СОЕДИНЕНИЕ КОЛОННЫ С ФУНДАМЕНТОМ Российский патент 2003 года по МПК E04C3/30 

Изобретение относится к металлическим конструкциям промышленных зданий.

Известно соединение колонны с фундаментом [1, с.387, рис. XIV. 16, с. 401, рис. XIV.24], [2, с. 359, рис. 14.18, с. 386, рис. 14, 23].

База колонны содержит опорные плиты толщиной до 100 мм, вертикальные траверсы, выступающие консольно за плиты и образующие столики для анкерных болтов, мощные шайбы толщиной 40 мм и более, взаимодействующие одновременно с гайкой болта и верхними торцами траверс. Высота траверс достигает 600-800 мм при толщине 10-16 мм.

База передает на фундамент большие изгибающие моменты, достигающие 12000-20000 гН•м (1200-2000 кН•м). Расстояние же между центрами болтов относительно мало, поэтому усилия в анкерных болтах достигают больших величин, а их диаметры до 60-100 мм.

Наиболее близким аналогом изобретения является соединение внецентренно нагруженной колонны с фундаментом, описанной в книге "Металлические конструкции" под ред. Н.П.Мельникова, М., Стройиздат, 1980, с.168-171.

Технический результат изобретения - снижение материалоемкости базы колонны и обеспечение безвыверочного монтажа и рихтовки каркаса здания.

Он реализован тем, что внецентренно нагруженная колонна, соединенная с фундаментом, содержит внешнюю и подкрановую ветви, соединенные с поперечными, двухконсольными балками, ориентированными в плоскости действия изгибающего момента, анкерные болты с гайками и шайбами.

Каждая из консолей снабжена расположенной ортогонально к продольной оси балки трубкой с пропущенным через нее анкерным болтом с шайбами и гайками, взаимодействующими с торцами трубок сверху и снизу. При этом двухконсольные балки соединены друг с другом съемными шпильками и снабжены карманами, фиксирующими ветви колонны в плане. Каждая из ветвей колонны снабжена упорами с фрезерованными торцами для фиксации колонны по высоте.

Сравнение с аналогом разработанной конструкции показывает ее существенное отличие. В нашем случае функции плиты выполняют двухконсольные балки, одновременно обеспечивающие увеличение плеча внутренней пары сил и обеспечивающие безвыверочный монтаж колонны с первой попытки. Дополнительные нижние гайки на анкерных болтах обеспечивают рихтовку и работу болта не только на растяжение, но и на сжатие.

На фиг. 1 показан узел сопряжения внецентренно нагруженной колонны 1 с фундаментом 2, на фиг. 2 - разрез 1-1 на фиг.1, на фиг.3 - деталь А на фиг. 2, на фиг. 4 - разрез 2-2 на фиг.2.

Колонна 1 содержит две ветви: наружную а и подкрановую b. Каждая из ветвей соединена с поперечными двухконсольными балками 3, ориентированными в плоскости действия момента. Каждая из консолей балок 3 заканчивается трубкой с, ортогональной к оси двухконсольной балки. Сквозь каждую из трубок пропущен анкерный болт 4, снабженный шайбами d и гайками k, как снизу, так и сверху. Шайбы d и гайки k взаимодействуют с торцами трубок снизу и сверху.

Балки 3 снабжены также съемными шпильками 5, соединяющими балки друг с другом и предназначенными для защемления колоны в момент монтажа. Каждая из ветвей снабжена также упорами 6 с нижними фрезерованными торцами, предназначенными для фиксации колонны 1 по высоте.

Полки ветвей а и b колонны 1 примыкают к стенке балки 3, поэтому мешающие части верхней полки балки 3 вырезаны и образованы карманы 7, фиксирующие колонны в плане. После окончания монтажа вырезанные части приваривают вновь.

Способ монтажа и рихтовки
Колонну 1 изготавливают как обычно. Нижние торцы ветвей фрезеруют и по шаблону к ветвям колонны приваривают упоры 6 с нижним фрезерованным торцом.

Балки 3 изготавливают и поставляют на монтажную площадку, не соединяя их с колонной 1. При бетонировании фундамента 2 его не доводят до проектной отметки на 150-120 мм.

