Ручная дуговая сварка плавящимся электродом
Ручная сварка производится плавящимся металлическим электродом по способу Славянова (рис. 10.3).
Ручная электродуговая сварка универсальна и широко распространена, так как может выполняться в любом пространственном положении. Она часто применяется при монтаже в труднодоступных местах, где механизированные способы сварки не могут быть применены. Меньшая глубина проплавления основного металла и меньшая производительность ручной сварки из-за пониженной силы применяемого тока, а также меньшая стабильность ручного процесса (по сравнению с автоматической сваркой под флюсом) являются недостатками ручной сварки.
Сущность способа. Источником энергии при ручной дуговой сварке является электрическая дуга, которая возбуждается между свариваемым металлом и электродом.
На рис. 10.4 схематически изображены основные элементы сварочной дуги.
Рис. 10.3. Ручная сварка металлическим электродом:
1 – свариваемый металл; 2 – сварочная ванна; 3 – сварочная дуга; 4 – наплавленный металл; 5 – шлаковая корка; 6 – жидкий шлак; 7 – покрытие электрода; 8 – стержень электрода; 9 – электрододержатель; 10 – источник питания
Рис. 10.4. Схема сварочной дуги:
1 – изделие (анод); 2 – электрод (катод); 3 – капля расплавленного металла;
4 – положительный столб дуги; 5 – ванна; 6 – пламя (ореол)
Плавящийся электрод представляет собой металлический стержень, на поверхность которого нанесено покрытие определенного состава и толщины (рис. 10.5).
Рис. 10.5. Покрытый металлический электрод:
1 – стержень; 2 – участок перехода;
3 – покрытие; 4 – контактный торец без покрытия
Размеры, классификацию и общие технологические требования к обмазанным электродам регламентирует ГОСТ 9467-75*. Стандартные размеры электродов приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Размеры электродов
Ходовые диаметры электродной проволоки 3…6 мм. Диаметр электрода определяется диаметром стержня без учета толщины покрытия.
С уменьшением диаметра или увеличением длины электрода увеличивается его омическое сопротивление, что влечет за собой увеличение нагрева электрода при сварке. Если нагрев будет чрезмерным, то электрод будет быстро плавиться (течь) или преждевременно будут сгорать органические составляющие покрытия, не выполняя своих защитных функций.
Электродное покрытие служит для защиты сварочной ванны от воздействия воздуха и для улучшения структуры металла шва (раскисления и легирования металла сварочной ванны), а также для облегчения ведения процесса сварки (стабилизации дугового разряда). С этой целью в состав покрытия включаются следующие основные элементы:
– шлакообразующие, снижающие скорость остывания наплавленного металла под слоем шлака, что способствует выходу на поверхность пузырьков газов и различных неметаллических включений;
– газообразующие, защищающие расплавленный металл от воздействия азота и кислорода;
– раскисляющие, связывающие кислород и рафинирующие наплавленный металл (освобождающие шов от шлаковых включений и вредных примесей);
– легирующие, повышающие механические характеристики шва и придающие ему специальные свойства (жаростойкость, износоустойчивость, коррозийную стойкость);
– стабилизирующие, ионизирующие дуговой промежуток;
– стальные порошки, повышающие производительность сварки, дающие экономию дефицитных ферросплавов и электродной проволоки и улучшающие стабильность дуги.
Ввиду разнообразия высококачественных покрытий электроды классифицируются не по составу покрытия, а по результатам механических испытаний образцов наплавленного металла и сварного стыкового соединения.
Различают типы и марки электродов. Тип электрода показывает минимально гарантируемое временное сопротивление наплавленного металла в кН/см2 (Э42; Э42А; Э46; Э50; и др.). Марка электрода определяет состав покрытия и его технологические свойства (род и полярность тока, возможность сварки в различных пространственных положениях). Каждому типу электродов может соответствовать несколько марок.
При изготовлении сварных конструкций применяют низкотоксичные рутиловые электроды марок ЗРС-1, АНО-1, ОЗС-3 и др. На монтаже широко используются электроды марок МР-3, АНО-3, АНО-1, ОЗС-4 и другие, пригодные для сварки в любом пространственном положении.
Фторокальцевые электроды УОНИ-13/45, УОНИ-13/55 применяются для сварки наиболее ответственных конструкций как на заводе, так и на монтаже, обеспечивая очень высокое качество наплавленного металла.
Электроды должны удовлетворять следующим основным требованиям:
1. Обеспечивать определенные механические свойства наплавленного металла и сварного соединения, а также химический состав металла шва;
2. Иметь хорошие технологические и сварочные свойства и обеспечивать:
а) сварку на переменном и постоянном токе и в любом пространственном положении;
б) легкое зажигание дуги и ее устойчивое спокойное горение без чрезмерного разбрызгивания металла и шлака;
в) равномерное плавление покрытия без откалывания кусков и образования чрезмерно больших «чехольчика» или «втулочки», препятствующих сварке;
г) равномерное покрытие наплавленного металла шлаком и легкое удаление последнего;
д) получение наплавленного металла без пор и трещин.
3. Обеспечивать высокую производительность, характеризуемую величиной коэффициента наплавки.
4. Себестоимость электрода должна быть небольшой.
Режимом сваркиназывают совокупность основных характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получение сварных швов заданных размеров, формы и качества.
При ручной дуговой сварке режим определяется диаметром электрода, силой сварочного тока, напряжением на дуге, скоростью перемещения электрода (скоростью сварки), родом и полярностью тока, положением шва в пространстве.
Диаметр электрода для сварки выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла, количества слоев шва и положения в пространстве. Примерные диаметры электродов, используемых для сварки в нижнем положении, рекомендуется принимать по табл. 10.2.
Таблица 10.2
Диаметры электродов
Первый слой при сварке многослойных швов выполняется электродами диаметром не более 3…4 мм.
