А – верхней части колонны; б – нижней части сплошно-стенчатой колонны; в – нижней части сквозной колонны.

Компоновка сечений колонн

Верхнюю (надкрановую) часть колонны большей частью проектируют сплошностенчатой, состоящей из трех листов, в виде широкополочного двутавра (рис.3.1;а).

Ширину верхней части колонны (номинальный размер по наружным граням) следует принимать равной 500 или 1000 мм.

Толщину стенки рекомендуется назначать около ширины колонны, но не менее . При толщине полок более или при наличии подстропильных ферм толщину стенки следует принимать не менее . Сечение должно быть достаточно развито относительно оси , и одновременно полки его должны удовлетворять требованию местной устойчивости [2].

Рис. 3.1. Сечения колонн крайнего ряда

А – верхней части колонны; б – нижней части сплошно-стенчатой колонны; в – нижней части сквозной колонны.

Рис 3.2 Сечение сквозной колонны среднего ряда

Нижнюю (подкрановую) часть колонны, как уже отмечалось в компоновочной части проекта, рекомендуется проектировать сплошностенчатой при ширине до 1 м включительно (рис. 3.1, б). При большей ширине следует применять сквозные колонны (рис. 3.1, в), как более экономичные.

Сечение колонн крайних рядов проектируют, как правило, асимметричным, состоящим из прокатного или составного двутавра (подкрановая ветвь), прокатного швеллера или листа и уголков (наружная ветвь) и стенки (для сплошностенчатой) или решетки (для сквозной колонны). Толщина стенки назначается в пределах от до ширины колонны, но не менее 8.

Из конструктивных соображений ширина полки принимается равной высоте двутавра подкрановой ветви и не должна превышать величины двух свесов. Площадь сечения полки принимают примерно равной площади сечения двутавра подкрановой ветви. Сечения ветвей сквозной колонны среднего ряда обычно компонуют из прокатного или составного двутавра (подкрановая ветвь) и швеллера или листа и двух уголков (наружная ветвь). Нижнюю часть колонн средних рядов проектируют симметричной сквозной, состоящей из двух прокатных или сварных двутавров (рис. 3.2). Схему решетки рекомендуется принимать треугольную с дополнительными стойками или без них.

Рис 3.4 Расчётная площадь сечения сплошностенчатой колонны при неустойчивой стенке

Стенка сплошной колонны при следует укреплять поперечными парными ребрами жесткости на расстоянии одно от другого; на каждом отправочном элементе должно быть не менее двух ребер.

Сквозная колонна

Работа ветвей сквозной колонны аналогична работе поясов фермы с параллельными поясами, что позволяет распространить метод расчета ферм на сквозные колонны. Усилия в ветвях можно определить по формуле:

, (3.9)

где - расстояние между нейтральной осью колонны и осью ветви;

- расстояние между осями ветвей;

- расчетный изгибающий момент;

- соответствующая расчетному изгибающему моменту продольная сила.

Знак при принимается в зависимости от того, догружает или разгружает он ветвь. Требуемую площадь сечения ветви определим по формуле:

,

где - коэффициент продольного изгиба, которым следует задаться.

Определив требуемую площадь и скомпоновав сечения ветвей, производят проверку устойчивости каждой ветви относительно главных осей ее сечения.

Сквозные колонны, ширина нижней части которых менее 1/15 высоты , должны проверяться на устойчивость как единый сжато-изогнутый стержень по формуле (3.3).

Покажем подбор сечений ветвей и необходимые проверки напряжений в них на примере.

Пример 6. Подобрать сечение ветвей нижней части ступенчатой сквозной колонны крайнего ряда по усилиям табл. 2.12. Наибольшие значения расчетных усилий: в сечении I-I ; (нагрузки 1, 2, 3, 5 и 8) и в сечении II-II ; (нагрузки 1, 3 и 5). Высота верхней части колонны ; высота нижней части колонны , ширина . Материал – сталь с расчетным сопротивлением по пределу текучести

Принимаем сечение нижней части колонны показанной на рис. 3.4.

Размер ,

где - привязка оси колонны и не менее (где );

Определение собственного веса колонны как для сплошной колонны по формуле (3.6):

,

где ; ; ; .

Тогда продольное усилие с учетом собственного веса

; .

Продольная сила сжимает обе ветви; изгибающий момент одну ветвь сжимает, другую растягивает. Имея это в виду, необходимо, прежде всего, установить, какой из приведенных двух моментов сжимает внутреннюю ветвь и какой наружную. При расчете рамы было установлено, что положительным принято считать момент, растягивающий внутренние волокна элементов рамы. Следовательно, положительный момент будет вызывать сжатие в наружной ветви колонны крайнего ряда, отрицательный – в подкрановой ветви.

Находим усилия в ветвях колонны, используя формулу (3. 9):

в наружной ветви

, (3. 10)

в подкрановой ветви

; (3. 11)

где и - расстояния между нейтральной осью сквозной колонны и осями ветвей (рис. 3. 1 в);

- расстояние между осями ветвей.

В формулы (3. 10) и (3. 11) входят неизвестные величины , и . Величина достаточно точно определяется из уравнения , где - расстояние от наружной грани ветви до ее оси (рис. 3. 1 в), принимаемое равным . Примем для нашего примера , тогда .

Ординаты нейтральной оси сквозной колонны определим по формулам:

(3. 12)

здесь и принимаются со знаком плюс.

Для нашего примера

;

.

Усилие в наружной ветви по формуле (3. 10)

,

В подкрановой ветви

.

Затем следует подбор сечения ветвей как центрально сжатых стержней. Задаваясь предварительной гибкостью в рекомендуемых пределах от 40 до 60, находим коэффициент продольного изгиба . Например, при коэффициент , а требуемая площадь сечения:

для наружной ветви

Для подкрановой ветви

.

Для подкрановой ветви принимаем двутавр № 70Б1 по ГОСТ 26020-83, основные характеристики которого: ; ; ; ; . Следует обратить внимание на отличающееся обозначение осей, принятые в сортаменте и в нашем примере. Например, принятый в сортаменте радиус инерции , в нашем примере обозначен .

Для наружной ветви сечение компонуем из двух уголков площадью и листа площадью , общая площадь ветви . Толщина листа наружной ветви подкрановой части колонны не должна резко отличаться от толщины полки верхнего участка ступенчатой колонны.

Для удобства крепления решётки просвет между внутренними гранями принимается равной высоте сечения подкрановой ветви.

Рис. 3.6. Сопряжение верхней и нижней частей колонны со сплошной стенкой

Длина нахлестки накладки (рис. 3. 6), соединяющей внутреннюю полку верхней части колонны с нижней, определяется длиной фланговых угловых швов. Она равна:

,

где - усилие во внутренней полке.

Одно из возможных решений сопряжения верхнего участка сплошного сечения колонны с нижним участком колонны сквозного сечения показано на рис. 3.7. В данном случае стык наружных полок перекрыт стыковой накладкой. Возможны и иные решения.

Рис. 3.7 Сопряжение верхней и нижней частей сквозной колонны

Конструкцию сопряжения верхней и нижней частей колонн средних рядов см. в [1].

База сплошной колонны

Наиболее часто применяются базы, изображенные на рис. 3.8 и 3.9. Середину плиты обычно совмещают с осью нижней части колонны, однако при значительном преобладании изгибающего момента над продольной силой (например, в высоких рамах) целесообразно раму смещать в сторону действия большего момента.

Рис. 3.8. База сплошностенчатой колонны (вариант 1)

Рис. 3.9. База сплошностенчатой колонны (вариант 2)

Конструктивным достоинством рекомендуемой базы является применение раздельных траверс, благодаря чему средняя часть базы открыта и легкодоступна для сварки.

