Центрально-сжатые сплошные колонны.

Типы сечений и расчетные схемы.

Стержень сплошной колонны проектируют из прокатных профилей или листов, образующих открытое или замкнутое сечение (рис.6.16). Колонны открытых типов удобнее в монтаже, их поверхности доступны для ремонта и окраски, но такие колонны не обладают равноустойчивостью, за исключением крестового сечения, которое не вполне соответствует монтажным требованиям с точки зрения крепления примыкающих конструкций. Замкнутые сечения позволяют обеспечить равноустойчивость, но сильно затрудняют использование болтовых соединений и требуют полной изоляции внутренней полости от вредных воздействий внешней среды.

Наибольшее распространение получили колонны из широкополочных и сварных двутавров. Радиусы инерции в таких сечениях отличаются в два раза (см. табл.6.3), что не соответствует равноустойчивости, тем не менее технологические преимущества сыграли определяющую роль. В широкополочных прокатных двутаврах ширина приблизительно равна высоте сечения, такие же соотношения приняты в сварных двутаврах по условиям изготовления.

В одноярусных колоннах балки могут опираться на колонну сверху (рис. 6.17, а,б) или сбоку, в многоярусных, естественно, только сбоку. Нагрузку на колонну желательно передавать центрально, поэтому при боковом сопряжении балки лучше соединять со стенкой колонны (рис. 6.17, в), а при опирании балок сверху следует предусмотреть ребра, с помощью которых балка будет передавать нагрузку в центр колонны. Если опорные ребра балок расположены в створе с полками колонны или балки примыкают к этим полкам сбоку, то 'не забывайте о возможности внецентренного сжатия колонны при отсутствии полезной нагрузки на одной из балок, что может оказаться более опасным и должно быть проверено дополнительным расчетом.

Р ассмотренные здесь способы сопряжения балок с колонной являются шарнирными, так как допускают некоторый поворот опорных сечений балок за счет податливости болтовых соединений. Не препятствуйте этому повороту, а скорее способствуйте ему, размещая болты взаимного сопряжения балок или их крепления в нижней зоне.

Рис. 6.17. Сопряжение балок с колоннами

Рис. 6.16. Типы сечений сплошных колонн:

а, б - открытого типа; в - замкнутого типа

Если вы намерены сопряжение сделать жестким, то примите специальные меры, обеспечивающие неподатливое прикрепление балки к колонне, разместив болты по всей высоте стенки балки, или объедините верхние пояса смежных балок с помощью накладки "рыбки", показанной на рис. 6.17, г пунктиром. Естественно, что в этом случае элементы сопряжения должны быть проверены расчетом на передачу изгибающего момента.

Сопряжение колонн с фундаментом также может быть шарнир­ным или жестким. Последнее требует устройства достаточно мощ­ных фундаментов и соответствующего защемления в них колонн с помощью анкерных болтов. При шарнирном сопряжении анкерные болты устанавливают конструктивно для фиксирования колонны в проектном положении и предотвращения случайного сдвига ее от­носительно фундамента.

Расчетная длина колонны при шарнирном сопряжении с балка­ми может быть принята равной ее геометрической длине, если пре­дусмотрено наиболее простое шарнирное сопряжение с фундамен­том, или уменьшена до 0,7L - при более дорогом жестком сопряже­нии. Если одновременно с этим пойти на дополнительное удорожа­ние верхнего узла, сделав его жестким, то расчетная длина сократит­ся до 0,5L и может быть получен суммарный выигрыш в стоимости колонны. Но не забывайте, что при этом ваши конструкции станут чувствительными к осадкам опор и, если подобная опасность суще­ствует, необходим соответствующий расчет.

6.4.2. Вопросы местной устойчивости

Полка колонны представляет собой равномерно сжатую пла­стинку, подкрепленную стенкой, т.е. находится в тех же условиях, что и полка балки; следовательно, критические напряжения можно определить по формуле (5.30). Вместе с тем назначение свеса полки, гарантирующего ее устойчивость, представляет более сложную задачу, так как краевые напряжения и деформации здесь зависят от гибкости стержня и формы его поперечного сечения. Аналогично обстоит дело с нормированием толщины стенки. В явном виде краевые напряжения и деформации могут быть выявлены только на стадии численных расчетов при разработке кривых критических напряжений, что скрыто от проектировщика за готовыми таблицами коэффициентов φ. Поэтому ему предлагается другая серия готовых результатов, приведенных в нормах проектирования.

При проектировании сварных колонн из трех листов (рис.6.18) расчетная ширина свеса полки b_ef (расстояние от грани стенки до края полки) должна быть связана с толщиной полки условием

Отношение расчетной высоты стенки (прямого участка постоянного сечения) двутавровой колонны к ее толщине следует принимать по формулам:

г де λ - условная гибкость колонны.

Условие (6.38) можно не выполнять, но тогда необходимо выключить часть сечения стенки, потерявшую устойчивость, из работы

колонны. В составе рабочего сечения стенки можно оставить только непосредственно примыкающие к полкам участки шириной (рис.6.18, а). Исключение из работы части площади стенки не является основанием для пересмотра остальных (кроме площади) геометрических характеристик сечения колонны.

При большой (порядка 1 м) высоте сечения колонны вы можете поступить иначе. Предусмотрите приварку с двух сторон стенки продольных ребер по всей высоте колонны, которые закрепят стенку от потери устойчивости (рис.6.18, б). Размеры этих ребер и проверку устойчивости стенки в этом случае следует увязать с требованиями норм проектирования [7].

6.4.3. Компоновка сечения и проверка устойчивости

Расчет колонны начинают с определения расчетной сжимающей ;илы N, которая равна сумме опорных реакций от расчетных нагру­зок всех установленных на колонну балок. Далее, определившись с конструкциями опирания балок и закрепления колонны в фунда­менте, находят, расчетные длины и назначают тип поперечного сече­ния колонны.

, После этого можно приступить к предварительному расчету, ко­торый начинают с назначения гибкости. Для колонн с расчетным усилием до 3000 кН можно задаться гибкостью λ= 100...70, для ко­лонн с усилием 3000 ... 4000 кН гибкость можно назначить λ=70... 50, для более мощных колонн принимают гибкость λ=50...40. Назна­чив гибкость, находят коэффициент φ (см. приложение 6), вычисля­ют требуемую площадь поперечного сечения и требуемые радиусы инерции, затем с помощью приложения 10 устанавливают генераль­ные размеры сечения:

Последние два условия ничего, кроме желания реализовать за­данную гибкость и обеспечить равноустойчивость, не отражают и могут привести к нелепым с конструктивной точки зрения размерам. Так, для двутаврового сечения вы получите ширину сечения, в два раза превышающую его высоту. С точки зрения работы колонны это будет идеальный вариант, но по технологическим условиям изготов­ления колонны такое решение неприемлемо, поэтому следует увели­чить размер b, принимая h=b.

После этого можно приступить к назначению размеров стенки и полок, исходя из требуемой площади сечения колонны и опираясь на условия местной устойчивости (6.37), (6.38). Для полок применя­ют листы толщиной 8...40 мм, а для стенки - толщиной 6... 16 мм.

Гибкостью вы задавались произвольно, поэтому трудно ожидать, что будет подобрано удачное сечение с первой попытки. Вторая по­пытка сводится к проверке устойчивости в плоскости наибольшей гибкости с последующей корректировкой назначенного сечения:

Увеличив или уменьшив размеры полок и (или) стенки, при обязательном соблюдении условий (6.37), (6.38) необходимо вновь проверить устойчивость. При окончательной проверке радиус инерции должен быть вычислен по точной формуле i =√(J/A) .

Для укрепления контура сечения и стенки колонны при устанавливают поперечные ребра жесткости на pacстояниях 2,5...3 м одно от другого, но не менее двух на отправочном элементе. Размеры этих ребер можно принимать по типу ребер же­сткости составных балок. В местах примыкания к колонне связей, балок, распорок и других элементов ребра жесткости устанавливают в зоне передачи усилий независимо от толщины стенки колонны.

Поясные швы в колоннах и стойках делают сплошными с мини­мальным катетом (см.табл. 4.5), но не менее 6 мм. В зоне передачи усилий от примыкающих к колонне конструкций применяют дву­сторонние поясные швы, выходящие за контуры прикрепляемого элемента на длину не менее 30 катетов шва с каждой стороны, при этом катет шва принимают не меньше, чем у примыкающих элемен­тов.