По принятому диаметру электрода и положению шва в пространстве, воспользовавшись формулой К.К. Хренова, можно подобрать величину сварочного тока, определяющую устойчивость горения дуги:
Iсв = (20 6d)d,
где Iсв – сила сварочного тока, А; 
диаметр электрода, мм.
Для повышения производительности процесса сварки целесообразно применять максимально допустимый для данного типа электродов сварочный ток.
Выбирают такую скорость сварки, при которой можно получить шов требуемого поперечного сечения. Род и полярность тока зависят от свариваемого металла и применяемых электродов.
Металл небольшой толщины сваривают на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде). Этим уменьшается вероятность образования прожогов и перегрева металла. Низкоуглеродистые и низколегированные стали средней и большой толщины экономичнее сваривать на переменном токе.
Сварку швов в вертикальном и потолочном положении выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. При этом сила тока должна быть на 10…20% ниже, чем для сварки в нижнем положении. Напряжение на дуге при ручной дуговой сварке изменяется в пределах 20…30 В и указывается в паспорте на электроды.
Технология дуговой сварки. Процесс сварки начинается с зажигания сварочной дуги, для чего сварщик легким прикосновением конца электрода к изделию создает короткое замыкание цепи. Зажигание осуществляется либо прямым отрывом на 2…3 мм электрода после короткого замыкания («впритык»), либо скользящим движением конца электрода с кратковременным касанием электрода («спичкой»), как это видно на рис. 10.6.
Рис. 10.6. Способы зажигания дуги:
а – «впритык»; б – «спичкой»
Если сварщик замедлит отрыв электрода от изделия, может произойти «примерзание» электрода, т.е. приварка его конца к изделию, так как под действием большого тока конец электрода быстро расплавляется
Сварочная дуга вызывает интенсивный местный нагрев. Металл изделия в зоне горения дуги быстро достигает жидкого состояния, образуя ванну расплавленного металла. Металл на конце электрода также расплавляется и под действием сил поверхностного натяжения получает сфероидальную, каплевидную форму. В ванне жидкие металлы электрода (присадочный металл) и изделия (основной металл) смешиваются, образуя однородный сплав.
Чтобы обеспечить качественную сварку, сварщик должен беспрерывно поддерживать нужную длину дуги, не допускать ее обрывов и манипулировать электродом в определенном порядке. Постоянство длины дуги обеспечивается непрерывной подачей электрода к изделию по мере его расплавления.
Вследствие давления газов и потока электронов, исходящего из конца электрода в процессе сварки, на основном металле образуется углубление, называемое кратером. Расстояние между концом электрода и дном кратера называют длиной дуги. Обычно нормальная длина дуги поддерживается в пределах 0,5…1,1d.
Чрезмерное увеличение длины дуги ухудшает качество сварки из-за уменьшения устойчивости горения дуги и увеличения доступа воздуха к расплавленному металлу. Кроме этого повышается угар (испарение части расплавленного металла электрода и шлака в виде окислов) и разбрызгивание металла, ухудшается формирование шва.
Толщина слоя основного металла, перешедшего в расплавленное состояние, называется глубиной провара. При обычной ручной сварке глубина провара незначительна, достигает 1…2 мм.
Манипуляция электродом состоит из двух движений – движения вдоль шва и движения поперек шва. Ведение дуги производится таким образом, чтобы обеспечить проплавление свариваемых кромок и получить требуемое количество наплавленного металла при хорошем формировании шва (нормально сформированный шов в большинстве случаев должен иметь ширину, равную 3…5 диаметрам электрода). Это достигается поддерживанием постоянной длины дуги соответствующим перемещением конца электрода (рис. 10.7).
Рис. 10.7. Виды поперечного перемещения конца электрода:
1, 2, 3 – движения, обеспечивающие равномерный прогрев середины и
кромки стыка; 4, 5 – движения, обеспечивающие увеличенный прогрев
середины стыка; 6, 7 – движения, обеспечивающие усиленный прогрев
кромок
Большое значение в технике сварки имеют умелое прерывание дуги и повторное ее зажигание. Следует различать прерывание дуги в процессе сварки, которое произошло самопроизвольно или для смены электрода, и прерывание дуги по окончании сварки шва или его отдельного участка. В первом случае после обрыва дуги в шве образуется кратер, являющийся местом скопления неметаллических включений и причиной образования трещин. Для обеспечения хорошего провара металла в месте кратера повторное зажигание дуги производят на основном металле, а затем переносят дугу на шов и расплавляют металл в месте образования кратера. Во втором случае не допускают образование кратера при обрыве дуги, заплавляя его металлом. Заварку кратера производят, держа электрод неподвижно до самопроизвольного обрыва дуги или частыми короткими замыканиями электрода, что также обеспечивает заполнение кратера металлом.
Протяженность сварных швов имеет большое значение для выбора порядка их выполнения. Короткие швы (длиной не более 250…300 мм) выполняют «на проход», т.е. движением дуги от одного конца шва к другому. Швы длиной 300…1000 мм выполняют от середины шва к концам. Швы большой протяженности обычно выполняют обратноступенчатым способом отдельными участками. Длина участка (ступени) принимается 100…350 мм, в этих пределах равна длине шва, который может быть выполнен целым числом электродов (одним, двумя, тремя и т.д.). При сварке тонкого металла участки делают короче, а при сварке более толстого – длиннее.
Расчет планок сквозной колонны.
Сквозная колонна с планками
Расчет колонны относительно свободной оси y-y. Приравнивая 
находим требуемое значение гибкости относительно свободной оси:
где l1 = 33 – предварительно принятая гибкость ветви (гибкость ветви назначают в пределах l1 = 30 – 40 и обеспечивают ее при последующем конструировании колонны путем выбора соответствующего расстояния между планками lo = λ1i1).
По λy находим радиус инерции:
Воспользовавшись приближенными значениями радиусов инерции, приведенными в табл. 4.1, определяем ширину сечения:
b = iy/0,44 = 17,38 / 0,44 = 39,5 см.
