Стальные колонны переменного сечения

Обновлено: 20.05.2024

При технико-экономической целесообразности стальные колонны могут применяться в бескрановых зданиях и в зданиях, оборудованных кранами любой грузоподъёмности, при различных вариантах поперечного сечения пролёта.

Проходы вдоль крановых путей шириной у колонны 0,5 м, необходимые в зданиях и при кранах тяжёлого режима работы, обеспечиваются за счёт смещения шейки средней колонны с разбивочной оси.

Сечение стальных колонн может быть в виде одного профиля или составное – в виде двух профилей, соединённых решёткой.

В зданиях высотой до 8,4 м, бескрановых или с подвесными кранами, применяются стальные колонны постоянного сечения из сварных двутавров с высотой стенки 400 и 630 мм.

В колоннах зданий высотой 8,4 и 9,6 м, оборудованных опорными кранами грузоподъёмностью до 20 т, высота стенки сварных двутавров принимается 630 мм.

Подкрановая балка опирается на приваренную к колонне консоль из двутавра той же высоты. Эти колонны могут выполняться и из широкополочных двутавров, поставляемых промышленностью.

Двухветвевая ступенчатая колонна состоит из двух раздельно маркируемых частей : нижней (подкрановой) решётчатой и верхней (надкрановой) – из сварного двутавра.

Соединение этих частей осуществляется в зависимости от общей длины колонны заводской или монтажной сваркой.

В зданиях высотой более 18 м при кранах грузоподъёмностью от 75 т и при кранах, расположенных в двух уровнях, применяются аналогичные колонны индивидуального проектирования.

Стальные колонны в виде одного профиля и составные

По типам сечения ветвей подкрановая часть колонны выполняется в трёх вариантах :

- При ширине сечения до 400 мм – наружная и подкрановая ветви из прокатных швеллеров и двутавра;

- При ширине сечения 400-600 мм – наружная ветвь из гнутого швеллера, подкрановая – из прокатного двутавра;

- При ширине сечения более – наружная ветвь из гнутого швеллера, подкрановая - из сварного двутавра.

Надкрановая часть колонны – сварной двутавр с высотой стенки 400 мм в крайних и 710 мм – в средних колоннах.

Подкрановая часть колонны переходит в базу, непосредственно опирающуюся на бетонный фундамент.

База состоит из опорной плиты и траверс, на которые ложатся плитки с анкерными болтами, утоплёнными в бетон.

В связевых колоннах опорная плита дополнительно приваривается к коротышам из швеллеров, заделанных в фундамент.

Решётка подкрановой части колонны двухплоскостная, из прокатных уголков.

Для восприятия действующих в горизонтальной плоскости моментов решётчатая часть усиливается диафрагмами, расположенными не реже, чем через четыре раскоса по высоте.

В решётчатой части колонны крайнего ряда, в уровне крепления опорных консолей яруса стеновых панелей, вваривается балка из прокатного двутавра, соединяющего наружную и подкрановую ветви.

Решётчатая часть колонны завершается одноплоскостной траверсой, соединяющей её ветви с надкрановой частью.

Надкрановая часть колонны завершается оголовком, усиленным дополнительными рёбрами и накладками.

Дополнительные рёбра и накладки расположены в плоскости опорных рёбер стропильных и подстропильных ферм.

Сварка двутавров из трёх листов для основных сечений колонны выполняется в заводских условиях сварными автоматами.

Сварка других элементов выполняется в основном при посредстве сварных сварочных полуавтоматов.

Ручная сварка применяется в узлах, монтируемых на строительной площадке.

Гнутые швеллеры для наружных ветвей колонны изготавливаются на гибочных прессах в заводских условиях.

В базе, подкрановой опоре и оголовке – местах передачи значительных сосредоточенных нагрузок вертикальные элементы своим сечением должны плотно примыкать к опорным плитам. В этих целях кромки отдельных монтируемых листов пристрагиваются, а сечение ветвей фрезеруется.

Все колонны предназначены для использования в условиях, когда верх фундаментов имеет отметку - 0,150.

Для соединения с фундаментом колонна заводится в стакан на глубину -0,6 м, -0,9 м.

Колонны монтируются овтокранами или посредстве фиксирующих их положение кондукторов.

Точность установки проверяется геодезическими инструментами.

Базы колонн накрываются бетоном при устройстве подстилающего слоя под поле.

Базы колонн

Различают два основных типа баз — шарнирные и жесткие.

Простейшей шарнирной базой для центрально сжатых колонн является база, состоящая из толстой стальной опорной плиты, на которую опирается фрезерованный торец стержня.

Типы баз колонн

Применение баз с передачей усилия через фрезерованный торец стержня колонны целесообразно для колонн со значительной нагрузкой. Для легких колонн (а также в случае отсутствия торцефрезерных станков) применяют базы, в которых все усилие передается на плиту через сварные швы.

Передача усилия от стержня колонны на опорную плиту может быть также осуществлена при помощи траверсы, которая служит для более или менее равномерной передачи силовых потоков от стержня на плиту, приближая конструкцию по характеру воздействия к жесткому «штампу», опирающемуся на фундамент. Одновременно траверса является опорой для плиты при ее работе на изгиб от реактивного (отпорного) давления фундамента. Сама траверса работает на изгиб как двухконсольная балка, опертая на пояса или ветви колонны и нагруженная отпорным давлением фундамента.

Во внецентренно сжатых колоннах, как правило, устраивают жесткие базы, которые могут передавать изгибающие моменты.

С этой целью траверсы приходится развивать в направлении действия момента. При относительно небольших опорных моментах траверсы делают из листов толщиной 10 — 12 мм или швеллеров.

Некоторое применение нашли также базы подкосного типа. Существенным недостатком такой базы являются ее малая жесткость, а также коробление опорной плиты в результате усадки швов, прикрепляющих листовые подкосы.

В колоннах с более тяжелыми крановыми нагрузками, с большими опорными моментами базы и их траверсы приходится еще более развивать.

Удобны, с точки зрения производства сварки открытые одностенчатые башмаки, усиленные ребрами или листовыми подкосами. Последние должны быть приварены швами минимальной толщины во избежание коробления опорного листа.

Открытые одностенчатые башмаки

Одностенчатые башмаки чаще всего применяются в сплошных колоннах постоянного сечения. К их недостаткам относится малая жесткость из плоскости рамы.

Подносный двухстенчатый разъемный башмак

Вариант двухстенчатого башмака с подкосами может быть применен для самых тяжелых колонн; при этом ввиду больших размеров базы, препятствующих транспортировке колонны с базой в целом виде, подобные башмаки иногда делают разъемными.

В сплошных колоннах переменного сечения весьма распространенным типом является сварной башмак с раздельными траверсами — одностенчатый в пределах стенки и двухстенчатый у ветвей.

Башмак с раздельными траверсами

В сквозных колоннах промышленных зданий обычно применяются базы раздельного типа, состоящие из двух самостоятельных башмаков, соединенных уголковыми связями.

База сквозной колонны

При большом расстоянии между ветвями они более экономичны, чем сплошные башмаки.

Клепаные башмаки устраиваются только в клепаных колоннах; по своей конструкции они аналогичны сварным башмакам.

Клепаный башмак сплошной колонны

Прикрепление башмаков к фундаментам осуществляется при помощи анкерных болтов (анкеров), заделываемых в фундамент при бетонировании. В центрально сжатых колоннах анкерные болты не рассчитывают и размеры их назначают по конструктивным соображениям (d = 22 — 26 мм).

В изгибаемых защемленных колоннах анкерные болты работают на растяжение от изгибающего момента. В этом случае их диаметр и длина назначаются по расчету.

Для удобства монтажа в верхней части фундамента вокруг анкерных болтов иногда оставляют колодцы сечением около 100 X 100 мм и глубиной 500 мм, которые позволяют производить незначительный отгиб болтов. При установке анкеров с применением жестких кондукторов (что особенно рекомендуется) колодцев не делают.

Отверстия в башмаке для анкерных болтов, как правило, делают диаметром, большим диаметра болтов, закрывая их монтажными шайбами, привариваемыми к башмаку после установки колонны в проектное положение. После установки колонн базы обетониваются для предохранения от коррозии.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов

Башмак внецентренно сжатой колонны оказывает неравномерное давление на поверхность фундамента. В направлении действия момента плита башмака оказывает на фундамент сжимающее действие, а с противоположной стороны стремится оторваться от поверхности фундамента….

Расчет опорной плиты и траверсы центрально сжатой колонны Размеры опорной плиты центрально сжатой колонны определяются по расчетному сопротивлению бетона фундамента осевому сжатию R6 (принимаемому равным 44 кг/см2 для бетона марки…

Проектирование металлических колонн

Металлические колонны промышленных и гражданских зданий

Стальные колонны являются несущими элементами металлического каркаса здания, воспринимающие основные нагрузки на здание или сооружение. Стальная колонна состоит из базы, оголовка и стержня колонны.

2. Оголовок колонны;

3. Сечение колонны.

РАСЧЕТ КОЛОНН

Проектирование колонн начинают с расчетов. Могут работать как центрально-сжатые стержни, а могут как сжато-изгибаемые элементы. Смотрите соответствующие страницы сайта:

Далее разрабатывают схему расположения колонн. Это может быть схема раздела КМ или КМД. Если объект простой, то это может быть схема в разделе АС.

ЧЕРТЕЖИ

Образец оформления схемы расположения колонн смотрим на странице:

Если мы делаем раздел КМ (Конструкции металлические), то можно ограничиться схемой расположения колонн и узлами. Узлы для схемы КМ смотрите на страницах с колоннами (Список ниже). Но если мы делаем КМД (Конструкции металлические деталировочные), то придется еще и отправочный марки разрабатывать. Без чертежей колонн тут не обойдешься, а так как колонны бывают разные, разложим их по категориям:

2. ЧЕРТЕЖИ — Колонны — одноветвевые сквозного сечения.

3. ЧЕРТЕЖИ — Колонны — одноветвевые с консолью для мостовых кранов.

4. ЧЕРТЕЖИ — Колонны — двухветвевые.

Ниже представлена информация для общего развития.

Классификация колонн

Колонны постоянного сечения применяют при отсутствии мостовых кранов большой грузоподъемности и высотой до 9 метров.

Колонны переменного сечения более экономичны, чем колонны постоянного сечения. Используются при наличии мостовых кранов небольшой грузоподъемности (до 50 тн.)

Колонны с ветвями (двухветвевые, трехветвевые и т.д.) используются при наличии кранов большой грузоподъемности (Более 50 тн.)

Характер работы колонн

Центрально — сжатые колонны

Внецентренно — сжатые колонны

Конструкция стальных колонн

Основные конструктивные элементы:

— база (место крепления колонны к фундаменту);

— стержень (средняя часть колонны);

— консоль (участок крепления подкрановой балки);

— оголовок — верхняя часть колонны;

При проектировании колонн могут быть полезными следующие типовые серии:

№ п/п	Номер	Наименование	Примечания
1	Серия 1.423.3-8	Стальные колонны одноэтажных производственных зданий без мостовых опорных кранов.	Смотреть
2	Серия 1.424-2	Стальные колонны одноэтажных производственных зданий, оборудованных мостовыми кранами.	Смотреть
3	Серия 1.424-4	Стальные колонны одноэтажных производственных зданий.	Смотреть
4	Серия 1.424.3-7	Стальные колонны одноэтажных производственных зданий, оборудованных мостовыми опорными кранами.	Смотреть

Металлические колонны одноэтажных зданий проектируют с постоянным или переменным сечением. Колонны переменного сечения имеют сплошное постоянное сечение надкрановой части, а подкрановая часть может быть сплошного или сквозного сечения.

Колонны сквозного сечения проектируют с ветвями, которые соединяются решеткой. Раздельные колонны проектируют из независимо работающих шатровой и подкрановой ветвями. Если колонны работают на центральное сжатие, при этом изгибающие моменты незначительны, то применяют колонны сплошного сечения, которые выполняют из широкополочных прокатных или сварные двутавров. При изготовлении сквозных колонн используют двутавры, швеллеры и уголки.

Рис. 1. Типы стальных колонн: а, б — постоянного сечения; в – переменного сечения; г — раздельного типа; д — сечение сплошных колонн; е — то же сквозных

В зданиях без мостовых кранов, а также здания с мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 тн. высотой до 8,4 м применяют стальные унифицированные колонны постоянного сечения из сварных двутавров с высотой стенки 400 и 630 мм (рис.1 а, б). В зданиях высотой 10,8 … 18,0 м, с кранами грузоподъемностью до 50 тн используют унифицированные колонны, которые проектируют из двух частей: подкрановой и надкрановой (рис.1 в). Для зданий, имеющих высоту более 18 м с мостовыми кранами грузоподъемностью 75 тн. и более, стальные колонны проектируют по индивидуальным проектам. Раздельные колонны применяют в зданиях с мостовыми кранами (125 тн. и более).

Колонны крепятся к фундаменту за счет нижней части в которой предусмотрена стальная база колонны (башмак). Базы колонн крепят к фундаментам анкерными болтами, которые предусматривают в фундаментах при их изготовлении.

Внецентренно сжатые колонны

Наибольшее распространение внецентренно сжатые колонны получили в каркасах промышленных зданий, где они обычно входят в систему жестких поперечных конструкций цеха (поперечных рам).

Типы внецентренно сжатых колонн промышленных зданий

В соответствии с конструктивной схемой стержня различают три типа колонн промышленных зданий

Колонны постоянного сечения. Такие колонны обычно применялись в цехах с мостовыми кранами грузоподъемностью до 15 — 20 т. В целях экономии металла колонны такого типа в настоящее время заменяются сборными железобетонными.

Колонны

Колонны переменного сечения (ступенчатые) сплошные и сквозные. Такие колонны являются наиболее распространенным типом колонн промышленных зданий, пригодным для самых тяжелых нагрузок. Нижняя часть колонны длиной l₁ называется подкрановой частью, верхняя длиной l₂ — надкрановой.

Колонны переменного постоянного сечения

Колонны переменного постоянного сечения (ступенчатые):
а — сплошная; б — решетчатая.

В крайних колоннах, т. е. при одностороннем расположении кранов, в сечении различают внутреннюю, подкрановую, ветвь, непосредственно воспринимающую давление кранов, и наружную, шатровую, ветвь. В сплошных колоннах обе ветви соединяются сплошным листом, в сквозных — решетками из уголков, расположенными в двух плоскостях.

Колонна раздельного типа

Колонны раздельного типа. Применение таких колонн рационально в цехах с тяжелой крановой нагрузкой (при кранах грузоподъемностью больше 150 т) и относительно небольшой высотой (до 15 — 20 м). Подкрановая стойка раздельной колонны присоединяется к шатровой колонне рядом горизонтальных планок. Вследствие малой жесткости этих планок в вертикальной плоскости подкрановая стойка работает только на центральное сжатие от давления крана, не передавая его на шатровую ветвь.

Типы и размеры сечений внецентренно сжатых колонн

В случае применения колонн постоянного сечения высоту сечения h обычно назначают h ≈ 1/15_l для колонн высотой 10 — 12м, h ≈ 1/18 l для колонн высотой 14 — 16 м и h ≈ 1/10_l для колонн высотой l ≥ 20 м. Сечение, как правило, принимается сварное двутавровое.

В колоннах переменного сечения высота сечения надкрановой части назначается в пределах 1/8 — 1/12 ее высоты l₂. Этот размер при кранах средней грузоподъемности обычно принимают равным 500 мм, увеличивая его только при большом значении h и при тяжелых кранах (Q > 100 г), а также при необходимости устройства прохода сквозь стенку колонны (стр 299).

В этих случаях высота сечения колонны обычно принимается равной 1000 мм. Ось надкрановой части, как правило, совпадающая о серединой сечения, совмещается с разбивочной осью сооружения.

Сечение надкрановой части ступенчатых колонн обычно принимается в виде сварного симметричного двутавра.

