Стальные колонны Иллюстрационный материал для объяснения нового материала по дисциплине «Строительные конструкции»

Стальные колонны
Иллюстрационный материал для объяснения нового
материала по дисциплине «Строительные конструкции»
Разработала: Преподаватель спецдисциплин, к.т.н Геллер Ю.А.
1
Содержание
1.
2.
3.
4.
Особенности работы стальных
конструкций под нагрузкой
Особенности работы материала
Расчет стальных конструкций
Ремонт стальных конструкций
2
Колонны



Колонна – брус, работающий преимущественно на
сжатие.
Колонны представляют собой вертикальные
стержневые элементы, передающие нагрузку от
вышерасположенных конструкций на фундамент или
нижерасположенные конструкции.
Классификация по материалу:
 Железобетонные
 Металлические (стальные)
 Деревянные
 Каменные
3
Стальные центрально-сжатые колонны
Некоторые теоретические основы и положения
По характеру работы различают:
центрально-сжатые и внецентренно сжатые колонны.

Центрально-сжатыми называются
элементы, нагрузка на которые
действует по центру тяжести сечения.
На внецентренно сжатые колонны сила
действует не по центру тяжести, а с
эксцентриситетом е0.
Центральное сжатие более выгодно, так как конструкция испытывает менее сложное напряженное
состояние, что позволяет проектировать более простые сечения элементов и полнее использовать
несущую способность материала.
Простейшей конструкцией стальной колонны является
сплошная колонна постоянного сечения, выполненная из
трубы или прокатного двутавра.
Кроме того, стальные колонны могут быть составного сечения,
выполненные из прокатных элементов: двух швеллеров,
уголков и т.д.
Центрально-сжатая
колонна сквозного сечения,
выполненная из двух
швеллеров
4
Эксцентриситет

Расстояние между
точкой приложения
силы от центра
тяжести сечения
колонны.
5





Несущая способность колонны может быть
исчерпана по ряду причин:
от потери общей устойчивости
от потери прочности
от потери местной устойчивости
Основной проблемой в центрально-сжатых колоннах,
рассматриваемых в данном пособии, является
потеря общей устойчивости – разрушение стрежня
вследствие появления продольного изгиба под
действием продольной силы.
6
Потеря прочности
Прочность материала
характеризуется
напряжением
(в МН/м2 или в кгс/см2),
разрушающим сам
материал.
Одинакова для любого
образца данного материала




Величина
прочности
материала
необходима для
расчета
прочности
конструкции
Прочность конструкции
определяется нагрузкой
(в Н или в кг), которая
приводит к разрушению
конструкции.
Характеризует только
данную конструкцию
Напряжение = нагрузка / площадь
Деформация = удлинение под действием нагрузки / первоначальная длина
Прочность - это напряжение, необходимое для разрушения материала. Модуль
Юнга характеризует жесткость материала.
Модуль Юнга = напряжение / деформация = E
7
Разрушение коротких
стержней



Если взять кирпич или небольшой
бетонный блок и подвергнуть их
действию значительной сжимающей
нагрузки, материал в конце концов,
разрушится.
Хрупкие
материалы,
например камень, кирпич, бетон или
стекло, обычно при этом рассыпаются
на куски, а иногда и в пыль.
Но, строго говоря, это вовсе не
разрушение сжатием, так как в
действительности оно почти всегда
происходит из-за сдвига.
Сжатие
и
растяжение
образца
приводят к появлению напряжений
сдвига, действующих под углом 45°, и
именно этот сдвиг по наклонным
площадкам и служит обычно причиной
разрушения коротких образцов при их
сжатии.
Разрушение хрупких материалов (цемент или
стекло) при сжатии происходит на самом деле
путем сдвига,
8
Рис.1. Стальная центрально-сжатая
Стержень колонны
колонна сплошного сечения
1. Стержень колонны
2. Оголовок колонны
3. База колонны
4. Фундамент
5. Расчетная схема
Крепление колонны к
фундаменту
База колонны
9
Рис.2. Сечение
прокатной
двутавровой
балки.
10


Гнутый профиль —
профилированный
металлопрокат, которому с
помощью профилегибочных
агрегатов задана
определённая форма.
К гнутым профилям относят
швеллеры и уголки
(равнополочные и
неравнополочные), зетовые
и С-образные профили,
специальные профили для
вагоностроения, корытные
профили, гофрированные
профили.
11
Общий порядок подбора сечения стержня
колонны



1. Определяют нагрузку на колонну (если она не задана).
2. Устанавливают расчетную схему (см. табл. 1)
3. В зависимости от расчетной схемы находят расчетную
длину колонны:
lef    l





где μ – коэффициент расчетной длины
(см. табл.1)
l - геометрическая длина колонны
4. Назначают тип поперечного сечения стержня
колонны: труба, прокатный двутавр, составное
сечение из прокатных профилей и т.д.
5. Принимают сталь для колонны. Выбор стали
регламентируется СНиП.
6. Для принятой стали определяют расчетное
сопротивление по пределу текучести Rу (табл.2) 12


7. Определяют коэффициент условия работы колонны
γс (табл.4)
8. Определяют требуемую площадь поперечного
сечения стержня. Требуемая площадь сечения
находится по формуле:
N
A
  Ry   c


где А – требуемая площадь поперечного
сечения стержня
φ - коэффициент продольного изгиба
Поскольку в формуле два неизвестных – А и φ, то одной из величин
необходимо задаться, т.е. принять предварительно, а затем выполнить
проверочный расчет. Рекомендуется задаваться гибкостью λ, величина
которой не должна превышать λпред – предельная гибкость – гибкость
колонн обычно находится в пределах от 100 до 70. По принятой
гибкости устанавливают коэффициент φ. (табл.3)
13

Определяют требуемый радиус инерции, подставляя в ф-лу
(3) принятую гибкость:
i
l ef

По найденным площади и радиусу инерции, пользуясь сортаментом
прокатных элементов, принимают сечение стержня колонны и
выписывают фактические характеристики принятого сечения (А, ix,
iy).
Проводят проверку принятого сечения и при необходимости выполняют
уточнение его размеров.
Проверку устойчивости производят по формуле:
N  R y c A
N

 Ry c
A
где А – принятая площадь сечения стержня, коэффициент
продольного изгиба φ определяется заново по наибольшей
фактической гибкости подобранного сечения колонны. 14
N  R y c A
N

 Ry c
A
Выполнение любого из двух условий означает, что несущая
способность колонны обеспечена. Оптимально, что бы левая часть
любого неравенства не превышала 10%.
Наибольшую гибкость колонны находят по формуле:
max 
l ef
imin
где imin – меньший радиус инерции принятого
сечения (ix, iy)
По таблице 3 в зависимости от Ry и λmax
находят действительный коэффициент
продольного изгиба φ.
Необходимо, чтобы гибкость колонны не превышала предельной λпред.
Предельные гибкости сжатых элементов, в частности сжатых колонн,
определяются по формуле:
пред  180  60
где
N

 0,5
AR y  c
15
Схема изгиба стержней при различных способах закрепления
Способ закрепления
концов стержня
Шарнирное
закрепление
верхнего и
нижнего концов
стержня
Верхний конец
стержня закреплен
шарнирно, а нижний
защемлен
Защемление
верхнего и
нижнего концов
стержня
Верхний конец
стержня не
закреплен, а
нижний защемлен
μ = 1,0
μ = 0,7
μ = 0,5
μ = 2,0
Схемы закрепления
концов стержней
Коэффициент μ
Стальные
конструкции
16
Литература
1.
2.
3.
4.
СНиП II-23-81*. Стальные конструкции
Дж. Гордон «Почему мы не проваливаемся сквозь пол»
Сетков В.И., Сербин Е.П. - Строительные конструкции
Картинки из сети Интернет
17