Сварные колонны. Классификация и назначение. Расчетные нагрузки, действующие на колонны.

Колонны и стойки гражданских и общественных зданий (а также производственных и сооружений) служат для передачи нагрузок, от опирающихся на них конструкции на фундаменты.

Колонны состоят из 3-х основных частей: оголовка, на который опираются вышележащие инструкции, стержня колонны и базы или башмака, передающего действие нагрузки на фундамент и закрепляющего колонну на нем.

В зависимости от типа поперечного сечения и его изменения по длине колонны подразделяют на 3 типа колонн:

·                     постоянного по высоте сечения;

·                     переменного по высоте сечения (ступенчатые);

·                     раздельного типа, при котором ветви колонн не жестко связаны друг с другом и каждая ветвь выполняет свою функцию.

Наиболее простые в изготовлении и наиболее употребляемые в строительстве - колонны лишнего по высоте сечения.

В промышленном строительстве при наличии мостовых кранов применяют ступенчатые колонны и колонны раздельного типа.

В зависимости от условий нагружения различают центрально-сжатые и внецентренносжатые колонны. В центрально-сжатых колоннах продольная сила приложена вдоль оси и вызывает равномерное сжатие. Внецентренно-сжатые колонны работают на восприятие совместного действия продольной силы и изгибающего момента.

По типу сечений различают:

·                     сплошностенчатые колонны, выполняемые из прокатных двутавров или сваренные из 3-х листов и более, из цельнотянутых или сварных труб, или из различных комбинаций открытых профилей (рис.7.1 а...з);

·                     сквозные, состоящие 2-х или 4х ветвей (рис.7.1. н...о), соединенных между собой планками или треугольной решеткой, выполненной из уголков, швеллеров или других профилей (рис.7.1а...в).

Планки в колоннах применяют, когда расстояние между ветвями не превышает 600 мм. Среди сплошностенчатых колонн наибольшее применение находят прокатные широкополочные двутавры или двутавры, сваренные из 3х листов.

Наиболее экономичными сечениями центрально-сжатых колонн являются трубчатые сечения, отличающиеся равной устойчивостью относительно любой оси, проходящей через их центр тяжести. Однако колонны трубчатого сечения имеют существенный недостаток - сложность крепления балок к колоннам.

При больших длинах и развитых сечениях сквозные колонны по расходу материала эффективнее, чем сплошные, однако более трудоемки в изготовлении и дороже.

7.2. Расчет колонн      

Расчет центрально-сжатой колонны начинают с определения расчетной продольной N. Требуемая площадь сечения может быть определена из условия обеспечения устойчивости центрально-сжатого стержня. Определяем требуемую площадь колонны  name=Object58 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1025">.

name=Object59 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1026">

Тип

Схема

Приведенные гибкости составных стержней сквозного сечения

сече ния

сечения

с планками при

с решетками

1

- расстояние между осями ветвей;

- расстояние между центрами планок;

- наибольшая гибкость всего стержня;

- гибкости отдельных ветвей при изгибе их в плоскостях, перпендикулярных осям соответственно 1-1, 2-2 и 3-3, на участках между приваренными планками (в свету) или между центрами крайних болтов;

- площадь сечения всего стержня;

и

- площади сечений раскосов решеток (при крестовой решетке – двух раскосов), лежащих в плоскостях, перпендикулярных осям соответственно 1-1 и 2-2;

- площадь сечения раскоса решетки (при крестовой решетке – двух раскосов), лежащей в плоскости одной грани (для трехгранного равностороннего стержня);

и

- коэффициенты, определяемые по формуле

где

- размеры элементов одной панели, определяемые по СНиП II -23-81*;

- коэффициенты, определяемые соответственно по формулам:

здесь

- моменты инерции сечения ветвей относительно осей соответственно 1-1 и 3-3 (для сечений типов 1 и 3);

- то же, двух уголков относительно осей соответственно 1-1 и 2-2 (для сечения типа 2);

- момент инерции сечения одной планки относительно собственной оси (рис. 3);

- моменты инерции сечения одной из планок, лежащих в плоскостях, перпендикулярных осям соответственно 1-1 и 2-2 (для сечения типа 2).

Для предварительного расчета коэффициент продольного изгиба  name=Object60 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1027"> принимается: для стальных колонн равным 0,85, для алюминиевых 0,6...0,75.

По найденному значению  name=Object61 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1028"> подбирается по сортаменту. Требуется, чтобы гибкость колонны  name=Object62 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1029"> не превышала 120.

Размеры составного Н-образного сечения из 3-х листов выбирается следующим образом:

·                     Сечение принимается близким к квадратному.

·                     Высота сечения для колонн высотой 10...2 м принимается равной (1/15...1/20) l. Толщины листов назначают: для поясов  name=Object63 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1030"> и стенки  name=Object64 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1031">.

При этом, если в правильно подобранных сечениях балок площадь 2-х поясов равна площади стенки, то в колоннах площадь 2-х поясов находится в пределах 0,7...0,8 от общей площади сечения. Вышеприведенных данных достаточно для предварительного выбора сечения Н-образной колонны при составлении архитектурного проекта здания. Точный подбор сечения Н-образной колонны, помимо проверки напряжений, требует также проверки элементов сечения по потере местной устойчивости. Так устойчивость стенки Н-образной колонны определяется по гибкости стенки  name=Object65 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1032">, где наибольшая условная гибкость стенки  name=Object66 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1033">,а  name=Object67 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1034">-условная гибкость колонны.

Рис. 7.1. Типы сечения колонн:

а – е – сплошностенчатые центрально-сжатые колоны;

ж, з - сплошностенчатые внецентрально - сжатые колоны;

и, к, л, м - сквозные центрально-сжатые колоны;

и, о, - сквозные внецентрально - сжатые колоны;

1 – основные элементы колонны; 2 – планки; 3 – элементы решетки.

v:shapes="_x0000_s1026">Если  name=Object68 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1041">окажется больше значения, полученного из вышеприведенного выражения,то это будет означать, что устойчивость принятой стенки колонны не обеспечена и ее необходимо укрепить продольным ребром, а также поперечными ребрами, которые ставятся на расстоянии (2,5..3) h. Во всех случаях  name=Object69 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1042"> не должна превышать 75.

Устойчивость поясов колонн также зависит от общей гибкости колонны и предельные свободные свесы принимаются по СНиП II -23-81*.

Назначение размеров квадратных колонн из 4х листов осуществляется из следующих соображений:

·                     При колоннах в зданиях высотой 4...6 этажей размер высоты сечения колонн принимается в пределах 250 мм. Оптимальными являются колонны сечением 400 х 400 мм, при этом гибкость таких колонн находится обычно в пределах  name=Object70 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1043">,а коэффициент продольного изгиба  name=Object71 align=absmiddle v:shapes="_x0000_i1044"> принимается равным 0,96...0,90.

·                     В высоких зданиях, например, до 30-ти этажей, в нижней части сечение колонны может быть принято 300...500 мм. Толщины до t_w составляют 20...40 мм. В коробчатых колоннах листы меньше защемлены в углах и поэтому предельная гибкость стенок при  name=Image228 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1045"> составит  name=Image229 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1046">_, а при  name=Image230 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1047"> составит  name=Image231 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1048">но не более 1,6по СНиП II -23-81*.

Для составных сжатых стержней (рис.7.2.), ветви которых соединены планками или решетками, коэффициент  name=Image232 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1049">относительно свободной оси (перпендикулярной плоскости планок или решеток) должен определяться по табл. 72СНиП II -23-81* с заменой в  name=Image233 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1050">на name=Image234 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1051">. Значение name=Image235 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1052">следует определять в зависимости от значений name=Image236 align=absmiddle border=0 v:shapes="_x0000_i1053">приведенных в таблице.

Таблица 7.1

В составных стержнях с решетками помимо расчета на устойчивость стержня в целом следует проверять устойчивость отдельных ветвей на участках между узлами.

Гибкость отдельных ветвей ина участке между планками должна быть не более 40.

В составных стержнях с решетками гибкость отдельных ветвей между узлами должна быть не более 80 и не должна превышать приведенную гибкость стержня в целом. Допускается принимать более высокие значения гибкости ветвей, но не более 120, при условии, что расчет таких стержней выполнен по деформированной схеме.