Возможны и другие конструктивные решения базы [1].

Таблица 3.1

Коэффициенты для расчета пластинки, опертой на четыре стороны

	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	>2,0
	0,0148	0,055	0,063	0,069	0,075	0,081	0,086	0,091	0,094	0,098	0,100	0,125

При отношении стороны плита работает как простая балка и коэффициент .

У ч а с т о к 3. Плита опирается на три стороны. Наибольший изгибающий момент в середине свободной стороны определяется по формуле:

,

где - коэффициент, принимаемый по табл. 3.2 в функции ;

- свободная сторона участка.

Таблица 3.2

Коэффициенты для расчета пластинки, опертой на три стороны

	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	1,2	1,4	2,0	>2,0
	0,060	0,074	0,088	0,097	0,107	0,112	0,120	0,126	0,132	0,133

При отношении плита работает и рассчитывается как простая балка с пролетом ; при отношении - как консоль с вылетом .

На участке 4 при момент можно не определять.

В случае, если , необходимо составить для сечения по данным табл. 3.11 комбинацию усилий, дающую наибольшие сжимающие усилия в бетоне под плитой на этом участке, и определить изгибающий момент .

По наибольшему из полученных значений изгибающего момента определяют толщину плиты

, (3.16)

где - расчетное сопротивление стали, определяемое по пределу текучести при изгибе.

Толщину плиты следует принимать в соответствии с сортаментом, но не более 40мм. Если по расчету будет получена большая толщина, следует изменить конструкцию базы, уменьшив в первую очередь размеры участка, для которого получен наибольший изгибающий момент, и произвести перерасчет.

Расчет анкерных болтов

Анкерные болты воспринимают растягивающие усилия, возникающие между плитой базы и фундаментом. Усилие в анкерных болтах, расположенных в растянутой зоне:

, (3.18)

где и - усилие основного сочетания (табл. 2.11, последняя строка);

- расстояние от центра тяжести эпюры сжатой зоны до оси колонны;

- расстояние от оси анкерного болта до центра тяжести эпюры сжатой зоны (см. рис. 6.8).

Площадь сечения одного анкерного болта нетто (по нарезке)

, (3.19)

где - расчетное сопротивление анкерных болтов растяжению (табл. 4 приложения);

- число анкерных болтов в растянутой зоне базы колонны.

Рекомендуется применять болты диаметром не более 80мм. Если двух болтов диаметром 80мм будет не достаточно, то следует вместо двух болтов применять четыре меньшего диаметра (по два болта на столик).

Диаметр анкерного болта и глубину заделки его в фундаменте можно определить по табл. 20 приложения.

В сжатой зоне базы колонны ставят анкерные болты такого же диаметра.

База сквозной колонны

В сквозных колоннах применяются в основном раздельные базы для каждой ветви, симметрично расположенные относительно оси ветви и работающие как база центрально нагруженной колонны.

Раздельные базы экономичны и просты в изготовлении. Простейшей для изготовления является база, состоящая из одной опорной плиты. Но при больших усилиях в ветвях колонны плита получается толстой, и база по сравнению с другими конструктивными решениями – неэкономичной.

Конструкция базы представленная на рис. 3.10, достаточна, проста и экономична. Она состоит из опорной плиты, траверс, ребра и столиков анкерных болтов. Анкерные болты размещают по оси ветви или же симметрично относительно нее (например, при четырех болтах).

Расчет раздельных баз весьма прост и ведется по наибольшим сжимающим усилиям в ветвях колонны.

Для наружной ветви наибольшее сжимающее усилие было получено ранее, при подборе сечения этой ветви; для подкрановой ветви это усилие следует определить. Необходимо воспользовавшись табл. 2.11, составить новую комбинацию усилий. При этом следует руководствоваться следующими указаниями: постоянная нагрузка 1 учитывается во всех случаях; необходимо вводить все (возможные) нагрузки, вызывающие в сечении отрицательный изгибающий момент; в сочетания нужно вводить также и нагрузки с положительным изгибающим моментом и соответствующей ему продольной силой, если отношение будет меньше величин , приведенных в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Значения эксцентрицитета в зависимости от

, м	1,25	1,5	1,75
, м	0,625	0,75	0,875
Примечание: Величины эксцентриситета получены в предположении, что .

Пример 7.Требуется определить наибольшее сжимающее усилие в сечении подкрановой ветви по данным табл. 2.11 при . В соответствии с приведенными выше указаниями для нашего примера в сочетание следует ввести загружения 1, 3, 5 и 7; в результате получим:

Площадь опорной плиты определяется по формуле:

,

где — расчетное сопротивление бетона при местном сжатии (смятии); определяемое по формуле

,

здесь

Задавшись шириной плиты , где — высота сечения ветви и — свес плиты, принимаемый равным , получим второй размер .

Толщину плиты получим по формуле .

Изгибающий момент в плите определяется аналогично изложенному выше.

Для базы, изображенной на рис. 3.10, при усилии в ветви примерно до между траверсами достаточно поставить по одному ребру (тип 1). При больших усилиях возможны решения по типу 2 или 3.

Указания по расчету траверс, ребер и сварных швов изложены выше, а также в [1].

Анкерные болты рассчитываются на наибольшее растягивающее усилие в ветви, определяемое по формуле (3.18). В этой формуле вместо а при определении усилий в анкерных болтах подкрановой ветви следует подставить , а для наружной ветви . Вместо подставляется расстояние между осями ветвей .

По указанию руководителя проекта можно ограничиться расчетом базы только для наружной ветви колонны.

Компоновка сечений колонн

Верхнюю (надкрановую) часть колонны большей частью проектируют сплошностенчатой, состоящей из трех листов, в виде широкополочного двутавра (рис.3.1;а).

Ширину верхней части колонны (номинальный размер по наружным граням) следует принимать равной 500 или 1000 мм.

Толщину стенки рекомендуется назначать около ширины колонны, но не менее . При толщине полок более или при наличии подстропильных ферм толщину стенки следует принимать не менее . Сечение должно быть достаточно развито относительно оси , и одновременно полки его должны удовлетворять требованию местной устойчивости [2].

Рис. 3.1. Сечения колонн крайнего ряда

а – верхней части колонны; б – нижней части сплошно-стенчатой колонны; в – нижней части сквозной колонны.

Рис 3.2 Сечение сквозной колонны среднего ряда

Нижнюю (подкрановую) часть колонны, как уже отмечалось в компоновочной части проекта, рекомендуется проектировать сплошностенчатой при ширине до 1 м включительно (рис. 3.1, б). При большей ширине следует применять сквозные колонны (рис. 3.1, в), как более экономичные.

Сечение колонн крайних рядов проектируют, как правило, асимметричным, состоящим из прокатного или составного двутавра (подкрановая ветвь), прокатного швеллера или листа и уголков (наружная ветвь) и стенки (для сплошностенчатой) или решетки (для сквозной колонны). Толщина стенки назначается в пределах от до ширины колонны, но не менее 8.

Из конструктивных соображений ширина полки принимается равной высоте двутавра подкрановой ветви и не должна превышать величины двух свесов. Площадь сечения полки принимают примерно равной площади сечения двутавра подкрановой ветви. Сечения ветвей сквозной колонны среднего ряда обычно компонуют из прокатного или составного двутавра (подкрановая ветвь) и швеллера или листа и двух уголков (наружная ветвь). Нижнюю часть колонн средних рядов проектируют симметричной сквозной, состоящей из двух прокатных или сварных двутавров (рис. 3.2). Схему решетки рекомендуется принимать треугольную с дополнительными стойками или без них.