Загальні принципи проектування

Колони – це вертикальні елементи, які підтримують розташовані вище конструкції та передають навантаження від них на фундаменти.

У колонах можна виділити три основні частини, які різняться за конструктивним рішенням і функціональним призначенням (рис. 3.1, а): оголовок, на який безпосередньо обпираються розташовані вище конструкції; базу (башмак) – нижню частину, яка забезпечує передачу зусилля на фундаменти і закріплення колони відповідно до розрахункової схеми; стрижень – основний конструктивний елемент, який передає зусилля від оголовка до бази. Центрально-стиснуті стрижні входять також до складу елементів ферм (рис. 3.1, б), вантових систем (розпірки) тощо.

У центрально-стиснутих колонах конструктивне рішення оголовка повинно забезпечити передачу навантаження або по центру ваги перерізу стрижня, або симетрично відносно нього. Цього досягають застосуванням торцевих опорних ребер у розрізних балках (рис. 3.1, а) або центруючої підкладки в нерозрізних (рис. 3.1, в). При внутрішніх опорних ребрах у розрізних і нерозрізних балках або при обпиранні балок збоку на колону (рис.3.1, г) остання вважається центрально-стиснутою в тому разі, коли реакції балок і будуть рівні. В останньому випадку за різних прольотів балок, що примикають до колони, або різниці тимчасових навантажень на балки колона зазнає позацентрового стиску.

Суцільні колони

Суцільними називають колони, стрижень яких утворений з одного чи кількох прокатних профілів або листів, безпосередньо з’єднаних за допомогою зварювання чи болтами. При цьому головні осі перерізу обов’язково перетинають його складові і тому звуться матеріальними.

Типи перерізів, які використовують у суцільних колонах, можуть бути розподілені на дві групи – відкриті та закриті. Найбільш поширені типи перерізів і приблизні радіуси інерції наведені на рис. 3.2.

Серед відкритих найбільшого поширення набули двотаврові перерізи, що пояснюється високою технологічністю виготовлення таких колон і простотою утворення вузлів примикання конструкцій, що обпираються на колону (рис. 3.2, а, б). Спеціально для використання в центрально-стиснутих колонах призначені прокатні двотаври типу К (ГОСТ 26020 – 83), в яких висота приблизно дорівнює ширині полиці . Проте основним типом перерізу для колон є зварний двотавр з трьох листів, який дозволяє отримати економічний за витратами сталі переріз необхідної площі.

За великих навантажень для збільшення площі перерізу, а також забезпечення місцевої стійкості елементів використовують складені перерізи із застосуванням гнутих або прокатних профілів (рис. 3.2, в), хрестові перерізи з листів (рис. 3.2, г).

Стрижні замкненого перерізу (рис. 3.2, д - ж), як правило, виявляються економічнішими за витратами сталі порівняно з відкритими. Це пояснюється більш раціональним розташуванням матеріалу відносно центра ваги, більш сприятливими умовами забезпечення стійкості складових перерізу (усі вони мають закріплення з обох боків), а також тим, що радіуси інерції перерізу відносно головних осей більші за значенням від мінімальних радіусів інерції відкритих перерізів. У той же час дещо ускладнюються вузли обпирання конструкцій, що примикають до таких колон, особливо при трубчастих перерізах, необхідність герметизації внутрішніх порожнин таких колон потребує додаткових витрат.

Для центрально-стиснутих колон досягнення граничного стану у переважній більшості випадків відповідає втраті загальної стійкості. Несучу здатність (за стійкістю) центрально-стиснутих стрижнів перевіряють за формулою

. (3.1)

Для практичних розрахунків в додатках наведена табл. Д.1.10 зі значеннями коефіцієнта стійкості j залежно від l і R_y.

Очевидно, що найбільш раціональною з точки зору витрат сталі є колона, площа перерізу якої є найменшою за можливого максимального значення коефіцієнта стійкості . Враховуючи, що коефіцієнт обернено залежить від гнучкості стрижня () і збільшується з ростом моменту інерції перерізу , доцільно розміщувати матеріал якомога далі від його центра ваги. Це в свою чергу вимагає використовувати тонкостінні складові елементи перерізу , однакз обов’язковим забезпеченням вимог їхньої місцевої стійкості.

Одним з принципів компонування оптимальних перерізів є принцип рівностійкості стрижня. Перевірка стійкості повинна бути виконана відносно кожної з двох головних осей перерізу та і, зрозуміло, доцільно забезпечити рівність коефіцієнтів і , тобто Ця умова може бути задоволена за рахунок рівності радіусів інерції перерізу (), якщо розрахункові довжини стрижня в обох площинах дорівнюють одна одній (), або регулюванням розрахункових довжин за допомогою спеціальних в’язей (елементів, що розкріплюють стрижень у відповідній площині, скорочуючи вільну довжину) при (рис. 3.3).

Розрахункові довжини визначаються за формулою

, (3.2)

де – геометрична довжина стрижня; – коефіцієнт розрахункової довжини у відповідній площині, значення якого залежить від умов закріплення кінців стрижня і характеру навантаження. Для колон сталого по довжині перерізу з чітко визначеними умовами закріплення кінців коефіцієнт приймають за даними табл. 3.1.

Гнучкість центрально-стиснутих стрижнів відносно кожної з головних осей перерізу не повинна перевищувати граничного значення , встановленого нормами проектування [1] залежно від призначення колон: