Правила конструирования центрально сжатых стальных колонн
Обновлено: 06.05.2024
К условно центрально сжатым элементам относят промежуточные колонны в зданиях, верхние пояса ферм и ряд других конструктивных элементов. В действительности, из-за несовершенства конструктивных форм, отклонения их от проектных размеров, неоднородности бетона, неточностей монтажа сборных конструкций и других причин обычно центральное сжатие не наблюдается, а происходит внецентренное сжатие с так называемым случайным эксцентриситетом.
Сжатые элементы со случайными эксцентриситетами выполняют чаще квадратного поперечного сечения, реже – прямоугольного. Минимальный размер поперечного сечения колонн 250 мм. В целях стандартизации опалубки размеры сечения назначают кратными 50 мм.
Для сжатых элементов применяют тяжелые бетоны классов В15–В25.
Колонны армируют продольной (рабочей) стержневой арматурой диаметром 16–40 мм из горячекатаной стали классов А400, А500. Продольные стержни устанавливаются по периметру сечения в один ряд. Минимальные расстояния в свету между ними 50 мм для монолитных колонн и 25–30 мм – для сборных. Защитный слой бетона – не менее 20 мм. Максимальные расстояния между стержнями – 400 мм.
Поперечная арматура принимается без расчета из стали классов А240, А300. С целью обеспечения продольных стержней от бокового выпучивания шаг поперечной арматуры должен быть не более 15 ds (ds – наименьший диаметр продольной арматуры). Из условий сварки диаметр поперечной арматуры должен быть не менее 0,25 ds (здесь ds – наибольший диаметр продольного стержня).
Расчет колонны
На несущую способность гибких сжатых элементов заметное влияние оказывают случайные эксцентриситеты.
По нормам (п. 3.49 [3]) величина случайных эксцентриситетов ea должна приниматься равной большему из следующих значений:
Здесь – высота сечения колонны; l – расстояние между точками закрепления колонны от поперечных перемещений.
Сжатые элементы прямоугольного сечения с симметричным армированием стержнями из стали классов А400, А500 при l0 £ 20hcol и эксцентриситете допускается рассчитывать по несущей способности как центрально сжатые элементы (п. 3.58 [3]), исходя из условия
где j – коэффициент, учитывающий гибкость элемента, характер армирования и длительность действия нагрузки, определяемый по формуле
где jsb иjb – табличные коэффициенты (табл. 8 прил. 2); A – площадь поперечного сечения колонны; – площадь поперечного сечения всей продольной арматуры колонны.
В проекте рассчитывается наиболее нагруженная колонна первого этажа среднего ряда. Расчет прочности колонны производится в наиболее нагруженном сечении – у обреза фундамента.
Нагрузку на колонну с учетом ее веса определяют от опирающихся на нее ригелей трех вышележащих междуэтажных перекрытий (нагрузка от кровли передается на наружные кирпичные стены).
В качестве расчетной схемы колонны условно принимается сжатая со случайным эксцентриситетом стойка, защемленная в уровне обреза фундамента и шарнирно закрепленная в уровне верха консоли колонны (рис. 1.9).
Расчетная длина колонны первого этажа с шарнирным опиранием на одном конце и с податливой заделкой на другом конце составит (п. 3.55 [3])
где hэт – высота этажа по заданию, м; 0,7 м – расстояние от обреза фундамента до уровня чистого пола; hn – высота панели перекрытия; hриг – высота сечения ригеля, м.
Рис. 1.9. Расчетная схема колонны
Принимается колонна сечением 40´40 см.
Расчетная нагрузка на колонну в уровне обреза фундамента
где q¢ – постоянная и временная нагрузка на 1 пог. м ригеля (см. сбор нагрузки на ригель); l = lср – расстояние между поперечными осями колонн, на которые опирается средний ригель; n = 3 – число перекрытий; Gcol – вес колонны; gn = 1,0 – коэффициент надежности по назначению зданий
Кратковременно действующая часть расчетной нагрузки
где = 1,5 кН/м 2 по заданию; Aгр = ln lриг – грузовая площадь перекрытия, с которой нагрузка передается на среднюю колонну; ln и lриг – номинальный шаг колонн вдоль и поперек здания, соответственно; gf = 1,2 – коэффициент надежности по нагрузке; п = 3 – число перекрытий, нагрузка с которых передается на колонну.
Длительно действующая часть расчетной нагрузки
Определяется отношение Nl /N. Если Nl /N > 0,9, то gb1 = 0,9; если отношение меньше 0,9 – то gb1 = 1,0.
С целью определения размеров поперечного сечения колонны задаемся коэффициентами армирования ms = 0,008¸0,029 и j = 0,9. Тогда
При квадратном сечении колонны
Размеры сечения колонны округляются с кратностью 50 мм.
По соотношениям и по табл. 3.5 [3] и табл. 8 прил. 2 уточняются коэффициенты jb и jsb и определяется коэффициент j = jb + 2(jsb + jb) as; as = Rsc .
Площадь поперечного сечения арматуры колонны вычисляется по формуле
По сортаменту арматуры (табл. 3, прил. 2) принимается необходимое количество и диаметр продольной арматуры. В соответствии с п. 5.17 [3], диаметр продольных стержней сборных колонн должен быть не менее 16 мм. Защитный слой бетона а = а¢ = 4 см.
Глава 7. Расчет и проектирование стоек и колонн, работающих на центральное сжатие
В металлических конструкциях широко применяются работающие на центральное сжатие колонны или стержни, входящие в состав конструктивных комплексов.
Центрально-сжатые стержни (колонны) (рис. 7.1 а)применяются для поддержания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, на рабочих площадках, путепроводах, эстакадах и т.п. Центрально-сжатые стержни также работают в составе конструктивных элементов и комплексов тяжелых решетчатых ферм и рам (рис. 7.1 б), сжатых элементов вантовых систем и т.п.
Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фундаменты и состоят из трех частей, определяемых их назначением:
- оголовка, на который опирается вышележащая конструкция, нагружающая колонну;
- стержня - основного конструктивного элемента, передающего нагрузку от оголовка к базе;
- базы, передающей нагрузку от стержня на фундамент (рис. 7.1 а).
Расчет и конструирование основного элемента центрально-сжатых колонн и стержней производятся одинаково.
Узлы примыкания центрально-сжатых стержней к другим элементам конструктивного комплекса (рис. 7.1 б) зависят от вида конструкции и рассмотрены в соответствующих главах. Колонны и сжатые стержни проектируют почти исключительно стальными. Применять алюминиевые сплавы в сжатых стержнях, как правило, не рационально из-за плохой работы сплавов на продольный изгиб вследствие низкого модуля упругости. Однако в общем конструктивном комплексе, выполняемом из алюминиевого сплава, могут быть запроектированы и сжатые стержни из сплава на основе Al.
Рис. 7.1. Схемы стержней, работающих на центральное сжатие:
а - колонна; б - сжатый стержень тяжелой фермы; 1- фундамент; 2 - база; 3 - стержень; 4 - оголовок
Хорошо работают на центральное сжатие и экономны по затрате металла трубобетонные колонны, стержень которых состоит из стальной трубы, заполненной бетоном. Однако большого распространения эти колонны не получили из-за сложности плотного заполнения труб бетоном.
По статической схеме и характеру нагружения колонны могут быть одноярусными и многоярусными. Колонны и сжатые стержни бывают сплошными или сквозными.
Сплошные колонны
Обычно сечение сплошной колонны проектируют в виде широкополочного двутавра, прокатного или сварного, наиболее удобного в изготовлении с помощью автоматической сварки и позволяющего просто осуществлять примыкание поддерживаемых конструкций. Различные типы сечений сплошных колонн показаны на рис. 8.2 и 8.3.
Рис. 7.2. Открытые сечения сплошных стержней:
а - прокатный двутавр; б - сварной составной двутавр; в - крестовое из прокатных уголков; г - то же, сварное из полос; д - то же, с усиливающими элементами; е - из швеллеров и двутавров
Чтобы колонна была равноустойчивой, гибкости ее относительно осей х- λxи у - λy должны быть равны, т.е. λx = λy, или lx / ix = ly / iy .
Однако в двутавровых сечениях при одинаковых расчетных длинах /х = ly это условие не соблюдается, поскольку у них радиусы инерции получаются разными по величине. В двутавровом сечении (табл. 7.1) радиус инерции относительно оси х
радиус инерции относительно оси у
Следовательно, для получения равноустойчивого сечения необходимо, чтобы 0.43· h = 0,24· b или b ≈ 2 h, что приводит к весьма неудобным в конструктивном отношении сечениям, практически не применяемым.
Прокатный двутавр балочного типа при равных расчетных длинах вследствие незначительной ширины его полок не отвечает требованию равноустойчивости и поэтому применяется редко. У прокатного широкополочного двутавра колонного типа (рис. 7.2 а) b = h, что не удовлетворяет условию равноустойчивости, но все же дает сечение, вполне пригодное для колонн.
Сварные колонны, состоящие из трех листов (рис. 7.2 б), достаточно экономичны по затратам материала, так как могут иметь развитое сечение, обеспечивающее колонне необходимую жесткость. Сварной двутавр является основным типом сечения сжатых колонн. Автоматическая сварка обеспечивает дешевый индустриальный способ изготовления таких колонн. Равноустойчивыми в двух направлениях и также простыми в изготовлении являются колонны крестового сечения. При небольших нагрузках они могут состоять из двух уголков крупного калибра (рис. 7.2 в); из трех листов сваривают тяжелые колонны (рис. 7.2 г). Из условия местной устойчивости свободный выступ листа крестовой колонны не должен превышать 15 - 22 толщин листа (в зависимости от общей гибкости колонны). Крестовое сечение можно усилить дополнительными листами (рис. 7.2, д). Простыми, но ограниченными по площади и менее экономичными по расходу стали получаются колонны из трех прокатных профилей (рис. 7.2 е). Весьма рациональны колонны трубчатого сечения (рис. 7.3 а) с радиусом инерции i = 0,35 d, где d -диаметр окружности по оси листа, образующего колонну. Сварка дает возможность получить колонны замкнутого сечения и других типов, например из двух швеллеров (рис. 7.3 б), которые при больших нагрузках могут быть усилены листами (рис. 7.3 в), или из уголков (рис. 7.3 г). Экономичное сечение легкой колонны может быть получено из тонкостенных гнутых профилей (рис. 7.3 д).
Рис. 7.3. Замкнутые сечения сплошных стержней:
а - трубчатое; 6 - составное из швеллеров; в - то же, с усилениями; г - из прокатных уголков без усиления и с усилением; д - гнуто-сварные профили (ГСП)
Преимуществами колонн замкнутого сечения являются равноустойчивость, компактность и хороший внешний вид. К недостаткам относятся недоступность внутренней полости для окраски. Чтобы избежать коррозии, такие колонны должны быть защищены от проникания внутрь влаги. При заполнении стальной трубы бетоном получается эффективная комплексная конструкция (трубобетонная), в которой труба является оболочкой, стесняющей поперечные деформации заключенного внутри бетонного цилиндра. В этих условиях работы прочность бетона при сжатии значительно увеличивается, исключаются потери местной устойчивости трубы и коррозия ее внутренней поверхности. Рационально применять достаточно тонкие трубы (толщина стенки 1/50- 1/150 диаметра трубы), но по условиям эксплуатации и возможности прикрепления примыкающих элементов стенки должны быть не тоньше 3-4 мм. В трубобетонном стержне бетон работает в основном на сжатие, а труба - на поперечное растяжение. Трубы могут быть как из низкоуглеродистой, так и из низколегированной стали; бетон применяют высокой прочности В25 и выше.
Типы сечений центрально-сжатых колонн
Сквозные колонны
7.3.1. Типы сквозных колонн. Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит из двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой решетками (рис. 7.4 а-в). Ось, пересекающая ветви, называется материальной; ось, параллельная ветвям, называется свободной. Расстояние между ветвями устанавливается из условия равноустойчивости стержня.
Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить полками внутрь (рис. 7.4 а), так как в этом в случае лучше используется габарит колонны. Более мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или сварных двутавров (рис. 7.4 в).
В сквозных колоннах из двух ветвей необходимо обеспечивать свободный зазор между ветвями (100-150 мм) для возможности окраски внутренних поверхностей.
Стержни большой длины, несущие небольшие нагрузки, должны иметь для обеспечения необходимой жесткости развитое сечение, поэтому их рационально проектировать из четырех уголков, соединенных решетками в четырех плоскостях (рис. 7.4 г). Такие стержни при небольшой площади сечения обладают значительной жесткостью, однако трудоемкость их изготовления больше трудоемкости изготовления двухветвевых стержней.
При трубчатом сечении ветвей возможны трехгранные стержни (рис. 7.4 д), достаточно жесткие и экономичные по затрате металла.
Рис. 7.4. Сечения сквозных стержней:
а - из швеллеров полками внутрь; б - то же, полками наружу; в - из двутавров; г - из уголков; д - из труб; 1 - свободная ось; 2 - материальная ось
Решетки обеспечивают совместную работу ветвей стержня колонны и существенно влияют на устойчивость колонны в целом и ее ветвей. Применяются решетки разнообразных систем: из раскосов (рис. 7.5 а), раскосов и распорок (рис. 7.5 б) и безраскосного типа в виде планок (рис. 7.5 в).
Рис. 7.5. Типы решеток стержней: а – раскосная; б – раскосная со стойками; в – с планками
В случае расположения решеток в четырех плоскостях (рис. 7.4 г)возможны обычная схема (рис. 7.6 а)и более экономичная треугольная схема «в елку» (рис. 7.6 б).
Рис. 7.6. Расположение решеток в четырех плоскостях:
а – со стойками; б – без стоек
В колоннах, нагруженных центральной силой, возможен изгиб от случайных эксцентриситетов. От изгиба возникают поперечные силы, воспринимаемые решетками, которые препятствуют сдвигам ветвей колонны относительно ее продольной оси.
Треугольные решетки, состоящие из одних раскосов (см. рис. 7.5, а), или треугольные с дополнительные распорками (см. рис. 7.5, б) являются более жесткими, чем безраскосные, так как образуют в плоскости грани колонны ферму, все элементы которой работают на осевые усилия; однако они более трудоемки в изготовлении.
Планки (см. рис. 7.5, в)создают в плоскости грани колонны безраскосную систему с жесткими узлами и элементами, работающими на изгиб, вследствие чего безраскосная решетка оказывается менее жесткой.
Каталог статей
После выполнения всех необходимых расчетов стальной колонны , начинают ее конструирование . Суть конструирования заключается в уточнении некоторых размеров, которые были получены расчетом, проектировании отдельных элементов стальной колонны и их соединений. На основании этого конструирования выполняются рабочие чертежи стальной колонны .
Стальные колонны состоят из трех основных элементов:
Стержень стальной колонны
Стержень стальной колонны передает нагрузку от оголовка на базу. Для стержня стальной колонны простого сечения никаких особых ограничений в конструировании нет, кроме тех, которые требуются расчетом. При конструировании стальных колонн мощного сечения необходимо устанавливать поперечные ребра жесткости.
