Тема 5. ЦЕНТРАЛЬНО-СТИСНУТІ КОЛОНИ ТА СТІЙКИ

Лекція 12

12.1. Галузі використання центрально-стиснутих колон і стійок

12.2. Типи суцільних і наскрізних колон

12.3. Підбір стержня суцільних колон складеного перерізу

12.1. Галузі використання центрально-стиснутих колон і стійок

Колони, як і балки,— найбільш поширені конструкції. Вони призначені для підтримання елементів робочих майданчиків, перекрить, покрівель, трубопроводів, естакад, шляхопроводів тощо. Навантаженням для колон є опорні реакції конструкцій, що на них спираються. Далі ці зусилля найчастіше передаються на фундаменти або, в окремих випадках, на нижче розміщені конструкції.

Колона складається з трьох елементів:

оголовника — конструктивного елемента, на який безпосередньо передаються опорні реакції конструкцій, що спираються на колону;

бази — елемента, який передає зусилля колони на бетон фундамента;

стержня — основного конструктивного елемента, який передає навантаження з оголовника на базу.

Матеріалом металевих колон найчастіше є сталь. У минулому були поширені чавунні колони. Але маса таких колон велика. Окрім цього, з’єднання чавунних колон з іншими конструкціями складне. Алюмінієві сплави застосовують рідко через високу вартість матеріалу і низьку загальну та місцеву стійкість. За конструкцією колони можуть бути суцільного перерізу та наскрізні.

12.2. Типи суцільних і наскрізних колон

Найдешевшими є колони з прокатних широко-поличкових двотаврів (рис. 12.1, а), ширина перерізу яких наближена до висоти. Звичайні двотаври невигідні, тому що мала ширина перерізу спричинює їх низьку стійкість у площині, паралельній поличкам.

При великих навантаженнях (5000 кН і більше) доцільні складені суцільні перерізи. Найпростіші й економічніші зварні двотаври (рис. 12.1, б), які виготовляють на потокових високомеханізованих та автоматизованих лініях.

Менш економічно вигідними за витратами металу, але простішими у виготовленні (особливо в умовах будівельного майданчика) є колони з прокатних профілів (рис. 12.1, в). Але через обмеженість сортаменту вони мають відносно невелику несучу здатність. З прокатних профілів можуть компонуватися як відкриті, так і замкнені перерізи. Колони замкненого перерізу мають кращий зовнішній вигляд і близьку чи рівну загальну стійкість у всіх напрямках. Але їхні внутрішні поверхні недоступні для огляду і захисту від корозії. Тому при підвищеній агресивності зовнішнього середовища внутрішній об'єм таких колон треба герметизувати, що найпростіше виконати у колонах з труб (рис. 12.1, г), але приєднання до них інших конструкцій є складним.

При великих навантаженнях і малих розрахункових довжинах і розмірах перерізу (наприклад, колони багатоповерхових висотних будівель) застосовують суцільні прямокутні перерізи, набрані з окремих листів, зварених між собою (рис. 12.1, д).

Легкі колони під невеликі навантаження можуть бути виконані з гнутих профілів (рис. 12.1, е).

Стержень наскрізної колони складається з окремих гілок, з’єднаних між собою за допомогою планок чи решіток (рис. 12.2). Використовують такі колони при відносно невеликих навантаженнях (до 5000...6000 кН) і значній висоті, коли вимоги до жорсткості високі. Порівняно з суцільними вони вимагають більших витрат праці на виготовлення.

Прозір між вітками приймають, виходячи з умови стійкості, але не меншим за 100...150 мм, щоб забезпечити вільний доступ до внутрішніх поверхонь для їхнього очищення і нанесення антикорозійних захисних покрить.

Спільна робота окремих гілок перерізу забезпечується решітками чи планками. Схему граток найчастіше приймають трикутною чи трикутною з проміжними стояками. Широко використовують і безрозкісне рішення у вигляді планок. З’єднання з допомогою решіток має більшу жорсткість, але трудомісткіше у виконанні. Безрозкісне з’єднання планками простіше у виготовленні і естетичніше. Воно найчастіше використовується у відносно невеликих колонах із зусиллями до 2000...3000 кН і незначною висотою. Розкісні решітки стають вигіднішими при великих відстанях між вітками колони b ≥ 800...1000 мм (див. рис. 12.2), коли планки дуже громіздкі.

Для підвищення жорсткості колон на скручування від випадкових дій і впливів при виготовленні та під час монтажу і збереження незмінності контуру у наскрізних колонах передбачають діафрагми через 3...4 м по висоті.

12.3. Підбір стержня суцільних колон складеного перерізу

Розрахунок суцільних центрово-стиснутих колон робочих майданчиків передбачає вибір розрахункової схеми, компонування перерізу, розрахунок бази та оголовка.

Вибір розрахункової схеми. Вибір розрахункової схеми передбачає визначення діючого на колону навантаження, встановлення геометричних і розрахункових довжин колони, а також вибір способів закріплення її кінців.

Розрахункове навантаження, що діє на колону, складається із суми опорних реакцій головних балок Q_max. При опиранні на колону двох головних балок (рис.1,а) величина розрахункового навантаження на колону:

Геометрична довжина колони l_c (рис.1,б) приймається рівною відстані від верху фундаменту до верху плити оголовка і залежить від наступних параметрів:

 H - відмітки верху настилу робочого майданчика, що встановлюється за індивідуальним завданням;

– заглиблення бази нижче відмітки чистої підлоги;

- виступаючої вниз частини торцевого опорного ребра головної балки  (для балок з внутрішнім опорним ребром а₁ = 0);

h₀ - будівельної висоти перекриття робочого майданчика, яка залежить від типу сполучення балок настилу з головними балками:

– при поверховому сполученні балок;

– при сполученні балок на одному рівні,

де h  - висота головної балки, м; h₂ - висота балки настилу, м ;  t - товщина настилу, м.

З урахуванням викладеного, геометрична довжина колони,

Розрахункова довжина колони визначається за формулою:

де l_c  – геометрична довжина колони (рис.12.2);

m –  коефіцієнт  зведення довжини стержня.

Розрахунок стержня. Розрахунок стержня колони проводиться в наступному порядку:

1. Задається гнучкість стержня в межах       λ = 60…80.

2. За заданою для стержня колони маркою сталі (для товщин листової сталі t = 20…30 мм) з табл. 51*[3] встановлюється величина розрахункового опору сталі розтягу, стиску, згину за межею текучості R_y, МПа.

3.              З таблиці 72[3]  залежно від прийнятої гнучкості λ та величини розрахункового опору R_y приймають коефіцієнт поздовжнього згину φ.

4. Обчислюють необхідну площу перерізу колони:

,

де N – розрахункове зусилля в колоні; φ – прийнятий  коефіцієнт поздовжнього згину; R_y  – розрахунковий опір сталі колони;            γ_с = 1 – коефіцієнт умов роботи конструкції, який встановлюється за табл.6* [3].

5. Обчислюють необхідний радіус інерції перерізу і, що відповідає заданій гнучкості:

де l_ef  – розрахункова довжина колони; λ – задана гнучкість колони.

6. Обчислюють необхідні габаритні розміри перерізу колони (рис. 12.3):

ширина перерізу

висота перерізу

де – коефіцієнти форми перерізу для симетричного двотавра.

Значення коефіцієнтів α_у1 і α_х1 кожного з видів перерізу змінюються у відносно вузьких межах. Так, для труб . Для інших профілів ці коефіцієнти приймають згідно з довідковою літературою.

7. Знаючи необхідну площу А і габаритні розміри b і h перерізу колони, з врахуванням  сортаменту на листову сталь і умов місцевої стійкості підбирають товщину полиць t_f  і  стінки t_w.

Для підвищення економічності перерізу колони необхідно прагнути до такого розподілу загальної площі перерізу, щоб приблизно 80% її приходилось на полиці, тобто А_f = 0,8А, а залишок 20% – на стінку, тобто А_w = 0,2А.

Після цього визначають:

товщину полиць: ,

товщину стінки : ,

де  b – ширина перерізу колони; h_w – висота стінки; визначається за формулою:

,

де h – висота перерізу колони; t_f – товщина полиці.

Отримані товщини полиці та стінки необхідно заокруглити до величин, що відповідають стандартним величинам універсальної листової сталі. При цьому товщина полиці повинна знаходитись в межах   t_f  = (8…40) мм, а стінки – t_w = (8…14) мм.

8. За прийнятими вище розмірами b, h, h_w, t_f і t_w поперечного перерізу колони обчислюють необхідні геометричні характеристики:

- площа поперечного перерізу:

- моменти інерції відносно головних центральних осей:

,

,

- радіуси інерції перерізу:

9. Обчислюють гнучкості колони

λ_и – гранична гнучкість колони, яка не повинна перевищувати максимальну величину рівну 120.

Гранична гнучкість λ_и  для кожного конкретного випадку визначається наступним чином:

а) по більшій з гнучкостей λ_x1  чи  λ_y1  та розрахунковому опору R_y за табл. 72 [3] встановлюють величину поздовжнього згину φ_min  і обчислюють коефіцієнт , який повинен прийматись не менше 0,5; (тут  N - розрахункове зусилля в колоні; А – площа поперечного перерізу колони; R_y  – розрахунковий опір стиску матеріалу колони; γ_с  = 1 – коефіцієнт умов роботи констркції).

б) знаючи коефіцієнт α, розраховують величину граничної гнучкості колони  λ_и = 180 - 60·α.

Якщо більша з гнучкостей λ_х1       чи λ_у1 буде перевищу-вати граничну, тобто  λ_max > λ_и, то слід збільшити розміри перерізу  колони і повторити розрахунок, добиваючись виконання умови λ_max ≤ λ_и.

10. Перевіряємо підібраний переріз колони на стійкість:

,

де   N – розрахункове зусилля в колоні; φ_min – коефіцієнт поздовжнього згину, прийнятий за з табл.72 [3]; А – площа поперечного перерізу колони; γ_с = 1 – коефіцієнт умов роботи конструкцї, приймається за табл.6 [3].

Перенапруження не допускається, а недонапруження з ціллю економії сталі повинне бути мінімальним (до 5%).

Перевіряємо місцеву стійкість елементів суцільної колони складеного зварного двотавра.

11. При   місцева стійкість буде забезпечена якщо:

- для полички

- для стінки ,

але

де - умовна гнучкість стержня колони, розраховується за формулою  ( тут λ_max - більша з гнучкостей колони λ_x1 чи  λ_y1).

Якщо умови не виконуються, то стінку укріплюють посередині парними поздовжніми ребрами жорсткості, які включаються в розрахунковий переріз колони.

Якщо , то для укріплення контуру перерізу  колони ставлять ще і поперечні ребра жорсткості (рис. 12.2) на відстані (2,5…3)h_w,. Мінімальні розміри ребер жорсткості приймають як у зварних балках складеного  перерізу.

,  у випадку ‹ 0,8 і = 4 у випадку ≥ 4.

Якщо умови не задовільняються, то переріз збільшують. Доцільно збільшувати генеральні розміри перерізу. Порівняно з нарощуванням товщини поличок і стінки при незмінних основних розмірах це сприяє економії металу.

Значні запаси стійкості та міцності свідчать про перевитрати металу і потребу зменшити переріз. Будь-яка зміна перерізу повинна завершуватися перевіркою його міцності та стійкості.

Розміри поясних швів приймають конструктивно найменшими з умови зварюваності. У колоні, яка працює на центральний стиск, усі частини перерізу напружені рівномірно і зусилля зсуву між окремими частинами перерізу відсутні. Невеликі зусилля зсуву з’являються при випадкових ексцентриситетах прикладення осьової сили, деякій непрямолінійності осі колони, незначних поперечних навантаженнях. Саме тому поясні шви і приймають якнайменшими.

Рекомендуються односторонні шви. Лише у місцях приєднання балок, розпірок та інших елементів у зоні передачі зусиль передбачають двосторонні шви, які виступають за контур прикріплюваного елемента на 30 k_f  з обох боків. Не допускається використання односторонніх швів у конструкціях групи І, експлуатованих у середньо- та сильноагресивних середовищах, і тих, що зводяться у кліматичних районах І₁, І₂ , ІІ₂, ІІ₃.