Какими могут быть колонны по способу приложения нагрузки
Колонны представляют собой преимущественно вертикальные элементы, которые передают нагрузки на фундаменты или нижерасположенные конструкции здания.
Колонны являются очень важными с архитектурной точки зрения конструктивными элементами, так как их расположение влияет на внешний облик, внутренние пространственные решения быстровозводимых зданий и крепление ограждающих конструкций. Кроме того, габариты колонн вместе с последующей отделкой уменьшают полезную площадь помещений, что иногда может быть решающим фактором в выборе конструктивной схемы здания и типа сечений.
Классификация колонн
Сечения стальных колонн делятся в основном на сплошностенчатые открытые, сплошностенчатое замкнутые и сквозные. Кроме того, широкое применение находят сталебетонные колонны, заполненные бетоном, или сталежелезобетонные, в случае, когда в бетоне устанавливается дополнительно рабочее армирование.
Основы проектирования колонн
В основном колонны воспринимают сжимающие нагрузки и проверяются на устойчивость. Колонны, в которых в силу специфики распределения силового потока могут появляться изгибающие моменты, рассчитывают на внецентренное сжатие или сжатие с изгибом. Также в колоннах контролируют общую гибкость и местную устойчивость элементов сечений. Основное конструктивное требование к колоннам – обеспечение равноустойчивости сечения. По этой причине при центральном сжатии для колонн наиболее эффективными являются коробчатые профили и трубы. В то же время при значительных эксцентриситетах или жестких узлах передачи нагрузки в колоннах могут возникать моментные усилия, и сечение должно быть развито в плоскости действия изгибающего момента. В принципе, из-за начальных несовершенств геометрии и случайных эксцентриситетов приложения нагрузки некоторые моментные усилия действуют и в центрально сжатых колоннах, а поэтому эти элементы считаются активными по сечению.
При компоновке архитектурных поэтажных планов быстровозводимых зданий, как правило, соблюдают соосность расположения колонн от первого до последнего этажа. При этом оси могут быть наклонными или изменять направление в узлах, но обязательно сохраняя при этом неразрывность передачи усилий. Решения, предусматривающие смещение осей колонн от этажа к этажу или разрежение сетки колонн, предполагают постановку мощных распределительных балок или ферм – аутригеров, которые, значительно повышают стоимость проекта и имеют большую строительную высоту. В необходимых случаях аутригеры выполняют в виде тяжелых ферм с высотой в один или несколько этажей.
Колонны сплошностенчатого открытого сечения.
Наиболее часто колонны в зданиях проектируют постоянного профиля, который изменяется с шагом в два-три этажа по высоте. Одним из наиболее эффективных сечений при этом является двутавр. Полки колонных двутавров намного более развиты, чем у балочных аналогов, что необходимо для увеличения радиуса инерции из плоскости. Профиль формируется составным из листов, что позволяет оптимально подобрать его геометрические характеристики. При необходимости могут быть также импортированы прокатные колонные двутавры, которые выпускаются, в частности, в Западной Европе, России и Казахстане. Двутавровое составное сечение может быть моно- или бисиметричным, в зависимости от действующих усилий. В табл. приведены ориентировочные габариты сечений составных двутавровых колонн для балочных перекрытий быстровозводимых зданий с разными размерами ячейки и разной этажностью. Данные в таблице рассчитаны для колонн со свободной высотой между перекрытиями 3,2 м при характеристической полезной нагрузке 4 кН/м2 и характеристической нагрузке от собственного веса конструкций 3,5 кН/м2. Прочностные характеристики при составлении таблицы стали взяты для класса С355. Поскольку наибольшая нагрузка действует в колоннах нижних этажей, уменьшаясь к верху, в зданиях средней этажности сечение колонн по высоте остается в постоянных габаритах, однако меняется толщина листов и класс прочности стали. Для высотных быстровозводимых зданий, как правило, от низа к верху изменяется также габарит или даже тип сечения.