Стержни центрально-сжатых стальных колонн должны конструироваться с учетом равноустойчивости – гибкости относительно главных осей сечения должны быть равными между собой. При соблюдении этого требования мы получим экономичное по расходу материала сечение стальной колонны . Наилучшим образом этому требованию отвечают стальные колонны из труб. Недостатком такого вида стержня стальной колонны является трудность в защите внутренней поверхности от коррозии. При выполнении стержня стальной колонны из трубы, необходимы защитные мероприятия по обеспечению защиты от попадания влаги внутрь трубы.
Часто сечение стальной колонны конструируется в виде двутавра – прокатного или сварного. Применять обычные прокатные двутавры нецелесообразно, так как у них радиусы инерции относительно главных осей сильно отличаются друг от друга. Более рациональным считается вариант применения широкополочного двутавра или сварного сечения из двух прокатных двутавров.
При изготовлении сварных двутавров для стержней стальных колонн используют автоматическую сварку. Она дает дешевый и индустриальный способ изготовления стальных колонн . Основным типом сварного двутавра для стальных колонн является тот, у которого ширина полки равна его высоте.
При выполнении стержня сплошной стальной колонны из прокатных широкополочных двутавров или из сварных двутавров в полной мере не обеспечивается требование равноустойчивости. Но такие типы сечений дают вполне приемлемый вариант для стальных колонн . В случае со сварными двутаврами одинаковых гибкостей добиться можно. Но процесс приварки полок к стенкам двутавра сложный.
Оголовки стальных колонн
Верхняя часть стальной колонны называется оголовком. Основное назначение оголовка – это восприятие внешних нагрузок и передача их на стержень стальной колонны . По этой причине оголовки стальных колонн должны конструироваться с учетом опирающихся на них балок покрытия и ферм. Не следует также забывать и об особенностях крепления этих элементов на оголовок стальной колонны и сечение ее стержня.
Оголовки стальных колонн , на которые действуют значительные нагрузки, следует рассчитывать. Конструирование выполняют с учетом расчета толщины опорного листа, длины ребер жесткости и сварных швов, с помощью которых они привариваются к стержню стальной колонны . В простых стальных колоннах , на которые действуют небольшие нагрузки, толщину опорной платины принимают конструктивно от 16 до 25мм.
При этом опорный лист стальной колонны должен быть усилен ребрами жесткости – они препятствуют его изгибу и распределяют действующую нагрузку равномерно по всему сечению стальной колонны . Длина ребер жесткости принимается с учетом восприятия прикрепляющими их угловыми сварными швами действующих на стальную колонну нагрузок. Для дополнительного центрирования нагрузки на опорный лист стальной колонны могут привариваться полосы из стали шириной до 100мм.
Базы стальных колонн
Основное назначение базы стальной колонны – передача и распределение нагрузки на фундамент. Если нагрузка не будет равномерно распределена по площади фундамента, то стальная колонна продавит бетон фундамента. Это может произойти по причине того, что прочности стали и бетона сильно отличаются друг от друга. Небольшая площадь сечения стальной колонны будет передавать на бетон фундамента большую нагрузку. От этого в бетоне возникают значительные напряжения. База стальной колонны также необходима для крепления стальной колонны к фундаменту.
В центрально-сжатых стальных колоннах применяют два типа баз:
- с фрезерованным торцом;
- с распределительной конструкцией – траверсой.
При незначительных нагрузках база стальной колонны представляет собой стальной лист, к которому приваривается стержень стальной колонны . Конструирование такого типа базы сводится к расчету площади опорного листа и его толщины, а также высоты и толщины траверсы. Давление на фундамент передается от стальной колонны через опорный лист.
При конструировании базы стальных колонн с большой нагрузкой, расчет усложняется. При принятии размеров опорного листа конструктивно , принимают его толщину в пределах 20-60мм. Размеры опорной плиты определяются из условия прочности материала фундамента – бетона, так как он под опорной пластиной испытывает местное сжатие.
