Прямолинейные элементы - колонны и подвески
|
Статическое загружение, расположение. Для колонн и подвесок признано, что преобладающей нагрузкой является нормальная сила, иногда изгибающие моменты, вызванные или локальными воздействиями, или наличием эксцентриситетов. Размеры сечений этих элементов определяются действующей нормальной силой, которая зависит от расположения колонн (площади загружения), числа опирающихся этажей, нагрузок от перекрытий и стен и т.п. Если колонны являются еще и частью подсистемы, воспринимающей горизонтальные нагрузки, то и воздействия от этих нагрузок учитываются при подборе сечений. Колонной считается вертикальный стержень, испытывающий осевое сжатие, расчетная длина которого равна, как правило, высоте этажа. Минимальные размеры сечений колонн для стали подбираются из условия гибкости, которая не должна быть более 120, а для железобетона минимальный размер сечения принимается равным 20 см. Подвески растянуты, поэтому проблема продольного изгиба исключается. Однако подвески, несущие несколько этажей, не должны иметь гибкость более 250. Формирование наружных колонн или подвесок зависит от их местоположения относительно фасадной стены. Колонна, или подвеска, может быть расположена перед наружной стеной, в пределах нее или внутри здания (рис. 7.1).  Расположение конструкций перед наружной стеной может быть продиктовано требованиями: архитектурными, планировочными (увеличение свободных площадей перекрытия), более простым конструированием и выполнением наружных стен, перегородок, более простым расположением инженерных коммуникаций возле стен, упрощением противопожарной защиты конструкций и т.п. С другой стороны, для колонн и подвесок, расположенных перед наружной стеной, возникает проблема их конструирования и облицовки, так как они воспринимают большой перепад температуры по сравнению с внутренним объемом здания, в частности может возникнуть мостик холода в месте соединения их с конструкциями перекрытия. Расположение колонн в плоскости наружной стены применяется в основном в массивных конструкциях, когда колонны соединены с кладкой. При расположении около наружной стены с ее внутренней стороны упрощается конструкция наружной стены, отсутствуют мостики холода и большие перепады температур, однако в этом случае могут возникнуть осложнения с конструкциями перегородок и размещением коммуникаций. При расположении внутри здания (конструкции перекрытий консольно выступают) достигается выравнивание изгибающих моментов в конструкции перекрытий, они не оказывают влияния на конструктивное решение наружных стен, отсутствуют мостики холода. Типы и размеры колонн и подвесок принимают исходя из статических требований, однако для зданий с высокими требованиями к внутреннему оборудованию на их выбор размеров колонн большое влияние оказывают дополнительные конструкции (рис. 7.2). Колонны. С точки зрения материала колонн во внимание могут быть приняты железобетон и сталь, их соотношение в сечении обычно выражается процентом армирования. На рис. 7.3 показан переход от железобетонных колонн к стальным. Поперечное сечение стальных колонн имеет разнообразную форму, как показано на рис. 7.4. При проектировании прежде всего стремятся применить прокатные профили, например трубы круглого и квадратного сечений, широкополочные профили (в других странах имеется широкий сортамент этих профилей, в Чехии пока что прокатывают только профиль ГРВ 200), двутавровые профили I или IРЕ, для сечений с большими нагрузками и при требовании к ним минимальных размеров можно применить сплошностенчатые и даже сплошные круглые или квадратные профили. Кроме того, существует большая группа сплошных сечений, составленных из прокатных профилей. Особую группу, часто применяемую, образуют сварные профили открытого или замкнутого сечения. Сварной двутавровый Т-профиль самый простой с точки зрения производства и монтажа; затем применяются профили замкнутые, в производстве которых требуется большой объем сварочных работ и необходимость обеспечения прямолинейности составных частей сечения (возможна винтообразность вследствие сварки).  Иногда колонны из-за планировки (например, размещение их в разделительных перегородках), изготовления или архитектурных требований имеют несимметричное сечение (например, продолговатое, трапециевидное, двухветвевое и т.п.). Иногда проектируют колонны сквозные (например, при их обетонировании). В высотных зданиях стараются, чтобы наружные размеры сечения колонн были постоянными или на всех этажах, или хотя бы в их большинстве, и чтобы их изменение не оказывало влияния на примыкающие горизонтальные и другие конструкции, планировочное решение и на дополнительные конструкции. Конструктивно общий размер сварных сечений можно выдержать за счет изменения толщины стенок и поясов профиля или в нижних, наиболее нагруженных этажах применять сталь более высокой прочности. Для прокатных двутавровых профилей это выполнить труднее, и только прокатные широкополочные, так называемые колонные двутавровые Г-профили, при одинаковых общих размерах имеют разную площадь сечения. С точки зрения изготовления конструкций выгодно применять прокатные профили и изменение сечений решать различными усилениями или применением материала другого качества (рис. 7.5). В этом случае лучше выдерживается геометрия колонн, применяется меньше сварки для соединения элементов сечения, что уменьшает деформации сечения, возникающие от сварки. При недостаточности несущей способности прокатного профиля с усилением применяют другой профиль.  