сквозном сечении, мы имеем дело с конструкцией, состоящей из нескольких отдельных профилей (ветвей), соединенных между собой дискретными элементами – планками или решетками. Это отличает сквозные колонны от сплошностенчатых, где сечение формируется из единого профиля или сваренных между собой листов, и открывает широкие возможности для оптимизации веса и жесткости.

Швеллер, в свою очередь, является одним из наиболее распространенных видов фасонного проката. Его П-образное сечение с полками, расположенными с одной стороны от стенки, обладает хорошими прочностными характеристиками и удобством для формирования составных конструкций, особенно при создании соединительных элементов.

Сквозные колонны с центральным сжатием находят свое применение в самых разнообразных инженерных сооружениях. Их используют в качестве:

• Колонн рабочих площадок, где требуется обеспечение высокой несущей способности при относительно небольших габаритах.
• Элементов междуэтажных покрытий и перекрытий, где необходимо передать значительные вертикальные нагрузки.
• Стоек эстакад и трубопроводов, где помимо вертикальных нагрузок могут возникать и горизонтальные, воспринимаемые сквозной структурой с высокой жесткостью.

Конструктивные особенности сквозных колонн из швеллеров

Ключевой особенностью сквозных колонн, формируемых из двух прокатных швеллеров, является их компоновка. Наиболее рациональным и экономически выгодным считается расположение швеллеров полками внутрь сечения. Эта конфигурация предоставляет ряд преимуществ:

1. Экономия материала: При заданной требуемой жесткости и радиусе инерции, расположение полками внутрь позволяет получить более компактное сечение.
2. Эффективность решетки: Соединительные элементы (планки или раскосы) становятся короче, что снижает их собственный вес и расход металла.
3. Лучшее использование габарита: Общая ширина колонны остается в разумных пределах, что важно для компоновки в стесненных условиях.

Альтернативное расположение швеллеров – полками наружу – применяется значительно реже, в основном в исторических клепаных конструкциях, где это было обусловлено технологией клепки. С точки зрения современного сварного производства и расхода материала, такой вариант менее выгоден.

Для корректного анализа работы сквозной колонны необходимо четко различать две основные оси инерции:

• Материальная ось (x-x): Эта ось проходит через центры тяжести поперечных сечений швеллеров и перпендикулярна плоскости их полок. Относительно этой оси колонна ведет себя как сплошностенчатая, так как ветви объединены в жесткое целое.
• Свободная ось (y-y): Эта ось параллельна плоскости полок швеллеров и проходит через центр тяжести всего составного сечения. Относительно этой оси сквозная колонна обладает более сложным поведением, поскольку ее жесткость зависит от податливости соединительных элементов (планок или решеток).

Понимание различий в работе относительно этих осей критически важно для обеспечения равноустойчивости колонны, то есть одинаковой устойчивости во всех направлениях. Ведь только так можно гарантировать надежность конструкции при любых эксплуатационных воздействиях.

Нормативно-техническая документация

В Российской Федерации проектирование стальных строительных конструкций строго регламентируется набором нормативных документов. Центральное место среди них занимает СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*». Этот Свод правил устанавливает основополагающие требования к:

• Проектированию и расчету стальных конструкций зданий и сооружений различного назначения.
• Применению метода предельных состояний, который учитывает как постоянные, так и временные нагрузки, а также климатические (снеговые, ветровые) и сейсмические воздействия.
• Требованиям к материалам, соединениям и изготовлению конструкций.

Важно отметить, что СП 16.13330.2017 применим для конструкций, эксплуатируемых в широком температурном диапазоне: от -60°С до +100°С.

Помимо СП 16.13330.2017, в работе над курсовым проектом необходимо активно использовать:

• ГОСТы на сортамент стального проката: Например, ГОСТ 8240-97 «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент», который определяет геометрические характеристики и размеры используемых швеллеров.
• ГОСТы на болтовые и сварные соединения: Эти стандарты регламентируют требования к прочности, размерам и геометрии соединений, обеспечивая их надежность.
• СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»: Необходим для определения расчетной температуры района строительства, которая напрямую влияет на выбор марки стали.
• ГОСТ 27772-2015 «Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические условия»: Определяет классы прочности сталей, их расчетные сопротивления, а также требования к химическому составу и ударной вязкости.

Строгое соблюдение этих нормативных документов является обязательным условием для обеспечения безопасности, надежности и долговечности проектируемых стальных конструкций.

Выбор материалов и сортамента

Основой любой надежной конструкции является правильно подобранный материал. Для стальных колонн это означает не просто выбор стали «покрепче», а глубокий анализ эксплуатационных условий и нормативных требований, что в конечном итоге определяет долговечность и безопасность сооружения.

Подбор марки стали

Выбор марки стали – это многокритериальная задача, которая требует учета целого ряда факторов, регламентированных СП 16.13330.2017 и ГОСТ 27772-2015. Игнорирование хотя бы одного из них может привести к преждевременному разрушению или значительному снижению эксплуатационной надежности конструкции, что критически важно предотвратить на этапе проектирования.

1. Группа конструкций: Первым шагом является определение группы конструкций согласно Приложению В СП 16.13330.2017. Этот параметр классифицирует элементы по их значимости и условиям работы, например, несущие элементы каркаса, второстепенные элементы и т.д. Чем ответственнее элемент, тем выше требования к стали, ведь от этого зависит безопасность всего сооружения.
2. Расчетная температура: Климатические условия региона строительства оказывают прямое влияние на поведение стали, особенно на её хрупкость при низких температурах. Расчетная температура для выбора стали определяется как температура наиболее холодных суток с обеспеченностью 0,98 по таблице 3.1 СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Это статистический показатель, гарантирующий, что в 98% случаев температура не опустится ниже данного значения, обеспечивая тем самым необходимый запас прочности в самых суровых условиях.
3. Требования по ударной вязкости: Ударная вязкость (KCV) – это способность материала поглощать энергию при ударном воздействии без разрушения. Для стальных конструкций, особенно работающих при низких температурах или подверженных динамическим нагрузкам, этот показатель критичен. Требуемый показатель ударной вязкости и соответствующая температура испытаний на ударный изгиб определяются по таблице В.1 СП 16.13330.2017. Выбор основывается на сочетании расчетной температуры, группы конструкций и предела текучести (R_y) выбранной марки стали.
   • Пример: Для конструкций 1-й группы, эксплуатируемых при расчетной температуре -40°С, и стали с пределом текучести 255 МПа, таблица В.1 СП 16.13330.2017 может потребовать KCV ≥ 29 Дж/см² при температуре -40°С. Это означает, что сталь должна выдерживать значительные ударные нагрузки даже в условиях сильного холода, сохраняя свою целостность.
4. Химический состав и категория стали: Марка стали подбирается исходя из требуемого расчетного сопротивления по пределу текучести (R_y), а также необходимой толщины элемента по таблицам 4 и 5 ГОСТ 27772-2015. Этот ГОСТ также устанавливает категории стали, которые характеризуют комплекс ее свойств, включая ударную вязкость, свариваемость и другие. Требуемая категория стали определяется по таблице 3 ГОСТ 27772-2015, что позволяет комплексно учесть все необходимые параметры.
5. Свариваемость стали: Для сварных конструкций, к которым относится сквозная колонна, свариваемость стали имеет первостепенное значение. Хорошая свариваемость гарантируется определенным химическим составом. Для сталей с классами прочности выше С255 этот параметр дополнительно контролируется углеродным эквивалентом (C_экв).
   • Углеродный эквивалент является интегральным показателем, отражающим влияние различных легирующих элементов на склонность стали к закалке и образованию холодных трещин при сварке. Чем выше C_экв, тем сложнее свариваемость, что требует более тщательного подхода к технологии сварки.
   • Формула Международного института сварки (IIW):
     Cэкв = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
     Где C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu — процентное содержание соответствующих элементов в стали.
   • Удовлетворительная свариваемость без специальных мер (таких как предварительный подогрев) обычно считается обеспеченной при значении C_экв менее 0,45. При более высоких значениях требуются дополнительные технологические мероприятия, например, предварительный подогрев или специальная термообработка, чтобы избежать дефектов в сварных швах.

Примеры типичных марок сталей, применяемых в строительстве:

• Углеродистые стали обыкновенного качества: С235, С245. Обладают хорошей свариваемостью, используются для менее ответственных конструкций.
• Низколегированные стали: С255, С275, С345. Наиболее распространены в несущих конструкциях благодаря повышенной прочности и хорошей свариваемости.
• Высокопрочные стали: С390, С440. Применяются в особо ответственных конструкциях или там, где требуется значительное снижение веса.

Выбор сортамента швеллеров

После выбора марки стали переходим к выбору конкретного профиля – швеллера. Основным документом здесь является ГОСТ 8240-97 «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент». Этот стандарт классифицирует швеллеры по нескольким сериям, отличающимся формой и геометрическими размерами:

• У (с уклоном внутренних граней полок): Классический вариант, где внутренние грани полок имеют небольшой уклон.
• П (с параллельными гранями полок): Более современные профили, удобные для крепления элементов и создания плоских поверхностей.
• Э (экономичные с параллельными гранями полок): Оптимизированные по расходу металла.
• Л (легкой серии с параллельными гранями полок): Используются для облегченных конструкций.
• С (специальные): Профили, разработанные для специфических целей.