Колонны в перекрытиях ориентируют так, чтобы главные балки примыкали к полкам двутаврового сечения. Это позволяет организовать достаточно просто как шарнирные, так и жесткие узлы соединения с минимальным путем передачи усилий. В то же время такое решение создает эксцентриситеты примыкания и при неравномерных нагрузках на перекрытие вызывает появление в колонне нежелательных изгибающих моментов. Колонны сплошностенчатого замкнутого сечения. Квадратные и прямоугольные профили замкнутого сечения, а также трубы часто применяются в качестве колонн в зданиях, так как имеют эффективное распределение материала при работе на центральное сжатие. Колонны из таких профилей имеют более высокую архитектурную привлекательность, чем колонны двутаврового сечения. В то же время замкнутые профили, в особенности трубы, усложняют примыкание горизонтальных элементов каркаса. Невозможность доступа во внутреннюю полость заставляет развивать сечение по периметру с приваркой листовых ребер и опорных пластин для восприятия усилий.
В таблице приведены ориентировочные габариты сечения колонн трубчатого сечения по ГОСТ 10704-91 для быстровозводимых зданий разных пролетов перекрытий и этажности. Как и в предыдущей таблице, данные валидны для колонн высотой 3,2 м при характеристической полезной и постоянной нагрузке 4 кН/м 2 и 3,5 кН/м2 соответственно и стали С355. Из-за ограниченного сортамента профилей замкнутого сечения и труб в зданиях средней и повышенной этажности эффективное применение находят коробчатые сечения, сварные из листов. Трубы повышенного диаметра также могут быть изготовлены на заказ сварными спиральношовными. Габариты коробчатых сечений, составных из листов, на этапе эскизного проектирования могут приниматься как для двутавровых колонн по табл.
Сквозные колонны.
Колонны сквозного сечения организовывают из прокатных или составных профилей. Ветви сквозных колонн скрепляются между собой на листовых планках или с помощью решетки из прокатных элементов. Применение сквозных колонн оправданно при больших нагрузках или пролетах, когда составные сечения небольших габаритов не обеспечивают достаточной жесткости или несущей способности. Основным недостатком сквозных колонн является значительный габарит, который они отнимают у функционального пространства. Однако благодаря наличию внутреннего пространства между ветвями оно может быть полезно использовано для пропуска коммуникаций или заполнено бетоном для повышения огнестойкости и жесткости колонны.
Сталебетонные колонны.
Поскольку колонны воспринимают преимущественно вертикальные нагрузки, в них может быть эффективным использование бетона, который достаточно хорошо воспринимает сжимающие усилия. При этом бетоном может быть заполнено пространство между полками колонн двутаврового профиля либо внутренняя полость замкнутых сечений. В частности, заполнение между полками колонны двутаврового профиля без армирования может повысить ее огнестойкость до 60 минут без увеличения внешних габаритов сечения. Бетонное заполнение трубчатых колонн также позволяет повысить предел огнестойкости колонн до 60 минут. Для достижения более высокой огнезащиты сталебетонных элементов – до 120 минут и выше, требуется дополнительно внешнее обетонирование и армирование сечения. Для полного включения внешнего обетонирования в работу и достижения совместной работы могут применяться упорные анкеры, такие, как в композитных балках, навариваемые на стенку и полки балки. Кроме того, добавочно устанавливается рабочее армирование, в результате чего колонна работает как сталежелезобетонная.
Применение сквозных колонн оправданно при больших нагрузках или пролетах, когда составные сечения небольших габаритов не обеспечивают достаточной жесткости или несущей способности. Основным недостатком сквозных колонн является значительный габарит, который они отнимают у функционального пространства. Однако благодаря наличию внутреннего пространства между ветвями оно может быть полезно использовано для пропуска коммуникаций или заполнено бетоном для повышения огнестойкости и жесткости колонны. Сталебетонные колонны. Поскольку колонны воспринимают преимущественно вертикальные нагрузки, в них может быть эффективным использование бетона, который достаточно хорошо воспринимает сжимающие усилия. При этом бетоном может быть заполнено пространство между полками колонн двутаврового профиля либо внутренняя полость замкнутых сечений. В частности, заполнение между полками колонны двутаврового профиля без армирования может повысить ее огнестойкость до 60 минут без увеличения внешних габаритов сечения.
Бетонное заполнение трубчатых колонн также позволяет повысить предел огнестойкости колонн до 60 минут. Для достижения более высокой огнезащиты сталебетонных элементов – до 120 минут и выше, требуется дополнительно внешнее обетонирование и армирование сечения. Для полного включения внешнего обетонирования в работу и достижения совместной работы могут применяться упорные анкеры, такие, как в композитных балках, навариваемые на стенку и полки балки. Кроме того, добавочно устанавливается рабочее армирование, в результате чего колонна работает как сталежелезобетонная. Заполнение бетоном трубчатых колонн позволяет значительно увеличить несущую способность, снизить толщину стенок и уменьшить габариты сечения, что желательно с архитектурной точки зрения. Марка бетона заполнения колонн, приведенных в таблице, принята C35/45 при 1%-м конструктивном внутреннем армировании.
Колонны как конструктивный инструмент архитектурной формы
Обычно колонны каркаса быстровозводимых зданий стараются визуально скрыть. Внутренние колонны подлежат отделке и располагаются в местах прохождения стен и перегородок, наружные колонны интегрируются во внешние ограждающие конструкции. Однако в некоторых случаях, когда это конструктивно необходимо, колонны могут быть наоборот максимально визуально открыты и использованы для достижения архитектурной выразительности. В основном такие колонны имеют трубчатое сечение, что позволяет обеспечить хорошие конструктивные характеристики при незначительных габаритах и минимальном вмешательстве в архитектурную среду. Трубчатые колонны равноустойчивы и хорошо работают на центральное сжатие.
Повышение конструктивных характеристик трубчатых колонн может быть достигнуто за счет заполнения бетоном, что позволяет также повысить огнестойкость. Для огнезащиты колонн также применяются вспучивающиеся покрасочные покрытия. Примыкания элементов к трубчатым колоннам выполняют в рамках общей концепции каркаса. Колонны имеют монтажные марки на высоту двух или трех этажей.
Монтажные стыки выполняют, как правило, непосредственно над высотой перекрытия с тем, чтобы избежать вмешательства в полезное пространство этажа или на высоте 1,2-1,5 м над уровнем перекрытия для удобства монтажа и диагностики в процессе эксплуатации. Внешние, отдельно стоящие колонны нашли широкое применение в зданиях общественного назначения, таких как торговые центры, концертные залы и объекты инфраструктуры. На рис. показан пример использования внешних колонн из труб для опирания навеса развлекательного центра в Сиднее. Ключевую конструктивную роль колонны подчеркивают ее массивное сечение и лучевидные консоли, которые на нее приходят.
Еще один пример применения колонн как инструмента достижения архитектурной выразительности-здание со стальным каркасом в г. Питсбург. В данном строении одном из первых была применена внешняя структурная оболочка каркаса. Такой конструктивный прием значительно улучшает распределение нагрузок и живучесть каркаса, а также создает ритмику фасада и узнаваемый внешний вид здания. Колонны при этом являются органической частью сетчатой оболочки, подчеркивая легкость и основательность сквозной структуры. Отдельно стоящие колонны используются как элементы концентрации и заземления силового потока, приходящего от кровли либо других несущих конструкций каркаса. Наглядным примером использования отдельно внешних стоящих опор из трубчатых профилей является здание Renault Parts Distribution Centre в Суиндоне, Великобритания.
Отдельно стоящие или сгруппированные колонны могут сами по себе образовывать архитектурно выразительные конструкции, являющиеся акцентом здания и обеспечивающие ему узнаваемость. Такой прием был, в частности, использован в терминале аэропорта Станстед. Группа из четырех объединенных ветвей колонн выполняет функцию жесткой пространственной опоры для структурной конструкции кровли. Внутреннее пространство между ветвями рационально использовано для организации информационных табло и коммуникаций. В некоторых случаях оправданным с точки зрения архитектурной выразительности является применение многоэлементных опор. Такие решения, в частности, дают положительный архитектурный эффект в вестибюлях, залах ожидания, учреждениях культуры и других общественных местах. Рис. иллюстрирует использование в качестве колонн трубчатых элементов переменного сечения с уровнями сварных «ответвлений», на которые опирается кровля. Геометрия и принцип работы таких опор приближает их к комбинированным несущим системам, более активным по по вектору. «Ветви» колонн не только служат для формирования выразительного внутреннего пространства, но также являются интересным конструктивным решением, позволяющим облегчить кровлю за счет равномерного снятия с нее нагрузки.