Для анкерных болтов оставляют колодцы, используя для этого куски шланга от бетононасоса, заполненные под давлением воздухом или жидкостью. После схватывания бетона куски шлангов легко вынимаются после устранения внутреннего давления. Анкерные болты 4 устанавливают по кондуктору в проектное положение и заполняют колодцы, например, бетоном.

На анкерные болты навинчивают нижние гайки k и шайбы d, контролируют отметку шайбы d по высоте нивелиром. Проектную отметку каждой из шайб d устанавливают посредством гайки k. После выверки отметок всех шайб d безвыверочно с первой попытки устанавливают балки 3.

При необходимости легко выполнить дополнительную регулировку отметки по высоте посредством нижних гаек k. В плане дополнительная регулировка, до совмещения рисок на балках 3 с осевыми линиями здания, осуществляется за счет зазора между внешней поверхностью анкерного болта 4 и внутренней поверхностью трубки с.

После установки балок 3 в проектное положение их фиксируют, затягивая верхние гайки k.

Производят подбетонку верхнего слоя фундамента на 150-120 мм до нижней поверхности балок 3. Производят (после схватывания бетона) безвыверочно с первой попытки монтаж колонн 1, направляя концы ветвей в карманы 7 в верхнем поясе балок 3. Опускают колонну до упора, и она занимает проектное положение. Затягивают гайки на съемных шпильках 5, временно заанкеривая колонну 1 в фундаменте 2, и соединяют ветви колонны 1 монтажной сваркой с балками 3, окончательно заанкеривая колонну 1 в фундаменте 2. Шпильки 5 после этого демонтируют. База колонны может быть обетонирована.

В случае осадки колонны с течением времени последнюю поддомкрачивают, свинчивают гайки 4 на величину Δ осадки колонны и заполняют образовавшуюся полость бетоном требуемой марки.

Нижние гайки k предназначены не только для рихтовки. Они выполняют важную функцию - обеспечивают включение в работу анкерного болта на сжатие! Этим обеспечено дополнительное снижение материалоемкости.

Работа конструкции под нагрузкой
Технический результат изобретения - снижение материалоемкости - обеспечен тем, что большая часть изгибающего момента раскладывается на пару сил с плечом, равным расстоянию между центрами тяжести анкерных болтов, и воспринимается последними. Сжатие же воспринимается бетоном и болтами.

Покажем снижение материалоемкости на конкретном примере. За аналог примем базу колонны в примере расчета, приведенном в учебнике Е.И. Беленя [1, с. 402].

На базу колонны передается сжимающая сила N₂=3140 кН=31400 гН и изгибающий момент М₂=2570 кН•м=2570000 гН•см, причем момент М₂ растягивает подкрановую и сжимает наружную ветвь колонны. В этом случае наружная ветвь прижимается к фундаменту наиболее сильно. Возможно и другое сочетание, когда в колонне действует сжимающая сила N₃=580 кН=5800 гН и соответствующий изгибающий момент М₃=1360 кН•м=1360000 гН•см, причем в этом случае болты подкрановой ветви выдергиваются из фундамента с максимальной силой

Требуемая площадь нетто болтов (прототип)

Принято четыре болта диаметром 48 мм с площадью нетто (прототип)
∑ A_факт = 4•13,75 = 55 см².
Выполним расчет анкерных болтов в нашем случае (фиг. 1). Расстояние между осями болтов 2,5 м = 250 см. Тогда усилие в анкерных болтах

Требуемая площадь нетто болтов

Примем два болта М24 с площадью нетто
∑ A_факт = 2•10,4 = 20,9 см².
В нашем случае болты работают как на растяжение, так и на сжатие. Несущая способность одного болта на растяжение будет равна
F_факт=10,45•140=1463 гН.

На сжатие несущая способность болта значительно больше, так как расчетное сопротивление может быть назначено не по пределу текучести, а по временному сопротивлению.

Анкерные болты воспримут значительную часть изгибающего момента
M_факт=2•F_факт•e=2•1463•250=731500 гН•см.

Изгибающий момент в наиболее нагруженной консоли
M_кон=F_факт•e_к=463•50=73150 гН•см.

