Конструкция, подбор и проверка сечения стальных колонн сплошного сечения, обеспечение местной устойчивости элементов сечения.

Обычно сечение сплошной колонны проектируют в виде широкополочногодвутавра, прокатного или сварного, наиболее удобного в изготовлении с помощью автоматической сварки и позволяющего просто осуществлять примыкание поддерживаемых конструкций. Различные типы сечений сплошных колонн показаны на рис. 8.2 и 8.3.

Чтобы колонна была равноустойчивой, гибкость ее в плоскости оси х должна быть равна гибкости в плоскости оси у, т. е. . Однако в двутавровых сечениях при одинаковых расчетных длинах это условие не соблюдается, поскольку у них радиусы инерции получаются разными по величине. В двутавровом сечении радиус инерции относительно оси х , ix « 0,43h, а радиус инерции относительно оси у , iу « 0,24b,следовательно, для получения равноустойчивого сечения нужно, чтобы 0,43h = 0,24b или b»2h, что приводит к весьма неудобным в конструктивном отношении сечениям, практически неприменяемым. Обычный прокатный двутавр вследствие незначительной ширины его полок меньше всего отвечает требованию равноустойчивости и поэтому применяется редко.

У прокатного широкополочного двутавра(рис. 8.2, а)может быть b = h, что не удовлетворяет условию равноустойчивости, но все же дает сечение, вполне пригодное для колонн.

Сварные колонны, состоящие из трех листов (рис. 8.2,б), достаточно экономичны по затрате материала, так как могут иметь развитое сечение, обеспечивающее колонне необходимую жесткость. Сварной двутавр является основным типом сечения сжатых колонн. Автоматическая сварка обеспечивает дешевый, индустриальный способ изготовления таких колонн. Равноустойчивыми в двух направлениях и также простыми в изготовлении являются колонны крестового сечения. При небольших нагрузках они могут составляться из двух уголков крупного калибра (рис.8.2, в); из трех листов свариваются тяжелые колонны (рис. 8.2,г). Из условия местной устойчивости свободный выступ листа крестовой колонны не должен превышать 15 — 22 толщин листа в зависимости от общей гибкости колонны.

При одинаковых габаритах крестовое сечение колонн обладает большей жесткостью, чем двутавровое, так как его радиусы инерции ix = iу= 0,29b больше, чем у двутавра i y=0,24b. В тяжелых колоннах это не имеет существенного значения, так как у них гибкости обычно бывают небольшими и коэффициенты φ близкими к единице.

Крестовое сечение можно усилить дополнительными листами (рис.8.2 - д), присоединяемыми электрозаклепками.

Простыми, но ограниченными по площади и менее экономичными по расходу стали получаются колонны из трех прокатных профилей (рис.8.2, е). Весьма рациональны колонны трубчатого сечения (рис. 8.3, а)с радиусом инерции i=0,35dсp, где dcр — диаметр окружности по оси листа, образующего колонну.

Сварка дает возможность получить колонны замкнутого сечения и других типов, например из двух швеллеров (рис. 8.3,б), которые при больших нагрузках могут быть усилены листами (рис.8.3,в),или из уголков (рис. 8.3,г).

Весьма экономичное сечение легкой колонны может быть получено из тонкостенных гнуто-сварных профилей (рис. 8.3,д). Преимуществами колонн замкнутого сечения являются равноустойчивость, компактность и хороший внешний вид; к недостаткам относится недоступность внутренней полости для окраски. Чтобы избежать коррозии, такие колонны должны быть защищены от проникания внутрь влаги. При заполнении стальной трубы бетоном получается эффективная комплексная конструкция (трубобетонная), в которой труба является оболочкой, стесняющей поперечные деформации заключенного внутри бетонного цилиндра. В этих условиях работы прочность бегона на сжатие значительно увеличивается, исключаются потери местной устойчивости трубы и коррозии внутренней ее поверхности.

