Колонны служат для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций через фундаменты на грунт. Каждая колонна состоит из 3 основных частей:
стержня - основного несущего элемента колонны;
оголовка, представляющего собой опору для вышележащей конструкции и распределяющего нагрузку по сечению стержня;
базы (башмака), распределяющей сосредоточенную нагрузку от стержня по поверхности фундамента и закрепляющей колонну в фундаменте.
Наиболее распространенные типы колонн.
Самая простая по конструкции колонна - прокатный двутавр. Однако небольшая боковая жесткость такой колонны не позволяет использовать прокатный двутавр в тех случаях, когда в плоскости меньшей жесткости применяются дополнительные раскрепления (связи).
Широкое распространение получили составные двутавровые сечения.
Сечения элементов (полок и стенки) выбирают такими, чтобы обеспечить одинаковую жесткость в обоих направлениях. Такие колонны имеют достаточно высокую технологичность в изготовлении и экономичны по затратам металла. С точки зрения экономики еще более рациональны колонны трубчатого сечения. Однако ввиду дефицита труб такие колонны применяются редко.
Все шире применяют колонны из прокатных широкополочных двутавров. Этот профиль обладает высокой жесткостью как в плоскости, так и из плоскости стенки и требует минимальных затрат при изготовлении колонны.
В некоторых случаях применяются и другие сечения.
В зависимости от того, как передается колонной нагрузка, различают центрально- и внецентренно-сжатые колонны.
Центрально-сжатые колонны работают на продольную силу, приложенную по оси колонны и вызывающую равномерное сжатие поперечного сечения.
Центрально-сжатые колонны бывают как сплошностенчатыми, так и решетчатыми. Сплошностенчатые колонны применяют при больших нагрузках и небольших высотах, а решетчатые, напротив, при малых нагрузках и больших высотах.
В центрально-сжатых колоннах нагрузки приложены либо непосредственно к центру сечения колонны, либо симметрично относительно оси стержня.
Внецентренно-сжатые колонны кроме осевого сжатия от продольной силы работают также на изгиб от момента.
Колонны разделяются:
по типу - с постоянным и с переменным по высоте сечением;
по конструкции сечения стержня - на сплошностенчатые и решетчатые (сквозные), состоящие из отдельных ветвей, соединенных раскосами или планками.
Основные принципы конструирования сварных колонн
Оголовок колонны является опорой для вышележащей конструкции (балки, фермы) и распределяет сосредоточенную нагрузку на колонну равномерно по сечению стержня.
Конструкции, расположенные выше, опираются на колонну сверху или примыкают сбоку. В случае опирания сверху часто используют решение, в котором опорный узел вышележащей конструкции имеет поперечное ребро с выступающим на 15-20 мм фрезерованным торцом, через который и передается давление на колонну.
Иногда используют решение, в котором опорное давление передается внутренним ребром, расположенным над полкой колонны.
Если усилие от вышерасположенной конструкции передается через опорную плиту на фрезерованный торец колонны, сварные швы, прикрепляющие опорную плиту, принимаются из конструктивных соображений минимального сечения по СНиП. На чертеже дается указание о фрезеровке торца колонны.
В случае передачи давления через выступающий торец ребра - опорное давление передается сначала на опорную плиту оголовка колонны, затем на опорное ребро оголовка, с этого ребра - на стенку колонны (или траверсу в сквозной колонне) и далее равномерно распределяется по сечению стержня. Опорная плита оголовка служит для передачи давления с торцов балки на опорные ребра оголовка, поэтому ее толщину определяют не расчетом, а конструктивными соображениями (неточность совпадения ребер балки и колонны, деформации опорной плиты от сварки и т. д.), принимают обычно 16-25 мм.
С опорной плиты давление передается на опорные ребра оголовка через горизонтальные сварные швы, прикрепляющие торцы ребер к плите.
При опирании конструкций на колонну сбоку вертикальная реакция передается через строганый торец опорного ребра балки на торец опорного столика, а с него - на полку колонны. Толщину опорного столика принимают на 5-10 мм больше толщины опорного ребра балки. Если опорная реакция балки не превосходит 200 кН, опорный столик делают из толстого уголка со срезанной полкой. При большей величине реакции столик делают из листа со строганым верхним торцом. Швы, прикрепляющие столик к колонне (каждый в отдельности), рассчитывают на 2/3 опорной реакции. Это учитывает возможную непараллельность торцов балки и столика вследствие неточностей при изготовлении и связанную с этим неравномерность передачи давления между торцами.
Опорное ребро балки крепится к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, поставленных в отверстия, диаметр которых на 3 мм больше, чем диаметр болтов, так как возможны случаи, когда при небольших отклонениях в отверстиях балка может зависнуть на болтах и не касаться опорного столика.
База колонны (башмак) служит для распределения сосредоточенного давления от стержня колонны равномерно по площади опирания и обеспечивает закрепление нижнего конца колонны в соответствии с принятой расчетной схемой.
В центрально-сжатых колоннах базы могут быть шарнирными или жесткими. Шарнирные базы имеют более простую конструкцию. Они крепятся анкерными болтами непосредственно за опорную плиту (двумя, а иногда четырьмя анкерными болтами). Для сильно нагруженных колонн с целью равномерного распределения давления при передаче на опорную плиту устанавливают траверсы и ребра.
Жесткие базы имеют, как правило, не менее четырех анкерных болтов, которые крепятся к траверсам. Поэтому после затяжки болтов исключается поворот колонны на опоре.
Толщина опорной плиты базы определяется расчетом. Однако из конструктивных соображений - не менее 20 мм.
Анкерные болты также принимают из конструктивных соображений: для шарнирных баз диаметром 20-30 мм и более (в зависимости от мощности колонны). При установке анкерные болты заводят в специальные проушины, ширина которых на 10-30 мм больше диаметра болта, пли пропускают между траверсами. После этого на болты надевают шайбы толщиной 20-30 мм с отверстиями на 3 мм большими, чем диаметр болта, или анкерные плитки толщиной 30-40 мм. Гайки завертывают, а шайбы (плитки) приваривают монтажной сваркой к плите или траверсам.
В легких колоннах опорную плиту обычно приваривают к траверсам и стержню колонны. Для тяжелых колонн чаще применяют безвыверочный метод монтажа. В этом случае торец колонны и поверхность плиты фрезеруют, плиту при помощи установочных болтов выверяют на фундаменте в проектное положение, подливают жидким раствором и после этого на плиту устанавливают колонну.
Длину заделки анкерного болта, длину нарезки и максимальный размер проушины принимают в зависимости от диаметра анкерного болта по СНнП.
Как правило, базы колонн устанавливают на 500-1000 мм ниже отметки пола здания и обетонируют для защиты от коррозии.
Базы внецентренно-сжатых сквозных колонн имеют много общего с базами центрально-сжатых колонн, так как ветви колонны нагружены центральной продольной силой. Поэтому расчет и конструирование баз внецентренно-сжатых сквозных колонн аналогичны расчету и конструированию баз центрально-сжатых колонн.
В случае действия большого изгибающего момента и незначительной продольной силы в одной из ветвей колонны может возникнуть растяжение и она будет стремиться оторваться от фундамента. Растянутую ветвь притягивают к фундаменту анкерными болтами, поэтому в данном случае болты являются рабочими и их сечение определяется расчетом.
Базы внецентренно-сжатых сплошных колонн имеют в плоскости действия момента вытянутую форму и большое плечо анкерных болтов.
При проектировании баз колонн по возможности стремятся использовать простые решения с минимальным количеством деталей и швами, доступными для сварки.
Решетчатые (сквозные) колонны.
Ветви колонны соединяют между собой при помощи уголковых раскосов, накладок (планок), раскосов из гиутосварных труб (ГСП). Соединение ветвей колонны раскосами придает стержню большую жесткость. Такие колонны применяют при значительных нагрузках, а также при незначительных отклонениях продольной силы с оси стержня.
Внецентренно-сжатые колонны.
Одновременное воздействие продольной силы и изгибающего момента - особенность внецентренно-сжатых колонн. Это диктует и особенности их сечения в отличие от центрально-сжатых колони. Часто оно несимметрично, так как от действия момента одна сторона сечения пригружается, а другая - разгружается. Сторона, воспринимающая изгибающий момент, имеет более развитое (большее по высоте) сечение.
Внецентренно-сжатые колонны могут быть как сплошные, так и сквозные, как постоянного по высоте сечения, так и переменного.
В сплошных колоннах, воспринимающих небольшие усилия, а также, когда изгибающий момент может действовать как в одну, так и в другую сторону, применяют симметричные сечения.
Сквозные внецентренно-сжатые колонны.
Наличие изгибающего момента вызывает существенную поперечную силу, поэтому ветви внецентренно-сжатой колонны соединяют раскосной решеткой. Симметричные сечения стержней колонн используют при небольших усилиях или в тех случаях, когда изгибающие моменты действуют в обе стороны. При одностороннем моменте ветви колонн нагружают неодинаково и более рациональны несимметричные решения. Ширину обеих ветвей из соображений удобства крепления раскосов решетки обычно принимают одинаковой.
Сквозные колонны работают как фермы с параллельными поясами.
Ветви колонны, после определения в них расчетных усилий, проверяют на устойчивость в обеих плоскостях по аналогии с проверкой устойчивости ветвей центрально-сжатых сквозных колонн.
Сквозную колонну как единый стержень составного сечения не проверяют на устойчивость из плоскости действия момента, так как последняя обеспечивается проверкой устойчивости в этом направлении обеих ветвей.
Для предупреждения скручивания ветви колонны соединяют жесткими поперечными диафрагмами, которые располагают примерно через 3-5 м.
Элементы решетки сквозной внецентренно-сжатой колонны рассчитывают на большую из поперечных сил: реальную, которая определяется при статическом расчете, или на условную, найденную так же, как и для центрально-сжатых колонн.