Швеллеры по ГОСТ 8240-97 имеют высоту от 50 до 400 мм и ширину полок от 32 до 115 мм. Для расчета и проектирования колонны из сортамента швеллеров нам потребуются следующие ключевые геометрические характеристики:

• h: Высота швеллера.
• b: Ширина полки.
• s: Толщина стенки.
• t: Толщина полки.
• R, r: Радиусы закругления (внутренний и внешний).
• X₀: Расстояние от оси до наружной грани стенки.
• F (или A): Площадь поперечного сечения (одной ветви).
• I_x, I_y: Моменты инерции относительно главных осей (для одной ветви).
• W_x, W_y: Моменты сопротивления (для одной ветви).
• i_x, i_y: Радиусы инерции (для одной ветви).
• S_x: Статический момент полусечения (для одной ветви, часто используется в расчетах на сдвиг).

Эти данные берутся из таблиц сортамента и используются на всех этапах расчета прочности и устойчивости колонны, обеспечивая необходимую точность и надежность проектирования.

Расчет сквозной центрально-сжатой колонны на прочность и устойчивость

Проектирование несущих элементов, работающих на сжатие, всегда является комплексной задачей, требующей учета не только прочности материала, но и его способности сохранять устойчивую форму под нагрузкой. Для сквозных колонн эта задача усложняется наличием двух ветвей и соединительных элементов, что требует особого внимания к деталям.

Общие положения и расчет на прочность

Начало любого инженерного расчета – это тщательное определение внешних воздействий. Для центрально-сжатой колонны это включает:

• Определение нагрузок: Сбор всех постоянных (собственный вес конструкций, оборудования) и временных (снеговые, ветровые, полезные) нагрузок, действующих на колонну.
• Определение расчетного усилия (N): Суммирование всех нагрузок с учетом коэффициентов надежности по нагрузке и переход к расчетному усилию, которое считается приложенным строго по центру тяжести сечения колонны.

Расчет на прочность элементов сквозного сечения при центральном сжатии (и растяжении) выполняется согласно формуле 5 СП 16.13330.2017:

N / An ≤ Ry ⋅ γc

Где:

• N — расчетное усилие (сжимающее или растягивающее) в элементе.
• A_n — площадь сечения нетто всего стержня. Для сжатых элементов обычно принимается равной площади брутто (A), если нет ослаблений отверстиями.
• R_y — расчетное сопротивление стали сжатию (или растяжению) по пределу текучести, определяемое по ГОСТ 27772-2015.
• γ_c — коэффициент условий работы, принимаемый по таблице 1 СП 16.13330.2017. Учитывает особенности работы конструкции, условия производства и монтажа.

Эта формула проверяет, достаточно ли площади сечения для восприятия осевого усилия без достижения предельного состояния по текучести материала, что является базовым условием прочности. Что же из этого следует? Если условие не выполняется, то выбранное сечение недостаточно и необходимо увеличить площадь или использовать сталь с более высоким расчетным сопротивлением.

Предварительный подбор сечения и проверка устойчивости относительно материальной оси X-X

Подбор сечения сквозной колонны – это итерационный процесс, который можно разделить на два основных этапа:

1. Предварительный подбор по материальной оси X-X:
   • Начинают с задания гибкости колонны (λ). Это эмпирический шаг, основанный на опыте проектирования. Например, для колонн средней длины (5–7 м) с расчетной нагрузкой до 2500 кН обычно принимают λ в диапазоне 90–50. Для более нагруженных колонн (2500–3000 кН) – λ = 50–30.
   • Используя выбранную гибкость, по таблицам СП 16.13330.2017 (например, таблица Д.1 или Д.2) определяется коэффициент продольного изгиба φ. Этот коэффициент учитывает снижение несущей способности стержня из-за возможности потери устойчивости.
   • Далее определяется требуемая площадь поперечного сечения колонны (A) по формуле:

     A ≥ N / (φ ⋅ Ry ⋅ γc)

     Где N, R_y, γ_c – уже известные параметры.

   • Поскольку колонна состоит из двух ветвей, требуемая площадь одной ветви A_b = A/2.
   • По требуемым значениям A_b и радиуса инерции i_x (для оси x-x, которая определяет устойчивость одной ветви) выбирают подходящий швеллер из сортамента по ГОСТ 8240-97. При этом стремятся выбрать швеллер с максимальным i_x при минимальной площади.
2. Проверка устойчивости относительно материальной оси X-X:
   • После выбора швеллера необходимо проверить общую устойчивость колонны относительно оси X-X. Расчет на устойчивость сжатых стержней сквозного сечения выполняется по формуле 7 СП 16.13330.2017:

     N / (φ ⋅ A ⋅ γc) ≤ Ry

     Где φ определяется для оси X-X по гибкости λ_x = l_x/i_x, где l_x – расчетная длина колонны относительно оси X-X, а i_x – радиус инерции всего сечения колонны относительно оси X-X.

   • Важным параметром является предельная гибкость колонн λ_u. Согласно СП 16.13330.2017, для центрально-сжатых колонн она не должна превышать 120 (при полном использовании несущей способности). В случае, если расчетная гибкость превышает это значение, колонна считается слишком гибкой и требует пересмотра сечения. Что это значит для проектировщика? Это сигнализирует о необходимости увеличения жесткости сечения, возможно, за счет использования более массивных швеллеров или изменения схемы закрепления.

Расчет устойчивости относительно свободной оси Y-Y (приведенная гибкость и равноустойчивость)

Наиболее сложным и критически важным аспектом расчета сквозных колонн является проверка устойчивости относительно свободной оси Y-Y. Здесь колонна ведет себя не как сплошностенчатый элемент, а как система, жесткость которой определяется податливостью соединительных элементов. Для учета этой податливости вводится понятие приведенной гибкости λ_ef.

Приведенная гибкость λ_ef – это условный параметр, который позволяет учесть снижение жесткости сквозного стержня за счет деформаций соединительных планок или раскосов. Для колонны с планками формула для приведенной гибкости имеет вид:

λef = √(λy2 + λ12)

Где:

• λ_y = l_y/i_y — гибкость колонны относительно свободной оси Y-Y, рассматриваемой как сплошного сечения.
  • l_y — расчетная длина колонны относительно свободной оси Y-Y.
  • i_y — радиус инерции всего сквозного сечения колонны относительно свободной оси Y-Y. Определяется по формуле: i_y = √(I_y / A), где I_y – момент инерции всего сечения относительно оси Y-Y, а A – площадь всего сечения. Для двух швеллеров, расположенных полками внутрь, I_y = 2 ⋅ (I_y.шв + F_шв ⋅ (a/2 + x₀)²), где I_y.шв, F_шв, x₀ – характеристики одного швеллера, а a – расстояние между ветвями (расстояние между осями швеллеров).
• λ₁ = l₁/i₁ — гибкость отдельной ветви на участке между смежными планками относительно оси 1-1 (оси, проходящей через центр тяжести одной ветви и перпендикулярной плоскости планок).
  • l₁ — расстояние между центрами смежных планок (длина участка ветви).
  • i₁ — радиус инерции одной ветви относительно оси, параллельной оси Y-Y и проходящей через центр тяжести одной ветви. Для швеллера, расположенного полками внутрь, i₁ = i_y.шв, где i_y.шв – радиус инерции одного швеллера относительно его собственной оси Y-Y.

Коэффициент продольного изгиба φ относительно свободной оси определяется по формулам (8) и (9) для сечений типа b СП 16.13330.2017, с заменой в них λ на λ_ef.

Принцип равноустойчивости стержня заключается в том, чтобы добиться примерно одинаковой несущей способности колонны относительно обеих главных осей (X-X и Y-Y). Это достигается путем подбора расстояния между ветвями колонны. Оптимальное расстояние между ветвями (a) выбирается таким образом, чтобы гибкость относительно материальной оси λ_x была максимально близка к приведенной гибкости относительно свободной оси λ_ef. Это обеспечивает наиболее эффективное использование материала, а значит, и экономичность конструкции.

Также важно соблюсти требование: гибкость отдельной ветви на участке между смежными узлами решетки (λ₁) не должна превышать приведенной гибкости всего стержня (λ_ef). Это условие предотвращает потерю местной устойчивости отдельных ветвей между планками, что могло бы привести к преждевременному разрушению. Какой важный нюанс здесь упускается? Часто забывают, что даже при общей устойчивости, местная потеря устойчивости одной ветви может инициировать разрушение всей колонны, поэтому проверка λ₁ критически важна.

В сплошностенчатых ветвях колонн сквозного сечения ребра жесткости (если они требуются для местной устойчивости стенки) следует устанавливать только в узлах крепления соединительных решеток (планок). Это обеспечивает эффективное включение ребер в работу и исключает их деформации, которые могли бы привести к преждевременной потере устойчивости.