Балки 3 выполним из стали В Ст3сп5 (С255) ГОСТ 27772-88 R_y=230 МПа. Тогда требуемый момент сопротивления консоли

Принимаем двутавр I 27 W _ф=371 см³>318 см³.

Проверка

Проверим напряжения смятия в бетоне под балками 3 при сжимающей силе N₂= 31400 гН и соответствующем моменте М=2570000 гН•см. Уменьшим момент на величину, воспринимаемую болтами
M*=M-M_факт=2570000-731500=1838500 Гн•см.

Заполним полость между балками бетоном класса В20. Расчетное сопротивление бетона смятию R_b,loc = γ_b2•ϕ_b•R_b = 0,9•1,2•11,5 = 12,4 МПа.
Произошло снижение материалоемкости базы колонны почти в 3 раза!
Площадь и момент сопротивления подошвы базы шириной 2_Ы= •12,5= 25 см.

A=250•25=6250 см²;

Максимальные сжимающие напряжения в бетоне со стороны внешней ветви

σ_max = 12,1 МПа<12,4 МПа.
Прочность бетона на смятие обеспечена.

Таким образом, все элементы базы рассчитаны, и можно сделать следующие выводы.

Габариты базы по высоте значительно уменьшились, поэтому заглубление базы ниже нулевой отметки принимаем -0,400 м (было -1,000 м).

1. В нашем случае роль плиты выполняют полки двутавров 3.

2. Число и диаметр анкерных болтов уменьшилось.

Экономический эффект обеспечен:
1. Увеличением плеча внутренней пары сил (расстояние между центрами тяжести болтов). Это в свою очередь приводит к уменьшению усилий в анкерных болтах и снижению их материалоемкости.

2. Работой анкерного болта как на растяжение, так и на сжатие, введением дополнительных нижних гаек, выполняющих и другую функцию - рихтовки колонны.

3. Введением двухконсольных балок, удобных в изготовлении и легко соединяемых с ветвями колонны.

4. Выполнением безвыверочного монтажа как базы, так и колонны.

5. Уменьшением высоты базы, приводящей к меньшей заделке колонны.

6. Исключением траверс из базы.

Источники информации
1. Металлические конструкции. Учебник для вузов. Под общ. ред. Е.И. Белени. -М.: Стройиздат, 1976. 600 с.

2. Металлические конструкции. Учебник для вузов. Под общ. ред. Е.И. Белени. -М.: Стройиздат, 1986. 560 с.

Изобретение относится к области строительства, в частности к металлическим конструкциям промышленных зданий. Технический результат изобретения - снижение материалоемкости базы колонны и обеспечение безвыверочного монтажа и рихтовки каркаса здания. Колонна содержит наружную и подкрановую ветви. Каждая из ветвей соединена с поперечными двухконсольными балками, ориентированными в плоскости действия момента. Каждая из консолей балок заканчивается трубкой, ортогональной к оси двухконсольной балки. Сквозь каждую из трубок пропущен анкерный болт с шайбами и гайками, взаимодействующими с торцами трубок снизу и сверху. Балки снабжены съемными шпильками, соединяющими балки друг с другом и предназначенными для защемления колоны в момент монтажа. Каждая из ветвей колонны снабжена упорами с нижними фрезерованными торцами, предназначенными для фиксации колонны по высоте. Двухконсольные балки снабжены карманами, фиксирующими ветви колонны в плане. 4 ил., 1 табл.

Соединение внецентренно нагруженной колонны с фундаментом, содержащей внешнюю и подкрановую ветви, соединенные с поперечными, двухконсольными балками, ориентированными в плоскости действия изгибающего момента, анкерные болты с гайками и шайбами, отличающееся тем, что каждая из консолей снабжена расположенной ортогонально к продольной оси балки трубкой, с пропущенной через нее анкерным болтом с шайбами и гайками, взаимодействующими с торцами трубок сверху и снизу, при этом двухконсольные балки соединены друг с другом съемными шпильками и снабжены карманами, фиксирующими ветви колонны в плане, а каждая из ветвей колонны снабжена упорами с фрезерованными торцами для фиксации колонны по высоте.