1
Металлические конструкции. Том 2. Конструкции зданий.
4.6. Конструкции элементов каркаса.
Колонны. Колонны многоэтажного каркасного сооружения являются основными конструктивными элементами каркаса. Они воспринимают и передают на фундамент в основном вертикальные нагрузки, но участвуют также в восприятии моментов от ветровой нагрузки. В пределах этажа участок колонны работает на сжатие, иногда с изгибом в одной или двух плоскостях. По сравнению с продольным усилием вклад изгибающих моментов в напряженное состояние колонны обычно мал, поэтому ее чаще всего рассчитывают на центральное сжатие. Поскольку колонны.
Рис. 4.20. Типы сечений колонн многоэтажных зданий: а - двутавровые; б - замкнутые; в - крестовые; г - полые прокатные; д - сквозные.
могут терять устойчивость в двух направлениях, то расчетным является направление с меньшей жесткостью и, следовательно, для колонн более выгодны поперечные сечения, моменты инерции которых одинаковы относительно обеих осей. Профили, имеющие существенные различия в моментах инерции, могут быть использованы только тогда, когда их устойчивость в плоскости меньшей жесткости обеспечена защемлением в уровне перекрытия или дополнительными закреплениями по высоте. Применяемые типы сечений колонн показаны на рис. 4.20.
Двутавровые профили (рис. 4.20, а ) - самая распространенная форма сечения колонн в многоэтажных зданиях. Она особенно удобна при необходимости крепления к колоннам балок перекрытий в двух направлениях, так как все элементы двутавра доступны для организации опорных узлов. В зависимости от действующих усилий используют как прокатные двутавры с параллельными гранями полок модификации К (колонный), так и сварные двутавры из листовой стали толщиной до 60 мм. Применение колонн двутаврового поперечного сечения позволяет использовать их внутригабаритное пространство для проводки инженерных коммуникаций (рис. 4.21.
Прямоугольные коробчатые профили (рис. 4.20, б ) применяют при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонны, имеющей ограниченное поперечное сечение. Площадь поперечного сечения в этих профилях можно регулировать путем изменения толщины листа. Благодаря ровным наружным плоскостям возможно использование таких колонн без облицовки. При больших нагрузках иногда рационально применять сплошной квадратный.
Рис. 4.21. Примеры расположения инженерных коммуникаций в габаритах сечения колонн: а. б - двутаврового сечения; в - сквозного сечения.
профиль (сляб), который обладает высокой степенью огнестойкости при небольших габаритных размерах. Сечение из двух спаренных швеллеров пригодно только при относительно небольших нагрузках.
Крестообразные профили (рис. 4.20, в ) благодаря полной симметрии поперечного сечения рационально применять для колонн при наличии в них изгибающих моментов в обоих направлениях. Крестовые сечения использованы в каркасе высотной части МГУ, что позволило одинаково решать узлы примыкания ригелей разного направления в плане.
Полые прокатные профили (рис. 4.20, г ). Круглые трубы выгодны с расчетной точки зрения, так как они имеют во всех направлениях одинаковые моменты инерции. Трубы с одинаковыми внешними размерами могут воспринимать различные нагрузки благодаря изменению толщины стенки. Так как стоимость труб в 3. 5 раз выше стоимости листового проката и двутавров, то их применение в большинстве случаев оказывается дороже, чем колонн из коробчатых профилей. Использование полых прокатных профилей может стать эффективным при заполнении их бетоном.
Сквозные колонны в современном строительстве многоэтажных зданий практически не применяют, так как они менее компактны и более трудоемки в изготовлении и монтаже. Однако они могут быть с успехом использованы при строительстве каркаса многоэтажного здания, если предполагается прокладка инженерных коммуникаций между ветвями колонны (рис. 4.21, в.
Толщину листов в составных сечениях принимают обычно не более 60 мм, а отношение габаритов сечения к расчетным длинам h / l x . b / l y не менее 1/15, чему соответствуют гибкости 40. 60 (в зависимости от типа сечения.
Отношение ширины и высоты сечения и его ориентацию в плане следует выбирать с учетом условий работы и компоновки всей конструктивной системы. Например, в обычной рамной системе плоскость наибольшей жесткости двутавровых колонн направляют вдоль узкой стороны здания, в системе с внешней пространственной рамой эту плоскость совмещают с плоскостью рамной грани.
Расчет колонн производят по общим правилам (см. § 6.4 и п. 6.7.7 [1]), при этом коэффициенты расчетной длины для колонн рамных каркасов определяют по формулам табл. П6.1, а для связевых каркасов по формуле.
Стыки колонн решают в зависимости от соотношения между величиной нормального усилия и момента в месте стыка. Если эксцентриситет е = M/N не превышает ядрового расстояния p = W/A . то стык выполняют как для центрально сжатой колонны (см. рис. 6.56, б [1]), как правило, с предварительной фрезеровкой торцов. При этом монтажные уголки устанавливают только на стенке, чтобы не портить внешний вид колонны. Такой стык можно использовать также при небольших эксцентриситетах, превышающих ядровое расстояние, проверив прочность монтажных уголков и их креплений на растягивающее усилие от момента. При больших эксцентриситетах используют стыки с накладками (см. рис. 6.56, в [1]). Применение фланцевых стыков затруднено необходимостью скрывать выступы фланцев в облицовке колонны, в стене или в конструкции пола, но в последнем случае стык оказывается размещенным в непосредственной близости от узла сопряжения ригеля с колонной, т.е. в месте с большим изгибающим моментом.