Рационально применять тонкостенные трубы (толщина стенки 1/50-1/150 от диаметра трубы), но по условиям эксплуатации и возможности прикрепления примыкающих элементов к трубе они должны быть не тоньше 3—4 мм. В трубобетонном стержне бетон работает в основном на сжатие, а труба — на поперечное растяжение. Трубы могут быть как из малоуглеродистой, так и из низколегированной стали, бетон применяют высоких марок — от 250 до 500 и выше. Подбор сечения сплошной колонны. Задавшись типом сечения колонны, определяем требуемую площадь сечения по формуле ,где N — расчетное усилие в колонне; γ— коэффициент условий работы (прил. 13). Из условия местной устойчивости наибольшее отношение расчетной высоты стенки hoк ее толщине t определяется по формулам, приведенным в табл. 8.5, а отношение свеса полки b0 колонны двутаврового сечения к ее толщине tп(рис. 8.12) в колоннах с условной гибкостью λ от 0,8 до 4 должно удовлетворять условию .См.пункт 7.33 СНиП РК 5.04.23-2002 табл.30. В центрально, внецентрено - сжатых и сжато-изгибаемых элементах с условной гибкостью λ от 0,8 до 4 отношение расчетной ширины свеса поясного листа(полки) к толщине t следует принимать не более значений, определяемых по форм.табл.30(напис.1ф.) .При значениях λ< 0,8 или > 4 в формулах табл.30 следует принимать соответст.λ=0,8 или =4.

Конструкция. Подбор и проверка сечения сплошных колонн Колонны - элементы конструкции, работающие на сжатие или на сжатие с продольным изгибом.Колонны служат для передачи нагрузки от вышерасположенных конструкций через фундаменты на грунт. Колонна состоит из 3 основных частей: стержня - основного несущего элемента колонны;оголовка, представляющего собой опору для вышележащей конструкции и распределяющего нагрузку по сечению стержня;базы (башмака), распределяющей сосредоточенную нагрузку от стержня по поверхности фундамента и закрепляющей колонну в фундаменте.Центрально-сжатые колонны работают на продольную силу, приложенную по оси колонны и вызывающую равномерное сжатие поперечного сечения.Сплошностенчатые колонны применяют при больших нагрузках и небольших высотах.В центрально-сжатых колоннах нагрузки приложены либо непосредственно к центру сечения колонны, либо симметрично относительно оси стержня. Простейшей конструкцией стальных колонн является сплошная колонна постоянного сечения, выполненная из трубы или прокатного двутавра (лучше широкополочного). Достаточно часто выполняются сплошные колонны составного сечения из прокатных элементов: двух швеллеров, уголков и других комбинаций. Несущая способность стальных колонн может быть исчерпана от потери местной устойчивости (рис. 5.8, а); для исключения этого явления применяются специальные меры, например постановка поперечных ребер жесткости , конструктивное увеличение толщины листов, из которых изготавливается колонна, и т.п. В прокатных двутаврах,

Рис. 23. Открытые сечения сплошных стержней Рис. 24. Замкнутые сечения сплошных стержней

трубах их толщины и сечения подобраны таким образом, что потери местной устойчивости обычно не происходит.

При расчете стержня колонны строительные нормы предписывают выполнение следующих расчетов: по прочности, по потере общей устойчивости, а также при этом необходимо ограничивать гибкость.

Обычно сечение сплошной колонны проектируют в виде широкополочногодвутавра, прокатного или сварного, наиболее удобного в изготовлении с помощью автоматической сварки и позволяющего просто осуществлять примыкание поддерживаемых конструкций. Различные типы сечений сплошных колонн показаны на рис. 23 и 24.

При сварки колонны сплошного сечения ручную дуговую сварку штучно плавящемся электродом с покрытием применить при выполнении сборочных операций в качестве прихватки. Основную сварку выполнить полуавтоматом в среде защитного газа для колонны сплошного сечения. Поясные швы большой протяженности выполнить автоматической дуговой сваркой под слоем флюса. Короткие швы выполнить полуавтоматической сваркой в среде защитного газа.

Установив генеральные размеры сечения b и h, подбирают толщину поясных листов (полок) и стенки исходя из требуемой площади колонны ATP и условий местной устойчивости.Отношения ширины элементов сечения (полок, стенки) к их толщине подбирают так, чтобы они были меньше предельных отношений, устанавливаемых с точки зрения равнопрочности стержня в целом и его элементов.

В первом приближении обычно не удается подобрать рациональное сечение, которое удовлетворяло бы трем условиям (АTP, bTP, hTP), так как при их определении исходная величина гибкости была задана произвольно. Выяснив несоответствие, указанные величины корректируют. Если заданная гибкость принята очень большой, то получается слишком большая площадь при сравнительно малых размерах b и h. Следовательно, надо увеличить сечение, одновременно уменьшив площадь ATP, т. е. уменьшить принятую гибкость.Если принятая гибкость чрезмерно мала, то получается слишком малая площадь при сильно развитом сечении, тогда ATP следует увеличить, уменьшив, размеры сечения.