Принимаем b = 400 мм и определяем расстояние между ветвями:
Проверяем расстояние в свету между полками швеллеров:
а = b– 2bb= 400 – 2 · 110 = 180 мм > 100 мм.
Расстояние между ветвями увеличивать не требуется.
Проверка колонны на устойчивость относительно оси у-у. До проверки устойчивости колонны нужно скомпоновать сечение стержня, установить расстояние между планками, назначить их размеры.
Расчетная длина ветви
Принимаем расстояние в свету между планками lob= 100 см.
Длину планки bпл принимают равной расстоянию в свету между ветвями с напуском на ветви по 20…30 мм:
Высоту планок hпл обычно устанавливают в пределах (0,5 – 0,75)b =
= 200 – 300 мм, где b = 400 мм – ширина колонны. Принимаем hпл = 240 мм.
Толщину планок принимают tnл = 6 – 12 мм и по условиям местной устойчивости она должна быть:
.
Окончательно принимаем планки из листов 240´240´8 мм.
Момент инерции стержня колонны относительно оси у-у
Радиус инерции
iy = 
см.
Гибкость стержня колонны
λy = ly/iy = 813 / 17,6 = 46,19.
Для вычисления приведенной гибкости λefотносительно свободной оси проверяется отношение погонных жесткостей планки и ветви:
где 
Гибкость ветви колонны
Приведенная гибкость
Условная приведенная гибкость
По табл. 3.11 в зависимости от 
для типа кривой устойчивости ″b″ находим коэффициент устойчивости при центральном сжатии j = 0,833.
Производим проверку:
Устойчивость колонны обеспечена.
Недонапряжение в колонне
Сечение принято.
Расчет планок.
Проверяем принятое сечение планок. Расчет соединительных элементов (планок, решетки) сжатых составных стержней выполняется на условную поперечную силу Qfic, принимаемую постоянной по всей длине стержня колонны и определяемую по формуле
Qfic = 7,15·10-6 (2330 – E/Ry)N/φ =
= 7,15·10-6(2330 – 2,06 · 104 / 24) 2067,18 / 0,833 = 26,3 кН,
где j = 0,833 – коэффициент устойчивости при сжатии, принимаемый для составного стержня в плоскости соединительных элементов.
Поперечная сила, приходящаяся на планку одной грани (рис. 4.7) вычисляется по формуле
Сдвигающая сила в месте прикрепления планки к ветви колонны
Рис. 4.7. К расчету планок
Момент, изгибающий планку в ее плоскости:
Приварку планок толщиной tпл = 8 мм к полкам швеллеров производим механизированной сваркой в среде углекислого газа, принимая катет сварного шва k = 6 мм.
Учитывая, что несущая способность планки больше, чем несущая способность сварного шва с катетом kf ≤ tпл, достаточно проверить прочность сварного шва. Расчет производится на равнодействующую напряжений в шве от изгибающего момента M1 и поперечной силы F (см. рис. 4.5).
Так как для механизированной сварки
прочность шва проверяем по металлу границы сплавления.
Напряжение в шве от изгиба
Напряжение от поперечной силы
где 
– момент сопротивления расчетного сечения шва, здесь lw = hпл – 1 = 24 – 1 = 23 см – расчетная длина шва.
Проверяем прочность шва:
Прочность шва обеспечена, следовательно, несущая способность планки достаточна.
§
Колонны служат для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций через фундамент на грунт. В зависимости от того как приложена нагрузка на колонну различают центрально-сжатые, внецентренно-сжатые и сжато-изгибаемые колонны. Центрально-сжатые колонны работают на продольную силу, приложенную по оси колонны и вызывающую равномерное сжатие ее поперечного сечения. Внецентренно-сжатые колонны и сжато-изгибаемые колонны, кроме осевого сжатия от продольной силы, работают также на изгиб от момента.
Колонны состоят из трех основных частей: стержня, являющегося основным несущим элементом колонны; оголовка, служащего опорой для вышележащих конструкций и закрепления их на колонне; базы, распределяющей сосредоточенную нагрузку от колонны по поверхности фундамента, обеспечивающей прикрепление с помощью анкерных болтов.
Колонны различаются: по типу – постоянного и переменного по высоте сечений; по конструкции сечения стержня – сплошные (сплошностенчатые) и сквозные (решетчатые).
При выборе типа сечения колонны необходимо стремиться получить наиболее экономичное решение, учитывая величину нагрузки, удобство примыкания поддерживающих конструкций, условия эксплуатации, возможности изготовления.
Основным типом сплошных колонн, наряду с прокатными, является сварной двутавр, составленный из трех листов прокатной стали, наиболее удобный в изготовлении с помощью автоматической сварки и позволяющий просто осуществлять примыкание поддерживающих конструкций. Стержень сквозной колонны состоит из двух ветвей (прокатных швеллеров или двутавров), связанных между собой соединительными элементами в виде планок или раскосов, которые обеспечивают совместную работу ветвей и существенно влияют на устойчивость колонны в целом и ее ветвей.
Треугольная решетка из раскосов является более жесткой по сравнению с планками, так как образует в плоскости грани колонны ферму, все элементы которой работают на осевые усилия. Ее рекомендуется применять в колоннах, нагруженных продольной силой более 2500 кН или при значительном расстоянии между ветвями (более 0,8 м). Планки создают в плоскости грани колонны безраскосную систему с жесткими узлами и элементами, работающими на изгиб.
Для осмотра и возможной окраски внутренних поверхностей в сквозных колоннах из двух ветвей устанавливается зазор между полками ветвей не менее 100 мм.
Расчетная схема колонны представлена на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Расчетная схема колонны
Расчетная длина колонны lef с учетом способов закрепления колонны в фундаменте и сопряжения ее с балкой, примыкающей в верхней части, принимается равной:
lef = μl,
где l – геометрическая длина колонны;
μ – коэффициент расчетной длины, принимаемый в зависимости от условий закрепления ее концов и вида нагружения (при действии продольной силы на колонну сверху: μ = 1 – при шарнирном закреплении обоих концов колонны; μ = 0,7 – при жестком закреплении одного конца колонны и шарнирном другого).