Базы колонн. В каркасах многоэтажных зданий, как правило, применяют базы для безвыверочного монтажа колонн (рис. 4.22, а ). Плиту базы (обычно из слябов) с фрезерованной или строганной верхней поверхностью устанавливают на фундамент по разбивочным осям, ориентируясь на риски 2 . выверяют с помощью установочных болтов 3 и подливают цементным раствором.
При относительно малых изгибающих моментах, когда анкерные болты 4 не работают или испытывают небольшие растягивающие усилия.
Рис. 4.22. Базы колонн: a - с конструктивными анкерными болтами; б, в - с расчетными анкерными болтами; 1 - плоскость фрезерования; 2 - установочная риска; 3 - установочный болт; 4 - анкерный болт; 5 - шайба; 6 - подливка.
их ставят конструктивно и крепят к колонне через ребро или уголковые коротыши.
Базы колонн с расчетными анкерными болтами (рис. 4.22, б, в ) проектируют в соответствии с указаниями п. 6.8.5 [1.
Балки и ригели. Балки и ригели перекрытий работают преимущественно на изгиб. Продольные силы в ригелях и балках, как правило, незначительны и появляются от горизонтальных нагрузок, передаваемых через балку от наружной стены к диафрагме, стволу жесткости, и от поперечных сил в колоннах, обусловленных начальным переломом или искривлением их оси.
В многоэтажном строительстве наиболее часто применяют балки (рис. 4.23, а ) со сплошной стенкой при пролетах до 12 м и выполняют их из обычных, широкополочных или сварных двутавров. Асимметричные сварные двутавры применяют, как правило, в случае включения железобетонной плиты перекрытия в совместную работу с балкой ? f = 1,0 (сталежелезобетонные балки). Двухстенчатые сварные балки применяют при больших поперечных силах, а также при необходимости увеличения горизонтальной жесткости. При размещении инженерных систем в пределах высоты междуэтажного перекрытия целесообразно применять балки с перфорированной стенкой (см. п.5.9 [1]), которые получают из широкополочных двутавров.
При больших пролетах (более 12 м) и больших нагрузках в качестве ригелей могут быть использованы фермы (рис. 4.23, б ) с поясами из широкополочных двутавров или тавров и безфасоночным примыканием решетки из одиночных или парных уголков.
Рис. 4.23. Типы сечения ригелей и балок перекрытий: а - балочные профили; б - фермы; 1 - усиления балок в сечениях с максимальным изгибающим моментом; 2 - железобетонная плита перекрытия.
комических соображений с учетом эксплуатационных затрат. Обычно отношение высоты сечения балки или фермы h к ее пролету l изменяется в пределах 1/15. 1/4. В особых случаях, когда, например, для обеспечения общей жесткости каркаса используют ригели-перемычки внешней пространственной рамы или ригели - диафрагмы, соотношение h / l изменяется в пределах 1/3 до 1, как в балке-стенке.
Сопряжения ригелей с колоннами. Тип сопряжения зависит от конструктивной схемы каркаса. В связевых системах применяют свободное (шарнирное) прикрепление балок к колоннам, в рамных - жесткое.
Примерами свободного прикрепления являются конструктивные решения, показанные на рис. 4.24, а. в . Аналогичные решения можно применить и для колонн с другими типами сечений. Свободное прикрепление на болтах нормальной точности (рис. 4.24, а ) по сравнению с другими типами проще в изготовлении и монтаже, не требует высокой точности изготовления, обеспечивает достаточную податливость узла и практически свободный поворот балки относительно колонны. Основные усилия для расчета прикрепления - поперечная сила в опорном сечении балки Q и продольная сила N . возникающая в балке при работе связевой системы. В узле возникают лишь небольшие моменты, влияние которых учитывают при расчете болтов повышающим коэффициентом 1,2. 1,3 к силе Q . Вертикальное ребро и швы, прикрепляющие его к колонне, следует рассчитывать на силу Q . момент Qe . силу N.
В схеме рис. 4.24, б условия загружения столика из уголка зависят от его деформаций и являются довольно неопределенными [3]. Для приближенной оценки эксцентриситета е силы Q относительно сечения горизонтальной полки, в котором начинается ее закругление (размер ki от обушка), можно принять распределение контактных напряжений по треугольной эпюре, тогда е = а 0 + 2 с 0 / 3 - k 1 . где размер с 0 должен быть не менее Q / ( t w R y ) - h 1.
Рис. 4.24. Свободное прикрепление балок к колоннам: 1 - ребро; 2 - монтажный столик; 3 - начало закругления в переходе от стенки к полке; 4 - прокладка; 5 - плоскость фрезерования#Sa.
Если e ? 9 Q / (8 l a R y ), то толщину полки находят из условия ее сопротивления изгибу t a.
*