Колонна со стальным сердечником

Обновлено: 18.04.2024

Балки и балочные клетки. Металлические балки являются основным конструктивным элементом при формировании несущих конструкций перекрытий и покрытий. В зависимости от расположения опорных конструкций, расстояния между ними (пролетов), вида настила, характера нагрузки на перекрытие, наличия технологического оборудования и других обстоятельств перекрытие может образовываться как отдельными балками, так и балочными клетками. Отдельные балки применяются при перекрываемых пролетах величиной до 9 метров.

Если перекрытие образовано из отдельных балок, то наиболее приемлемым решением будет применение балок из прокатных профилей швеллерных или двутавровых как обыкновенных, так и широкополочных. Балки из широкополочных двутавров для пролетов свыше 6 м имеют преимущество, так как они более выгодны. При недостаточной прочности или жесткости прокатных балок возможно применение составных сварных балок. При больших нагрузках проектируют двухстенные коробчатые балки.

Рис. 6.1. Типы поперечных сечений стальных балок:

а, б – балки из прокатных двутавров; в, г, д – составные сварные балки;

е, ж – балки на высокопрочных болтах или заклепках

Типы сечений стальных балок приведены на рис.6.1.

При пролетах более девяти метров применяются перекрытия в виде балочной клетки, см. рис. 6.2. Основой балочной клетки являются главные балки, опирающиеся

на колонны или стены. Пролет их составляет от 9 до 24 м, шаг от 6 до 9 метров.

На них опираются второстепенные балки пролетом 6 – 9 м с шагом от 1,5 до 3 м.

Настил перекрытия опирается или непосредственно на второстепенные балки или на балки настила. Пролет балок настила равен шагу второстепенных балок, а шаг зависит от конструкции настила. Балки под листовой настил проектируются с шагом 0,5 – 1,2 метра, В зависимости от конструкции перекрытия балки настила могут отсутствовать и тогда шаг второстепенных балок составляет те же 1,5 – 3 метра, а при железобетонных плитах перекрытия до 6 метров.

Рис. 6.2. Балочная клетка:

1 – балки настила, пролетом b; 2 – второстепенные, балки, пролетом B;

3 – главные балки пролетом L

Оптимальная высота главных балок зависит от многих факторов и лежит в пределах от 1 / 10 до 1 /15 пролета. Во второстепенных балках высота сечения может быть уменьшена до 1 / 20 пролета. Второстепенные балки могут располагаться поверх главных балок или крепиться к ним в пределах их высоты. В первом случае экономятся трудозатраты, во втором толщина перекрытия. Основные типы конструкций балочных клеток приведены на рис. 6.3.

При подборе балок из прокатных профилей можно воспользоваться методом прямого проектирования и обеспечить по заданным усилиям требования по прочности

и жесткости. По условию прочности из формулы ( 4.4 ) получим выражения для необходимого момента сопротивления W_n_,_min . При работе материала в упругой стадии

где M - расчетный изгибающий момент; R_y - расчетное сопротивление металла по пределу текучести, Ύ_c - коэффициент условий работы.

Рис. 6.3. Основные типы конструкций балочных клеток:

а – с этажным расположением второстепенных балок; б – с второстепенными балками в уровне верха главной балки; в – с пониженным расположением второстепенных балок; г – усложненный вариант;

1 – главная балка; 2 – второстепенная балка; 3 – балки настила; 4 - настил

С учетом работы металла в упруго-пластической стадии W_n_,_min определяем по соотношению W_n_,_min = M / ( C R_y Ύ_c ) , ( 6.2 )

где M - изгибающий момент от действия нормативных нагрузок; C – коэффициент учитывающий развитие пластических деформаций.

Мерой жесткости балки служит относительный прогиб - f / ℓ, отношение прогиба к длине пролета балки. Величина относительного прогиба нормируется, например, для главных балок f / ℓ ≤ 1/400 , а для второстепенных f / ℓ ≤ 1/250 . Если принять, что на балку действует равномерно распределенная нагрузка g , то относительный прогиб равен f / ℓ = 5/(384) g ℓ 3 / (E J) . ( 6.3 )

Отсюда можно получить выражение для требуемого момента инерции J_min

J_min = 5/(384) g ℓ 3 (ℓ / f) / E . ( 6.4 )

В выражениях ( 6.3 ) и ( 6.4 ) E – модуль упругости стали; ℓ - пролет балки. Имея значения требуемых момента сопротивления W_n_,_min и момента инерции J_min ,

по сортаменту можно выбрать ближайший больший двутавр отвечающий условиям прочности и жесткости. Если ни один из прокатных профилей не может удовлетворить требованиям по прочности и жесткости необходимо переходить к балкам из развитого двутавра или к балкам составного сечения.

Балки из развитого двутавра (балки с перфорированной стенкой) являются одним из эффективных типов балочных конструкций, рис. 6.4. Такие балки получают путем разрезания стенки исходного прокатного двутавра, причем разрез выполняется в виде ломаной линии с последующей сваркой половин со сдвигом по длине на половину шага и раздвижкой по высоте. Можно варьировать при этом как формой отверстий, так и их высотой. Несущую способность и жесткость по сравнению с исходным двутавром можно значительно увеличить. Наилучшей областью применения для таких конструкций является случай больших пролетов при малой нагрузке. Расчет балок из развитого двутавра производится по аналогии с расчетом безраскосной фермы. Здесь отметим только, что проверяются напряжения в характерных точках 1 и 2 (рис. 6.4, в) при учете изгибающего момента и перерезывающей силы.