Конструирование соединительных элементов (планок)

Соединительные элементы – планки или решетки – играют ключевую роль в обеспечении совместной работы ветвей сквозной колонны. Они связывают отдельные профили в единую пространственную систему, передают поперечные силы и обеспечивают общую устойчивость, что является залогом надежности всей конструкции.

Типы соединительных решеток

В практике проектирования сквозных колонн используются два основных типа соединительных решеток:

1. Безраскосные решетки (планки): Представляют собой листовые элементы, привариваемые или приклепываемые к полкам ветвей. Они образуют в плоскости грани колонны безраскосную систему с жесткими узлами. Элементы такой решетки работают преимущественно на изгиб.
   • Преимущества: Простота изготовления, меньший расход металла на сами соединительные элементы.
   • Недостатки: Большая податливость по сравнению с раскосными, хуже сопротивляются воздействиям больших поперечных сил.
   • Область применения: Часто применяются в колоннах и стойках сравнительно небольшой мощности (с расчетной нагрузкой до 2000-2500 кН), а также в случаях, когда эстетические требования диктуют более «гладкий» внешний вид.
2. Раскосные решетки: Обычно выполняются из одиночных уголков или других профилей, расположенных по типу фермы. Все элементы такой решетки работают на осевые усилия (растяжение/сжатие).
   • Преимущества: Значительно более жесткие, особенно против кручения, так как образуют в плоскости грани колонны ферменную систему. Обладают высокой несущей способностью при больших поперечных силах.
   • Недостатки: Более сложны в изготовлении, требуют больше металла на соединительные элементы.
   • Область применения: Используются в мощных колоннах, воспринимающих значительные поперечные силы, или в конструкциях, где требуется высокая пространственная жесткость.

Выбор типа решетки зависит от расчетной нагрузки, требуемой жесткости, экономических факторов и технологических возможностей производства. Для центрально-сжатых колонн с умеренными поперечными силами, безраскосные решетки из планок являются наиболее распространенным и эффективным решением.

Расчет планок

Соединительные элементы сквозной колонны, будь то планки или раскосы, должны быть рассчитаны на восприятие поперечной силы, которая возникает не только от внешних горизонтальных воздействий, но и от условного изгибающего момента, возникающего при потере устойчивости.

Согласно п. 7.2.7 СП 16.13330.2017, соединительные элементы рассчитывают на условную поперечную силу Q_fic, возникающую при изгибе от критической силы. Эта сила учитывает депланацию сечения и податливость соединений. Формула для определения Q_fic:

Qfic = (N ⋅ π / (2 ⋅ λef ⋅ ly)) ⋅ (1 - (N / Ncr))

Где:

• N — расчетное усилие в колонне.
• π — математическая константа (3.14159…).
• λ_ef — приведенная гибкость колонны относительно свободной оси Y-Y.
• l_y — расчетная длина колонны относительно свободной оси Y-Y.
• N_cr — критическая сила для всей колонны, вычисленная по формуле Эйлера: N_cr = (π² ⋅ E ⋅ I_ef) / l_y², где E – модуль упругости стали, I_ef – приведенный момент инерции колонны. Для простоты, СП 16.13330.2017 (формула 18) предписывает принимать Q_fic по формуле, в которой φ = 1 (то есть без учета коэффициента продольного изгиба), а N следует вычислять по формуле (74) для определения критической силы.

Qfic = (1,5 ⋅ N) / (200 ⋅ ief) ⋅ (1 - (N / Nu))

Где:

• N — расчетное усилие в колонне.
• i_ef — приведенный радиус инерции колонны.
• N_u — предельная несущая способность колонны по устойчивости, которая определяется с учетом коэффициента продольного изгиба.

Важно, что условная поперечная сила принимается постоянной по высоте стержня и распределяется поровну между плоскостями планок (решеток). Это означает, что каждая плоскость планок (по одной из сторон колонны) должна быть рассчитана на Q_fic/2, что гарантирует равномерность распределения нагрузки.

Сами планки, работая на изгиб, должны быть рассчитаны на прочность и местную устойчивость. При этом расчетной длиной для проверки местной устойчивости является расстояние между точками крепления планки к ветвям.