Откорректировав значения А, b и h, производят проверку сеченияi_x=α₁h;r_y=α₂b;λ_max=l₀/i_min ·φ_minλ_max

Если нужно, вносят еще одну поправку в размеры сечения, обычно последнюю.

После окончательного подбора сечения производят его проверку определением фактического напряжения

При незначительных усилиях в колонне ее сечение подбирают по предельной гибкости порядка 120, установленной СНиП, для чего определяют минимально возможный радиус инерцииi_min=l₀/λ_minи, установив по нему наименьшие размеры сечения,b_min =l/α₂; h= l/α₁

окончательно подбирают сечение по конструктивным соображениям исходя из наименьшей возможней толщины элементов (по условиям устойчивости).

Конструктивное оформление и фактическая работа стержня колонн. В колоннах, работающих на центральное сжатие, сдвигающие усилия между стенкой и поясами незначительны, так как величина поперечной силы, возникающей от случайных воздействий, невелика. Поэтому поясные швы в сварных колоннах принимаются конструктивно в зависимости от марки стали и толщины свариваемых элементов.

В колоннах, не эксплуатируемых в средне- и сильноагрессивных средах и не возводимых в климатических районах I1, I2, II2 и II3 (при температуре меньше-50 °С, см. СНиП), поясные швы можно выполнять односторонними.

Толщину стенки колонны следует принимать возможно меньшей, так как сечение стенки, не увеличивая момента инерции относительно оси - у, увеличивает площадь и, следовательно, уменьшает радиус инерции, жесткость колонны. В случае прикрепления мощных балок стенка не должна быть чрезмерно тонкой, так как в противном.

Из условия местной устойчивости наибольшее отношение расчетной высоты стенки h0 к ее толщине t определяется по формулам, приведенным в табл. 8.5, а отношение свеса полки b0 колонны двутаврового сечения к ее толщине tП (рис. 8.12) в колоннах с условной гибкостью А. от 0,8 до 4 должно удовлетворять условию

Из отношения ba/tП и табл. 8.5 видно, что с увеличением гибкости колонны рассматриваемые отношения повышаются, т. е. стенка и полки могут быть относительно тоньше, так как при этом напряжения в стержне колонны снижаются. С повышением же расчетного сопротивления стали R толщины стенки и полки должны быть относительно больше, так как фактическое напряжение повышается.

Если по конструктивным соображениям отношение h0/t принимается больше указанных выше величин, то стенку следует укреплять продольным ребром (рис. 8.12,б), которое препятствует потере устойчивости стенки, пересекая появляющиеся волны выпучивания.

В этом случае за расчетную высоту стенки h0 принимают расстояние от ребра до полки сечения стержня.

Ребро может быть парным или расположенным с одной стороны.

При расположении ребра с одной стороны стенки его момент инерции должен вычисляться относительно оси, совмещенной с ближайшей гранью стенки.

Продольное ребро жесткости следует включать в расчетное сечение площади стержня.

Для укрепления контура сечения и стенки колонны ставятся поперечные ребра жесткости на расстоянии 2,5-3 м одно от другого, на каждом отправочном элементе должно быть не менее двух ребер.

Иногда по условиям гибкости колонны (например, при большей высоте колонн) приходится проектировать ее сечение с широкими полками, которые при недостаточной толщине могут оказаться неустойчивыми. В этих случаях для обеспечения устойчивости полок целесообразно укрепить их продольными ребрами, приваренными по кромкам (рис.8.12, б). Эти ребра проектируют непрерывными по всей высоте колонны и при расчете вводят в состав сечения. В колоннах из тонких элементов ребра могут быть замены отгибами.

На фактическую работу сплошных колонн существенное влияние оказывают местные погнутия листов, следствием которых являются более раннее развитие в листах пластических деформаций и потеря ими устойчивости.

В сквозных колоннах очень большое внимание следует уделять конструкции решеток. Недостаточное внимание к их конструкции неоднократно приводило к авариям. При хорошем центрировании и хорошем состоянии решеток фактические критические напряжения сквозных колонн близки к теоретическим (при расчете по приведенной гибкости).

Случайные эксцентриситеты приложения нагрузки имеют существенное влияние, однако они компенсируются тем, что фактическое закрепление колонн обычно более жесткое, чем принимаемое в расчете.