Составные балки в простейшем случае свариваются из трех листовых элементов: стенки и поясов. Высота балки задается первоначально в пределах от 1/12 до 1/15 пролета, толщина стенки от 1/100 до 1/200 высоты. Толщина полок обычно принимается равной двум толщинам стенки. Оптимальной считается балка у которой площадь сечения поясов равна площади поперечного сечения стенки. Приняв таким образом первоначальную геометрию составной балки, переходят к ее расчету. Во-первых, проверяют прочность по соотношению ( 4.4 ) или ( 4.7 ) и прогиб по формуле ( 6.3 ). Далее, так как у составной балки отношение высоты стенки к ее толщине по сравнению с прокатными двутаврами значительно больше, необходимо проверить стенку балки на

Рис. 6.4. Балки из развитого двутавра:

а – роспуск исходного двутавра; б – сварка развитого двутавра;

в – к расчету сечения равитого двутавра

действие сдвигающих напряжений. Проверяется сечение с наибольшей перерезывающей силой Q ( для однопролетной балки обычно это приопорное сечение ) по соотношению

Это известная формула Н.Г. Журавского, где S - статический момент половины сечения балки относительно нейтральной оси; J - момент инерции сечения; t - толщина стенки; R_s - расчетное сопротивление стали на сдвиг; γ_c - коэффициент условий работы. Если по проверенным критериям принятое сечение не проходит или выявляется значительный запас, производится корректировка геометрии балки и повторный расчет.

Для балок, как составных, так иногда и для прокатных, проверок только на прочность и жесткость может оказаться недостаточно. Возможны еще как минимум четыре критических состояния которые необходимо проверить.

Если на стенку балки через полку передается сосредоточенная нагрузка, например

в месте опирания второстепенной балки на главную или в опорном сечении при отсутствии опорного ребра стенка балки может смяться. На местное смятие проверка производится по формуле σ_ℓ_oc = F / ( t_w ℓ_ef ) ≤ R_y Ύ_c , ( 6.6 ) где σ_ℓ_oc - напряжение местного смятия; F сосредоточенная нагрузка; t_w - толщина стенки балки; ℓ_ef - условная длина приложения нагрузки, определяемая по нормам.

Балка может потерять устойчивость плоской формы изгиба, см. рис. 6.5 а, если не выполняется условие M_max / ( φ_b W_n ) ≤ R γ_c , ( 6.7)

где φ_b - коэффициент общей устойчивости балок, вычисляемый по нормам в зависимости от расстояния между поперечными раскрепляющими опорами балки. Проверку на общую устойчивость можно не производить если выполняется условие

где ℓ_ℓ_f - расчетная длина балки между закреплениями в поперечном направлении;

b_f - ширина полки балки. По конструктивным соображениям ширину пояса следует принимать не менее 180 мм, не менее 1/10 высоты балки и не более 30 t_f .

Рис. 6.5. Формы потери устойчивости балок:

а – форма потери плоской формы изгиба; б – потеря устойчивости сжатой полки;

в – потеря местной устойчивости стенки

Сжатый пояс балки сжимается под действием изгиба с напряжением

и под действием этого сжимающего напряжения он может потерять устойчивость, если полка балки будет иметь слишком широкие свесы, рис. 6.5 б. Предельная ширина полки балки b_f , при которой ее не требуется проверять на устойчивость определяется из соотношения b_f ≤ t_f w , ( 6.9 )

где t_f - толщина полки балки.

Стенка балки может потерять устойчивость от действия главных сжимающих напряжений. Для исключения этого явления стенку балки укрепляют поперечными и иногда продольными ребрами, рис. 6.6. Поперечные ребра ставят, начиная от опоры

с шагом не большим чем удвоенная высота балки.

Рис. 6.6. Конструкция ребер жесткости составных балок:

а = поперечных; б – поперечных и продольных; в – то же с поперечными дополнительными ребрами в сжатой зоне; 1 – опорное ребро; 2 – рядовое поперечное ребро; 3 – продольное ребро жесткости; 4 – дополнительное поперечное ребро

Колонны и стойки. Колонной называют такой элемент конструктивного комплекса, который будучи сжатым, передает нагрузку от вышележащих элементов на нижележащие или фундамент. Колонна состоит из трех частей: оголовка, стержня и базы. В зависимости от характера геометрии стержня по высоте различают колонны постоянного сечения, переменного (ступенчатые) и раздельного типа, когда ветви колонн работают независимо друг от друга в части восприятия нагрузки. Наиболее употребительными являются колонны постоянного сечения. Ступенчатые колонны применяются в промышленных зданиях при наличии мостовых кранов, колонны с раздельными ветвями применяются в тех случаях, когда имеются тяжелые мостовые краны на небольшой высоте. По виду поперечного сечения различают колонны сплошностенчатые и сквозные.

Сплошностенчатые колонны бывают с простым и составным сечением. Простые колонны выполняются из прокатных двутавров и труб (при двутаврах предпочтение отдается широкополочным). Составные колонны формируются из сварных профилей, комбинированных или листовых, рис. 6.7. При центральном приложении нагрузки сечение лучше проектировать равноустойчивым в двух плоскостях, при внецентренной нагрузке или при действии изгибающего момента, сечение должно быть развито в плоскости изгиба, рис. 6.7 - ж, з.

Рис.6.7. Типы сечений колонн:

а, б – простые сплошностенчатые; в : е – составные; ж, з – с несимметричным сечением

Сквозная колонна может состоять из двух ветвей, образованных прокатными двутаврами или швеллерами, связанных между собой решетками или из четырех ветвей, связанных решетками в двух плоскостях, продолжение рис. 6.7. Решетки бывают

Рис. 6.7, продолжение:

и : м – сечения сквозных центрально сжатых колонн; н, о – внецентренно сжатых;

1 – несущие элементы колонн; 2 – планки; 3 – стержни решетки

раскосными и безраскосными, рис. 6.8 . Раскосные решетки обычно выполняются из уголков, безраскосные из полосовой стали в виде планок, рис. 6.8 - в. Такие решетки рекомендуется применять когда расстояние между ветвями не превышает 600 мм.

Рис. 6.8. Типы решеток сквозных колонн:а

а – треугольная; б – раскосная; в – с планками;

При расчете колонн применим только способ прямого проектирования. Расчет сплошной центрально сжатой колонны начинают с определения необходимой площади поперечного сечения A . Для этого задают предварительно величину коэффициента продольного изгиба, например φ = 0.8, и определяют требуемую площадь сечения колонны по формуле, полученной из соотношения ( 4.2 )

По найденному значению площади с помощью сортамента подбирают подходящий профиль и проводят повторную проверку.

