4.1.2. Конструктивная и расчетная схемы консоли (консольной балки)

Балка может быть прикреплена к основанию с помощью жест­кой заделки (рис. 4.12, а). Балку, у которой один конец прикреп­лен жестко к основанию, а другой свободен, называют консолью. Многие строительные конструкции работают как консоли: бал­конные плиты, козырьки, карнизные плиты и т.д.

Такая опора с геометрической точки зрения характерна тем, что препятствует вертикальному, горизонтальному и угловому пере­мещениям опорного сечения. С точки зрения статики такая опо­ра характеризуется тем, что дает три реактивных фактора (У_м, К_А2, Я_А), причем величины реакций У_м и У_А2 зависят от глубины за­делки /_оп. Представим расчетную схему консоли в виде трех опор­ных стержней — рис. 4.12, б. В каждом опорном стержне возни­кает по одной реакции: Я_А, У_м, К_А2. Однако в расчетах неудобно иметь дело с реакциями У_м и У_А2, зависящими от длины заделки, поэтому расчетную схему чаще представляют по рис. 4.12, в, где пара сил У_м и У_к1 заменена моментом Л/_А, его называют опорным моментом. Такую опору принято называть жестко защемляющей или жесткой заделкой. За расчетный пролет /„ консоли принима­ют расстояние от края заделки до свободного конца балки.

Защемление строительных конструкций на опорах во многом определяется глубиной заделки /_оп, материалом, в который заде­лывается балка, и специальными мерами, обеспечивающими креп­ление (постановка анкеров, сварка, замоноличивание и т.д.). Бе­зусловно, защемление обладает некоторой податливостью, вели­чина этой податливости зависит от ряда причин, которые трудно учесть. Для большинства балочных конструкций, опирающихся на кирпичные стены на глубину 120—250 мм, очень трудно обеспе­чить полное защемление на опорах. Поэтому при опирании бал­ки без специальных устройств и при небольшой глубине заделки при расчетах защемлением пренебрегают (рис. 4.13, а). Расчетную схему такой балки принимают по рис. 4.13, б.

Здесь были рассмотрены только опоры простых балок, с тех же позиций можно рассмотреть шарнирные и неразрезные бал­ки, уделяя особое внимание конструктивному оформлению шар­ниров или неразрезности балок, встречающихся в строительной практике.

Еще раз обратим внимание на то, что расчетные схемы должны отражать действительные условия работы сооружений и конст­рукций с целесообразной точностью.

4.2. Колонны: конструктивные и расчетные схемы

Принципы построения расчетной схемы балки можно перене­сти и на колонны. Не повторяя правил, приведенных для по­строения расчетных схем простых балок и консолей, построим их для некоторых конструктивных схем стальных, железобетонных деревянных и кирпичных колонн (стоек, столбов).

Стальные колонны. Простейшие стальные колонны, которые и будут рассматриваться в учебнике, прикрепляются к фундамен­там с помощью опорных плит (относительно толстых стальных ли­стов) и анкерных болтов. Они не обеспечивают жесткого защем­ления внизу и обладают податливостью, поэтому такое закрепле­ние считается шарнирным (рис. 4.14).

При необходимости обеспечить жесткое защемление прикреп­ления колонны к фундаменту используют более сложную конструк­цию траверсы (рис. 4.15). Из рисунка видно, что поворот нижнего сечения колонны или опорной плиты практически исключается.

Балки к колоннам могут прикрепляться как шарнирно, так и жестко. Пример шарнирного соединения балки с колонной пока­зан на рис. 4.16, при таком креплении возможен поворот торцево­го сечения. Пример жесткого соединения изображен на рис. 4.17, где балка через опорное ребро передает нагрузку на опорный сто­лик колонны, а жесткое присоединение балки к колонне обеспе­чивается болтами, которые исключают поворот сечений, т.е. дела­ют узел жестким. При этом следует понимать, что жесткость соеди­нения балки с колонной зависит не от того, опирается она сверху или сбоку, а от способа соединения, обеспечивающего или не обес­печивающего возможность поворота. Опирание балки сверху мож­но сделать жестким, а примыкание сбоку шарнирным (если убрать часть болтов, оставив их только в нижней части соединения).

Железобетонные колонны. Наиболее распространенные случаи соединения железобетонных колонн с фундаментом приведены на рис. 4.18, а. Колонны жестко заделываются в стакане фундамента с помощью монолитного бетона, что дает основание считать ниж­нюю часть колонны жестко заделанной на уровне обреза фунда­мента. Это справедливо, если размеры фундамента значительны и не дают возможности повернуться колонне вместе с фундаментом. Если размеры фундамента невелики, а колонна достаточно мощная, то возможен ее поворот вместе с фундаментом, что боль­ше соответствует шарнирной опоре (рис. 4.18, б).

Балки или фермы могут опираться сверху на колонну, в этом случае они крепятся с помощью анкерных болтов с гайками или при помощи приварки закладных деталей монтажными сварны­ми швами. Подобное соединение можно считать шарнирным (рис. 4.19). В многоэтажных железобетонных каркасах опирание ригеля выполняется на консоль колонны, и в случае, когда при­няты специальные меры, исключающие поворот опорного сече­ния ригеля, узел крепления считается жестким (рис. 4.20). Если крепление ригелей к консолям колонн осуществлено просто при­варкой закладных деталей, соединение считается шарнирным.

Для определения расчетных длин железобетонных колонн мно­гоэтажных зданий следует пользоваться указаниями п. 3.25, а од­ноэтажных - табл. 32 СНиП 2.03.01-84*.

Кирпичные колонны. За редким исключением, кирпичные ко­лонны опираются внизу на фундамент, и на них свободно опира­ются балки — как правило, без специальных приспособлений (ан­керов, обойм и т.д.), а это значит, что оба конца колонны в таком случае являются шарнирными (рис. 4.22).

Из вышеизложенного следует, что шарнирное прикрепление колонн к конструкциям достигается более простыми приемами, нежели жесткое. Поэтому в простейших стоечно-балочных сис­темах оно наиболее распространено. В многоэтажных, многопро­летных каркасах жесткое соединение конструкций обеспечивает большую жесткость здания или сооружения в целом, что часто до­статочно важно и позволяет более рационально использовать ма­териалы.

Примеры построения расчетных схем

Пример 4.1. Руководствуясь изложенной методикой построе­ния расчетной схемы, построить расчетную схему для деревянной балки, опирающейся на деревянные стойки и закрепленной с по­мощью стальных скоб (рис. 4.23).

Решение.

Если приложить какую-либо силу F, как изображено на рис. 4.23, б, то видно, что левая опора не дает возможности переме­щения конца балки, а правый конец балки может перемещаться.

Значит, левая опора неподвижная, а правая подвижная. Если приложить силу, как показано на рис. 4.23, в, то видно, что оба конца балки могут почти свободно повернуться на некоторый угол, когда балка прогибается. Это значит, оба конца балки за­креплены шарнирно. Подытоживая сказанное, можно сделать заключение о том, что левая опора шарнирно-неподвижная, а правая — шарнирно-подвижная. Расчетная схема балки изоб­ражена на рис. 4.23, г. Не представляет труда проанализировать опоры и со статической точки зрения: на правой опоре при при­ложении произвольно направленной нагрузки возникает одна вертикальная реакция, а на левой опоре — наклонная реакция, которую можно разложить на две составляющие (вертикальную и горизонтальную).

Задачи для самостоятельной работы

Задача 4.1. Обоснуйте и изобразите расчетную схему для же­лезобетонного лестничного марша, опирающегося на лестничные площадки, как показано на рис. 4.24.

Задача 4.2. Оцените, какими считаются следующие соедине­ния: стальной колонны с фундаментом (рис. 4.25, а) стальной ко­лонны с балкой (рис. 4.25, б) — шарнирными или жесткими?