База с распределительной конструкцией – траверсой, позволяет уменьшить толщину опорной пластины – конструкция траверсы способствует распределению усилия от стержня стальной колонны по опорной плите. Стальные колонны с такими базами устанавливаются в проектное положение при помощи установочных болтов. Фундамент бетонируется до верха обреза плиты, которая закрепляется анкерными болтами. Диаметр анкерных болтов принимают конструктивно 20-30мм. Толщина траверсы – 10-20мм.
Проектирование центрально-сжатых сплошных колонн. Методика подбора сечения сплошных колонн
Колоннами называют элементы конструктивных комплексов, передающие нагрузку от вышележащих конструкций на фундаменты и работающие при этом на сжатие. В их состав входят оголовок, стержень, база. Оголовок воспринимает нагрузку от вышележащих конструкций и распределяет ее по сечению стержня. Стержень передает нагрузку на базу. База распределяет нагрузку на необходимую площадь фундамента и позволяет прикрепить колонну к нему (рис. 11.1).
Концы колонн могут быть закреплены жестко, шарнирно или быть свободны.
Жесткое крепление базы к массивному фундаменту осуществляется с помощью анкерных болтов. Это удобно при монтаже, так как не нужны временные крепления колонны, уменьшается гибкость и улучшается использование стали. Жесткое крепление верхнего конца колонны к вышележащей конструкции требует от нее большой жесткости, усложняет узел и поэтому может не учитываться (считается шарнирным).
Для других способов закрепления колонн и приложения нагрузки коэффициенты m приводятся в [5, табл. 28].
Стержни колонн могут быть цельными и составными. Цельные стержни выполняются из одного профиля, составные – из нескольких профилей или листов. Цельные стержни центрально-сжатых стальных колонн могут выполняться из двутавров обыкновенных и с параллельными гранями полок типов Б, Ш, К и труб. Обыкновенные двутавры, а также типы Б и Ш имеют небольшой радиус инерции относительно оси у и ограниченную площадь поперечного сечения, что сужает область их применения. В двутаврах типа К эти недостатки в значительной мере устранены, тем не менее их размеры и сечения ограничены стандартом, и сечение это неравноустойчивое в разных направлениях. По геометрическим характеристикам трубчатое сечение близко к идеалу при равных расчетных длинах в разных направлениях, но примыкание балок к колоннам сбоку усложняет конструкцию. Сечения цельных стержней колонн приведены на рис. 11.3.
Рис. 11.3. Сечения цельных стержней колонн: а – из обыкновенных двутавров; б – из двутавров с параллельными гранями полок типа К; в – из труб
Составные сечения стержней центрально-сжатых колонн могут иметь связь между отдельными частями по всей длине (со сплошной стенкой) или в отдельных точках (сквозные). Наиболее распространенные сечения составных стержней колонн со сплошной стенкой приведены на рис. 11.4. Сечения могут быть достаточно большими, но их радиус инерции может расти только вместе с площадью сечения. При использовании прокатных профилей (рис. 11.4, а и б) радиус инерции составного сечения ограничен возможностями прокатных профилей. Использованию тонких листов (рис. 11.4, в и г) для уменьшения площади препятствует потеря местной устойчивости частями сечения.
В сквозных стержнях колонн связь между отдельными частями сечения – ветвями – осуществляется в отдельных точках, с использованием раскосной или безраскосной решеток. Сечения из двух двутавров, обыкновенных или с параллельными гранями полок типа Б, двух швеллеров или четырех уголков, наиболее часто применяемые в стальных конструкциях, приведены на рис. 11.5, а, б, в соответственно.
Сквозные сечения позволяют при небольшой площади иметь большие его габариты и значительные радиусы инерции. Жесткость связей в отдельных точках меньше, чем сплошной связи (см. подразд. 12.1).
Рис. 11.5. Сечения составных сквозных стержней колонн
Соединение частей центрально-сжатых колонн в единое целое может выполняться на сварке и болтах. При изготовлении монтажных элементов (колонн) применяется сварка, в монтажных стыках и при укрупнительной сборке – болты.
Читайте также: