2. Конструктивные схемы колонн, типы сечений

В каркасах одноэтажных производственных зданий применяются стальные колонны трех типов: постоянного по высоте сечения, перемен­ного по высоте сечения, раздельные.

В колоннах постоянного по высоте сечения нагрузка от мостовых кранов передается на стержень колонны через консоли, на которые опираются подкрановые балки. Стержень колонны может быть сплошного или сквозного сечения. Большое достоинство колонн посто­янного сечения (особенно сплошных) — их конструктивная простота, обеспечивающая небольшую трудоемкость изготовления. Эти колонны применяют при сравнительно небольшой грузоподъемности кранов (Q до 15-20т) и незначительной высоте цеха (H до 8-10 м).

При кранах большой грузоподъемности выгоднее переходить на сту­пенчатые колонны, которые для одноэтажных произ­водственных зданий являются основным типом колонн. Подкрановая балка в этом случае опирается на уступ нижнего участка колонны и располагается по оси подкрановой ветви.

В зданиях с кранами, расположенными в два яруса, колонны могут иметь три участка с разными сечениями по высоте, дополнительные консоли и т. д. При кранах особого режима работы либо делают проем в верхней части колонны (при ее ширине не менее 1 м), либо устраивают проход между краном и внутренней гранью верхней части колонны.

В раздельных колоннах подкрановая стойка и шатровая ветвь связаны гибкими в вертикальной плоскости горизонтальными планками. Благодаря этому подкрановая стойка воспринимает только вертикальное усилие от кранов, а шатровая работает в системе попереч­ной рамы и воспринимает все прочие нагрузки, в том числе горизон­тальную поперечную силу от кранов.

Колонны раздельного типа рациональны при низком расположении кранов большой грузоподъемности и при реконструкции цехов (напри­мер, при расширении).

3. Конструирование стержня колонны при центральном сжатии.

Колонны служат для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций через фундаменты на грунт. В зависимости от того, как приложена нагрузки различают центрально сжатые и внецентренно-сжатые колонны.

Центрально сжатая колонна работает на продольную силу, приложенную по оси колонны и вызывающую равномерное сжатие по всем поперечным сечениям. Внецентренно-сжатые колонны кроме осевого сжатия от продольной силы работают также на изгиб от момента.

Каждая колонна состоит из 3-х основных частей:

1. Оголовок – служит опорой для вышележащей конструкций и распределяет нагрузки по сечению колонны

2. Стержень колонны – воспринимает нагрузку от выше лежащих конструкций и распределяет ее на фундамент

3. База колонны (башмак) - воспринимает нагрузку от стержня колонны, распределяет по поверхности фундамента и закрепляет колонну

Колонны различают по типу:

1. С постоянным по высоте сечением

2. С переменным по высоте сечением

В центрально-сжатых колоннах нагрузка приложена непосредственно по центру тяжести сечения колонны, либо симметрично относительно оси стержня. При расчете центрально-сжатых колонн следует стремиться к равноустойчивости колонны, то есть к тому, что бы гибкости колонны относительно главных осей сечения были примерно равны (i_x≈i_y).

Требуемая площадь стержня сечения колонны определяется из основной формулы расчета сжатых стержней:

σ=N/(φ∙A)≤ R_y,

А_тр≥N/(φ·R_y)

Для определения требуемой площади сечения колонны предварительно принимается гибкость колонны, которая назначается в пределах от 60 до 90, в зависимости от высоты колонны и нагрузки на нее (λ=60÷90).

По гибкости по СНиП определяются коэффициент φ (таблица 72)

λ=l_ef/i, где l_ef – расчетная длина, зависящая от вида закрепления (l_ef =μ∙l),

i – наибольший радиус инерции

Необходимо, что бы наибольшая гибкость колонны была меньше предельной λ≤[ λ] (табл. 19*)

Для расчета стержня сплошных колонн, кроме требуемой площади, определяются размеры сечения, которые назначаются по следующим конструктивным требованиям:

А_тр≥N/(φ·R_y).

Для поясов применяют листы t_f=8÷40 мм, для стенки t_w=6÷16 мм, в зависимости от требуемой мощности колонны.

Высота сечения колонны h_в сооружениях обычного типа при высоте колонны от 6 до 20 м, принимается не менее 1/15÷1/20 от высоты колонны из условия устойчивости.

Ширина поясных листов должна назначаться такой, чтобы лист не мог потерять устойчивость от воздействия сжимающих нормальных напряжений, поэтому по нормали наибольшая расчетная ширина свеса полки определяется в зависимости от гибкости колонны. Если гибкость колонны 0,8≤ λ’≤4 , то b_ef/t_ef≤(0,36+0,1· λ’)·√(E/R_y) λ’= λ·√( R_y /E)

Аналогично определяется гибкость стенки колонны, т.е. наибольшее отношение высоты стенки колонны к ее толщине должно быть меньше √(E/R_y)

h_w/t_w≤√(E/R_y)

Если местная устойчивость полки и стенки не соблюдается, необходимо укрепить стенку и полку ребрами жесткости, которые рекомендуют включать в общую площадь сечения колонны. Кроме того, при h_w/t_w≥100·√R_y, обязательно устанавливаются поперечные ребра жесткости, которые размещают по высоте колонны, на расстоянии а (а≤2,5÷3)·h_w, но не меньше 2 в одном отправочном элементе.

Размеры поперечных и продольных ребер жесткости в сварных колоннах назначаются по конструктивным соображениям, причем ширина поперечного ребра b_p≥h_w/30+40(мм), t_p≥b_p/15

Для продольных ребер: b_t≥100·t_w; t_t≥3/4·t_w

Продольные ребра предохраняют стенку от волнообразного выпучивания, а поперечные повышают жесткость сечения, укрепляя пояса.

Сечение колонн на болтах и клепаных колонн, образуется из листа стенки и 4 неравнобоких уголков, прикрепленных к стенки малыми полками. Это сечение иногда усиливается поясными листами. Причем отношение ширины свеса листа к его толщине не должно превышать значений, приведенных в специальной таблице.

Назначив размеры сечения, удовлетворяющие конструктивные требования определяют для колонн действительную гибкость по наибольшему значению, находят коэффициент продольного изгиба φ и делают проверку по нормальному напряжению

Σ=N/(φ·A)·R_y

По предварительным радиусам сечения i_y≈0,24b и i_x≈0,43h, можно предварительно определить требуемые размеры сечения

h_тр=(i_x/0,43)

b_тр=(i_y/0,24)

(i_x≈i_y)

При компоновке сечения к такому распределению требуемой площади, что бы 80% ее приходилось на долю поясов, а 20% на стенку. Из этих условий можно определить или толщину, или высоту стенки.