Расчет составных элементов из уголков, швеллеров и т. п., соединенных вплотную или через прокладки, следует выполнять как сплошностенчатых при условии, что наибольшие расстояния на участках между приваренными планками (в свету) или между центрами крайних болтов не превышают: для сжатых элементов - 40;для растянутых элементов - 80.

Здесь радиус инерции уголка или швеллера следует принимать для тавровых или двутавровых сечений относительно оси, параллельной плоскости расположения прокладок, а для крестовых сечений - минимальный.

При этом в пределах длины сжатого элемента следует ставить не менее двух прокладок. Расчет соединительных элементов (планок, решеток) сжатых составных стержней должен выполняться на условную поперечную силу принимаемую постоянной по всей длине стержня и определяемую по формуле

 

где - продольное усилие в составном стержне;

- коэффициент продольного изгиба, принимаемый для составного стержня в плоскости соединительных элементов.

 

Типы и конструкции оголовков и баз колонн

Оголовки служат для передачи на колонну давлений (нагрузок) от опирающихся на них вышележащих конструкций. Для этого на верхний торец колонны укладывается опорная плита, поддерживаемая опорными ребрами. На рис.7.3. даны некоторые примеры оголовков центрально-сжатых колонн.

База колонны служит для распределения сосредоточенного давления от стержня колонны по площади фундамента и обеспечивает закрепление нижнего конца колонны в соответствии с принятой расчетной схемой.

Различают 2 основных типа баз - шарнирные и жесткие.

Шарнирные базы имеют наиболee простую конструкцию. Для центрально-сжатых колонн со значительным усилием может быть применена база, состоящая из толстой стальной опорной плиты, на которую опирается фрезерованный торец стержня (рис. 7.4.а). Для легких колонн фрезеровать торец не целесообразно, т.к. все усилия могут передаваться на опорную плиту через сварные швы, с помощью которых колонна прикреплена к плите. Соединительная траверса (рис.7.4 б. в) обеспечивает более равномерную передачу силового потока от колонны к плите. Особенность всех шарнирных баз состоит в том, что анкерные болты (их обычно два) крепят базу к фундаменту непосредственно за опорную плиту.

Жесткие базы центрально-сжатых колон (рис.7.4.г.д.) имеют не менее 4х анкерных болтов, которые крепятся к траверсам. Благодаря этому после затяжки болтов исключается поворот колонны на опоре. Во внецентренно-сжатых колоннах устраивают жесткие базы, которые могут передавать изгибающие моменты. С этой целью траверсы приходится развивать в направлении действия момента. При относительно небольших опорных опорных моментах траверсы делают из листов толщиной 10... 12 мм (по типу рис.7.4.г.д). Толщину опорной плиты базы определяют расчетом, однако из конструктивных соображений не принимают менее 20 мм.

Обычно базы колонн устанавливают на 500...1000 мм ниже отметки пола здания и обетонирываютрывают для защиты от коррозии.

Площадь опорной плиты A_pt центрально-сжатых колонн определяется по формуле

где:- расчётное сопротивление материала фундамента смятию (величина дроби не более 1,5);

расчётное сопротивление бетона осевому сжатию;

- площадь верхнего обреза фундамента

Для внецентренно-сжатых колонн количество анкерных болтов с одной стороны от оси симметрии определяют по формуле

где М- расчетный изгибающий момент в опорном сечении, N- продольная изгибающая сила, a - расстояние от оси приложения продольной сжимающей силы до оси даствующей силы в анкерных болтах сжатой ветви, у- расстояние между осями недействующих в анкерных болтах сжатой и растянутой ветви колонны.

На уровне подошвы опорной плиты возникают также сдвигающие силы, восприятие которых осуществляется дополнительными элементами заанкеренными в фундамент и соединенные с подошвой стальными пластинами.

Контрольные вопросы.

1.                  Что такое колонны, как они классифицируются?

2.                  Каким образом назначается расчетная схема колонн?

3.                  Как выполняется расчет общей устойчивости центрально-сжатой колонны?

4.                  Приведите конструктивные решения баз колонн.

5.                  Как осуществляется сопряжение балок с колоннами при центральном сжатии?