Конструктивные требования к планкам

Помимо прочностных расчетов, существуют и конструктивные требования к планкам:

• Установка планок: Планки рекомендуется устанавливать таким образом, чтобы гибкость отдельной ветви на участке между планками не превышала 30 (т.е., λ₁ = l₁/i₁ ≤ 30). Это обеспечивает достаточную местную жесткость ветвей и предотвращает их потерю устойчивости между планками.
• Толщина планок (t_пл): Обычно принимается конструктивно в пределах от 6 до 12 мм. Однако эта толщина должна быть обязательно проверена по условиям местной устойчивости пластины (планки) под действием изгибающих моментов и поперечных сил. Для этого используются формулы проверки устойчивости плоских элементов, например, по таблицам СП 16.13330.2017.
• Ширина планок (b_пл): Не должна быть слишком малой, чтобы обеспечить достаточную площадь для сварного шва и жесткость. Обычно ширина планок составляет (0,5-0,75) ⋅ b, где b – габаритная ширина колонны в плоскости планок.

Правильно спроектированные планки обеспечивают не только совместную работу ветвей, но и общую устойчивость сквозной колонны, что является критически важным для ее несущей способности. Что из этого следует? Недооценка роли планок может привести к преждевременному исчерпанию несущей способности конструкции, даже если основные ветви колонны рассчитаны верно.

Расчет и конструирование узлов колонны (оголовок и база)

Узлы колонны – оголовок и база – являются критически важными элементами, обеспечивающими эффективную передачу нагрузки от вышележащих конструкций к стержню колонны, а затем от стержня к фундаменту. Их некорректное конструирование и расчет могут привести к концентрации напряжений, преждевременному разрушению или потере устойчивости, ставя под угрозу безопасность всего сооружения.

Конструирование и расчет оголовка колонны

Функция оголовка: Главная задача оголовка – это передача сжимающего усилия от вышележащих конструкций (например, балок или ферм) строго по центру тяжести сечения стержня колонны. Любой эксцентриситет, возникающий в оголовке, вызовет изгибающий момент в колонне, что значительно снизит ее несущую способность по устойчивости, а значит, и общую надежность.

Основные элементы оголовка:

• Опорная плита: Принимает нагрузку от вышележащих балок. Если торец стержня колонны фрезерован (т.е. точно обработан, обеспечивая плотный контакт со всей площадью плиты), опорная плита обычно принимается квадратной, а ее толщина определяется расчетом на изгиб от распределенной нагрузки.
• Вертикальная траверса: Это листовой элемент, который передает нагрузку от опорной плиты непосредственно на стенки ветвей колонны. Она располагается между ветвями и приваривается к их стенкам.
  • Толщина траверсы (t_тр): Определяется из расчета на смятие под опорной плитой. Для этого используется формула:

    P ≤ Rp ⋅ γc ⋅ Aсмятия

    Где P – передаваемое усилие; R_p – расчетное сопротивление смятию; A_смятия – площадь смятия.

  • Высота траверсы (h_тр): Находится из расчета сварных швов для крепления ее к стенке. Общая длина сварных швов должна быть достаточной для восприятия усилия, передаваемого траверсой.

Требования к сварным швам: Качество и размеры сварных швов имеют решающее значение для надежности узла. Согласно п. 14.1.7 СП 16.13330.2017, катет сварного шва (k_f) назначается с учетом следующих правил:

• Максимальный размер: k_f не должен превышать 1,2 ⋅ t, где t — наименьшая из толщин свариваемых элементов. Это предотвращает перегрев тонкого элемента и его прожог, что гарантирует целостность соединения.
• Минимальный размер: Определяется по таблице 38 СП 16.13330.2017 и зависит от толщины более толстого из свариваемых элементов и предела текучести стали.
  • Пример: Для ручной дуговой сварки при стали с пределом текучести до 285 Н/мм²:
    • Толщина более толстого элемента от 4 до 16 мм: минимальный катет k_f = 4 мм.
    • Толщина от 33 до 40 мм: минимальный катет k_f = 12 мм.
  • Для толщин элементов более 40 мм, а также если толщина более тонкого из свариваемых элементов t ≤ 0,6T (где T – толщина более толстого элемента), минимальный катет k_f следует принимать по расчету.

Расчет сварных швов, крепящих колонну к плите: Эти швы рассчитываются не только на основное сжимающее усилие N, но и на условное усилие 0,15N, которое моделирует возможный эксцентриситет или местный изгиб. Это является дополнительной мерой безопасности, что позволяет значительно повысить надежность соединения.

Дополнительные элементы: Для увеличения жесткости траверсы и предотвращения потери устойчивости стенок ветвей колонны в местах передачи больших сосредоточенных нагрузок к н��жнему концу траверсы может привариваться горизонтальное ребро. Оно воспринимает местные изгибающие моменты и равномернее распределяет нагрузку, оптимизируя работу узла.

Конструирование и расчет базы колонны

Функция базы: База колонны служит для передачи нагрузки от стержня колонны на фундамент. Она должна обеспечить равномерное распределение давления на фундамент, чтобы избежать его локального разрушения или недопустимых деформаций.

Конструирование баз:

• При не фрезерованном торце стержня колонны (что характерно для большинства сварных конструкций), нагрузка передается через сварные швы и/или через дополнительные элементы – траверсы. Траверсы могут быть выполнены из листов или швеллеров и привариваются к ветвям колонны, образуя «коробчатую» или «крестообразную» конструкцию, которая затем опирается на опорную плиту.
• При фрезерованном торце стержня основная нагрузка передается непосредственно через торцы ветвей на опорную плиту, а сварные швы служат для конструктивного крепления.

Расчет плиты базы:

1. Определение размеров в плане: Требуемая площадь опорной плиты (A_пл) определяется исходя из несущей способности материала фундамента:

   Aпл ≥ N / Rfund

   Где:

   • N — расчетная нагрузка на колонну.
   • R_fund — расчетное сопротивление материала фундамента (бетона или кладки) смятию, принимаемое по нормативным документам для фундаментов.

   По полученной площади назначаются габаритные размеры плиты (ширина и длина), которые обычно принимаются кратными стандартным размерам или с учетом технологичности.

2. Определение толщины плиты: Толщина плиты базы определяется из расчета на изгиб. Плита рассматривается как плита, опертая по контуру (или по двум сторонам), под действием равномерно распределенного давления от фундамента и сосредоточенных сил (или распределенного давления) от стержня колонны. Наиболее напряженные участки плиты расположены под ветвями колонны и между ними. Расчет толщины выполняется по формуле для изгибаемого элемента:

   M / W ≤ Ry ⋅ γc

   Где M — изгибающий момент в плите, W — момент сопротивления сечения плиты.

Помимо расчета на прочность, необходимо также предусмотреть анкерные болты для крепления колонны к фундаменту, их расчет производится на сдвиг и, при необходимости, на выдергивание (для колонн, работающих с моментом), обеспечивая тем самым надежность всего узла.

Заключение

Проектирование центрально-сжатой сквозной колонны из двух прокатных швеллеров является многогранной инженерной задачей, требующей глубоких знаний в области строительной механики, сопротивления материалов и нормативного регулирования. В рамках данной курсовой работы было детально рассмотрено каждое звено этого сложного процесса: от выбора материалов до конструирования мельчайших узлов.

Мы убедились, что надежность такой колонны зависит не только от прочности самой стали, но и от ее устойчивости – как общей, так и местной. Ключевое значение имеет понимание принципов равноустойчивости, которое достигается путем кропотливого подбора сечения и расстояния между ветвями, а также учет податливости соединительных элементов через концепцию приведенной гибкости. Детализированный подход к выбору марки стали с учетом группы конструкций, расчетной температуры, ударной вязкости и, что крайне важно для сварных конструкций, углеродного эквивалента, позволяет избежать распространенных ошибок и обеспечить долговечность сооружения.

Особое внимание было уделено конструированию и расчету узлов – оголовка и базы колонны. Эти элементы, зачастую недооцениваемые, играют решающую роль в передаче усилий и равномерном распределении нагрузок. Строгое соблюдение требований СП 16.13330.2017 к сварным швам, включая правила назначения минимальных и максимальных катетов, является фундаментом для обеспечения прочности и безопасности этих критических сопряжений. Недостаточный контроль за этими параметрами может привести к преждевременному разрушению узла, что, в свою очередь, поставит под угрозу всю конструкцию.

Полученные знания и разработанные алгоритмы являются не просто теоретической выкладкой, но и практическим руководством для будущих инженеров. Они формируют прочную основу для самостоятельного проектирования, позволяя принимать обоснованные конструктивные решения и обеспечивать соответствие проектов действующим строительным нормам. Дальнейшие направления исследований могут включать оптимизацию сквозных колонн с использованием конечно-элементного анализа, изучение их поведения при динамических и сейсмических нагрузках, а также разработку инновационных решений для соединительных элементов, что позволит еще более эффективно использовать потенциал стальных конструкций в современном строительстве. Разве не это является истинной целью любого инженерного поиска?

Список использованной литературы

1. Мандриков А. П. Примеры расчета металлических конструкций: Учебное пособие для техникумов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1991. 431 с.
2. Кудишин Ю. И., Беленя Е. И., Игнатьева В. С. и др. Металлические конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Под общ. ред. Ю. И. Кудишина. 8-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 688 с.
3. Горев В. В., Уваров Б. Ю., Филиппов В. В. и др. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций: Учебное пособие для строит. вузов / Под ред. В. В. Горева. М.: Высш. шк., 1997. 527 с.
4. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой России. М.: ГУПЦПП, 2003. 36 с.
5. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 52-101-2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. М.: ОАО «ЦНИИПромзданий, 2005. 214 с.
6. СП 16.13330.2017. Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* (утв. Приказом Минстроя России от 27.02.2017 N 126/пр) (ред. от 09.12.2024). URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_212891/
7. ГОСТ 8240-97 Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200002165
8. ScadSoft — Расчет центрально-сжатой колонны сквозного сечения из двух прокатных швеллеров. URL: https://scadsoft.com/help/kristall/html/scadsoft_5_2.htm
9. Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р.Е. Алексеева — Проектирование сварных конструкций. URL: https://www.nntu.ru/frontend/web/assets/pdf/person/temnikov_v_g_lekcii_metallicheskie_konstrukcii.pdf
10. NormaCS.info — Подбор требуемой марки стали для конструкций по приложению «В» СП 16.13330.2017. URL: https://normacs.info/answers/3941-podbor-trebuemoy-marki-stali-dlya-konstruktsiy-po-prilozheniyu-v-sp-16-13330-2017
11. Сквозные составные колонны — технические характеристики. URL: https://ros-pipe.ru/skvoznye-sostavnye-kolonny/
12. Расчет центрально-сжатой колонны. URL: https://stroy-spravka.ru/raschet-tsentralno-szhatoj-kolonny/
13. Иркутский национальный исследовательский технический университет — Проектирование строительных конструкций — ПОРЕКТИРОВАНИЕ РАБОЧЕЙ ПЛОЩАДКИ. URL: https://www.istu.edu/files/upload/faculties/is/kafedry/psk/posob/porektirovanie_rabochey_ploschadki.doc
14. Строительные конструкции — Подбор сечения сквозной центрально-сжатой колонны. URL: https://stroykonstruktsii.ru/podbor-secheniya-skvozney-tsentralno-szhatoy-kolonny/
15. Конструирование и расчет оголовка и базы центрально — сжатой колонны. URL: https://vunivere.ru/work35811
16. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»: основные положения и требования. URL: https://normacs.ru/articles/655
17. Сквозные колонны — Центрально сжатые колонны — Колонны — Проектирование стальных конструкций. URL: https://ktoh.ru/kolonny/skvoznie-kolonny
18. Требования к проектированию стальных колонн по СП 16.13330.2011 (СНиП II-23-81) и СП 53-102-2004. URL: https://gosthelp.ru/standart/p/16279/kolonni_stalnie_trebovaniya.html
19. О методике выбора марки стали — Информпроект. URL: https://informproekt.com/o-metodike-vybora-marki-stali/
20. СВОД ПРАВИЛ. СТАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. АКТУАЛИЗИРОВАННАЯ РЕДАКЦИЯ СНиП II-23-81*. — СП 16.13330.2017 — читать онлайн, скачать бесплатно. URL: https://propb.ru/sp/sp-16-13330-2017/
21. СНиП 11-23-81*. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200084478
22. СП 16.13330.2017 Стальные конструкции | Строительный форум ВашДом.RU. URL: https://forum.vashdom.ru/threads/sp-16-13330-2017-stalnye-konstrukcii.64821/
23. Подбор сечения стержня сквозной колонны и проверка ее несущей способности. Усилие в решетке сквозного стержня от воздействия условной поперечной силы. URL: https://doc.fips.ru/DB/PAT/WO/000/017/339/RU_2738917_C1_20201222.pdf
24. Каким образом назначается марка стали по СП 16.13330.2017? | Инженерум. URL: https://www.ingenereum.com/questions/kakim-obrazom-naznachaetsya-marka-stali-po-sp-16-13330-2017
25. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КОЛОНН ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ — БНТУ. URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/26916/raschet_i_konstruirovanie_kolonn_promyshlennyh_zdaniy.pdf?sequence=1&isAllowed=y
26. КОЛОННЫ И СТЕРЖНИ, РАБОТАЮЩИЕ НА ЦЕНТРАЛЬНОЕ СЖАТИЕ В металлических к. URL: https://metal-konstrukcii.ru/metallicheskie-konstrukcii/kolonny/kolonny-i-sterzhni-rabotayushhie-na-centralnoe-szhatie.html
27. МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. URL: https://docs.cntd.ru/document/556094247