При опирании балок на колонну сверху колонна рассматривается как шарнирно закрепленная в верхнем конце. Закрепление колонны в фундаменте может быть принято шарнирным или жестким. Если фундамент достаточно массивен, а база колонны развита и имеет надежное анкерное крепление, колонну можно считать защемленной в фундаменте.
Расчет на прочность элементов, подверженных центральному сжатию силой N следует выполнять по формуле
где An – площадь сечения нетто.
Расчет на устойчивость колонны при центральном сжатии выполняют по формуле
где φ – коэффициент устойчивости при центральном сжатии, принимаемый по условной гибкости 
для различных типов кривых устойчивости по табл. 3.11.
§
Под действием нормальных и касательных напряжений стенка балки может потерять местную устойчивость, т.е. может произойти ее местное выпучивание. Это произойдет в том случае, если действующие в балке отдельные виды напряжений или их совместное воздействие превысят критические напряжения потери устойчивости. Устойчивость стенки обычно обеспечивают не за счет увеличения ее толщины, что привело бы к повышенному перерасходу материала из-за большого размера стенки, а за счет укрепления ее ребрами жесткости.
Стенку балки следует укреплять поперечными ребрами жесткости, если значение условной гибкости 
превышает 3,2 при отсутствии местной нагрузки на пояс балки и 2,2 – при наличии местной нагрузки.
Определяем условную гибкость стенки:
следовательно, поперечные ребра жесткости необходимы (рис. 3.14). Расстояние между основными поперечными ребрами a не должно превышать 2hw при lw > 3,2 и 2,5hw при `lw£ 3,2. Для балок, рассчитываемых в упругой стадии, допускается превышать указанные выше расстояния между ребрами до значения 3hw при условии передачи нагрузки через сплошной жесткий настил или при значении гибкости сжатого пояса балки λb = lef /bf, не превышающем ее предельного значения λub (в рассматриваемом примере это условие соблюдается: в середине пролета балки λb = 6,67< λub = 15,64 и в измененном сечении λb = 12,56< λub = 14,3), и при обязательном обеспечении местной устойчивости элементов балки.
Рис. 3.14. Схема балки, укрепленной поперечными ребрами жесткости
Расстояние между ребрами назначаем 
, что увязывается с шагом балок настила 
При шаге а = 3 м поперечное ребро жесткости попадает на монтажный стык в середине пролета балки, поэтому первое и последующие за ним ребра смещаем к опоре на расстояние а/2 = 1,5м.
Ширина выступающей части парного ребра должна быть не менее
br = hw/30 40 = 1500 / 30 40 = 90 мм.
для одностороннего – br = hw/24 50 = 1500 / 24 50 = 112,5 мм.
Толщина ребра
Принимаем ребро жесткости по ГОСТ 103–76* (табл. 3.7) из двух стальных полос 90´7 мм. Ребра жесткости привариваются к стенке непрерывными угловыми швами минимальной толщины. Торцы ребер должны иметь скосы с размерами не менее 40´40 мм для снижения концентрации сварочных напряжений в зоне пересечения сварных швов и пропуска поясных швов балки.
Поперечное ребро жесткости, расположенное в месте приложения сосредоточенной нагрузки Fb = 334,08 кН к верхнему поясу балки проверяют расчетом на устойчивость: двустороннее ребро – как центрально-сжатую стойку, одностороннее – как стойку, сжатую с эксцентриситетом, равным расстоянию от срединной плоскости стенки до центра тяжести расчетного сечения стойки. При этом в расчетное сечение стойки включают сечение ребра жесткости и устойчивые полосы стенки шириной
c = 0,65tw
= 0,65 · 1,2 
= 22,85 см
с каждой стороны ребра, а расчетную длину принимают равной высоте стенки hw = 1500 мм (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Расчетное сечение условной стойки
Расчетная площадь стойки при двустороннем ребре
As= (2br tw)tr 2ctw = (2 · 9 1,2) 0,7 2 ∙ 22,85 ∙ 1,2) = 68,28 см2.
Момент инерции сечения стойки
Iz = tr3/12 2ctw3/12 = 0,7 (2 ∙ 9 1,2)3 / 12 2 ∙ 22,85 ∙ 1,23 / 12 = 412,88 см4.
Радиус инерции
iz = 
= 
= 2,46 см.
Гибкость стойки
λz = lef /iz = 150 / 2,46 = 60,98.
Условная гибкость
Производим проверку устойчивости стойки:
где φ = 0,813 – коэффициент устойчивости при центральном сжатии, принимаемый по табл. 3.11 в зависимости от условной гибкости λz для типа кривой устойчивости ״b״; тип кривой устойчивости зависит от формы сечений и толщины проката (табл. 3.12), при условной гибкости λz ≤ 0,4 коэффициент φ принимается равным единице.
Условие выполняется.
Таблица 3.11
§
База является опорной частью колонны и служит для передачи усилий с колонны на фундамент. При сравнительно небольших расчетных усилиях в колоннах (до 4000 – 5000 кН) применяют базы с траверсами. Усилие от стержня колонны передается через сварные швы на плиту, опирающуюся непосредственно на фундамент. Для более равномерной передачи давления с плиты на фундамент жесткость плиты при необходимости может быть увеличена постановкой дополнительных ребер и диафрагм.
База закрепляется с фиксацией ее проектного положения на фундаменте анкерными болтами. В зависимости от закрепления осуществляется шарнирное или жесткое сопряжение колонны с фундаментом. В базе с шарнирным сопряжением анкерные болты диаметром 20 – 30 мм крепятся непосредственно за опорную плиту, обладающую определенной гибкостью, обеспечивающей податливость при действии случайных моментов (рис. 4.12).
Рис. 4.12. База колонны при Рис. 4.13. База колонны при
шарнирном сопряжении жестком сопряжении
с фундаментом с фундаментом
Для возможности некоторой передвижки (рихтовки) колонны в процессе ее установки в проектное положение диаметр отверстий в плите для анкерных болтов принимают в 1,5 – 2 раза больше диаметра анкеров. На анкерные болты надевают шайбы с отверстием, которое на 3 мм больше диаметра болта, и после натяжения болта гайкой шайбу приваривают к плите. При жестком сопряжении анкерные болты прикрепляются к стержню колонны через выносные консоли траверс, имеющих значительную вертикальную жесткость, что устраняет возможность поворота колонны на фундаменте. При этом болты диаметром 24 – 36 мм затягиваются с напряжением близким к расчетному сопротивлению материала болта. Анкерная пластина принимается толщиной tap = 20 – 40 мм и шириной bap, равной четырем диаметрам отверстий под болты (рис. 4.13).
Конструкция базы должна отвечать принятому в расчетной схеме колонны способу сопряжения ее с фундаментом. Принята к расчету и конструированию база колонны с жестким закреплением на фундаменте.
Определение размеров опорной плиты в плане
Определяем расчетное усилие в колонне на уровне базы с учетом собственного веса колонны:
где k = 1,2 – конструктивный коэффициент, учитывающий вес решетки, элементов базы и оголовка колонны. Давление под плитой принимается равномерно распределенным. В центрально-сжатой колонне размеры плиты в плане определяются из условия прочности материала фундамента:
где y – коэффициент, зависящий от характера распределения местной нагрузки по площади смятия (при равномерном распределении напряжений y =1);
Rb,loc – расчетное сопротивление бетона смятию под плитой, определяемое по формуле
Rb,loc = αφbRb = 1 ∙ 1,2 ∙ 7,5 = 9 МПа = 0,9 кН/см2,
где a = 1 – для бетона класса ниже B25;
Rb= 7,5 МПа для класса бетона B12,5 – расчетное сопротивление бетона сжатию, соответствующее его классу и принимаемое по табл. 4.3;
jb – коэффициент, учитывающий повышение прочности бетона сжатию в стесненных условиях под опорной плитой и определяемый по формуле
здесь Af1 – площадь верхнего обреза фундамента, незначительно превышающая площадь опорной плиты Af.
Таблица 4.3
Расчетные сопротивления бетона Rb
| Класс прочности | B5 | B7,5 | B10 | B12,5 | B15 | B20 | B25 |
| Rb, МПа | 2,8 | 4,5 | 6,0 | 7,5 | 8,5 | 11,5 | 14,5 |
Коэффициент jb принимается не больше 2,5 для бетонов классов выше B7,5 и не больше 1,5 для бетонов класса B7,5 и ниже.
Предварительно задаемся jb= 1,2.
Размеры плиты (ширина B и длина L) назначаются по требуемой площади Af, увязываются с контуром колонны (свесы опорной плиты должны быть не менее 40 мм) и согласуются с сортаментом (рис. 4.14).
Рис. 4.14. К расчету опорной плиты
Назначаем ширину плиты:
B = h 2tt 2c = 36 2 · 1 2 · 4 = 46 см,
где h = 36 см – высота сечения стержня колонны;
tt = 10 мм – толщина траверсы (принимают 8 – 16 мм);
с = 40 мм – минимальный вылет консольной части плиты (предварительно принимают равным 40 – 120 мм и при необходимости уточняют в процессе расчета толщины плиты).
Требуемая длина плиты
Для центрально-сжатой колонны опорная плита должна быть близкой к квадрату (рекомендуемое соотношение сторон L/В ≤ 1,2). Принимаем квадратную плиту с размерами В = L = 480 мм.
Площадь плиты Af= LВ = 48 · 48 =2304 см2.
Площадь обреза фундамента (размеры верхнего обреза фундамента устанавливаем на 20 см больше размеров опорной плиты)
Фактический коэффициент
Расчетное сопротивление бетона смятию под плитой
Rb,loc = 1 ∙ 1,26 ∙ 7,5 = 9,45 МПа = 0,95 кН/см2.
Проверяем прочность бетона под плитой:
Уменьшение размеров плиты не требуется, так как она была принята с минимальными размерами в плане.
§
Толщину опорной плиты, опертой на торцы колонны, траверс и ребер, определяют из условия ее прочности на изгиб от отпора фундамента, равного среднему напряжению под плитой:
Толщину плиты не рекомендуется назначать больше 40 мм. Для расчета плиты выделяют участки пластинки, опертые по четырем, трем и одной (консольные) сторонам, соответственно обозначенные цифрами 1, 2, 3 (см. рис. 4.14).
В каждом участке определяют максимальные изгибающие моменты, действующие на полосе шириной 1 см, от расчетной равномерно распределенной нагрузки
На участке 1, опертом по четырем сторонам:
где a1 = 0,053 – коэффициент, учитывающий уменьшение пролетного момента за счет опирания плиты по четырем сторонам и определяемый по табл. 4.4 в зависимости от отношение большей стороны участки b к меньшей a.
Таблица 4.4
Коэффициенты a1 для расчета на изгиб плиты, опертой
По четырем сторонам
| b/a | 1,1 | 1,2 | 1,3 | 1,4 | 1,5 | 1,6 | 1,7 | 1,8 | 1,9 | ³2,0 |
| a1 | 0,055 | 0,063 | 0,069 | 0,075 | 0,081 | 0,086 | 0,091 | 0,094 | 0,098 | 0,125 |
Значения b и a определяют по размерам в свету:
b = 400 – 2d = 400 – 2 × 7,5 = 385 мм; а = 360 мм; b/а = 385 / 360 = 1,07.
На участке 2, опертом по трем сторонам:
где b – коэффициент принимается по табл. 4.5 в зависимости от отношения закрепленной стороны пластинки b1 = 40 мм к свободной а1 = 360 мм.
Таблица 4.5
Коэффициенты b для расчета на изгиб плиты, опертой на три канта
| b1/a1 | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,2 | 1,4 | 2,0 | ³2 |
| b | 0,060 | 0,074 | 0,088 | 0,097 | 0,107 | 0,112 | 0,120 | 0,126 | 0,132 | 0,133 |
Отношение сторон b1/a1 = 40 / 360 = 0,11; при отношении сторон b1/a1< 0,5 плита рассчитывается как консоль длиной b1 = 40 мм (рис. 4.15).
Изгибающий момент
На консольном участке 3
Рис. 4.15. Укрепление плиты диафрагмой
При опирании плиты на два канта, сходящихся под углом, расчет изгибающего момента в запас прочности производится как для плиты, опертой по трем сторонам, принимая размер a1 по диагонали между кантами, размер b1 равным расстоянию от вершины угла до диагонали (рис. 4.16, а).
При резком отличии моментов по величине на различных участках плиты необходимо внести изменения в схему опирания плиты, чтобы по возможности выровнять значения моментов. Это осуществляется постановкой диафрагм и ребер. Разделяем плиту на участке 1 пополам диафрагмой толщиной td = 10 мм (см. рис. 4.15).
Соотношение сторон
b/a = 38,5 / 17,5 = 2,2 > 2,
где 
При опирании плиты на четыре канта с отношением сторон b/a > 2 изгибающий момент определяется как для однопролетной балочной плиты пролетом а, свободно лежащей на двух опорах:
По наибольшему значению из найденных для различных участков плиты изгибающих моментов определяем требуемый момент сопротивления плиты шириной 1 см:
откуда толщина плиты
Принимаем лист толщиной 30 мм.
При определении изгибающего момента M1׳в полосе шириной 1 см для рассматриваемого участка плиты 1 допускается учитывать разгружающее влияние смежных консольных участков вдоль длинных сторон (как в неразрезной балке) по формуле
M1׳= M1 – M3 = q(α1a2 – 0,5c2) = 0,9 (0,053 ∙ 362 – 0,5 ∙ 52) = 50,57 кН∙см.
Расчет траверсы
Толщина траверсы принята tt = 10 мм.
Высота траверсы определяется из условия размещения вертикальных швов крепления траверсы к стержню колонны. В запас прочности предполагается, что все усилие передается на траверсы через четыре угловых шва (сварные швы, соединяющие стержень колонны непосредственно с плитой базы, не учитываются).
Принимаем катет сварного шва kf = 9 мм (обычно задаются в пределах 8 – 16 мм, но не более 1,2tmin). Требуемая длина одного шва, выполненного
механизированной сваркой, из расчета по границе сплавления
lw = N /(4βzkf Rwzγwzγc) = 2184 / (4 ∙ 1,05 ∙ 0,9 ∙ 16,65 ∙ 1 ∙ 1) = 34,7 см <
< 85 βf kf= 85 · 0,9 · 0,9 = 68,85 см.
Принимаем высоту траверсы с учетом добавления 1 см на дефекты в начале и конце шва ht = 38 см.
Проверяем прочность траверсы как однопролетной двухконсольной балки, опирающейся на ветви (полки) колонны и воспринимающей отпорное давление от фундамента (рис. 4.16, б).
Рис. 4.16. К расчету траверсы и ребра усиления плиты
Равномерно распределенная нагрузка на траверсу
где d = B/2 = 48 / 2 = 24 см – ширина грузовой площади траверсы.
Определяем усилия:
– на опоре
– в пролете
Mпр = qtb2/8 – Mоп = 21,6 ∙ 402 / 8 – 178,8 = 4141,2 кН·м;
Момент сопротивления траверсы
Проверяем прочность траверсы:
– по нормальным напряжениям от максимального момента
– по касательным напряжениям
– по приведенным напряжениям
где σ = Моп/Wt = 178,8 / 240,7 = 0,74 кН/см2;
τ = Qпр/(ttht) = 432 / (1 · 38) = 11,37 кН/см2.
Сечение траверсы принято.
Требуемый катет горизонтальных швов для передачи усилия (Nt = qtL) от одной траверсы на плиту
где ålw = (L – 1) 2(b1 – 1) = (48 – 1) 2 (4 – 1) = 53 см – суммарная длина горизонтальных швов.
Принимаем катет сварного шва kf = 12 мм, который равен максимально допустимому катету kf,max = 1,2 tt = 1,2 · 1 = 12 мм.
§
Передача нагрузки от главной балки, установленной сверху на колонну, осуществляется через торцевое опорное ребро. Торец ребра рассчитывается на смятие, для чего он строгается. Выступающая часть а не должна быть больше 1,5tr (рис. 3.19) и обычно принимается 15 – 20 мм.
Рис. 3.19. К расчету опорной части балки
Расчет ребра производится на усилие Fb, равное опорной реакции балки:
Определяем площадь смятия торца ребра:
Ar = brtr= Fb/(Rpγc) = 1033,59 / (33,6 · 1) = 30,76 см2,
где 
– расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки), принимаемое по табл. 2.4 для класса стали С255 с Run = 370 МПа.
Принимая ширину ребра равной ширине пояса балки у опоры bh = bf1 = 240 мм, определяем толщину ребра:
По конструктивным соображениям рекомендуется размеры опорного ребра принимать: 
; 
Принимаем ребро из листа 240´16 мм с площадью Ar = 38,4 см2.
Толщина опорного ребра должна быть не менее 
где br,ef= br/2 = 240 / 2 = 120 мм – ширина выступающей части:
tr = 1,6 см > 3 · 12 
Опорная часть главной балки из своей плоскости (относительно оси z-z) проверяется на устойчивость как условная центрально-сжатая стойка с расчетной длиной, равной высоте стенки 
. Расчет на устойчивость стойки сплошного сечения при центральном сжатии выполняют по формуле
где φ – коэффициент устойчивости при центральном сжатии, принимаемый в зависимости от условной гибкости 
по табл. 3.11 для типа кривой устойчивости “с” (см. табл. 3.12).
Расчетное сечение условной стойки включает в себя площадь опорного ребра Ar и площадь устойчивого участка стенки, примыкающего к ребру, шириной
Определяем геометрические характеристики стойки:
– площадь
As= Ar ctw= 38,4 22,85 ∙ 1,2 = 65,82 см2;
– момент инерции
– радиус инерции
– гибкость
λz= hw/iz= 150 / 5,3 = 28,3;
– условная гибкость
Коэффициент устойчивости φ = 0,907.
Производим проверку:
Опорная часть балки устойчива.
Прикрепление опорного ребра к стенке балки осуществляем механизированной сваркой в среде углекислого газа проволокой Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70* для сварки стали класса С255 (см. табл. 2.5; 2.7 и 3.4):
Rwf= 21,5 кН/см2 ; Rwz= 16,65 кН/см2 ; 
βz = 1,05
Сравниваем:
следовательно, расчетным является сечение по металлу границы сплавления.
Условие прочности сварных угловых швов, работающих на срез:
откуда катет шва
Принимаем шов с kf = 7 мм, что больше kf,min = 5 мм по табл. 3.5.
Проверяем максимальную длину расчетной части шва:
укладывается в конструктивную длину шва, равную высоте стенки.
Ребро привариваем к стенке по всей высоте непрерывными швами.
Главные балки скрепляют на опоре между собой через прокладку толщиной, равной конструктивному зазору, и с колонной монтажными болтами диаметром 16 – 20 мм, фиксирующими проектное положение балок. Болты взаимного сопряжения балок размещают в нижней зоне балки, что позволяет считать его шарнирным, так как допускается некоторый поворот опорного сечения балок за счет податливости болтового соединения.
§
Пример 4.2.Подобрать сплошную сварную колонну симметричного двутаврового сечения, выполненную из трех прокатных листов, по данным примера 3.4. Внизу колонна жестко защемлена в фундаменте, вверху шарнирно сопрягается с балками. Отметки: верха настила рабочей площадки 13 м. Материал конструкции согласно табл. 2.1 – сталь класса С245 с расчетным сопротивлением Ry= 24 кН/см2. Коэффициент условий работы γс = 1.
Расчетная схема колонны на рис. 4.1. Продольная сила N, сжимающая колонну, равна двум реакциям (поперечным силам) от главных балок, опирающихся на колонну:
N = 2Qmax = 2 · 1033,59 = 2067,18 кН.
Геометрическая длина колонны (от фундамента до низа главной балки) равна отметке настила рабочей площадки за вычетом фактической строительной высоты перекрытия, состоящей из высоты главной балки на опоре ho, высоты балки настила hбн и толщины настила tн, плюс заглубление базы колонны ниже отметки чистого пола (принимается заглубление 0,6 – 0,8 м):
При наличии вспомогательной балки в балочной клетке (при поэтажном сопряжении балок) в высоту перекрытия добавляется высота балки hбв.
Расчетные длины колонны в плоскостях, перпендикулярных осям х-х и у-у:
.
Сечение колонны представлено на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Сечение сплошной сварной колонны
Задаются гибкостью колонны средней длины в пределах λ = 100 – 60 для колонн с усилием до 2500 кН; λ = 60 – 40 – для колонн с усилием 2500 –4000 кН; для более мощных колонн принимают гибкость λ = 40 – 30.
Принимаем λ = 80.
Условная гибкость колонны
По условной гибкости для двутаврового сечения при типе кривой устойчивости ′′в′′ определяем коэффициент устойчивости при центральном сжатии j = 0,697 (см. табл. 3.11).
Требуемая площадь поперечного сечения колонны
Требуемые радиусы инерции сечения:
ix = iy = lx/l = 813 / 80 = 10,16 см.
Воспользовавшись из табл. 4.1 зависимостями радиуса инерции от типа сечения и его габаритов (высоты hиширины b), определяем для двутавра:
h = ix/k1 = 10,16 / 0,43 = 23,63 см;
b = iy/k2 = 10,16 / 0,24 = 42,33 см;
Таблица 4.1
Приближенные значения радиусов инерции ix и iy сечений
По технологическим соображениям (из условия сварки поясных швов автоматом) высота стенки hw не должна быть меньше ширины пояса bf. Назначаем размеры сечения, увязывая их со стандартной шириной листов: 
Дальнейший расчет проводим только относительно оси у-у, так как гибкость стержня относительно этой оси будет почти в два раза больше, чем относительно оси х-х.
Толщину стенки назначают минимальной из условия ее местной устойчивости и принимают в пределах 6 – 16 мм.
Гибкость стенки (отношение расчетной высоты стенки к толщине hw/tw)в центрально-сжатых двутавровых колоннах по условию местной устойчивости стенки не должна превышать 
где значения 
определяются по табл. 4.2.
Определяем толщину стенки при 
Принимаем стенку из листа сечением 400´8 мм с площадью сечения
Если по конструктивным соображениям толщина стенки tw принята меньше tw,min из условия местной устойчивости, то стенку следует укрепить парным или односторонним продольным ребром жесткости, разделяющим расчетный отсек стенки пополам (рис. 4.4). Продольные ребра следует включать в расчетное сечение стержня:
Aрасч = A åAp.
Таблица 4.2
Предельные условные гибкости 
| Относительный эксцентриситет | Сечение элемента | Значения `l и`l1 | Формулы для определения |
| m = 0 | Двутавровое | `l < 2,0 `l ³ 2,0 |   но не более 2,3 |
| Коробчатое, швеллерное прокатное | `l < 1,0 `l ³ 1,0 |   но не более 1,6 | |
| Швеллерное, кроме прокатного | `l < 0,8 `l ³ 0,8 |    но не более 1,6 | |
| m ³ 1,0 | Двутавровое, коробчатое | `l < 2,0 `l ³ 2,0 |   но не более 3,1 |
Обозначения:`
l – условная гибкость элемента, принимаемая в расчете на устойчивость при центральном сжатии;
`l1 – условная гибкость элемента, принимаемая в расчете на устойчивость в плоскости действия момента.
П р и м е ч а н и я: 1. К коробчатым относятся замкнутые прямоугольные профили (составные, гнутые прямоугольные и квадратные).
2. В коробчатом сечении при m > 0 значение `luw следует определять для стенки, параллельной плоскости изгибающего момента.
3. При значениях 0 < m < 1,0 значение `luw следует определять линейной интерполяцией между значениями, вычисленными при m = 0 и m = 1,0.
Отношение ширины свеса полки bef = (bf – tw)/2 = (40 – 8) / 2 = 19,6 см
к толщине полки tf в центрально-сжатых элементах с условной гибкостью
l = 0,8 – 4 по условию местной устойчивости полки не должно превышать
откуда определяем минимальную толщину полки:
Требуемая площадь одной полки
Рис. 4.4.Укрепление стенки продольными и
поперечными ребрами жесткости
Требуемая толщина полки
Принимаем 
Высота сечения
h = hw 2tf = 400 2 ∙ 1,2 = 42,4 см.
Площадь полки
Вычисляем геометрические характеристики сечения:
– площадь
– момент инерции относительно оси у-у (моментом инерции стенки пренебрегаем)
– радиус инерции
– фактическую гибкость
– условную гибкость
– коэффициент устойчивости при центральном сжатии 
Проверяем общую устойчивость колонны относительно оси y-y:
где gс = 1 – коэффициент условий работы по табл. 1.3.
Недонапряжение в колонне
что допустимо в составном сечении согласно СНиП [6].
Сечение принято.
В случае невыполнения условия устойчивости колонны, производится корректировка размеров сечения и повторная проверка. Корректировка, как правило, производится за счет изменения размеров полок при обязательном соблюдении условия их местной устойчивости.
Для укрепления контура сечения и стенки колонны при 
устанавливают поперечные ребра жесткости, расположенные на расстоянии a = (2,5…3)hw одно от другого; на каждом отправочном элементе должно быть не менее двух ребер (см. рис. 4.4). Минимальные размеры выступающей части br и толщины tr поперечных ребер жесткости принимаются так же, как в главной балке.
Проверяем:
,
постановка поперечных ребер жесткости не требуется.
В местах примыкания к колонне связей, балок, распорок и других элементов ребра жесткости устанавливают в зоне передачи сосредоточенных усилий независимо от толщины стенки.
Соединение пояса со стенкой рассчитывают на сдвиг по формуле
где T = Qfic Sf/I – сдвигающее пояс усилие на единицу длины, вызываемое
условной поперечной силой
Qfic = 7,15 ∙ 10–6(2330 – E/Ry)N/φ,
здесь φ – коэффициент устойчивости при центральном сжатии, принимаемый при расчете по условной гибкости колонны относительно оси x-x;
Sf – статический момент пояса колонны относительно оси x-x;
Ix – момент инерции сечения колонны.
В центрально-сжатых колоннах сдвигающее усилие незначительно, так как поперечная сила, возникающая от случайных воздействий, невелика. Соединение стенки с полками производится автоматической сваркой. Минимальный катет сварного шва принимается конструктивно в зависимости от максимальной толщины свариваемых элементов (tmax= tf= 12 мм) kf = 5 мм.
§
Как указывалось выше, укрепление стенок балок для обеспечения их устойчивости производится ребрами жесткости.
В сварных балках ребра делаются из полосы шириной bр, определяемой по эмпирической формуле
где h — высота стенки в мм.
В клепаных балках ребра делаются из уголков, ширина выступающей полки которых определяется по той же формуле (55.VI). Толщина ребер принимается не менее 1/15bр. Все ребра проектируют симметричными относительно оси балки, располагая их друг против друга.
Приварка ребер (кроме опорных) к стенке производится швами минимальной толщины (hш = 4/5 мм). На обоих концах ребра срезают, размер катета среза 40 — 50 мм.
В клепаных балках ребра из уголков обязательно заводят на поясные уголки, доводя их до выкружки уголков. Для этого между уголком жесткости и стенкой балки помещается прокладка, по толщине равная толщине поясных уголков. Уголки жесткости приклепываются минимальным числом заклепок, т. е. с шагом, приближающимся к 12d.
Конструкция ребер жесткости
При неподвижной сосредоточенной нагрузке необходимо в местах приложения сосредоточенных грузов предусматривать постановку ребер жесткости, воспринимающих нагрузку и распределяющих ее по стенке.
В месте опирания балки на опору действует опорная реакция, распределенная на сравнительно небольшом участке балки. Рассматривая опорную реакцию как активную сосредоточенную силу, передачу этой силы на стенку производят через опорные ребра жесткости, которые для этого плотно пригоняют к нижнему поясу балки и соответственно прикрепляют к стенке балки.
Таким образом, выступающая нижняя торцовая поверхность опорных ребер испытывает сжатие, а также смятие, вызванные опорной реакцией.
Требуемая площадь сечения опорных ребер определяется по формуле
где А — расчетная опорная реакция;
Rсм.т — расчетное сопротивление стали смятию торцовой поверхности;
m — коэффициент условий работы.
В клепаных балках по формуле (56.VI) определяется площадь части выступающих полок уголков, которые должны быть пригнаны к поясу, поскольку прилегающая к стенке полка уголка и часть выступающей полки срезаются во избежание попадания их на выкружку поясного уголка.
Кроме того, опорные ребра или уголки должны быть проверены на продольный изгиб из плоскости балки, как стойки, нагруженные опорной реакцией. В состав площади сечения F такой условной стойки включаются ребра жесткости и полоса стенки по 15 8 с каждой стороны ребра, так что получается крестообразное сечение. Расчетная длина стойки lр принимается равной высоте стенки. Проверка производится по формуле
Прикрепление опорных ребер или уголков к стенке рассчитывается на сдвиг от опорной реакции А.