Подходящим для колонн является круглый трубчатый профиль, на который существует большой сортамент, его антикоррозионная, декоративная и противопожарная защита выполняются простейшими способами. Изменение сечений достигается за счет различных диам, толщин стенок и качества материала. В случае необходимости увеличение несущей способности достигается заполнением труб бетоном. По этим причинам все чаще для колонн применяют трубы. Требования постоянных наружных размеров сечений более категоричны при обетонировании колонн, так как это диктуется производственными требованиями к стандартной опалубке. В этом случае несущую способность колонн без изменения размеров сечения можно регулировать за счет изменения процента армирования, марки стали и бетона. Стальные колонны, как правило, стыкуются через два, иногда через три этажа; место стыка часто используют для изменения сечения. Стык колонн проектируется с фрезерованными торцами; это означает, что основная часть нормальной силы передается через торец. Однако нужно обратить внимание, что такой стык подобен шарниру и его применение может быть в некоторых случаях невыгодно, например при неравномерной осадке, сейсмических воздействиях и т.п. Стык нужно выполнять именно в таком месте, где сечение только сжато и нет продольного изгиба. Стыки проектируются болтовыми или сварными (рис. 7.6). Как для замкнутых, так и для открытых сечений возможно выполнить стык с помощью фланцев. Фланцы надо располагать таким образом, чтобы они не выступали в помещение и не препятствовали установке дополнительных конструкций. Это достигается расположением их, например, в уровне плиты перекрытия, пола. Болтовое соединение, решенное с помощью накладок, применяется более редко, так как оно более трудоемко при изготовлении, а при разных сечениях элементов в стыке сопряжено и с конструктивными трудностями. Для сварных стыков необходимо запроектировать монтажные приспособления, которые давали бы возможность быстрого освобождения монтажных механизмов. Для сложных сечений или при изменении сечения наиболее простым стыком является стык с применением толстого опорного листа. Если через колонну проходят неразрезные главные балки или ригель рамы, тогда с конструктивной точки зрения самым простым может быть стык колонн с одновременным изменением сечения колонны.  Подвески, т.е. элементы,испытывающие растяжение, должны изготовляться только из стали. He логично применять растянутый железобетон, так как в этом случае растянутый бетон не выполняет функцию защиты поверхности арматуры, а также противопожарной защиты. Наиболее эффективно применять бетон как средство защиты стальных подвесок; наносить его следует тогда, когда в подвесках уже действует большая часть растягивающих сил. Для подвесок теоретически возможно применение предварительно напряженного железобетона, но при этом возникли бы конструктивные и производственные трудности. При выборе сечений подвесок решающими являются следующие условия: - статические — изменение осевых сил, минимальная гибкость, упругое удлинение от нагрузки; - конструктивные - изменение сечений, способы стыковых соединений, опирание конструкций перекрытий, закрепление подвески к верхнему жесткому диску, при этом требуется принять во внимание противопожарную защиту и антикоррозионную защиту поверхностей; - монтажные - важное значение имеет последовательность монтажа, не будет ли подвеска в стадии монтажа испытывать продольный изгиб, как будут соединяться в блоки отдельные элементы и и т.п. Применение стали более высокой прочности приводит к увеличению гибкости сечения (необходимо выдержать допустимую гибкость) и увеличению упругих продольных деформаций. Нижние этажи необходимо монтировать с некоторым превышением отметок перекрытий (это значит изготавливать более короткие подвески) из-за удлинения подвесок с увеличением нагрузки. На рис. 7.7 приведены некоторые типы сечений подвесок. Чаще всего применяется полосовая сталь, которая дает возможность легко изменять сечение (число пластин, размеры сечения, качество материала), решать стыки и относительно легко выполнять присоединение горизонтальных конструкций. В верхних этажах, т.е. в месте действия наибольших осевых сил, подвеска может быть выполнена из трех пластин, в местах действия меньших осевых сил подвеска может быть выполнена из двух или одной пластины. Из условия обеспечения минимальной жесткости считается эффективным усиление сечения перпендикулярной узкой полосой в направлении наименьшего радиуса инерции, а именно в наиболее благоприятном месте с конструктивной точки зрения (с одного края, в середине, с двух сторон). Эти полосы обеспечивают только жесткость элемента, это значит, что они располагаются на тех участках, где должны обеспечить жесткость подвески, и не выполняются в зонах стыков и присоединений конструкций перекрытий. На конструктивное решение подвесок имеет большое влияние их положение относительно наружной стены. На рис. 7.8 приведены некоторые конструктивные решения стыков подвесок и присоединения к ним конструкций перекрытия. |