Сечения подкрановой части ступенчатых колонн могут быть сплошные и решетчатые. Сечения наружных колонн, имеющих одну подкрановую ветвь, как правило, несимметричны, поскольку эту ветвь, на которую приходится большая нагрузка, делают более мощной; сечения средних колонн в многопролетных зданиях с кранами одинаковой грузоподъемности симметричны.

Типы сечений ступенчатых колонн

Подкрановые ветви ступенчатых колонн, как правило, проектируются двутаврового сечения; наружную (шатровую) ветвь обычно делают швеллерного типа или из листа с гладкой наружной поверхностью, необходимой для удобного примыкания стеновых блоков.

Высота сечения подкрановой части ступенчатой колонны определяется стандартными пролетами крановых мостов, кратными 0,5 м, и пролетами цеха, которые, как правило, принимаются кратными 3 м (ГОСТ 534-41). Расстояния λ между осью кранового пути и разбивочной осью принимают большей частью 0,75 или 1 м, учитывая габариты приближения кранов к телу колонны.

Расположение осей и габариты приближения крана

Расположение осей и габариты приближения крана
в ступенчатой колонне.

Высота сечения колонны h зависит также и от высоты колонны Н, поскольку она определяет жесткость сооружения, характеризуемую горизонтальными прогибами. В таблице приведены минимальные соотношения между высотой сечения h и высотой подкрановой части колонны l₁, обычно принимаемые на практике и обеспечивающие необходимую жесткость конструкции.

Сплошные колонны несколько жестче, чем сквозные и более просты в изготовлении; однако при ширине около 1,2 — 1,5 м и более они менее экономичны. Отдельные ветви решетчатых колонн следует по возможности проектировать из прокатных профилей.

Нижнюю (подкрановую) часть колонны большей частью (при ширине более 1,2 — 1,5 м) делают сквозной, состоящей из двух ветвей, 4 связанных решеткой (фигуре Колонны переменного постоянного сечения). Расчет сквозных колонн…

Сплошные колонны При расчете колонн, у которых сжимающая нагрузка приложена эксцентрично по отношению к оси колонны, всегда можно перенести сжимающую силу на ось, добавив при этом изгибающий момент. Осью колонны…

Сквозные колонны

Стержень сквозной колонны состоит из двух или нескольких прокатных профилей, соединенных между собой в плоскостях полок планками или решетками.

Сквозная колонна с планками

Основным преимуществом сквозных колонн является возможность соблюдения в них условия равноустойчивости.

Сквозные колонны достаточно экономичны по расходу металла. В то же время они более трудоемки в изготовлении, так как обилие коротких швов затрудняет применение автоматической сварки.

Сечение стержня сквозных колонн образуется обычно из двух швеллеров, расположенных полками внутрь сечения. Расположение швеллеров полками наружу при одних и тех же габаритных размерах сечения менее выгодно с точки зрения расхода материала и применяется только в клепаных колоннах из соображений удобства клепки.

Сечения сквозных колонн

Сечение, составленное из двутавров, применяется только при значительных нагрузках, исключающих применение швеллеров.

Сечение, составленное из четырех, уголков, применяется в сжатых элементах большой длины (мачтах, стрелах кранов и т. п.), требующих определенной жесткости в обоих направлениях. Это сечение весьма экономично, и конструкция получается относительно легкой, но наличие решеток в четырех плоскостях делает ее трудоемкой.

Типы решеток сквозных колонн

Решетка сквозных колонн обычно конструируется из одиночных уголков с предельной гибкостью элемента λ = 150. Решетка применяется треугольная, простая и с распорками, или раскосная.

Крепление решетки к ветвям колонны можно осуществлять на сварке или на заклепках; при этом разрешается центрировать уголки на наружные кромки ветвей. Колонны с планками проще в изготовлении, не имеют выступающих уголков решетки и более красивы. Колонны с решетками значительно жестче, особенно против кручения.

Работа стержня сквозной колонны под нагрузкой

Две ветви стержня сквозной колонны соединяются планками или решетками в единое целое. При отсутствии такого соединения каждая ветвь под нагрузкой испытывала бы продольный изгиб относительно собственной оси (ось 1 — 1). При наличии планок или решеток

К расчету сквозных центрально сжатых колонн

Значительно увеличивается жесткость стержня в целом, так как обе ветви работают слитно, подобно единому сечению, испытывая продольный изгиб относительно оси у — у. Эта ось в отличие от материальной оси х — х, которая пересекает тело колонны, называется свободной осью.

Гибкость сквозного стержня относительно материальной оси λ_х равна гибкости одной ветви, относительно той же оси х — х, так как r_x = √2J_x/2F = √J_x/F. Гибкость же относительно свободной оси у — у зависит от расстояния между ветвями (размер 2а).

Момент инерции J_y сечения из двух ветвей выражается формулой

где J₀ — момент инерции одной ветви относительно собственной оси 1 — 1;

F_B — площадь сечения одной ветви;

а — расстояние от оси ветви 1 — 1 до свободной оси стержня у — у.

Казалось бы, что гибкость стержня колонны относительно свободной оси должна определяться по формуле

где l_у — расчетная длина стержня колонны относительно оси y — y.

Однако в действительности гибкость колонны относительно свободной оси оказывается большей вследствие упругой податливости планок или решеток. Эта так называемая приведенная гибкость равна

Где μ_пр > 1 — коэффициент приведения составного стержня, зависящий от деформативности (податливости) планок или решеток; для колонн с планками

а для колонн с решетками

* Вывод этих коэффициентов см. курс «Стальные конструкции» под редакцией проф. Н. С. Стрелецкого, Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952.

Таким образом, приведенная гибкость будет равняться:

для колонн с планками

для колонн с решетками

Здесь λ_у = l_y/r_y — гибкость всего стержня относительно свободной оси, определяемая по формуле (4.VIII);

λ_в = l_в/r_в — гибкость участка ветви между планками относительно собственной оси 1 — 1;

F — площадь сечения всего стержня;

F_p — площадь сечения двух раскосов решеток (в двух плоскостях).

Второй член в подкоренном выражении формул (5.VIII) и (6.VIII) учитывает гибкость ветвей и податливость планок или решеток и, таким образом, определяет необходимую расстановку последних, поскольку с изменением этих величин изменяется и приведенная гибкость.

Расчетной гибкостью, по которой определяется коэффициент φ, является наибольшая из двух гибкостей λ_х или λ_пр. Так как путем раздвижки ветвей (т. е. увеличением расстояния а на фигуре, а) легко можно добиться уменьшения λ_пр без существенной затраты металла и тем самым удовлетворить требованию λ_пр ≤ λ_х то при подборе сечения стержня составной колонны, как правило, исходят из необходимой гибкости относительно материальной оси.

Для сжатых стержней, состоящих из четырех ветвей, приведенная гибкость равна

где λ — наибольшая гибкость всего стержня относительно свободной оси;

F_B1 иF_B2 — площади сечения пары ветвей с общей осью 1 — 1 и 2 — 2;

F_р1 и F_р2 — площади сечения раскосов решеток, лежащих в плоскостях, перпендикулярных соответственно осям 1 — 1 и 2 — 2.

Соединительные элементы — планки, или решетки — в центрально сжатых колоннах рассчитывают на поперечную силу, могущую возникнуть при изгибе от критической силы, которая, как известно, для данного материала зависит только от геометрических размеров стержня.

По нормам и техническим условиям, величина этой условной поперечной силы определяется в зависимости от сечения стержня по формулам:

где F_бр — сечение стержня брутто в см 2 .

Поперечная сила Q принимается постоянной по высоте стержня и распределяется поровну между плоскостями планок (решеток).

К расчету колонн с планками и решетками

Под действием поперечной силы колонна изгибается, причем планки работают на изгиб и срез в своей плоскости как элементы безраскосной фермы, а элементы решеток — на осевые усилия как раскосы и стойки фермы. Колонны с решетками менее деформативны, чем колонны с планками, а потому они получили преимущественное применение при тяжелых нагрузках.

Читайте также: