Типы поперечного сечения колонн

Колонны каркасного сооружения передают вертикальные усилия на фундамент. Они работают в основном от вертикальных нагрузок. Различают сжатые колонны и подвески. В сжатых колоннах — осевое сжатие и внецентренное приложение вертикальной нагрузки, вызывающее дополнительный изгиб. Случайные защемления незначительной жесткости и небольшие эксцентрицитеты обычно вызывают лишь несущественные дополнительные напряжения, которые при проектировании стальных каркасов не учитываются.

Центрально-сжатые колонны рассчитываются на продольный изгиб. Поскольку они могут терять устойчивость в двух направлениях, то расчетным является направление с меньшей жесткостью. Поэтому для колонн более выгодны поперечные сечения, моменты инерции которых одинаковы в отношении обеих осей. Профили, имеющие существенное отличие в моментах инерции, могут быть использованы для колонн только тогда, когда их устойчивость в плоскости меньшего момента инерции обеспечена защемлением в уровне перекрытия или дополнительными закреплениями по высоте.

Стальные колонны проектируют с различными формами поперечных сечений. Благодаря наличию широкого сортамента профилей и возможности применения сталей различной прочности можно подобрать сечение, обеспечивающее необходимую несущую способность колонны. Стальные колонны могут быть сквозного сечения. Такой тип сечения широко применяется в промышленном строительстве благодаря удобству примыкания элементов или в легких колоннах, чтобы повысить их жесткость в нужном направлении путем раздвижки ветвей.

Подвески, которые работают на растяжение, на устойчивость не рассчитываются.

Стальные колонны экономичны по площади сечения, особенно полые колонны, обладающие жесткостью при продольном изгибе. Наименьшие размеры сечения имеют сплошные профили.

1. Для сравнения показаны наружные размеры сечений железобетонных и стальных колонн при расчетной длине 3,5 м под нагрузку 100 и 1000 тс. Стальные колонны имеют коробчатое или сплошное поперечное сечение. В наружных размерах стальных колонн учтена огнезащитная облицовка толщиной 25 мм.

Нагрузки на колонны и одновременно соответствующие поперечные сечения колонн увеличиваются по этажам здания в направлении сверху вниз. Часто бывает желательно иметь одинаковые наружные размеры сечений колонн во всех этажах, при этом применение стандартных ограждающих элементов и облицовки колонн, установка перегородок и примыкание потолков облегчаются. При применении коробчатых и трубчатых профилей это достигается путем изменения толщин стенок и использования нескольких марок стали. Применение профилей сплошного сечения для колонн самых нижних этажей дает возможность иметь наименьшие наружные размеры.

Изменение поперечного сечения колонн

В колоннах из часто употребляемых двутавровых РВ-профилей возможно изменение площади сечения путем применения легкого, нормального и усиленного рядов профилей, а также стали марок St37 и St52. Так как профили усиленного ряда имеют большие наружные размеры, чем те же номера нормального ряда, часто бывает целесообразно комбинировать усиленный ряд соседнего нижнего профиля с легкими и нормальными рядами ближайшего более высокого. В самых нижних этажах колонны могут быть усилены практически без увеличения наружного размера профиля путем приварки к ним листов широкополосной стали.

2. Пример изменения поперечных сечений колонн по высоте здания.

Самая распространенная форма сечения колонн. Она особенно удобна при необходимости крепления к колоннам балок в обоих направления, так как все элементы двутавра доступны для постановки болтов

• 1. IPE — профиль для небольших нагрузок
• 2. IPB — профиль с широкими полками, наиболее хорошо подходит для колонн.

3. Прокатные двутавры, усиленные приваренными к полкам стальными полосами.

4. Сварные двутавры из широкополосной стали для колонн при очень больших нагрузках. Такой профиль при большой толщине листов (до 100 мм) может воспринять практически все возможные нагрузки.

Прямоугольные коробчатые профили

Применяются для колонн при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонны, имеющей ограниченное поперечное сечение. Благодаря ровным наружным плоскостям применяются для необлицованных колонн.

5. Коробчатый профиль, получаемый из IPB путем приварки полос по бокам.

6. Сварной прямоугольный полый профиль. По высоте колонны возможно изменять площадь поперечного сечения путем перемены толщины листов. Минимальная толщина листа 8 мм. Сварка листов может производиться различными способами.

7. Сплошной квадратный профиль, позволяющий делать колонны с наименьшими габаритами сечения, обладает высокой степенью огнестойкости при ограниченной защите и позволяет размещать колонны в перегородках, чем достигается оптимальное использование площади этажа; стоимость обработки незначительна.

8. Два сваренных вместе швеллера. Профиль пригоден лишь в отдельных случаях, так как площадь поперечного сечения можно изменить только приваркой полос внутри.

Крестообразные профили

9. Профиль, образованный из четырех уголков. Благодаря полной симметрии и своеобразной форме поперечного сечения часто применяется из эстетических соображений. Особенно пригоден для колонн, которые размещены на пересечении перегородок и должны быть скрыты в них.

10. Профили по типу рис. 9, но усиленные приваренными между уголками стальными полосами.

11. Профили для тяжелых колонн из двух IРВ или из листовой стали. Такие сечения особенно подходят для колонн при наличии в них изгибающих моментов в обоих направлениях.

Полые прокатные профили

Прямоугольные 12 или квадратные 13 трубы с округленными ребрами имеют очень хороший вид. Использование их для колонн требует принятия особых мер. Площади поперечных сечений профилей, имеющих постоянные наружные размеры, изменяются путем увеличения толщины стенок.

14. Профили круглого полого сечения выгодны с расчетной точки зрения, так как они во всех направлениях имеют одинаковые моменты инерции.

15. Трубы одинакового наружного диаметра могут воспринимать различные по значению усилия благодаря изменению толщины стенки. Использование тонкостенных труб требует принятия особых мер. Цена труб почти в 3 раза выше по сравнению с прокатными двутавровыми профилями. Поэтому, несмотря на незначительную стоимость изготовления трубчатых колонн, они в большинстве случаев оказываются дороже, чем колонны из коробчатых профилей (рис. 6).

Сквозные сечения

Эти типы сечений часто применяются в промышленных сооружениях. Они пригодны и для колонн высотных зданий, если прогоны должны проходить между ветвями колонн или внутри колонн предусмотрена прокладка технического оборудования. Эти колонны имеют габариты поперечного сечения, большие, чем колонны 5 и 6 Отдельные ветви колонн соединены друг с другом с помощью приваренных к ним планок, установленных с определенным шагом, обеспечивающим необходимую жесткость колонны при работе на продольный изгиб.
16. Колонны из двух швеллеров. 17. Тяжелые колонны из двух двутавровых РВ-профилей. 18 Легкие колонны из четырех уголков. Сортамент уголков позволяет изменять площадь сечения колонн в широком диапазоне.

Подвески

Подвески работают только на растяжение, поэтому они могут не иметь развитого сечения, необходимого для сжатых стержней.

19. Круглая сталь, передача усилий через резьбу, наращивание с помощью резьбовой муфты. 20. Листовая сталь. 21. Два швеллера. 22. Закрытый канат из высокопрочной проволоки, передача усилий через напрессованные гильзы.