Колонны, одни из основных элементов каркаса производственного здания и других конструктивных комплексов, могут быть центрально- и внецентренно сжатыми (зависит от способа их загружения). Центрально-сжатые колонны применяются для поддержания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих площадках, путепроводах, эстакадах и т. п. Внецентренно сжатые колонны устраивают в каркасах производственных зданий.
Колонны состоят из следующих основных элементов (рисунок ниже): стержень (ствол) 4 — основной несущий элемент; оголовок 5, на который опирается вышележащая конструкция, нагружающая колонну; база 3, передающая давление от стержня на фундамент 2 и закрепляющая колонну в фундаменте.
В бескрановых зданиях и зданиях, оборудованных подвесными кранами, колонны имеют постоянное по высоте сечение (рисунок ниже). При использовании в производственных зданиях мостовых кранов относительно небольшой грузоподъемности (до 15 т) также применяют колонны постоянного сечения, причем нагрузка от кранов передается на стержень колонны через консоли, на которые опираются подкрановые балки (рисунок ниже). При мостовых кранах значительной грузоподъемности устраивают ступенчатые колонны (рисунок ниже), в которых подкрановые балки опираются на уступ нижнего участка колонны и располагаются по оси подкрановой ветви.
Конструкция торцевого фахверка
Типы колонн
а — сплошная постоянного сечения; б, в — то же, сквозные; г — сплошная постоянного сечения с консолью для подкрановой балки; д — сквозная ступенчатая для крайнего ряда; е — то же, для среднего ряда; 1 — расчетная схема; 2 — фундамент; 3 — база; 4 — стержень; 5 — оголовок
По конструкции колонны могут быть сплошного (рисунок выше) или сквозного сечения (рисунок выше). Преимущество сквозных колонн перед сплошными заключается в том, что, назначая соответствующее расстояние между ветвями, можно получить колонну, равноустойчивую относительно обеих главных осей как при одинаковых расчетных (приведенных) длинах lХ= lУ, так и при резко различных. Это обеспечивает более эффективное использование материала ветвей и, соответственно, меньший вес сквозных колонн. Однако изготовление сквозных колонн более сложно, трудоемко и поэтому дороже.
Составные стержни (сплошные и сквозные), аналогичные по конструкции и работе колоннам, также используют в гидротехнических затворах, для мачт, стрел, башенных опор, в качестве элементов тяжелых решетчатых ферм.
Колонны в основном рассчитываются как внецентренно сжатые элементы. Что это значит? Если на колонну действует просто вертикальная сила, причем эта сила приложена ровно в центре колонны, то такая колонна фактически работает лишь на сжатие. Сжимающее усилие железобетон выдерживает очень хорошо. Мы знаем, что расчетное сопротивление бетона класса В25 осевому сжатию Rb = 148 кг/см2. Что это значит? Что каждый квадратный сантиметр бетона колонны (или другого сжатого элемента из бетона кл. В25) может выдержать нагрузку в 148 кг. Если колонна у нас сечением 300х300 мм, то ее площадь равна 30∙30 = 900 см2, и такая колонна может выдержать 148∙900 = 133200 кг = 133,2 т вертикальной силы. Число внушает уважение. Но это лишь при условии строго вертикальной нагрузки, расположенной четко по оси колонны (в геометрическом центре сечения). В реальности картина обычно далека от идеала, и даже в запроектированной с центральной нагрузкой колонне может произойти смещение этой нагрузки в любую сторону на какую-то случайную величину. Эту величину принято называть случайным эксцентриситетом. А если нагрузка приложена с эксцентриситетом, т.е. не посередине, то колонну будет гнуть в ту сторону, в которую смещена нагрузка. То есть, в колонне возникает изгибающий момент. А на изгиб железобетон работает гораздо хуже, чем на сжатие. И арматура, которая получается в результате расчета колонны, не мало увеличена именно за счет действия изгибающих моментов в колонне.
Какие бывают расчетные ситуации для колонн?
Ситуация А. Когда на колонну действует только вертикальная сила.
В этой ситуации можно выделить несколько случаев.
Случай 1. Вертикальная сила приложена четко по оси колонны (в геометрическом центре сечения).
Как на самом деле эта сила учитывается в расчете?
Помимо самой силы N в расчет еще включаются две величины: изгибающие моменты, которые могут возникнуть в результате смещения силы N в ту или иную сторону на величину случайного эксцентриситета. Да, этот эксцентриситет невелик, он определяется по конкретным формулам, но нагрузку на колонну он увеличивает.
В итоге вместо одной силы N мы получаем N + М1 + М2, и, конечно, это отразится на армировании.
Случай 2. Вертикальная сила, действующая на колонну сбита вдоль вертикальной оси, но находится на горизонтальной оси.
В этом случае вертикальная сила создает конкретный изгибающий момент М = N∙e1. Этот изгибающий момент вызывает в колонне определенные деформации – часть сечения колонны оказывается сжатой, а часть – растянутой.
При небольшом моменте и маленьком эксцентриситете растяжения может не возникнуть вообще, просто колонна будет сжата не равномерно – где-то больше, а где-то меньше.
Если в колонне есть растянутая зона, армирования следует ждать большого – бетон не работает на растяжение, все растягивающие усилия примет на себя арматура.
Еще хочется добавить, что если вертикальная сила сбита только в одном направлении, и эксцентриситет сбивки нам известен, то в перпендикулярном направлении при расчете нам может потребоваться задать случайный эксцентриситет, чтобы учесть неучтенные неблагоприятные факторы. В итоге на колонну в одном направлении будет действовать изгибающий момент М1, возникший из-за смещения силы N на расстояние e1 относительно оси колонны; а в другом направлении – изгибающий момент М2, возникший из-за возможного смещения силы N на величину случайного эксцентриситета еа.
Расчет такой колонны происходит в два этапа: сначала рассчитывается колонна в плоскости изгиба (N + М1), затем из плоскости изгиба (N + М2). По результатам каждого расчета находится площадь арматуры для двух противоположных граней колонны.
Потом эту арматуру нужно будет пересчитать в конкретные арматурные стержни и законструировать сечение колонны.
Примером для такого случая будет шарнирное опирание на колонну сборной балки (например, опирание на консоль). Балка никак не может передать нагрузку ровно по центру, эта нагрузка всегда будет смещена в сторону от оси колонны. Расстояние смещения и есть эксцентриситет е1. А вот случайный эксцентриситет еа для такого случая может быть вызван тем, что монтажники случайно установили балку не ровно по оси колонны, а со сбивкой на пару сантиметров в сторону. Бывает? Бывает. Вот всякие такие случайности и учитывает случайный эксцентриситет (простите за тавтологию).
Случай 3. Бывает, что сила N сбита относительно обеих осей (или же вертикальных сил две и более, и каждая из них сбита в какую-то сторону). Тогда и М1, и М2 определяются умножением соответствующей силы N на соответствующий эксцентриситет – расстояние от оси колонны до точки приложения нагрузки.
Этот случай самый сложный. Он дает значительный изгиб колонны сразу в двух направлениях. И если в случае 2 сжатая зона колонны находилась у одной грани, а растянутая – у противоположной, то в случае 3 грань между сжатой и растянутой зоной проходит по косой, и максимально растянутым выходит один угол колонны, а максимально сжатым – противоположный. То есть, растянутыми будут две соседние грани колонны, а сжатыми – две противоположные им соседние грани.
Такая колонна рассчитывается на косое внецентренное сжатие. Армируется она, в итоге, симметрично, но самое главное – сделать расчет правильно, чтобы самые перенапряженные растяжением стержни выдержали.
Обычно расчет (ручной) на косое внецентренное сжатие производится в виде проверки: сначала задается армирование конкретными стержнями с конкретной привязкой, а затем выполняется проверочный расчет, определяющий, выдержит ли арматура нагрузку.
Если вы хотите глубже понять воздействие вертикальной силы и изгибающего момента на арматуру колонны, можете еще ознакомиться со статьей "Как армирование колонны зависит от нагрузки".
А мы продолжим рассматривать расчетные ситуации для колонн.
Ситуация Б. На колонну действует вертикальная сила N и один или более изгибающий момент М.
В рамах это очень распространенная ситуация. Ведь жестко соединенное с колонной перекрытие передает изгибающие моменты на колонну, и при расчете рамы мы все эти моменты определяем как нагрузку на нашу колонну.
В данной ситуации мы можем выделить два случая.
Случай 1. Когда изгибающий момент (или сумма всех изгибающих моментов) приложен к колонне в одной плоскости.
Такая колонна рассчитывается как внецентренно сжатая. По сути, нагрузка на нее подобна нагрузке по случаю 2 ситуации А, только к моменту от силы N прибавляется еще и момент от перекрытия. Из плоскости колонны также действует момент от силы N, приложенной со случайным эксцентриситетом.
Случай 2. Когда изгибающие моменты (или сумма моментов) действуют на колонну в двух плоскостях.
Эта компоновка сил подобна случаю 3 ситуации А, расчет колонны ведется на косое внецентренное сжатие.
В чем особенность наличия изгибающих моментов в колонне (то ли от сбитой от центра вертикальной силы, то ли непосредственно моментов от перекрытия)? Как я уже писала выше, моменты вызывают изгиб колонны, а изгиб может привести к возникновению растяжения в части сечения колонны. И как только появляется растяжение, сразу сильно возрастает армирование. Что можно сделать в ситуациях с перегруженными изгибающим моментом колоннами, вы можете узнать из статьи "Изгибающие моменты в колонне. Что можно сделать?"
Колонны, одни из основных элементов каркаса производственного здания и других конструктивных комплексов, могут быть центрально- и внецентренно сжатыми (зависит от способа их загружения). Центрально-сжатые колонны применяются для поддержания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих площадках, путепроводах, эстакадах и т.п. Внецентренно сжатые колонны устраивают в каркасах производственных зданий.
Колонны состоят из следующих основных элементов (рис. 7.4): стержень (ствол) 4 — основной несущий элемент; оголовок 5, на который опирается вышележащая конструкция, нагружающая колонну; база 3, передающая давление от стержня на фундамент 2 и закрепляющая колонну в фундаменте.
Рис. 7.4. Типы колонн:
о — сплошная постоянного сечения; б, в — то же, сквозные; г — сплошная постоянного сечения с консолью для подкрановой балки; д — сквозная ступенчатая для крайнего ряда; е — то же, для среднего ряда; 7 — расчетная схема; 2 — фундамент; 3 — база; 4 — стержень; 5 — оголовок
В бескрановых зданиях и зданиях, оборудованных подвесными кранами, колонны имеют постоянное по высоте сечение (см. рис. 7.4, а—в). При использовании в производственных зданиях мостовых кранов относительно небольшой грузоподъемности (до 15 т) также применяют колонны постоянного сечения, причем нагрузка от кранов передается на стержень колонны через консоли, на которые опираются подкрановые балки (см. рис. 7.4, а). При мостовых кранах значительной грузоподъемности устраивают ступенчатые колонны (см. рис. 7.4, д, е), в которых подкрановые балки опираются на уступ нижнего участка колонны и располагаются по оси подкрановой ветви.
По конструкции колонны могут быть сплошные (рис. 7.5) или сквозные (рис. 7.6). Преимущество сквозных колонн перед сплошными заключается в том, что, назначая соответствующее расстояние между ветвями, можно получить колонну, равноустойчивую относительно обеих главных осей как при одинаковых расчетных (приведенных) длинах 1Х = 1у, так и при резко различных. Это обеспечивает более эффективное использование материала ветвей и, соответственно, меньший вес сквозных колонн. Однако изготовление сквозных колонн более сложно, трудоемко, поэтому оно дороже.
Рис. 7.5. Поперечные сечения сплошной колонны:
а-в — центрально сжатых; г-е — внецентренно сжатых
Составные стержни (сплошные и сквозные), аналогичные по конструкции и работе колоннам, также используют в гидротехнических затворах, для мачт, стрел, башенных опор, в качестве элементов тяжелых решетчатых ферм.
Читайте также: