Преимущество металлических колонн

Металлические колонны совместно с балками образуют скелет здания. Сегодня сооружения, возведенные на металлическом каркасе, стали наиболее востребованными. Колонны металлические, объединенные при помощи металлических балок, создают очень надежный каркас здания. К этому каркасу примыкают перегородки, которые впоследствии облицовывают утеплителем и иными строительными материалами. На металлические колонны возложена основная силовая нагрузка. Стальные металлические колонны применяются чаще иных благодаря их высоким прочностным характеристикам.

Элементы стальных колонн

Оголовок. Представляет собой верхнюю часть колонны, служащую для восприятия внешней нагрузки и ее передачи на стержень. Для выполнения этой функции оголовки конструируются с учетом опирающихся на них балок или ферм, а также особенностей их крепления. При проектировании выполняются расчеты сечения стержня колонны, толщины опорного листа, длины ребер жесткости и сварных швов.

Стержень. Представляет собой среднюю часть колонны, передающую нагрузку с оголовка на базу. Стержни конструируются с учетом равноустойчивости опоры. Этот принцип подразумевает, что гибкости относительно главных осей сечения должны быть равными. Соблюдение данного требования обеспечивает экономию расхода строительного материала и устойчивость опоры. При изготовлении мощных колонн большого сечения необходима установка поперечных ребер жесткости.

База. Представляет собой нижнюю часть колонны, основной функцией которой является передача нагрузки и ее распределение на фундамент. Она необходима для крепления опоры к основанию. База конструируется с учетом площади и толщины опорного листа, а также типа материала фундамента. Существуют два вида таких элементов: с фрезерованным торцом или траверсой (распределительной конструкцией).

Виды колонн

По типу поперечного сечения

· Прямоугольные. Профиль данных металлических опор выполнен в виде геометрического контура — четырехугольника. Одним из наиболее распространенных вариантов этого типа сечения является квадрат.

· Круглые. Данные металлические опоры имеют сечение в виде круга. Как правило, они изготавливаются из стальных труб.

· Двутавровые. Сечение таких металлических опор, которые называются двутаврами, похоже по форме на букву «Н». Колонны с двутавровым профилем могут иметь как одинаковую длину и ширину сечения, так и различную друг другу.

По методу изготовления

· Сварные. Такие стальные опоры изготавливаются с помощью автоматической сварки. Исходным материалом для их производства являются металлические листы. Они протягиваются и сворачиваются по нужной форме (как правило, в виде двутаврового или прямоугольного профиля) на специальном сварочном стане.

· Прокатные. Данные стальные опоры круглого сечения изготавливаются методом бесшовной горячей обкатки из металлических заготовок. Сначала они подвергаются нагреванию, затем прошивке. После чего на специальном стане производится прокатка заготовок.

Монтаж колонн

Первым этапом монтажа металлического каркаса с использованием колонн (например, двутавров или иного вида) является закладка фундамента. Затем на него устанавливаются строительные опоры, крепящиеся анкерными болтами высокой прочности. На следующем этапе происходит соединение колонн с помощью металлических балок.Затем устанавливаются стропильные фермы и перекрытия. По завершении работ проверяется прочность и качество монтажа каркаса. После этого конструкция с использованием двутавров или иного типа изделий полностью готова к принятию нагрузок и может служить опорой для возведения здания.

15. Металлические арки,рамы

 

Арка — конструкция криволинейного очертания. Определяющий ее при­знак — распор, вызванный несмещаемостью ее опор. Очертание оси арки может быть параболическим, круговым, эллиптическим. Встречаются арки коробовые (многоцентровые), «ползучие» (опоры расположены на разных уровнях), а так­же треугольные распорные системы (рис. 4.1).

24

 

а.)

Б)

В)

 

Рис. 4.1. Очертания осей арок:

А — параболическая; Б — круговая; В -- эллиптическая; Г — коробовая; Д — треугольная; Е —

«ползучаял

Пролеты арок — от 30 до 60 м (в зависимости от материала), а уникальных арочных покрытий -—до 100 м. Они могут использоваться в гражданских, про­мышленных, сельскохозяйственных зданиях и как плоскостные несущие конст­рукции, и в составе пространственных покрытий в качестве диафрагм оболочек.

