Общая характеристика колонн. Типы колонн и их конструктивные особенности

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

В металлических конструкциях широко применяются работающие на центральное сжатие колонны или стержни, входящие в состав конструктивных комплексов:

• оголовок, на который опирается вышележащая конструкция, нагружающая колонну;
• стержень - основной конструктивный элемент, передающий нагрузку от оголовка к базе;
• база, передающая нагрузку от стержня на фундамент

Центрально-сжатые колонны применяются для поддержания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих площадках, путепроводах, эстакадах и т. п. Центрально-сжатые стержни работают в составе конструктивных элементов и комплексов тяжелых решетчатых ферм и рам,сжатых элементов вантовых систем и т. п.

Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фундаменты и состоят из трех частей, определяемых их назначением:

Расчет и конструирование основного элемента центрально-сжатых колонн и стержней производятся одинаково.

Узлы примыкания центрально-сжатых стержней с другими элементами конструктивного комплекса 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, нерационально 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.

Хорошо работают на центральное сжатие и экономны по затрате металла трубобетонные колонны, стержень которых состоит из стальной трубы, заполненной бетоном.

По статической схеме и характеру нагружения колонны могут быть одноярусные и многоярусные. Колонны и сжатые стержни бывают сплошными или сквозными.

 

ТИПЫ КОЛОНН

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.

Чтобы колонна была равноустойчивой, гибкость ее в плоскости оси х должна быть равна гибкости в плоскости оси у, т. е.

Однако в двутавровых сечениях при одинаковых расчетных длинах l_0,x = l_0,y это условие не соблюдается, поскольку у них радиусы инерции получаются разными по величине. В двутавровом сечении (табл. 8 1) радиус инерции относительно оси х

а радиус инерции относительно оси у

следовательно, для получения равноустойчивого сечения нужно, чтобы 0,43h=0,24b или b<=2h, что приводит к весьма неудобным в конструктивном отношении сечениям, практически неприменяемым.

Обычный прокатный двутавр вследствие незначительной ширины его полок меньше всего отвечает требованию равноустойчявости и поэтому применяется редко.

У прокатного широкополочного двутавра (рис. 8.2, а) может быть b=h, что не удовлетворяет условию равноустойчивости, но все же дает сечение, вполне пригодное для колонн.

Сварные колонны, состоящие из трех листов (рис. 8.2, б), достаточно экономичны по затрате 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 составляться из двух уголков крупного калибра (рис. 8.2,в); из трех листов свариваются тяжелые колонны (рис. 8.2, г) Ив условия местной устойчивости свободный выступ листа крестовой колонны не должен превышать 15-22 толщин листа в зависимости от общей гибкости колонны.

При одинаковых габаритах крестовое сечение колонн обладает большей жесткостью, чем двутавровое, так как его радиусы инерции i_x=i_y=0,29b больше, чем у двутавра i_y=0,24b. В тяжелых колоннах это не имеет существенного значения, так как у них гибкости обычно бывают небольшими и коэффициенты близкими к единице.

Крестовое сечение можно усилить дополнительными листами (рис. 8.2, б), присоединяемыми электрозаклепками.

Простыми, но ограниченными по площади и менее экономичными по расходу стали получаются колонны из трех прокатных профилей (рис. 8.2, е)

Весьма рациональны колонны трубчатого сечения (рис. 8.3, a) с радиусом инерции i=0,35d_CP, где d_CP - диаметр окружности по оси листа, образующего колонну.

Сварка дает возможность получить колонны замкнутого сечения и других типов, например из двух швеллеров (рис 8.3, б) котороe при больших нагрузках могут быть усилены листами (рис. 8.3, в), или из уголков (рис. 83,г).

Весьма экономичное сечение легкой колонны может быть получено из тонкостенных гнуто-сварных профилей (рис. 8.3 д).

Преимуществами колонн замкнутого сечения являются равноустойчивость, компактность и хороший внешний вид; к недостаткам относится 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 на сжатие значительно увеличивается, исключаются потери местной устойчивости трубы и коррозии внутренней ее поверхности.

Рационально применять тонкостенные трубы (толщина стенки 1/50 - 1/150 от диаметра трубы), но по условиям эксплуатации и возможности прикрепления примыкающих элементов к трубе они 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 малоуглеродистой, так и из низколегированной стали, бетон применяют высоких марок - от 250 до 500 и выше.

 

 

СКВОЗНЫЕ КОЛОННЫ

Типы сквозных колонн

Типы сквозных колонн

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит ив двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой peшетками (рис. 8.4, 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. 8.4, а), так как в этом случае решетки получаются меньшей щирины и лучше используется габарит колонны.

Более мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или сварных двутавров (рис. 8.4 в).

В сквозных колоннах из двух ветвей необходима обеспечивать зазор между полками ветвей (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. 8.4, 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. 8.4, д), достаточно жесткие и экономичные по затрате металла.

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. 8.5, а), из раскосов и распорок (рис. 8.5, б) и безраскосного типа в виде планок (рис. 8.5, в).

В случае расположения решеток в четырех плоскостях (рис. 8.4, г) возможны обычная схема (рис. 8.6, а) и более экономичная треугольная схема "в елку" (рис. 8.6, б).

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 (рис. 8.5, а), или треугольные с дополнительными распорками (рис. 8.5, б) являются более жесткими, чем безраскосные, так как образуют в плоскости грани колонны ферму, все элементы которой при изгибе работают на осевые усилия, однако они более трудоемки в изготовлении.

Планки (рис. 8.5, в) создают в плоскости грани колонны безраскосную систему с жесткими узлами и элементами, работающими на изгиб, вследствие чего безраскосная решетка оказывается менее жесткой. Если расстояние между ветвями значительно (0,8 - 1 м и более), то элементы безраскосной решетки получаются тяжелыми; в этом случае следует отдавать предпочтение раскоской решетке.

Безраскосная решетка хорошо выглядит и является более простой, ее часто применяют в колоннах и стойках сравнительно небольшой мощности (с расчетной нагрузкой до 2000 - 2500 кН).

Чтобы сохранить неизменяемость контура поперечного сечения сквозной колонны, ветви колонн соединяют поперечными диафрагмами (рис. 8.7), которые ставят через 3 - 4 м по высоте колонны.

 

КОНСТРУКЦИЯ КРОВЛИ

1. Покрытия по прогонам

2. Беспрогонные покрытия

Покрытие производственного здания состоит из кровельных ограждающих) конструкций, несущих элементов (прогонов, ферм, фонарей) на которые опирается кровля, и связей по покрытию обеспечивающих пространственную неизменяемость, жесткость и устойчивость все покрытия и его отдельных элементов.

В данной главе рассмотрены только плоскостные решения конструкций покрытия. Пространственные решетчатые системы покрытий (структуры) рассмотрены в главе 18.

Покрытие производственного здания решается применением прогонов или без них. В первом случае между стропильными фермами через 1,5-3 м устанавливают прогоны, на которые укладывают мелкоразмерные кровельные плиты, листы, настилы. Во втором случае непосредственно на стропильные фермы укладывают крупноразмерные плиты или панели шириной 1,5 - 3 м или длиной 6 или 12, совмещающие функции несущих и ограждающих инструкции.

Кровля по прогонам получается легче вследствие небольшого пролета ограждающих элементов, но требует большего расхода металла (на прогоны) и более трудоемка в монтаже. Беспрогонная кровля индустриальна и проста в монтаже, обеспечивает меньший расход стали (при применении железобетонных панелей); основной недостаток ее - большая масса.

Снижение массы кровельной конструкции имеет чрезвычайно важное значение, ибо уменьшает стоимость не только конструкции кровли, но и всех нижерасположенных конструкций: фонарей, ферм, колонн и фундаментов.

Выбор конструкции кровли производится на ocновании технико-Экомического сравнения возможных вариантов с учетом технологических и экономических факторов - назначения здания, температурно-влажностного режима внутрицеховой среды, стоимости возведения, наличие производственной базы по изготовлению крупноразмерных панелей в районе строительства, условий транспортировки, обеспеченности монтажными механизмами и т. д.

