Основная классификация стальных колонн

КОЛОННЫ стальные сварные сплошностенные и сквозные

Классификация колонн

Стальные колонны могут быть трех типов:

постоянного по высоте сечения,

ступенчатые,

раздельные.

Колонны постоянного по высоте сечения (т.е. без изменения габарита сечения, но при этом площадь сечения колонны может меняться по высоте колонны в зависимости от расчетных усилий) применяются:

в зданиях без мостовых кранов;

в зданиях с кранами с опиранием подкрановых балок на консоли;

в многоэтажных зданиях;

в рабочих площадках и фахверке зданий.

Колонны ступенчатые являются наиболее рациональными в производственных зданиях с кранами грузоподъемностью более 20 т.

Колонны раздельного типа применяются сравнительно редко, лишь в частных случаях:

при низком расположении кранов большой грузоподъемности;

при многоярусном расположении кранов;

при реконструкции цехов (например, при увеличении числа пролетов).

По типу поперечных сечений, колонны или отдельные участки колонн могут быть

сплошностенчатыми, имеющими сплошную стенку между поясами, и

сквозными, в которых пояса соединены решеткой или планками.

Требования, предъявляемыми к проектированию, изготовлению и монтажу стальных сварных колонн, изложены в сводах правил

СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции» (актуализированная редакция СНиП II-23-81),

СП 53-102-2004 «Общие правила проектирования стальных конструкций» и

СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия» (актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85)

СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции» (актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87)

Определение размеров колонн и привязка их к разбивочным осям

Размеры поперечных сечений колонн должны определяться:

исходя из условий обеспечения прочности, устойчивости и жесткости колонны и всего здания;

в увязке с размещением подвижного и стационарного технологического оборудования, габаритов приближения и пролетов мостовых кранов, наличием проходов вдоль крановых путей;

с учетом доступности для сварки как ручной, так и автоматической.

Для определения ориентировочных размеров высоту сечения колонн рекомендуется принимать:

для колонн постоянного сечения 1/15 — 1/20 высоты колонны;

для верхней части ступенчатой колонны 1/6 — 1/10 высоты надкранового участка;

для нижней части ступенчатых колонн 1/15 — 1/22 полной высоты колонны.

Расстояние от разбивочной оси до наружной грани крайней колонны принимается 250 мм. При больших высотах колонн и значительных нагрузках — 500 мм.

Расстояние от разбивочной оси здания до оси подкранового пути принимается:

для кранов грузоподъемностью до 50 т

при отсутствии проходов — 750 мм и

при наличии проходов вдоль крановых путей — 1000 мм;

для кранов грузоподъемностью 80—125 т — 1000 мм;

для кранов грузоподъемностью более 125 т — 1250 мм.

Компановка сечений колонн.

Сечения сплошностенных колонн обычно выполняют из горячекатаных колонных или широкополочных двутавров (типа К или Ш по ГОСТ 26020), либо сварного профиля двутаврового симметричного сечения из толстолистовой стали. Применение колонн двутаврового сечения с одной осью симметрии допускается, если изгибающий момент одного знака значительно больше изгибающего момента другого знака. Компановка сечения должна быть такой, чтобы все поперечное сечение колонны было включено в работу.

Сечения сквазных колонн компонуют из двух ветвей. Сечения средних колонн — симметричные в виде горячекатаных колонных или широкополочных двутавров (типа К или Ш по ГОСТ 26020), либо сварных. В крайних колоннах для облегчения крепления стеновых панелей шатровая ветвь может быть выполнена швеллерного сечения. Соединительную решетку рекомендуется применять двухплоскостную из одиночных уголков. Решетка должна быть раскосная без стоек, чтобы в элементах решетки не возникали дополнительные усилия от обжатия поясов.

Опирание балок, стропильных ферм и подкрановых балок на колонны.

Опорные столики колонн.

Опирание балок или стропильных ферм на колонну сбоку выполняют через опорные столики. Торец опорного ребра балки или фермы и верхнюю кромку столика строгают (фрезеруют). Для небольших опорных реакций столик выполняют из уголка со срезанной полкой; для опорных реакций 300—4000 кН (30—400 т) — из толстолистовой стали.

Подкрановые консоли колонн.

Для опирания подкрановых балок (под краны небольшой грузоподъемности) или других конструкций в колоннах делают консоли, привариваемые к стержню колонны. Консоли для опирания подкрановых балок проектируются, как правило, одностенчатыми.

В месте опирания подкрановых балок на консоль стенка консоли укрепляется ребрами жесткости.

Ребра в колонне принимаются такой же толщины, как и полки консоли.

Подкрановые траверсы колонн.

В ступенчатых решетчатых колоннах для прикрепления верхнего надкранового участка и опирания подкрановых балок в месте ступенчатого изменения сечения колонны ставят траверсы, проектируемые, как правило, одностенчатыми. Применение двухстенчатых траверс допустимо лишь в случаях, когда по действующим усилиям или по конструктивным соображениям нельзя применить одностенчатую траверсу. Конструкция траверсы должна обеспечивать доступность и удобство наложения сварных швов на все прикрепляемые элементы.

Проем в стенке колонны для прохода.

Проем в стенке колонны для прохода вдоль подкрановых путей выполняется только в том случае, когда габариты мостовых кранов не позволяют организовать проход вдоль подкрановых путей вне стенки надкрановой части колонны. Размеры проема для прохода должны быть не менее 400 мм по ширине и 1800 мм по высоте.

Ослабленный проемом участок стенки должен быть усилен. Усиление стенки производят в зависимости от ширины стенки колонны. При ширине bo < 200 мм усиление выполняется из двух листов, привариваемых к стенке сварными швами с разделкой кромок (подварка корня сварного шва выполняется обязательно). При ширине bo &rt; 200 мм усиление выполняется из одного листа, привариваемого к стенке колонны угловыми швами. Для возможности установки листа "в вилку" он должен состоять из двух частей с последующей стыковкой частей между собой.

Базы колонн.

База является опорной частью колонны и предназначена для передачи усилия с колонны на фундамент. Конструкция базы должна соответствовать принятому в расчетной схеме колонны способу сопряжения ее с фундаментом (сопряжение шарнирное или жесткое) и иметь минимальное число деталей и количество сварных швов. Как правило, базы проектируются с учетом опирания колонн на заранее установленные, выверенные и подлитые опорные плиты, с верхней строганой (фрезерованной) поверхностью. Усилия от колонны на плиту передаются через фрезерованный торец колонны.

Опорные плиты баз колонн, к которым крепятся вертикальные связи, должны быть приварены к специальным закладным элементам, заделанным в фундаменте.

Соединительные планки составных колонн.

Вертикальные связи по колоннам.

Вертикальные связи по колоннам приналичии мостовых кранов проектируются двух типов: основные — выполняемые на всю высоту колонны, и дополнительные — располагаемые выше подкрановых балок.

Основные вертикальные связи воспринимают все продольные усилия и обеспечивают неизменяемость каркаса в продольном направлении.

Дополнительные связи рекомендуется устанавливать по краям температурных стыков, а также в тех панелях, где расположены поперечные связи покрытия. Дополнительные связи предназначены обеспечивать передачу продольных усилий с торцов здания и конструкций покрытия на продольные конструкции (подкрановые балки и распорки).

Вертикальные связи по колоннам выполняются следующих типов:

полураскосные, раскосные, крестовые и портальные.

ФАХВЕРК

Схема фахверка определяется местом расположения стен здания — наружные или внутренние, торцовые, поперечные или продольные; материалом стен; конструкцией стен (панелей) — несущие, самонесущие, навесные; наличием проемов.

Фахверк состоит из стоек, ригелей, элементов, передающих нагрузки с фахверка на каркас (ветровые фермы и т.д.), и элементов, обеспечивающих устойчивость фахверка.

Для обеспечения передачи горизонтальных усилий в узлы связей покрытия, стойки фахверка располагают по разбивочным осям здания. При небольшой высоте здания передача горизонтальных усилий на каркас осуществляется только в уровне покрытия (чаще на связи по нижним поясам фермы); при большой высоте зданий выполняются ветровые связи, устанавливаемые с шагом 10 — 15 м по высоте. В качестве ветровых связей используются тормозные конструкции путей мостовых кранов, торцевые переходные площадки.

Наличие ригелей в в схеме фахверка диктуется материалом и конструкцией стоек. Ригеля фахверка могут воспринимать только горизонтальную нагрузку (ветровые) и одновременно нагрузку от стен (несущие).

42. Последовательность расчета по образованию и раскрытию трещин (железобетон)

4.1 (4.1). Железобетонные элементы рассчитываются по образованию трещин:

нормальных к продольной оси элемента;

наклонных к продольной оси элемента.

Расчет по образованию трещин производится:

а) с целью избежать их появления:

в элементах, к трещиностойкости которых предъявляются требования 1-й категории;

в элементах, к трещиностойкости которых предъявляются требования 2-й категории, если по расчету не обеспечивается надежное закрытие этих трещин;

на концевых участках элемента в пределах длины зоны передачи напряжений арматуры без анкеров l р (см. п. 2.26);

б) для определения необходимости проверки по раскрытию трещин (2-я и 3-я категории трещиностойкости) и по закрытию трещин (2-я категория трещиностойкости);

в) для выяснения случая расчета по деформациям.

Нагрузки, коэффициенты надежности по нагрузке g f и коэффициенты точности натяжения g sp , применяемые при расчете по образованию трещин, приведены в табл. 2.

Для участков элемента в пределах зоны передачи напряжений следует учитывать снижение предварительного напряжения s sp ( s ¢ sp ) согласно п. 1.20.

Примечание. При расчете элементов по предельным состояниям первой группы также может потребоваться расчет по образованию трещин в случаях, указанных в пп. 1.13, 3.30, 3.58 и 3.59.

Расчет по образованию трещин, нормальных к продольной оси элемента

4.2 (4.5, 4.7). Расчет железобетонных элементов по образованию нормальных трещин производится из условия

Mr £ Mcrc , (163)

где Mr - момент внешних сил, расположенных по одну сторону от рассматриваемого сечения, относительно оси, параллельной нулевой линии и проходящей через ядровую точку, наиболее удаленную от растянутой зоны, трещинообразование которой проверяется;

Mcrc - момент, воспринимаемый нормальным сечением при образовании трещин и определяемый по формуле

Mcrc = Rbt ,ser Wpl ± Mrp , (164)

здесь Mrp - момент усилия Р относительно той же оси, что и для определения Mr , равный:

Mrp = P (e 0p ± r ). (165)

В формулах ( 164) и ( 165) знак «плюс» принимается, когда направления действия моментов Mr и Mrp противоположны (т.е. усилие Р сжимает растянутую зону (черт. 38), «минус» - когда эти направления совпадают (см. черт. 40).

Значение М r определяется по формулам:

для изгибаемых элементов (черт. 38, а)

Mr = M ;

для внецентренно сжатых элементов (черт. 38 , б )

Mr = N (e 0 - r); (166)

для внецентренно растянутых элементов (черт. 38 , в )

Mr = N (e 0 + r). (167)

В формулах ( 165) - ( 167):

r - расстояние от центра тяжести приведенного сечения до ядровой точки, наиболее удаленной от растянутой зоны, трещинообразование которой проверяется.

Значение r определяется для элементов:

внецентренно сжатых и изгибаемых, а также для внецентренно растянутых при N £ Р по формуле

, (168)

где j = 1,6 - s b / Rb , ser , но не менее 0,7 и не более единицы [ s b - максимальное напряжение в сжатом бетоне от внешней нагрузки и усилия предварительного напряжения, вычисляемое как для упругого тела по приведенному сечению (см. п. 1.21) ] ;

Wred - момент сопротивления приведенного сечения для крайнего растянутого волокна, определяемый как для упругого тела по формуле

Wred = Ired /y0, (169)

у 0 - расстояние от центра тяжести приведенного сечения до растянутой грани;

внецентренно растянутых при N > P по формуле

, (170)

где Wpl - момент сопротивления приведенного сечения для крайнего растянутого волокна с учетом неупругих деформаций растянутого бетона, определяемый в предположении отсутствия продольной силы N и усилия предварительного обжатия Р согласно п. 4.3 .

Черт. 38. Схема усилий и эпюра напряжений в поперечном сечении элемента при расчете его по образованию трещин, нормальных к продольной оси элемента, в зоне сечения, сжатой от действия усилия предварительного обжатия

а - при изгибе; б - при внецентренном сжатии; в - при внецентренном растяжении; 1 - ядровая точка; 2 - центр тяжести приведенного сечения

Для стыковых сечений составных и блочных конструкций, выполняемых без применения клея в швах, при расчете их по образованию трещин (началу раскрытия швов) значение Rbt , ser в формуле ( 164) принимается равным нулю.

Для центрально-обжатых элементов при центральном растяжении их силой N (т.е. при е0 = е0р = 0) условие ( 163) принимает вид

N £ Rbt,ser (A + 2 a Asp,tot + 2 a As,tot ) + P, (171)

где Asp , tot , As , tot - соответственно площадь всей напрягаемой и ненапрягаемой арматуры.

4.3. (4.7). Значение Wpl определяется по формуле

, (172)

где Ib 0 , Is 0 , I ¢ s 0 - моменты инерции соответственно площадей сечения сжатой зоны бетона, арматуры S и S ¢ относительно нулевой линии;

Sb 0 - статический момент площади сечения растянутой зоны бетона относительно нулевой линии.

Положение нулевой линии в общем случае определяется из условия

, (173)

где S ¢ b 0 , Ss 0 , S ¢ s 0 - статические моменты соответственно площадей сечения сжатой зоны бетона, арматуры S и S ¢ относительно нулевой линии;

Abt - площадь сечения растянутой зоны бетона.

Для прямоугольных, тавровых и двутавровых сечений условие ( 173) принимает вид

, (174)

где - статический момент площади приведенного сечения, вычисленной без учета площади сечения растянутых свесов, относительно растянутой грани;

- площадь приведенного сечения, вычисленная без учета половины площади сечения растянутых свесов.

Формулой ( 174) не следует пользоваться, если нулевая линия пересекает сжатые или растянутые свесы.

Допускается значение Wpl определять по формуле

Wpl = g Wred, (175)

где Wred - см . п . 4.2 ;

g - см. табл. 38.

Таблица 38

Сечение	Коэффициент g	Форма поперечного сечения
1. Прямоугольное	1,75
2. Тавровое с полкой, расположенной в сжатой зоне	1,75
3. Тавровое с полкой (уширением), расположенной в растянутой зоне:
а) при bf / b £ 2 независимо от отношения hf / h	1,75
б) при bf / b > 2 и hf / h ³ 0,2	1,75
в) « bf / b > 2 и hf / h < 0,2	1,50
4. Двутавровое симметричное (коробчатое):
а) при b ¢ f / b = bf / b £ 2	1,75
б ) « 2 < b ¢ f /b = bf /b £ 6	1,50
в ) « b ¢ f /b = bf /b ³ 6 и h ¢ f /h = hf /h ³ 0,2	1,50
г ) « 6 < b ¢ f /b = bf /b £ 15 и h ¢ f /h = hf /h < 0,2	1,25
д ) « b ¢ f /b = bf /b > 15 и h ¢ f /h = hf /h < 0,1	1,10
5. Двутавровое несимметричное, удовлетворяющее условию b ¢ f / b £ 3:
а) при bf / b £ 2 независимо от отношения hf / h	1,75
б) при 2 < bf / b £ 6 независимо от отношения hf / h	1,50
в) при bf / b > 6 и hf / h > 0,1	1,50
6. Двутавровое несимметричное, удовлетворяющее условию 3 < b ¢ f /b < 8:
а) при bf / b £ 4 независимо от отношения hf / h	1,50
б) при bf / b > 4 и hf / h ³ 0,2	1,50
в) при bf / b > 4 и hf / h < 0,2	1,25
7. Двутавровое несимметричное, удовлетворяющее условию b ¢ f / b ³ 8:
а) при hf / h > 0,3	1,50
б) при hf / h £ 0,3	1,25
8. Кольцевое и круглое
9. Крестовое:
а) при b ¢ f / b ³ 2 и 0,9 ³ h ¢ f / h > 0,2	2,00
б) в остальных случаях	1,75

Примечание. Обозначения bf и hf соответствуют размерам полки, которая при расчете по образованию трещин является растянутой, а b ¢ f и h ¢ f - размерам полки, которая для этого случая является сжатой; Wpl = g Wred.

4.4. При расчете по образованию трещин в стадиях транспортирования, возведения и эксплуатации значение Mcrc определяется по формулам:

а) если сила Р2 сжимает растянутую зону

; (176)

б) если сила Р2 растягивает эту зону (например, вблизи опор неразрезанных балок)

. (177)

В формулах ( 176) и ( 177):

- значения Wpl , определенные согласно п. 4.3 для стороны сечения, соответственно сжатой (нижней) и растянутой (верхней) от усилия Р2;

rsup , rinf - расстояние от центра тяжести приведенного сечения до ядровых точек, наиболее удаленных соответственно от стороны, сжатой усилием Р2, и стороны, растянутой этим усилием, определенные согласно п. 4.2 (черт. 39).

Если вычисленное по формуле ( 177) значение Mcrc отрицательно, то это означает, что трещине образованы до приложения внешней нагрузки.

При расчете по подпункту «а» на участках элемента с начальными трещинами в сжатой зоне (см. п. 4.5) значение Mcrc необходимо снижать согласно указаниям п. 4.6.

Черт. 39. Определение величин r sup и rinf

а - при расчете по образованию трещин в зоне сечения, сжатой от действия усилия предварительного обжатия; б - то же, в зоне сечения, растянутой от действия усилия предварительного обжатия; 1 - ядровая точка; 2 - центр тяжести приведенного сечения; 3 - точка приложения усилия предварительного обжатия

Для вычисления Mr в формулах ( 166) и ( 167) принимаются значения r , равные rsup и rinf , т.е. такие же, как и при определении Mcrc .

4.5. Расчет по образованию начальных трещин в зоне сечения, растянутой от действия усилия предварительного обжатия (черт. 40 ) в стадии изготовления, производится из условия

, (178)

где Mr - момент внешних сил, действующих на элемент в стадии изготовления (например, от собственного веса), принимаемый согласно п. 4.2; знак «плюс» принимается, когда направления этого момента и момента усилия Р1 совпадают, знак «минус» - когда направления противоположны;

- то же, что и в п. 4.4б; их значения допускается определять при тех же значениях a = Es / Eb , что и в стадии эксплуатации;

- значение Rbt , ser при классе бетона, численно равном передаточной прочности Rbp .

Черт. 40. Схема усилий и эпюра напряжений в поперечном сечении элемента при расчете его по образованию трещин, нормальных к продольной оси элемента, в зоне сечения, растянутой от действия усилия предварительного обжатия

1 - центр тяжести приведенного сечения; 2 - ядровая точка

4.6. (4.6). При расчете по образованию трещин на участках элемента с начальными трещинами в сжатой зоне [ т.е. там, где не выполняется условие ( 178 ) ] значение Mcrc для зоны, растянутой от внешней нагрузки, определенное по формуле ( 176 ), необходимо снижать путем умножения на коэффициент q , равный:

(179)

и принимаемый не более единицы.

В формуле ( 179):

, но не менее 0,45, (180)

где , , Mr - то же, что и в п. 4.5;

, но не более 1,4, (181)

где у0 - расстояние от центра тяжести приведенного сечения до крайнего волокна бетона, растянутого внешней нагрузкой.

Усилие Р1 в формуле ( 180) определяется при том же коэффициенте g sp , что и усилие Р2, вводимое в расчет по п. 4.4а. Для конструкций, армированных проволочной арматурой и стержневой арматурой класса А- VI , значение d , полученное по формуле ( 181) (без учета ограничения), снижается на 15 %.

4.7 (4.8). В конструкциях, армированных предварительно напряженными элементами (например, брусками), при определении усилий, воспринимаемых сечениями при образовании трещин в предварительно напряженных элементах, площадь сечения растянутой зоны бетона, не подвергаемая предварительному напряжению, в расчете не учитывается.

4.8 (4.10). Расчет по образованию трещин при действии многократно повторяющейся нагрузки производится из условия

s bt £ Rbt,ser , (182)

где s bt - максимальное нормальное растягивающее напряжение в бетоне, определяемое в соответствии с указаниями пп. 1.21 и 3.58.

Расчетное сопротивление бетона растяжению Rbt , ser в формуле ( 182) вводится с коэффициентом условий работы g b 1 по табл. 35.