В зависимости от величины стрелы подъема арки делятся на пологие/™ = (1/8...1/6)/ и подъемистые /= (1/4...1/2)/.

По статической работе различают арки трехшарнирные, двухшарнирные и бесшарнирные (рис. 4.2),

Трехшарнирная арка статически определима, она не чувствительна к смеще­ниям опор и колебаниям температур; удобна в монтаже и перевозке в виде полу­арок. Однако в силу неравномерного распределения изгибающих моментов по своей длине наиболее материалоемка.

Двухшарнирная арка единожды статически неопределима. Распор ее мень­ше, чем у трехшарнирной арки. Отличается более благоприятным распределени­ем изгибающих моментов по своей длине, в силу чего получила наибольшее распространение.

Бесшарнирная арка трижды статически неопределима. Защемление ее в опо­рах способствует более равномерному распределению моментов по длине, бла­годаря чему конструкция отличается легкостью. Однако этот фактор делает ее чувствительной к осадкам опор и температурным воздействиям. Такая арка тре Расчетные схемы арок и эпюры изгибающих моментов:

 А — Трехшарнирная; Б —~~ двухшарнирная; В — бесшарнирная

 

 

 

Бует надежного основания и мощных фундаментов, что не всегда осуществимо по техническим и экономическим причинам,

В конструктивном решении арки бывают сплошного профиля (сплошностен-чатые) иди сквозные (решетчатые). Контуры арок, очерчиваемые их поясами, мо­гут быть сегментными, серповидными или иметь постоянную высоту (рис. 4,3),

Распор в арках воспринимают затяжки, фундаменты или жесткие опорные конструкции (рис. 4.4). Пологие арки, как правило, имеют затяжки. Арки подъе­мистые, устанавливаемые на грунтовом основании, передают распор фундамен­там, контрфорсам. При слабых грунтах или значительных распорных усилиях, во избежание сдвига фундамента, устраивают в плоскости пола или под ним дополнительную затяжку. Чем положе арка, тем больше распор.

При загружении в верхнем поясе арки возникают сжимающие усилия, увели­чивающиеся к опорам, и изгибающие моменты, особенно при одностороннем расположении временной нагрузки. В затяжке действуют растягивающие усилия.

Арка, очертание оси которой совпадает с «кривой давления» (например, па­раболическая), испытывает только сжатие. В противном случае в ней возникают изгибающие моменты.

Пологие арки часто делают круговыми. Отклонение окружности от парабо­лы или цепной линии тем меньше, чем положе арка.

Рис. 4.3. Конструктивные схемы арок:

Рис. 4.4. Основные способы восприятия распора арок: А —-■ Затяжкой; Б — Грунтовым основанием н затяжкой: В — примыкающим сооружением

 

26

 

А, Б. В — сплошного профиля; г. d Е — сквозные

 

Расчет арок

Статический расчет арок ведется на два вида загружен™: равномерно рас­пределенную линейную нагрузку от веса кровли и собственного веса арки (G) По всему пролету, а также линейную нагрузку от снега ($) На половине пролета, как наиболее невыгодную (рис. 4.5), Поскольку опасное сечение расположено на 1/4 длины арки.

Расчет начинается с определения опорных реакций Моп, Fv И F/r Обычно для этой цели пользуются готовыми формулами и таблицами, имеющимися во мно­гих справочниках. Далее вычисляют изгибающие моменты MXJ Продольные Nx И поперечные Qx Силы по длине арки в рассматриваемых сечениях с координатами Ху у По следующим формулам;

Мх - Моп + М/ ~~ F&p, (4.1)

Где Моп — опорный момент в бесшарнирной арке; (в трех - и двухшарнирной

Арке Мш - 0); F)T — распор, определяемый по формуле:

Fh = KMc*/F, (4.2)

Где Мсб — балочный момент в середине пролета;/— стрела подъема арки; К — коэффициент, учитывающий геометрические и физические характеристики арки.

Nx = ~ Qx6 sinq> - Fhco$(p, (4.3)

Где Охб— балочная поперечная сила; <р — угол между касательной к оси арки в рассматриваемом сечении и горизонталью;

Qx = Qx6 cos<p - Fhsin<p. (4.4)

Картину напряженного состояния арки дают эпюры Л/, N И {?, построенные

По всей ее длине.

Приближенные формулы для определения моментов М В середине и четвер­тях пролета приведены в [5] и др.

Рис. 4,5. Схема определения усилий Мх, Nx, Ох В точке А (х, у) Арки

 

? ? г~т~|~т~1Г7~Т! Q

27

 

Рис. 4.6. Схема усилий в элементах сквозной арки

Все усилия от постоянной G И снеговой S Нагрузок представляют в виде соот­ветствующих эпюр, векторы которых суммируют, определяя самое невыгодное их сочетание,

Для конструктивного расчета арок сплошного сечения достаточно знания Л#? N И Q В характерных точках арки (на опорах, в середине и четвертях пролета).

Усилия в элементах сквозных арок с параллельными поясами (рис. 4,6) Опре­деляют через М, N и Quo Формулам: в верхнем поясе

NM=-N/2-M/H, (4.5)

В нижнем поясе

NH.N=-N/2 + M/H4 (4.6)

В раскосе

Np = Q/Cos(P-0, (4.7)

В стойке

Nc*=Q/Cosa, (4.8)

Где An Ft — углы между направлениями элементов решетки и нормалью к оси арки (направлением поперечной силы {?).

Усилия в элементах серповидных арок можно определить графически путем построения диаграммы Максвелла—Кремоны.

Устойчивость арки в плоскости ее изгиба оценивается критической силой

Мсг^ж2 EJ/Le/9 (4,9)

Где Е — модуль упругости материала; J — момент инерции сечения арки в чет­верти пролета; Iej-= FiS — расчетная длина; S — полная длина дуги арки; \I — коэффициент, зависящий от типа арки, ее материала и отношения///.

28

 

Величина Лгсг должна на 20,..30 % превышать продольную силу N В арке, определенную расчетом.

Наличие распора, вызывающего возникновение продольных сжимающих усилий в обоих поясах арки, требует конструктивных мер. предотвращающих потерю устойчивости арки из плоскости изгиба. Это достигается развитием се­чения арки в ширину или более частой расстановкой вертикальных связей.

Металлические арки

Металлические арки могут перекрывать пролеты от 30 до 150 м.

Сплошностенчатые арки при пролетах до 60 м имеют высоту сечения 1/50... 1/80 пролета. Поперечное сечение поясов арок небольших пролетов выполняют обычно из прокатных профилей, а более мощных арок — в виде двутавровых или коробчатых профилей {рис. 4.7 А—в). Ребра жесткости устанавливают на расстояниях, примерно равных высоте сечения арки. Такие арки рассчитывают на

Иногда из функциональных соображений проектируют системы из двух прямолинейных элементов (см. рис. 4,1 д). Высоту их сечения принимают рав­ной 1/15...1/20 пролета. По сравнению с криволинейными арками такие конст­рукции малоэффективны.

Сквозные (решетчатые) арки применяют при пролетах более 60 м. Они про­ектируются преимущественно с параллельными поясами. Высота сечения таких арок составляет 1/30.,Л/60 пролета, поскольку они имеют меньшую жесткость. Пояса арок компонуют из уголков, швеллеров, двутавров, труб. При больших пролетах и усилиях сквозные арки делают пространственными с треугольным или четырехугольным поперечным сечением {рис. 4.7 г—ж). Решетка, выполня­емая из одиночных профилей, — обычно треугольная, часто с дополнительными стойками, уменьшающими длину сжатых панелей.

Сечения сплошных и сквозных арок рекомендуется принимать постоянными по всей длине. Иногда двух - и трехшарнирные арки с целью экономии металла проектируют серповидными или сегментными,

Шаг сплошных арок (вдоль здания) принимают равным 6..Л2 м, а сквоз­ных— 12...24 м. При шаге 6 м покрытие выполняют беспрогонным с укладкой плит на верхний пояс арки. При шаге 12...24 м в качестве прогонов используют решетчатые фермочки, устанавливаемые с шагом 6 м, а по ним укладывают пли­ты покрытия.

 

 

 

Б) -' /S^ ■ В)

 

Рис. 4.8. Примеры узлов металлических трех - и двухшарнирных арок:

А — опорный плиточный шарнир; Б — ключевой шарнир трехшарнирной аркк. плиточный: В — то же, балансирный; 1 — стяжной болт

Наиболее сложны в арках опорные и ключевые шарниры. Опорные шарниры бывают трех типов:плиточные, пятниковые и балансирные. Опорные и ключе­вые шарниры сплошностенчатых и сквозных арок, как правило, однотипны. Примеры конструкций опорного и ключевого узлов арки даны на Рис. 4,8.

 

16.Металлические фермы

Металлическими фермами обычно перекрывают пролеты более 24 м. Иногда они достигают 100 м, но начиная с 60...70 м бывает целесообразнее использовать арки или рамы,

В нашей стране разработаны типовые стальные фермы промзданий пролета­ми 24, 30, 36 м для различных типов кровли (рис. 2, /). Длина панели верхнего пояса таких ферм (проекция на горизонталь) — 3000 мм, при установке шпрен-гелей — 1500 мм. Высота опорной стойки для каждого типа ферм — 3150, 2200 и 450 мм. Максимальная высота отправочной марки — 3850 мм (в соответствии с железнодорожными габаритами). Шаг ферм — 6.,.12 м.

Собственный вес стальных ферм пролетом 24..,42 м при расчетной на­грузке 2,5..3,5 КН/м2 находят по эмпирической формуле:

Gee. = (0,008 ... 0,012)1, КН/м2. (2.1)

Вес алюминиевых ферм примерно в два раза меньше.

Различают три основные компоновочные схемы стропильного покрытия. Беспрогонная схема характеризуется наличием стропильных ферм пролетом /, расположенных с шагом 6..Л2 м, и системы связей между ними. Плиты пере­крытия, преимущественно железобетонные, укладывают непосредственно на верхний пояс фермы. Это наиболее распространенное решение для одноэтажных промзданий.

Прогонная схема применяется в том случае, если для покрытия используют стальной профилированный настил или небольшие асбестоцементные плиты. В качестве прогонов используют швеллеры, а при шаге ферм более 6 м — решет­чатые (сквозные) прогоны, представляющие собой легкие фермы из тонких про­катных профилей и круглой стали.

 

Рис. 2Л. Примеры унифицированных схем стальных ферм промышленных зданий: А — трапециевидная двухскатная; Б — с параллельными поясами под плоскую кровлю; В — Тре­угольная; Г — трапециевидная односкатная; Д — с параллельными поясами под двухскатную кровлю: Е — треугольная под крутую кровлю

13

 

Усложненная схема состоит из подстропильных ферм, на которые опираются пролетные стропильные фермы с уменьшенным шагом, а по ним укладываются прогоны или плиты. При шаге 4 м фермы могут быть перекрыты без прогонов стальным профилированным настилом длиной 12 м. работающим по схеме трех™ пролетной неразрезной балки.

Общую пространственную жесткость покрытия создают фермы, прогоны и система горизонтальных и вертикальных связей между ними (см. рис. 1,4),

Металлические фермы условно делят на легкие и тяжелые. К легким относят фермы пролетами до 50 м и усилиями в поясах, не превышающими 4000 кН. Фермы с большими усилиями и пролетами свыше 50 м считаются тяжелыми.

Легкие фермы имеют одностенчатую решетку с одним рядом узловых фасо-нок или без них и пояса различного сечения (рис. 2.2), В элементах этих ферм используют следующие профили — утолки, швеллеры, тавры, бесшовные трубы (круглые, квадратные, прямоугольные).

Легкие фермы из парных уголков, составленных тавром, принадлежат к наи­более распространенным. Основу их узлов составляют листовые фасонки, заве­денные между уголками. Толщину фасонки назначают в соответствии с усилия™ ми в элементах ферм. Располагая уголки всечении различным образом (напри­мер, крестовое сечение), можно получить различные соотношения величин ра­диусов инерции 1Х И Iy. Рационально скомпонованным сечениемсчитается такое, у которого гибкость по обеим осям примерно одинакова: Я*. = 1?^ЛХ ~ %у = HfyAy Уголки приваривают к фасонкам фланговыми швами. Рассчитанные длины свар­ных швов вдоль обушка и пера элемента решетки позволяют определить грани­цы фасонки.

Фермы из одиночных уголков применяют при небольших нагрузках.

Трубчатые фермы выполняются из круглых горячекатаных и электросварных труб, которые особенно экономичны в сжатых элементах. Наиболее рациональ­ным видом стыкового сопряжения является непосредственное примыкание труб с обваркой по контуру. При невозможности выполнения фигурной резки концы труб сплющивают и приваривают к поясам.

Фермы из гнутых профилей открытого и замкнутого сечений отличаются простотой узлов и меньшим их количеством.

Фермы с поясами из широкополочных двутавров проектируют обычно с па­раллельными поясами в целях типизации элементов решетки

 

Тяжелые фермы используют при пролетах 50..Л 00 м. Решетка таких ферм, как правило, двухстенчатая с двумя рядами фасонок и поясами различного сечения, в

Которых применяется широкополосная сталь И Двутавры (рис. 2.4). Преимуще­ственно используют Н-образные и П-образные сечения, так как они позволяют проектировать сравнительно простые сопряжения стержней в узлах. Тяжелые фер­мы могут быть различного очертания, однако общим для них является наличие треугольных или ромбических решеток со шпренгелями, которые уменьшают рас­четную длину верхнего внецентренно сжатого пояса в плоскости фермы. Для та­ких ферм характерна укрупнительная сборка на монтажной площадке.

 

Примеры узлов тяжелых ферм даны на Рис. 2.6,

 

 

Рис, 2.6. Узлы тяжелых ферм:

А — нижний узел из профилей с двухсторонними фасонками и угловыми швами; Б -— Нижний

Узел трубчатой фермы с присоединением стержней решетки к поясам на болтах через фасонки

При больших пролетах применяют фермы с параллельными поясами и тра­пециевидные с использованием предварительного напряжения (рис, 2.7). Такие фермы внешне мало отличаются от обычных как по геометрии, так и по конст­рукции. Особенность их состоит в наличии системы затяжек из высокопрочных материалов (стальных канатов, проволочных пучков и т. п.), располагаемых так,

 

 

Рис. 2, 1. Варианты размещения напрягающей затяжки:

А — совмещение с нижним поясом; о — вынесение за пределы габарита фермы; /— затяжка

 

Чтобы они создавали в элементах ферм усилия, противоположные по знаку тем, которые вызваны расчетными нагрузками. Использование преднапряжения по™ зволяет уменьшить расход металла на 12,..20 % и, соответственно, снизить сто­имость конструкции.

Элементы металлических ферм подвержены, как правило, действию цент­рально приложенных продольных усилий. При расчете предварительно задают­ся гибкостью поясов К — §§.„б© и решетки К = 120... 100 (соответственные вели­чины коэффициентов продольного изгиба — Ф~ 0,7—0,8 и ф= 0,4..*0,6).

Сечение растянутого элемента фермы выбирают по сортаменту так, чтобы действительное значение плошади А > А„.

Подбор сечений элементов фермы рекомендуется вести в табличной форме.

Габариты узловых фасонок определяют из условия прикрепления стержне™ вых элементов с помощью фланговых сварных швов или высокопрочных болтов с учетом зазоров 45...50 мм между сопрягаемыми элементами. Фасонки должны быть простой прямоугольной формы с целью снижения трудоемкости изготовле­ния. Толшину фасовки во всех узлах фермы обычно принимают постоянной и назначают в соответствии с рекомендациями, данными в справочной литературе. Расчет сварных швов, прикрепляющих стержни к узловой фасонке, производят по усилию в каждом стержне.

Стропильные фермы из алюминиевых сплавов значительно дороже стальных и в практике встречаются редко. Они вдвое легче стальных и могут найти рацио-нальное применение дляпокрытий цехов предприятий химической промышлен­ности, с высокоагрессивной средой и при строительстве в отдаленных и трудно» доступных районах страны.

 

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: