Расчет стальной стойки пример. Расчет металлических колонн. Расчет прикрепления стойки к фундаменту

Вычисление усилий в стойках производят с учетом приложенных к стойке нагрузок.

Средние стойки

Средние стойки каркаса здания работают и рассчитываются как центрально сжатые элементы на действие наибольшего сжимающего усилия N от собственного веса всех конструкций покрытия (G) и снеговой нагрузки и снеговой нагрузки (Рсн ).

Рисунок 8 – Нагрузки на среднюю стойку

Расчет центрально сжатых средних стоек производят:

а) на прочность

где - расчетное сопротивление древесины сжатию вдоль волокон;

Площадь нетто поперечного сечения элемента;

б) на устойчивость

где – коэффициент продольного изгиба;

– расчетная площадь поперечного сечения элемента;

Нагрузки собираются с площади покрытия по плану, приходящейся на одну среднюю стойку ().

Рисунок 9 – Грузовые площади средней и крайней колонн

Крайние стойки

Крайняя стойка находится под действием продольных по отношению к оси стойки нагрузок (G и Рсн ), которые собираются с площади и поперечных , и Х. Кроме этого от действия ветра возникает продольная сила .

Рисунок 10 – Нагрузки на крайнюю стойку

G – нагрузка от собственного веса конструкций покрытия;

Х – горизонтальная сосредоточенная сила, приложенная в точке примыкания ригеля к стойке.

В случае жесткой заделки стоек для однопролетной рамы:

Рисунок 11 – Схема нагрузок при жестком защемлении стоек в фундаменте

где - горизонтальные ветровые нагрузки соответственно от ветра слева и справа, приложенные к стойке в месте примыкания к ней ригеля.

где - высота опорного сечения ригеля или балки.

Влияние сил будет существенно, если ригель на опоре имеет значительную высоту.

В случае шарнирного опирания стойки на фундамент для однопролетной рамы:

Рисунок 12 – Схема нагрузок при шарнирном опирании стоек на фундаменте

Для многопролетных рамных конструкций при ветре слева p 2 и w 2 , а при ветре справа p 1 и w 2 будут равны нулю.

Крайние стойки рассчитываются как сжато-изгибаемые элементы. Значения продольной силы N и изгибающего момента M принимаются для такого сочетания нагрузок, при котором возникают наибольшие сжимающие напряжения.

1) 0.9(G + P c + ветер слева)

2) 0.9(G + P c + ветер справа)

Для стойки, входящей в состав рамы, максимальный изгибающий момент берут как max из вычисленных для случая ветра слева М л и справа М пр:

где е – эксцентриситет приложения продольной силы N, которая включает наиболее неблагоприятное сочетание нагрузок G, P c , P b – каждая со своим знаком.

Эксцентриситет для стоек с постоянной высотой сечения равен нулю (е = 0), а для стоек с переменной высотой сечения берется как разность между геометрической осью опорного сечения и осью приложения продольной силы.

Расчет сжато – изогнутых крайних стоек производится:

а) на прочность:

б) на устойчивость плоской формы изгиба при отсутствии закрепления или при расчетной длине между точками закрепления l p > 70b 2 /n по формуле:

Геометрические характеристики, входящие в формулы, вычисляются в опорном сечении. Из плоскости рамы стойки рассчитывают как центрально сжатый элемент.

Расчет сжатых и сжато-изогнутых составного сечения производится по приведенным выше формулам, однако при вычислении коэффициентов φ и ξ в этих формулах учитывается увеличение гибкости стойки за счет податливости связей, соединяющих ветви. Эта увеличенная гибкость названа приведенной гибкостью λ n .

Расчет решетчатых стоек можно свести к расчету ферм. При этом ветровая равномерно распределенная нагрузка сводится к сосредоточенным грузам в узлах фермы. Считается, что вертикальные силы G, P c , P b воспринимаются только поясами стойки.

Высота стойки и длина плеча приложения силы P выбирается конструктивно, согласно чертежу. Возьмем сечение стойки как 2Ш. Исходя из соотношения h 0 /l=10 и h/b=1,5-2 выбираем сечение не больше h=450мм и b=300мм.

Рисунок 1 – Схема нагружения стойки и поперечное сечение.

Общая масса конструкции составляет:

m= 20,1+5+0,43+3+3,2+3 = 34,73 тонн

Вес приходящий на одну из 8 стоек составляет:

P = 34,73 / 8 = 4,34 тонн = 43400Н – давление на одну стойку.

Сила действует не в центре сечения, поэтому она вызывает момент, равный:

Мх = P*L; Мх = 43400 * 5000 = 217000000 (Н*мм)

Рассмотрим стойку коробчатого сечения, сваренную из двух пластин

Определение эксцентриситетов:

Если эксцентриситет т х имеет значение от 0,1 до 5 - внецентренно сжатой (растянутой) стойкой; если т от 5 до 20, то растяжение или сжатие балки необходимо учитывать в расчете.

т х =2,5 - внецентренно сжатая (растянутая) стойка.

Определение размера сечения стойки:

Основной нагрузкой для стойки является продольная сила. Поэто­му для выбора сечения используют расчет на прочность при растяже­нии (сжатии):

(9)

Из этого уравнения находят требуемую площадь поперечного сечения

,мм 2 (10)

Допускаемое напряжение [σ] при работе на выносливость зависит от марки стали, концентрации напряжений в сечении, числа циклов нагружения и асимметрии цикла. В СНиП допускаемое напряжение при работе на выносливость определяют по формуле

(11)

Расчетное сопротивление R U зависит от концентрации напряжения и от предела текучести материала. Концентрация напряжении в свар­ных соединениях чаще всего обусловлена сварными швами. Значение коэффициента концентрации зависит от формы, размеров и расположения швов. Чем выше концентрация напряжений, тем ниже допуска­емое напряжение.

Наиболее нагруженное сечение проектируемой в работе стержневой конструкции расположено вблизи места ее прикрепления к стенке. Прикрепление лобовыми угловыми швами соответствует 6-й группе, следовательно, R U = 45 МПа.

Для 6-й группы, при п = 10 -6 , α = 1,63;

Коэффициент у отражает зависимость допускаемых напряжений от показателя асимметрии цикла р, равного отношению минимального напряжения за цикл к максимальному, т. е.

-1≤ρ<1,

а также от знака напряжений. Растяжение способствует, а сжатие препятствует возникновению трещин, поэтому значение γ при одинаковых ρ зависит от знака σ мах. В случае пульсирующего нагружения, когда σ min = 0, ρ=0 при сжатии γ=2 при растяжении γ= 1,67.

При ρ→ ∞ γ→∞. При этом допускаемое напряжение [σ] становится очень большим. Это означает, что опасность усталостного разрушения уменьшается, но не означает что прочность обеспечена, так как возможно разрушение при первом нагружении. Поэтому при определении [σ]необходимо учесть условия статической прочности и устойчивости.

При статическом растяжении (без изгиба)

[σ] = R у. (12)

Значение расчетного сопротивления R у по пределу текучести опре­деляют по формуле

(13)

где γ м - коэффициент надежности по материалу.

Для 09Г2С σ Т = 325 МПа, γ т = 1,25

При статическом сжатии допускаемое напряжение снижают в свя­зи с опасностью потери устойчивости:

где 0 < φ < 1. Коэффициент φ зависит от гибкости и относительного эксцентриситета. Его точное значение может быть найдено только после определения размеров сечения. Для ориентировочного выбора Атрпо формуле следует задаться значением φ. При небольшом эксцентриситете приложения нагрузки можно принять φ = 0,6. Такой коэффициент означает, что прочность стержня при сжатии из-за по­тери устойчивости снижается до 60% от прочности при растяжении.

Подставляем данные в формулу:

Из двух значений [ σ] выбираем наименьшее. И в дальнейшем по нему будет вестись расчет.

Допускаемое напряжение

Поставляем данные в формулу:

Так как 295,8мм 2 крайне малая площадь сечения, исходя из конструктивных размеров и величины момента увеличиваем до

Номер швеллера подберем по площади.

Минимальная площадь швеллера должна составлять – 60 см 2

Номер швеллера – 40П. Имеет параметры:

h=400 мм; b=115мм; s=8мм; t=13,5мм; F=18,1 см 2 ;

Получаем площадь сечения стойки, состоящую из 2 швеллеров – 61,5 см 2 .

Подставим данные в формулу 12 и рассчитаем напряжения еще раз:

=146,7 МПа

Действующие напряжения в сечении меньше предельных напряжений для металла. Это означает, что материал конструкции выдерживает приложенную нагрузку.

Проверочный расчет общей устойчивости стоек.

Такая проверка требуется только при действии сжимающих про­дольных сил. Если силы приложены к центру сечения (Мх=Му=0),тоснижение статической прочности стойки за счет потери устойчивости оценивают коэффициентом φ, зависящим от гибкости стойки.

Гибкость стойки относительно материальной оси (т. е. оси, пересе­кающей элементы сечения) определяют по формуле:

(15)

где – длина полуволны изогнутой оси стойки,

μ – коэффициент зависящий от условия закрепления; при консоли = 2;

i min - радиус инерции, находится по формуле:

(16)

Подставляем данные в формулу 20 и 21:

Расчет устойчивости проводят по формуле:

(17)

Коэффициент φ у определяют так же как при центральном сжатии, по табл. 6 в зависимости от гибкости стойки λ у (λ уо) при изгибе вокруг оси у. Коэффициент с учитывает yуменьшение устойчивости от действия момента М х.

1. Получение сведений о материале стержня для определения предельной гибкости стержня расчетным путем или по таблице:

2. Получение сведений о геометрических размерах поперечно­го сечения, длине и способах закрепления концов для определения категории стержня в зависимости от гибкости:

где А - площадь сечения; J m i n - минимальный момент инерции (из осевых);

μ - коэффициент приведенной длины.

3. Выбор расчетных формул для определения критической силы и критического напряжения.

4. Проверка и обеспечение устойчивости.

При расчете по формуле Эйлера условие устойчивости:

F - действующая сжимающая сила; - допускаемый коэффици­ент запаса устойчивости.

При расчете по формуле Ясинского

где a, b - расчетные коэффициенты, зависящие от материала (величины ко­эффициентов приводятся в таблице 36.1)

В случае невыполнения условий устойчивости необходимо уве­личить площадь поперечного сечения.

Иногда необходимо определить запас устойчивости при задан­ном нагружении:

При проверке устойчивости сравнивают расчетный запас вынос­ливости с допускаемым:

Примеры решения задач

Решение

1. Гибкость стержня определяется по формуле

2. Определяем минимальный радиус инерции для круга.

Подставив выражения для J min и А (сечение круг)

1. Коэффициент приведения длины для данной схемы крепле­ния μ = 0,5.
2. Гибкость стержня будет равна

Пример 2. Как изменится критическая сила для стержня, ес­ли изменить способ закрепления концов? Сравнить представленные схемы (рис. 37.2)

Решение

Критическая сила увеличится в 4 раза.

Пример 3. Как изменится критическая сила при расчете на устойчивость, если стержень двутаврового сечения (рис. 37.3а, дву­тавр № 12) заменить стержнем прямоугольного сечения той же пло­щади (рис. 37.3б) ? Остальные параметры конструкции не меняются. Расчет выполнить по формуле Эйлера.

Решение

1. Определим ширину сечения прямоугольника, высота сечения равна высоте сечения двутавра. Геометрические параметры двутавра № 12 по ГОСТ 8239-89 следующие:

площадь сечения А 1 = 14,7см 2 ;

минимальный из осевых моментов инерции.

По условию площадь прямоугольного сечения равна площади сечения двутавра. Определяем ширину полосы при высоте 12 см.

2. Определим минимальный из осевых моментов инерции.

3. Критическая сила определяется по формуле Эйлера:

4. При прочих равных условиях отношение критических сил рав­но отношению минимальных моментов инерции:

5. Таким образом, устойчивость стержня с сечением двутавр № 12 в 15 раз выше, чем устойчивость стержня выбранного пря­моугольного сечения.

Пример 4. Проверить устойчивость стержня. Стержень длиной 1 м защемлен одним концом, сечение - швеллер № 16, материал - СтЗ, запас устойчивости трехкратный. Стержень нагружен сжима­ющей силой 82 кН (рис. 37.4).

Решение

1. Определяем основные геометрические пара­метры сечения стержня по ГОСТ 8240-89. Швеллер № 16: площадь сечения 18,1см 2 ; минимальный осевой момент сечения 63,3 см 4 ; мини­мальный радиус инерции сечения г т; п = 1,87см.

Предельная гибкость для материала СтЗ λ пред = 100.

Расчетная гибкость стержня при длине l = 1м = 1000мм

Рассчитываемый стержень - стержень большой гибкости, рас­чет ведем по формуле Эйлера.

4. Условие устойчивости

82кН < 105,5кН. Устойчивость стержня обеспечена.

Пример 5. На рис. 2.83 показана расчетная схема трубчатой стойки самолетной конструкции. Проверить стойку на устойчивость при [n у ] = 2,5, если она изготовлена из хромоникелевой стали, для которой Е = 2,1*10 5 и σ пц = 450 Н/мм 2 .

Решение

Для расчёта на устойчивость должна быть известна критическая сила для заданной стойки. Необходимо установить, по какой формуле следует вычислять критическую силу, т. е. надо сопоставить гибкость стойки с предельной гибкостью для её материала.

Вычисляем величину предельной гибкости, так как табличных данных о λ, пред для материала стойки не имеется:

Для определения гибкости рассчитываемой стойки вычисляем геометрические характеристики ее поперечного сечения:

Определяем гибкость стойки:

и убеждаемся, что λ < λ пред, т. е. критическую силу можно опреде­лить ею формуле Эйлера:

Вычисляем расчетный (действительный) коэффициент запаса устойчивости:

Таким образом, n у > [n у ] на 5,2%.

Пример 2.87. Проверить на прочность и устойчи­вость заданную стержневую систему (рис. 2.86), Материал стержней - сталь Ст5 (σ т = 280 Н/мм 2). Требуемые коэффи­циенты запаса: прочности [n] = 1,8; устойчивости = 2,2. Стержни имеют круглое поперечное сечение d 1 = d 2 = 20 мм, d 3 = 28 мм.

Решение

Вырезая узел, в котором сходятся стержни, и составляя уравнения равновесия для действующих на него сил (рис. 2.86)

устанавливаем, что заданная система статически неопре­делима (три неизвестных усилия и два уравнения ста­тики). Ясно, что для расчета стержней на прочность и устойчивость необходимо знать величины продольных сил, возникающих в их поперечных сечениях, т. е. нужно раскрыть статическую неопределимость.

Составляем уравнение перемещений на основе диа­граммы перемещений (рис. 2.87):

или, подставляя значения изменений длин стержней, по­лучаем

Решив это уравнение совместно с уравнениями ста­тики, найдем:

Напряжения в поперечных сечениях стержней 1 и 2 (см. рис. 2.86):

Их коэффициент запаса прочности

Для определения коэффициента запаса устойчивости стержня 3 надо вычислить критическую силу, а это тре­бует определения гибкости стержня, чтобы решить, какой формулой для нахождения N Kp следует воспользоваться.

Итак, λ 0 < λ < λ пред и крити­ческую силу следует определять по эмпирической формуле:

Коэффициент запаса устой­чивости

Таким образом, расчет пока­зывает, что коэффициент запаса устойчивости близок к требуемо­му, а коэффициент запаса проч­ности значительно выше требуемого, т. е. при увеличении нагрузки системы потеря устойчивости стержнем 3 вероят­нее, чем возникновение текучести в стержнях 1 и 2.

Поперечник здания (рис. 5) один раз статически неопределим. Неопределимость раскрываем, исходя из условия одинаковой жесткости левой и правой стоек и одинаковой величины горизонтальных перемещений шарнирного конца стоек.

Рис. 5. Расчетная схема рамы

5.1. Определение геометрических характеристик

1. Высота сечения стойки
. Примем
.

2. Ширина сечения стойки принимается по сортаменту с учетом острожки
мм .

3. Площадь сечения
.

Момент сопротивления сечении
.

Статический момент
.

Момент инерции сечения
.

Радиус инерции сечения
.

5.2. Сбор нагрузки

а) горизонтальные нагрузки

Погонные ветровые нагрузки

, (Н/м)

,

где - коэффициент, учитывающий значение ветрового давления по высоте (приложение табл. 8);

- аэродинамические коэффициенты (при
м принять
;
);

- коэффициент надежности по нагрузке;

- нормативное значение ветрового давления (по заданию).

Сосредоточенные силы от ветровой нагрузки на уровне верха стойки:

,
,

где - опорная часть фермы.

б) вертикальные нагрузки

Нагрузки соберем в табличной форме.

Таблица 5

Сбор нагрузки на стойку, Н

Наименование
Постоянная
1. От панели покрытия
2. От несущей конструкции
3. Собственный вес стойки (ориентировочно)
Всего:
Временная
4. Снеговая

Примечание:

1. Нагрузка от панели покрытия определяется по таблице 1

,
.

2. Нагрузки от балки определяется

.

3. Собственный вес арки
определяется:

Верхний пояс
;

Нижний пояс
;

Стойки.

Для получения расчетной нагрузки элементы арки умножаются на , соответствующие металлу или дереву.

,
,
.

Неизвестная
:
.

Изгибающий момент в основании стойки
.

Поперечная сила
.

5.3. Проверочный расчет

В плоскости изгиба

1. Проверка по нормальным напряжениям

,

где - коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы.

;
,

где - коэффициент закрепления (принять 2,2);
.

Недонапряжение не должно превышать 20%. Однако, если приняты минимальные размеры стойки и
, то недонапряжение может превышать 20%.

2. Проверка опорной части на скалывание при изгибе

.

3. Проверка устойчивости плоской формы деформирования:

,

где
;
(табл. 2 прил. 4 ).

Из плоскости изгиба

4. Проверка на устойчивость

,

где
, если
,
;

- расстояние между связями по длине стойки. При отсутствии связей между стойками за расчетную длину принимается полная длина стойки
.

5.4. Расчет прикрепления стойки к фундаменту

Выпишем нагрузки
и
из таблицы 5. Конструкция прикрепления стойки к фундаменту приведена на рис. 6.

где
.

Рис. 6. Конструкция прикрепления стойки к фундаменту

2. Напряжения сжатия
, (Па)

где
.

3. Размеры сжатой и растянутой зон
.

4. Размеры и:

;
.

5. Максимальное усилие растяжения в анкерах

, (Н)

6. Требуемая площадь анкерных болтов

,

где
- коэффициент, учитывающий ослабление резьбой;

- коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в резьбе;

- коэффициент, учитывающий неравномерность работы двух анкеров .

7. Требуемый диаметр анкера
.

Принимаем диаметр по сортаменту (приложение табл. 9).

8. Для принятого диаметра анкера потребуется отверстие в траверсе
мм.

9. Ширина траверсы (уголка) рис. 4 должна быть не менее
, т.е.
.

Примем равнобокий уголок по сортаменту (приложение табл. 10).

11. Величина распределительной нагрузки на участке ширины стойки (рис. 7 б).

.

12. Изгибающий момент
,

где
.

13. Требуемый момент сопротивления
,

где - расчетное сопротивление стали принято 240 МПа.

14. Для предварительно принятого уголка
.

Если это условие выполняется переходим к проверке напряжения, если нет – возвращается к пункту 10 и принимаем больший уголок.

15. Нормальные напряжения
,

где
- коэффициент условий работы.

16. Прогиб траверсы
,

где
Па – модуль упругости стали;

- предельный прогиб (принять ).

17. Выберем диаметр горизонтальных болтов из условия их расстановки поперек волокон в два ряда по ширине стойки
, где
- расстояния по между осями болтов. Если принимаем болты металлические, то
,
.

Примем диаметр горизонтальных болтов по приложению табл. 10.

18. Наименьшая несущая способность болта:

а) по условию смятия крайнего элемента
.

б) по условию изгиба
,

где
- приложение табл. 11.

19. Количество горизонтальных болтов
,

где
- наименьшая несущая способность из п. 18;
- количество срезов.

Примем число болтов четное число, т.к. их расставляем в два ряда.

20. Длина накладки
,

где - расстояние между осями болтов вдоль волокон. Если болты металлические
;

- число расстояний по длине накладки.