В зависимости от принятого типа кровли определяется необходимый уклон покрытия для обеспечения водоотвода. При самозалечйвающихся кровлях с гравийной защитой принимается уклон 1,5 %; при кровлях из рулонных материалов без защиты - 1/8 - 1/12; при кровлях, не обеспечивающих герметизацию покрытия (асбестоцементные листы, волнистая сталь и т. д.), уклон кровли должен быть не менее 1/4 - 1/6

Покрытия по прогонам

Прогоны устанавливают на верхний пояс стропильных ферм в их узлах. В качестве прогонов применяют прокатные балки, гнутые профили либо легкие сквозные конструкции (при шаге ферм больше 6 м). Кровельные покрытия бывают теплыми (с утеплителем) в отапливаемых Производственных зданиях и холодными без утеплителя (для неотапливаемых зданий, а также горячих цехов, имеющих избыточные тепловыделения от технологических агрегатов).

Для теплых кровель в качестве несущих элементов, укладываемых по прогонам, широко используется стальной профилированный настил. Применяют также мелкоразмерные керамзитобетонные, армоцементные и асбестоцементные плиты, трехслойные панели типа сэндвич, состоящие из двух металлических листов, между которыми расположен утеплитель, или монопанели с несущим слоем из профилированного настила и гидроизоляцией из мягкой кровли.

Профилированный настил изготовляют из оцинкованной рулонной стали толщиной t = 0,8; 0,9; 1 мм; высота профиля h =40, 60 и 80 мм; ширина B =680, 711 и 782 мм; длина до 12 м.

Профилированные листы укладывают по прогонам, расположенным через 3 - 4 м. При шаге стропильных ферм 4 м настил может опираться непосредственно на фермы.

Настил крепится к прогонам самонарезающими винтами. Между собой листы настила соединяются комбинированными заклепками, позволяющими вести клепку с одной стороны настила. Масса настила - 10 - 15 кг/м₂.

Холодные кровли выполняют из волнистых асбестоцементных, стальных или алюминиевых листов, укладываемых по прогонам, расположенным через 1,25 - 1,5 м. Масса асбестоцементных листов в среднем 20 кг/м₂. Стальные волнистые листы изготовляют из холоднокатаной стали толщиной от 1 до 1,8 мм. Высота волны h=30 и 35 мм. Масса 15 - 20 кг/м2. Алюминиевые волнистые листы имеют толщину 0,6 - 1,2 мм и массу 5-7 кг/м2. Волнистые листы крепят к прогонам с помощью специальных упругих кляммеров или крюков из круглой стали.

Для обеспечения водоотвода в местах стыков волнистые листы перепускают внахлестку на 150 - 200 мм, при этом уклон кровли для асбестоцементных листов должен быть не менее 1/4; а для стальных и алюминиевых - не менее 1/6.

Во избежание электрохимической коррозии в местах контакта алюминия со сталью при установке алюминиевых листов на стальные прогоны соприкасающиеся поверхности покрывают специальными грунтами (например, АЛГ) или применяют изолирующие прокладки. Стальные метизы для крепления листов нужно оцинковывать или кадмировать.

Беспрогонные покрытия

Для покрытий производственных зданий широко применяют различного вида крупнопанельные железобетонные плиты шириной. 3 м и длиной 6 и 12 м. Продольные ребра плит опираются непосредственно в узлах верхнего пояса ферм и привариваются минимум по трем углам. Иногда в качестве доборных применяют плиты шириной 1,5 м. В этом случае верхний пояс ферм необходимо рассчитать с учетом местного момента от внеузловой передачи нагрузки или поставить дополнительные шпренгели, подкрепляющие верхний пояс в местах опирания плит. Типы плит покрытия и их характеристики указаны в каталогах типовых сборных железобетонных изделий.

Основной недостаток крупнопанельных железобетонных плит - их большой собственный вес (1,4-2,1 кН/м²), что утяжеляет все нижележащие конструкции каркаса здания.

Для снижения нагрузок от покрытия в последнее время находят применение металлические панели шириной 1,5 и 3 м и длиной 6 и 12 м. Масса таких панелей в 4-5 раз меньше, чем железобетонных. По сравнению с кровлей по прогонам металлические панели более индустриальны и позволяют значительную часть работ по устройству кровли перенести на заводы металлических конструкций или в специализированные мастерские. Однако расход стали на них по сравнению с прогонным решением несколько больше за счет дополнительных элементов, необходимых для обеспечения жесткости панелей при транспортировке и монтаже.

Утепленные стальные панели обычно состоят из каркаса, профилированного настила, эффективного утеплителя и гидроизоляционного слоя/Поперечный разрез панели пролетом 12 м с каркасом из гнутых