При расчете сквозных колонн необходимо задаться габаритами поперечного сечения. Габарит поперечного сечения предварительно выбирается в зависимости от высоты колонны. При высоте до 10 м ширина поперечного сечения принимается равной 1/15 высоты колонны, при высоте от 10 до 20 м - 1/18 и при высоте до 30 м – 1/20. Далее, как и в предидущем случае вычисляется требуемая площадь поперечного сечения, формируется его геометрия, вычисляются геометрические характеристики сечения: момент инерции, радиус инерции, расчетная длина колонны, ее гибкость. Правило назначения гибкости для колонн простое: чем больше нагрузка, тем меньше гибкость. Для колонн гибкость должна быть примерно в пределах от 60 до 90. Затем снова проверяется выполнение условия прочности ( 4.2 ) при продольном изгибе.

В случае внецентренного сжатия прочность проверяется по соотношению, учитывающему действие сжимающей силы и изгибающего момента известному по лекции 4, как соотношение ( 4.11 )

Необходимо также проверить устойчивость колонны из плоскости действия момента по соотношению ( 4.12 ).

Решетка сквозных колонн конструируется из условия, что гибкость сжатых стержней должна быть не более 40, а растянутых не более 80. Кроме того, гибкость ветвей колонны не должна быть меньше гибкости самой колонны.

Для того чтобы закончить тему колонн, необходимо рассмотреть еще оголовок и базу, рисунки ( 6.9 ) и ( 6.10 ). База передает нагрузку от стержня колонны к фундаменту. Основным элементом базы является опорная плита, которая приваривается к торцу стержня колонны. Размер опорной плиты зависит от величины усилий, передающихся опорным сечением стержня колонны на фундамент и несущей способностью материала фундамента. Если нагрузка от колонны сравнительно небольшая и колонна опирается на фундамент шарнирно, применяют базу в виде толстой стальной плиты, в противном случае применяют тонкую стальную плиту, усиленную вертикальными ребрами.

Рис. 6.9. Базы одноветвевых колонн:

а – центрально сжатых с фрезерованным торцом; б – то же с ребрами жесткости;

в – внецентренно сжатых .

Рис. 6.10. Оголовки колонн и опорные узлы опирания балок:

а, б – оголовки сплошных колонн; в – то же, сквозных; г – опирание балок через опорные ребра жесткости;

д – опирание балок через нижние полки; 1 – стержень колонны; 2 –опорная плита оголовка;

3 – центрирующая планка; 4 – ребро жесткости; 5 – отверстия под анкерные болты

Конструкция базы должна предусматривать соединение базы и фундамента с помощью анкерных болтов, рис. 6.9 б и в. В простейших случаях, при легких стойках колонну приваривают к закладной плите в фундаменте, рис 6.9 а.

Оголовок колонны передает усилие на стержень колонны от вышележащих конструкций (колонн, балок, ферм). Основным элементом оголовка также является опорная стальная плита, приваренная к фрезерованным торцам стержня колонны. Опорную плиту оголовка также усиливают ребрами жесткости для того чтобы обеспечить равномерную передачу усилий на все сечения стержня колонны. Важным элементом оголовка являются центрирующие пластины. Они обеспечивают центральную передачу усилий от вышележащих конструкций, рис. 6.10 а, б, в.

1. Инженерные конструкции. Учебник, под редакцией В.В. Ермолова. – М.:Архитектура-С,2007.

2. Металлические конструкции. Учебник, под редакцией Ю.И. Кудишина, 11-е издание.- М.: «Академия», 2008.

3. Архитектурное конструирование. Учебник, В.А. Пономарев. – М.:

4. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции - М.: «Госстрой России»,2001.

5. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия – М.: «Госстрой России»,2003.

6. СНиП 2.03.06-85. Алюминиевые конструкции – М.: «Госстрой России»,2002.

Основные элементы стальных колонн

Вертикальные несущие элементы стального каркаса называют колоннами. Стальные колонны состоят из следующих элементов: ствола, который является основной несущей частью колонны, оголовка, выполняющий функцию опоры для вышележащих конструкций и распределяет нагрузку по стволу, базы (башмака), с помощью которой ствол колонны надежно присоединяется к фундаменту и передает нагрузку на фундамент. Если между ветвями большие размеры, применяют крестовую или полураскосную решетку. Элементы решетки располагают как снаружи, так и внутри. Внутренняя решетка уменьшает габариты колонн, облегчает перевозку их, однако требует больших затрат труда. Для увеличения площади опоры колонн и соединения с фундаментами в нижней части колонн предусматривают стальные базы (башмаки). Базы к фундаментам крепят анкерными болтами, которые закладываются в фундамент при их изготовлении. Опора выполняется через слой цементно-песчаного раствора. Конструкция базы зависит от сечения колонны и характера нагрузки. Базы центрально-сжатых сплошных и сквозных колонн устраивают из одной плиты или плиты, усиленной ребрами жесткости. Увеличить ширину стержня колонны и усилить плиту можно поперечными траверсами из листов.

Типы баз стальных 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 два основных типа баз — шарнирные и жесткие.

Шарнирные базы имеют наиболее 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. Для легких колонн фрезеровать торец нецелесообразно, так как все усилия могут передаться на опорную плиту через сварные швы, с помощью которых колонна прикреплена к плите. Жесткие базы центрально-сжатых колонн имеют не менее четырех анкерных болтов, которые кре пятся к траверсам. Благодаря этому после затяжки болтов исключается поворот колонны на опоре.

Во внецентренно сжатых колоннах устраивают жесткие

базы, которые могут передавать изгибающие моменты. Обычно базы колонн устанавливают на 500. 1000 мм ниже

отметки пола здания и обетонировывают для защиты от кор-

Стальные рамы. Типы

Стальные рамы облегченного типа выполняют из элементов (двух стоек и двух полуригелей), сечения которых имеют коробчатый вид.
Коробчатые сечения образуют из двух прокатных швеллеров с приваренными к ним листами с продольными гофрами.
Стойки и полуригели соединяют на фланцах и высокопрочных болтах диаметром 16 мм.
Такими рамами перекрывают пролеты 18 и 24 м.
Наибольшее применение получили рамы высотой 6980 и 8180 мм, устанавливаемые с шагом 6 м и рассчитанные на использование опорных кранов грузоподъемностью от 5 до 8 т.
Рамы соединяют с фундаментами шарнирно.
Для обеспечения устойчивости рам в торцах здания или температурных отсеков устанавливают вертикальные связи.
В этих же местах располагают горизонтальные связи в покрытии. При длине температурного отсека более 96 м вертикальные связи устанавливают через 42-60 м.
Рамы эффективны в сочетании с легкими покрытиями по прогонам, шаг которых составляет 2,9 м.Материалами для изготовления рам служат низколегированные или углеродистые стали.

34. Сущность железобетона. Достоинства и недостатки. Сортамент стального проката.

Железобетоном называется строительный материал, в котором соединены в монолитное целое бетон и стальная арматура. Идея создания железобетона заключается в реальной возможности использования бетона для работы на сжатие, а стали - на растяжение.

Бетон хорошо сопротивляется сжатию, но в 10. 15 раз хуже работает на растяжение. Поэтому в растянутой зоне железобетонных конструкций укладывают стальную арматуру, которая имеет высокое сопротивление растяжению.

Стальная арматура имеет высокую прочность не только на растяжение, но и на сжатие, поэтому может быть использована и для усиления сжатого бетона (например, в железобетонных колоннах).

Совместная работа бетона и стальной арматуры обусловливается выгодным сочетанием физико-механнческих свойств этих материалов: 1) при твердении бетона между ним и стальной арматурой создают значительные силы сцепления, вследствие чего в железобетонных элементах под нагрузкой оба материала деформируются; 2) плотный бетон (с достаточным содержанием цемента) защищает заключенную в нем стальную арматуру от коррозии, а также предохраняет арматуру от непосредственного действия огня;

3) сталь и бетон обладают близкими по значению температурнымн коэффициентами линейного расширения, поэтому при измененных температуры в пределах 100 °С в обоих материалах возникают несущественные начальные напряжения; скольжения арматуры в бетоне не наблюдается. Железобетон получил широкое распространение в строительстве благодаря его положительным свойствам: долговечности, огнестойкости, высокой сопротивляемости нагрузкам, малым эксплуатационным расходам на содержание зданий и сооружений и др.

К недостаткам железобетона относятся: большая масса конструкций; повышенная тепло- и звукопроводность; потребность в квалифицированных рабочих и строгом техническом надзоре, так как после бетонирования уже невозможно проверить фактическую

прочность бетона и проектное расположение арматуры. Вследствие усадки и ползучести бетона в конструкциях могут появиться трещины.

Недостаток железобетона - большая собственная масса, частично устраняемая применением пустотелых и тонкостенных конструкций, а также конструкций с бетоном на пористых заполнителях.

Сортамент стального проката

Прокатом называют детали и изделия, изготовленные способом прокатки. Сортаментом называют совокупность профилей (форм поперечного сечения изделий) и размеров изделий. Прокатка металла происходит при прохождении его между двумя валками прокатного стана, вращающимися в противоположные стороны, при этом металл под давлением валков обжимается, вследствие чего уменьшается толщина полосы и увеличиваются ее ширина и длина. П прокатки изготовляют листы, квадратный и круглый проф швеллеры, рельсы, балки и др.

Основную массу прокатных стальных изделий прокатываю горячем состоянии при температуре 900—1250йС (горячая прокатка) и небольшую часть — в холодном состоянии (холодная прокатка).

Прокатка — один из самых распространенных способов обр; ботки металлов давлением. Им обрабатывается около 75% все выплавляемой стали. Стальной прокат широко применяется в стрс ительстве зданий, сооружений, мостов, на железнодорожном тран< порте, в других отраслях производства.

Стальной прокат разделяют на четыре основные группы: листов вая сталь, сортовая сталь, специальные виды стали и трубы.

Листовую сталь разделяют на два основных вида: тонколистовую — листы толщиной меньше 4 мм и толстолистовую — листы толщиной больше 4 мм. Эта сталь имеет разнообразное применение.

Сортовую сталь (рис. 19.9) разделяют на два вида: первый — профили общего назначения: лента, полосовая, квадратная и угловая сталь, проволока (различного профиля), швеллеры, двутавровые балки и др.; второй — профили специального назначения: шпунты, и др. Среди всей прокатной продукции наибольшую часть р6гтавляет сортовая сталь (около 50%).

Рис.19,9 Сортамент прокатных сталей: а — равнобокий уголок; б — неравнобокий уголок; в — швеллер; г — двутавр; д — подкрановый рельс; е — круглая; ж — квадратная; з — полосовая; и — шпунтовая свая; к — листовая; л — рифленая; м — волнистая

Сборный железобетонный унифицированный каркас

Унифицированные рамно-связевые и связевые сборные железобетонные каркасы многоэтажных зданий состоят из следующих элементов: фундаментов, колонн, стенок-диафрагм жесткости, ригелей и панелей перекрытий.

Фундаменты под колонны каркаса делаются стаканного типа, а под стенки-диафрагмы – ленточные (монолитные).

Колонны приняты сечением 300 х 300 и 400 х 400 мм высотой обычно на один, 2 ÷ 4 этажа из бетона классов В 25 ÷ В 35. Армирование колонн производится 4 ÷ 8 стержнями диаметром 20 ÷ 36 мм и более из стали класса А-Ш (наибольшая несущая способность колонны 520 т). Для зданий с укрупненной сеткой колонн (9 х 9; 12 х 12 м) колонны имеют сечение 600 х 600 мм. Колонны имеют консоли с одной или двух сторон. Они рассчитаны на высоты этажей 3,3; 3,6; 4,2 м, а для укрупненной сетки – дополнительно на 4,8 и 6 м. Для подвальных и технических этажей предусмотрены высоты колонн 2,9 и 2,4 м. В колоннах нижних этажей, воспринимающих значительные нагрузки (до 2000 т на колонну), устраиваются стальные сердечники с облицовкой слоем бетона в 60 ÷ 80 мм для защиты от действия высоких температур при пожаре. Стальные сердечники позволяют сохранить те же размеры сечений колонн, что и в верхних этажах.

Наиболее сложная задача при проектировании сборного железобетонного каркаса – решение стыков колонн. В практике отечественного строительства сложились два типа стыков:

а) стыки, в которых усилия передаются через стальные элементы – опорные плиты или оголовники;

б) стыки, в которых осуществляется непосредственная передача усилий с бетона на бетон[4].

В стыках первого типа концы колонн снабжаются стальными пластиками или оголовниками, приваренными к продольной стержневой арматуре (рис. 5.4, а; б). При монтаже колонна устанавливается на центрирующей металлической прокладке. Стальные пластины или оголовники смежных элементов соединяются посредством сварки. Шов между торцами зачеканивается раствором, а вокруг стальных оголовников на высоту стыка бетонируется защитный слой. Эти стыки, однако, многодельны, требуют значительного расхода металла, большого количества сварочных работ, а также затрат рабочего времени и материалов на последующее обетонирование стыков. Кроме того, этот стык имеет высокую деформированность из-за неточного совпадения граней обойм и, соответственно, неправильного положения накладок.

В стыках второго типа происходит передача усилий с бетона на бетон. Наиболее распространенной конструкцией данного стыка является сфери-ческая поверхность торцов колонн с соединением арматурных стержней с помощью ванной сварки (рис 5.4, в).

Ванная сварка арматуры, в отличие от ранее принятого стыкования через дополнительные накладки, позволяет повысить надежность стыка и значительно упростить его, сократить количество монтажной сварки. Стыкование производится только с помощью четырех основных стержней. Остальные стержни меньших диаметров не доводятся до стыка. Затем шов, проходящий по периметру центровочных выступов, зачеканивается цементно-песчаным раствором класса В 25. Сваренные стержни соединяются хомутами из стали диаметром 8 ÷ 10 мм. Подрезка заполняется бетоном класса В 25.

К выполнению сферического стыка предъявляются повышенные требования по соблюдению геометрических размеров и точности сферических поверхностей. Для обеспечения наилучших условий для передачи усилий с одной колонны на другую радиусы кривизны сфер стыкуемых колонн принимаются разными. Стыковые ниши после монтажа замоноличиваются бетоном. Перед этим производится установка монтажных хомутов и инъекция раствора в зазор между сферами.

Рис. 5.4. Стыки сборных железобетонных колонн с гибкой арматурой:

а – стык колонн с помощью стальных листов (пластин), заанкеренных в бетон; б – стык колонн с помощью стальных оголовников, приваренных к продольной арматуре; в – сферический безметаллический стык сборных железобетонных колонн; г – плоский безметаллический стык железобетонных колонн; 1 – стальная пластина верхнего оголовка; 2 – тоже, нижнего огловка; 3 – сварной шов; 4 – центрирующая металлическая прокладка; 5 и 6 – верхний и нижний стальные оголовники; 7 – продольная арматура; 8 – поперечная арматура; 9 – стыковые ниши; 10 – сферические бетонные поверхности; 11 – центрирующий бетонный выступ

В последнее время стали применяться плоские безметаллические стыки с центрирующей бетонной площадкой (рис. 5.4, г), которые требуют значительно более простых форм для их изготовления.

В целях сохранения унифицированных размеров сечения колонн нижних этажей зданий повышенной этажности, воспринимающих нагрузку до 1500 и даже до 2000 т, их выполняют с жесткой арматурой (или есть еще название – с металлическими сердечниками). Такая арматура выполняется из сварного пакета уголковой стали («капуста») или прокатных полос из легированных строительных сталей (рис. 5.5, а; б). Применение в нижних этажах железобетонных колонн с жесткой арматурой дает возможность строить каркасные здания с колоннами (сечением 400 х 400 мм) высотой до 30 ÷ 40 этажей. При более высокой этажности применяется цельно-металлический каркас с защитой от огня, либо слоем штукатурки по сетке, либо установкой гипсовых плит.

Стык колонн с жесткой арматурой в зданиях высотой до 30 ÷ 40 этажей решают по принципу непосредственной передачи нагрузок с одного стального пакета на другой с помощью прокладной стальной плиты (рис. 5.5, в). Для обеспечения плотного соприкасания торцов колонн их обрабатывают фрезеровкой, дающей срез торца точно в перпендикулярной плоскости к оси колонн, а прокладную плиту устраивают также строганной, что позволяет обеспечивать точную толщину плиты и параллельность ее верхней и нижней плоскостей. При монтаже стволы сопрягающихся колонн по высоте скрепляют монтажными болтами, для установки которых к стальным пакетам ствола колонны приваривают ушки. Стык железобетонной колонны верхнего этажа и нижележащей колонны со стальным сердечником производят также с прокладкой стальной плиты.

Опирание железобетонных колонн с гибкой арматурой на массив фундамента производят через железобетонные башмаки с бетонированием зазоров и вибрированием. Растворный шов в этом случае работает в условиях многостороннего сжатия и хорошо воспринимает большую нагрузку. Железобетонные колонны с жесткой арматурой опирают на фундамент через прокладную стальную плиту, закрепленную анкерными болтами, и крепят к ней на сварке. Для обеспечения правильной передачи нагрузки колонны верхняя плоскость подкладной стальной плиты и торец стального сердечника колонны фрезеруются.

Рис. 5.5. Сборные железобетонные колонны с жесткой арматурой (металлическими сердечниками):

а – общий вид колонны; б – типы сечения стальных сердечников; в – стык колонны; 1 – колонна; 2 – стальной сердечник; 3 – выпуски арматурных стержней; 4 – стальные закладные детали; 5 – полосы толщиной до 60 мм; 6 – уголки; 7 – сварной шов; 8 – стержни продольной гибкой арматуры; 9 – хомуты; 10 – прокладная фрезерованная стальная пластина; 11 – монтажные болты; 12 – стальные ушки

Унифицированный ригель выполняется с предварительно напряженной арматурой таврового сечения высотой 450 мм, шириной 400 мм (по ширине колонны), рис. 5.6. При больших пролетах (9 м или 12 м) высота ригеля принимается равной 600 и 900 мм аналогичной конструкции. Ригель служит для опирания плит перекрытий, лестничных маршей и аналогичных элементов. Длина ригеля на 440 мм (340 мм при колоннах площадью сечения 300х300 мм) короче пролета, равного 6; 4,5 и 3 м.

Традиционной конструкцией узла сопряжения ригеля с колонной является опирание ригеля на, так называемую, «скрытую консоль». В отличие от обычной открытой консоли, получившей широкое распространение в промышленном строительстве, скрытая консоль не выступает ни за плоскость колонн, ни за плоскость ригеля. Для гражданских зданий, к которым предъявляются повышенные архитектурные требования, это очень важно.

Сварка ригеля с закладными элементами колонн производится в уровне верха консоли и верха ригеля. Верхняя сварка осуществляется швом «встык» при посредстве упирающейся в закладную деталь колонны монтажной стальной «рыбки» («рыбка» поставляется вместе с ригелем). Затем швы заливаются цементным раствором класса В 15 (рис. 5.6 и 5.7).

В узле сопряжения ригеля с колонной с помощью скрытой консоли осуществляется удачное защемление ригеля в колонне. Горизонтальные составляющие опорного момента в узле передаются: верхняя – через стальную накладку, привариваемую фланговыми швами к закладным деталям ригеля и швом встык к закладной детали колонны; нижняя – на консоль через фланговые швы, соединяющие закладные детали ригеля и консоли колонны.

Перерезывающая сила в узле передается на колонну через консоль. Консоль рассчитана на восприятие вертикальной нагрузки. При связевой системе степень защемления ригеля в колонне может варьироваться в любых пределах – от шарнирного опирания до полной заделки.

При конструировании стен диафрагм жесткости в унифицированном каркасе принята схема, при которой сборные железобетонные колонны, ригели и сборные железобетонные стенки жестко связаны между собой и представляют единую систему, работающую на восприятие как вертикальных, так и горизонтальных (ветровых) нагрузок (рис. 5.2 и 5.3).

В этой системе наиболее эффективно используется работа конструкции на прочность, повышается жесткость связевой системы.

В каркасных зданиях перекрытия обеспечивают жесткость и неизменяемость здания в горизонтальной плоскости и осуществляют передачу и распределение усилий от ветровой нагрузки на стенки жесткости. Сборные перекрытия превращаются здесь в жесткий горизонтальный диск.

Перекрытия в многоэтажных зданиях с унифицированным каркасом выполняются из многопустотных настилов высотой 220 мм с пустотами диаметром 140 мм. Они отличаются от обычных настилов в увеличенной, по противопожарным требованиям, толщине защитного слоя до 30 мм и в создании на боковых поверхностях шпонок (рис. 4.8, а; б), которые потом замоноличиваются.

Рис. 5.6. Узел опирания сборного ригеля на колонну (унифицированный сборный каркас серии 1.020-1):

1 – колонна; 2 – ригель; 3 – панель перекрытия; 4 – закладные детали; 5 – верхняя накладка – посредник «рыбка» из – 170х8; l=300 поставляется вместе с ригелем; 6 – сварной шов

Рис. 5.7. Узел опирания сборного ригеля на колонну при пролетах 9 и 12м (Московский опыт):

1 – верхняя стальная рыбка; 2 – монтажная сварка; 3 – закладные детали; 4 – ригель высотой 900 мм; 5 – ригель высотой 600 мм

Такое перекрытие обеспечивает передачу горизонтальных нагрузок на связевые диафрагмы при расстоянии между ними в пределах до 30 ÷ 36 м. Ширина настилов 1200 мм, но может быть увеличена до 3 и даже 4,5 м при пролете 6 м. Сейчас имеются примеры применения плоских беспустотных керамзитобетонных предварительно напряженных крупноразмерных настилов толщиной 140 и 160 мм с гладкими калиброванными поверхностями, которые обеспечивают необходимую изоляцию от воздушного шума. По таким плитам без каких-либо дополнительных стяжек может быть уложен синтетический рулонный ковер на упругой основе, обеспечивающий надежную изоляцию от ударного шума.

Рис. 5.8. Плиты перекрытий многопустотные (а, б), легкобетонные (в), ребристые (г) и типа ТТ:

а – пристенная; б – рядовая; в, г – связевые; д – предварительно напряженный настил типа ТТ-12 (пролетом 12 м); 1 – ниши для строповочных петель 150х80; глубина 70; 2 – каналы пустот (диаметр 159; шаг 185) на торцовых гранях плит; 3 – ниши растворной шпонки (диаметр 120; шаг 200) на продольных гранях плит; 4 – подрезки для выпусков арматуры 140х80; глубина 45; 5 – продольные ребра; 6 – поперечные ребра; 7 – монтажные петли

В большепролетных каркасных зданиях рационально применять ребристые настилы, что упрощает размещение вертикальных и горизонтальных санитарно-технических коммуникаций. Настилы могут иметь форму коробчатого настила или форму в виде «Т» или «ТТ» (рис. 5.8, г; д).

Важной составной частью перекрытия служит элемент, расположенный по осям колонн в направлении перпендикулярном ригелям и являющийся распоркой между колоннами. Этот элемент обеспечивает жесткость и устойчивость колонн как в монтажный период, так и в работе перекрытия как жесткого диска в период эксплуатации.

Распорки выполняются в виде ребристого корытообразного или плоского элемента, который своими торцами опирается на полки ригеля и крепится к нему с помощью сварки закладных элементов (рис. 5.8, в и 5.9).

Рис. 5.9. План раскладки плит перекрытий:

1 – колонна; 2 – ригель; 3 – многопустотная рядовая плита; 4 – ребристая плита (отверстие в полке для пропуска диафрагмы жесткости или стыков трубопроводов пробивается по месту); 5 – многопустотная связевая плита; 6 – подрезки с выпусками арматуры (диаметр 10*2); 7 – ниши для строповочных петель; 8 – посредник «рыбка» из – 170х80; l=300 поставляется вместе с прогоном; 9 – стальные коротыши, привариваемые к монтажным петлям

Корытообразная форма настила-распорки с тонкой (30 мм) плитой между ребрами позволяет, удаляя плиту, располагать на этих участках вертикальные санитарно-технические коммуникации.

Монтаж перекрытия начинают с установки на место и крепления на сварке связевых панелей (распорок), расположенных по линиям колонн, после чего приступают к монтажу основной массы панелей перекрытия. Для образования жестких дисков панелей перекрытия крепятся к ригелям путем сварки закладных деталей.

Типы поперечного сечения колонн

Колонны каркасного сооружения передают вертикальные усилия на фундамент. Они работают в основном от вертикальных нагрузок. Различают сжатые колонны и подвески. В сжатых колоннах — осевое сжатие и внецентренное приложение вертикальной нагрузки, вызывающее дополнительный изгиб. Случайные защемления незначительной жесткости и небольшие эксцентрицитеты обычно вызывают лишь несущественные дополнительные напряжения, которые при проектировании стальных каркасов не учитываются.

Центрально-сжатые колонны рассчитываются на продольный изгиб. Поскольку они могут терять устойчивость в двух направлениях, то расчетным является направление с меньшей жесткостью. Поэтому для колонн более выгодны поперечные сечения, моменты инерции которых одинаковы в отношении обеих осей. Профили, имеющие существенное отличие в моментах инерции, могут быть использованы для колонн только тогда, когда их устойчивость в плоскости меньшего момента инерции обеспечена защемлением в уровне перекрытия или дополнительными закреплениями по высоте.

Стальные колонны проектируют с различными формами поперечных сечений. Благодаря наличию широкого сортамента профилей и возможности применения сталей различной прочности можно подобрать сечение, обеспечивающее необходимую несущую способность колонны. Стальные колонны могут быть сквозного сечения. Такой тип сечения широко применяется в промышленном строительстве благодаря удобству примыкания элементов или в легких колоннах, чтобы повысить их жесткость в нужном направлении путем раздвижки ветвей.

Подвески, которые работают на растяжение, на устойчивость не рассчитываются.

Стальные колонны экономичны по площади сечения, особенно полые колонны, обладающие жесткостью при продольном изгибе. Наименьшие размеры сечения имеют сплошные профили.

1. Для сравнения показаны наружные размеры сечений железобетонных и стальных колонн при расчетной длине 3,5 м под нагрузку 100 и 1000 тс. Стальные колонны имеют коробчатое или сплошное поперечное сечение. В наружных размерах стальных колонн учтена огнезащитная облицовка толщиной 25 мм.

Нагрузки на колонны и одновременно соответствующие поперечные сечения колонн увеличиваются по этажам здания в направлении сверху вниз. Часто бывает желательно иметь одинаковые наружные размеры сечений колонн во всех этажах, при этом применение стандартных ограждающих элементов и облицовки колонн, установка перегородок и примыкание потолков облегчаются. При применении коробчатых и трубчатых профилей это достигается путем изменения толщин стенок и использования нескольких марок стали. Применение профилей сплошного сечения для колонн самых нижних этажей дает возможность иметь наименьшие наружные размеры.

Изменение поперечного сечения колонн

В колоннах из часто употребляемых двутавровых РВ-профилей возможно изменение площади сечения путем применения легкого, нормального и усиленного рядов профилей, а также стали марок St37 и St52. Так как профили усиленного ряда имеют большие наружные размеры, чем те же номера нормального ряда, часто бывает целесообразно комбинировать усиленный ряд соседнего нижнего профиля с легкими и нормальными рядами ближайшего более высокого. В самых нижних этажах колонны могут быть усилены практически без увеличения наружного размера профиля путем приварки к ним листов широкополосной стали.

2. Пример изменения поперечных сечений колонн по высоте здания.

Двутавровые профили

1. IPE — профиль для небольших нагрузок
2. IPB — профиль с широкими полками, наиболее хорошо подходит для колонн.

4. Сварные двутавры из широкополосной стали для колонн при очень больших нагрузках. Такой профиль при большой толщине листов (до 100 мм) может воспринять практически все возможные нагрузки.

Прямоугольные коробчатые профили

Применяются для колонн при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонны, имеющей ограниченное поперечное сечение. Благодаря ровным наружным плоскостям применяются для необлицованных колонн.

5. Коробчатый профиль, получаемый из IPB путем приварки полос по бокам.

6. Сварной прямоугольный полый профиль. По высоте колонны возможно изменять площадь поперечного сечения путем перемены толщины листов. Минимальная толщина листа 8 мм. Сварка листов может производиться различными способами.

7. Сплошной квадратный профиль, позволяющий делать колонны с наименьшими габаритами сечения, обладает высокой степенью огнестойкости при ограниченной защите и позволяет размещать колонны в перегородках, чем достигается оптимальное использование площади этажа; стоимость обработки незначительна.

8. Два сваренных вместе швеллера. Профиль пригоден лишь в отдельных случаях, так как площадь поперечного сечения можно изменить только приваркой полос внутри.

Крестообразные профили

9. Профиль, образованный из четырех уголков. Благодаря полной симметрии и своеобразной форме поперечного сечения часто применяется из эстетических соображений. Особенно пригоден для колонн, которые размещены на пересечении перегородок и должны быть скрыты в них.

10. Профили по типу рис. 9, но усиленные приваренными между уголками стальными полосами.

11. Профили для тяжелых колонн из двух IРВ или из листовой стали. Такие сечения особенно подходят для колонн при наличии в них изгибающих моментов в обоих направлениях.

Полые прокатные профили

Прямоугольные 12 или квадратные 13 трубы с округленными ребрами имеют очень хороший вид. Использование их для колонн требует принятия особых мер. Площади поперечных сечений профилей, имеющих постоянные наружные размеры, изменяются путем увеличения толщины стенок.

14. Профили круглого полого сечения выгодны с расчетной точки зрения, так как они во всех направлениях имеют одинаковые моменты инерции.

15. Трубы одинакового наружного диаметра могут воспринимать различные по значению усилия благодаря изменению толщины стенки. Использование тонкостенных труб требует принятия особых мер. Цена труб почти в 3 раза выше по сравнению с прокатными двутавровыми профилями. Поэтому, несмотря на незначительную стоимость изготовления трубчатых колонн, они в большинстве случаев оказываются дороже, чем колонны из коробчатых профилей (рис. 6).

Сквозные сечения

Эти типы сечений часто применяются в промышленных сооружениях. Они пригодны и для колонн высотных зданий, если прогоны должны проходить между ветвями колонн или внутри колонн предусмотрена прокладка технического оборудования. Эти колонны имеют габариты поперечного сечения, большие, чем колонны 5 и 6 Отдельные ветви колонн соединены друг с другом с помощью приваренных к ним планок, установленных с определенным шагом, обеспечивающим необходимую жесткость колонны при работе на продольный изгиб.
16. Колонны из двух швеллеров. 17. Тяжелые колонны из двух двутавровых РВ-профилей. 18 Легкие колонны из четырех уголков. Сортамент уголков позволяет изменять площадь сечения колонн в широком диапазоне.

Подвески

Подвески работают только на растяжение, поэтому они могут не иметь развитого сечения, необходимого для сжатых стержней.

19. Круглая сталь, передача усилий через резьбу, наращивание с помощью резьбовой муфты. 20. Листовая сталь. 21. Два швеллера. 22. Закрытый канат из высокопрочной проволоки, передача усилий через напрессованные гильзы.

Колонны

Балка двухскатная решетчатая пролетом 12 м, маркой по несущей способности 1 (м.б. 2,3,4,5,6) 1БДР12 – 1 серии 1.462.1-3/80, масса конструкции 4.7 т (для конструкций с маркой по несущей способности 5 и 6 – 5т)

Балка двухскатная решетчатая пролетом 18 м, маркой по несущей способности 3 (м.б. 4, 5, 6) 1БДР18 – 3 серии 1.462.1-3/80, масса конструкции 10.4 т (для конструкций с маркой по несущей способности 5 и 6 – 12.1т)

Железобетонные предварительно-напряженные безраскосные фермы пролетом 18 и 24м по серии 1.463-3. Маркировка:

ФБ – ферма безраскосная,

[2] – номер выпуска,

[3] – марка по несущей способности.

Пример: ФБ 18 II – 4 – ферма безраскосная пролетам 18м, номер выпуска II. Марка по несущей способности 4.

ФП12-1.Подстропильная ферма для малоуклонных кровель пролетом 12м по серии 1.463-4. Масса фермы 9.4 т

Подстропильная ферма ПФ-1 по серии ПК-01.110/68 для скатных кровель, масса конструкции 11.3 т.

Подкрановые балки БКНA6-2C (БКНA6-2K, БКНA6-3С, БКНA6-3K) серии КЭ 01-50 выпуск 1, масса конструкции 4.15т

Подкрановые балки БКНA12-2C (БКНA12-2K, БКНA12-3С, БКНA12-3K) серии КЭ 01-50 выпуск 2, масса конструкции 10.1т

Серия 1.424-4 выпуск 2 включат в себя типовые стальные колонны для одноэтажных зданий без мостовых кронов (или с подвесными мостовыми кранами) с высотой этажа 6-8.4м. Колонны имеют постоянное сечение и могут быть выполненный из сварных или прокатных широкополочных двутавров. Маркировку этих колонн рекомендуется выполнять следующим образом:

[1] – K - для крайних колонн

С – для средних колонн

[2] – высота колонны от нулевой отметки до верха, дм

[3] – C - для колонн с сечение виде сварного двутавра

П - для колонн с сечением в виде прокатного двутавра

[4] – порядковый номер колонны

Серия 1.423-4 выпуск 1 включает в себя типовые стальные колонны для одноэтажных зданий без мостовых кронов (или с подвесными мостовыми кранами) с высотой этажа 9.6-18м. Крайние и средние колонны имеют единообразное сечение из двух двутавровых ветвей с одинаковым расстоянием 800мм между осями. В типовых чертежах колонны обозначаются условными марками

[1] – A – для крайних колонн

Б – для средних колонн

[2] – порядковый номер

Вид колонны

Марка

Н,м

Шаг,м

№ про-филя

b, мм

Масса,т

Вид колонны

Марка

Н,м

Шаг,м

№ про-филя

b, мм

Масса,т

Крайняя

A-1

9.6

20Б2

0.93

Средняя

Б-24

23Б2

1.27

A-6

40Б2

1.89

Б-30

55Б2

3.81

Средняя

Б-1

20Б2

0.91

Крайняя

А-27

20Б2

1.22

Б-6

40Б2

1.9

А-34

50Б2

3.53

Б-2

23Б2

1.01

Средняя

Б-31

20Б2

1.21

Б-8

50Б2

2.57

Б-39

60Б2

4.78

Крайняя

А-7

20Б2

Крайняя

А-35

20Б2

1.3

А-12

40Б2

2.05

А-42

50Б2

3.76

Средняя

Б-9

20Б2

0.98

Средняя

Б-40

23Б2

1.44

Б-15

45Б2

2.44

Б-48

60Б2

5.1

Б-10

23Б2

1.1

Крайняя

А-43

20Б2

1.37

Б-16

50Б2

2.8

А-51

55Б2

4.59

Крайняя

А-13

20Б2

1.07

Средняя

Б-49

26Б2

1.75

А-19

45Б2

2.64

Б-57

70Б2

6.52

Средняя

Б-17

26Б2

1.32

Крайняя

А-42

20Б2

1.44

Б-23

55Б2

3.52

А-60

55Б2

4.86

Крайняя

A-20

20Б2

1.15

Средняя

Б-58

26Б2

1.84

A-26

45Б2

2.85

Б-66

70Б2

6.91

Серия 1.424-4 выпуск 2 включает колонны для зданий с высотой этажа 8.4-9.6 м и мостовыми кранами до 20т. Колонны постоянное по высоте сечение из сварного или прокатного широкополочного двутавра. Размеры двутавров принимаются по расчету. Маркировка колонн:

[4] – порядковый номер колонны К -

Читайте также: