Металлические колонны: конструкции, применение и расчет

Конструкция металлической колонны

Металлические колонны – элементы несущего каркаса промышленного здания, которые служат опорами для покрытия и стеновых ограждающий конструкций. Через колонны нагрузки, воспринимаемые зданием (снеговые, ветровые, крановые), передаются на фундаменты. В нижней части металлическая колонна имеет специальную опорную часть – базу, назначение которой крепление к оголовку фундамента или ростверку посредством анкерных болтов. Верхняя часть колонны называется оголовком. Его функциональное назначение – крепление пролетных конструкций (ферм, балок).

Рис. 1. База металлической колонны

Расчет металлических колонн

С точки зрения строительной механики колонны здания представляют собой стержни конечной жесткости, в которых возникают продольные усилия и изгибающие моменты. Продольные усилия могут иметь внецентренное приложение (эксцентриситет), например, в том случае, если на колонны воспринимают нагрузки от мостовых кранов или кран-балок.

Рис. 2. Расчетная схема колонны

Для того чтобы инженер-конструктор мог рассчитать достаточное сечение колонны, необходимо построить расчетную схему всего здания – упрощенную модель несущих конструкций, определить типы, характер и значения всех нагрузок, действующих на него в процессе эксплуатации. Не смотря на определенные упрощения расчетная схема реального здания довольно сложна, имеет пространственный характер и содержит большое количество элементов, поэтому ее сборка и последующий расчет осуществляются в специализированных конечно-элементных программах типа SCAD и ПК Лира.

После сбора и приложения всех нагрузок, действующих на каркас здания, составляется таблица расчетных сочетаний усилий (РСУ), возникающих в характерных сечениях колонны. В 1-ом расчетном сочетании учитываются усилия от постоянных нагрузок и наиболее неблагоприятной кратковременной нагрузки с коэффициентом сочетания равным 1,0. Во 2-ом расчетном сочетании учитываются все постоянные нагрузки две кратковременные нагрузки с коэффициентами 1,0 и 0,9, соответственно.

Наиболее рациональным сечением сплошной колонны считается двутавр (Н-образная форма). Высоту сечения колонны для зданий высотой 10–20 м обычно принимают не менее 1/15–1/20 высоты колонны. Для полок используется листовая сталь толщиной 8–40 мм, для стенок – 8–16 мм. Сечение колонны должно быть скомпоновано таким образом, чтобы была обеспечена местная устойчивость полок и стенки.

Альтернативой двутавровому сечению колонны является круглое сечение. Металлическая колонна круглого сечения имеет одинаковые моменты инерции во всех горизонтальных направлениях, и применяется в зданиях, где преобладают вертикальные нагрузки.

Как правило, сплошные колонны имеют высоту сечения не более 1000 мм. В том случае, если колонны промышленного здания воспринимают значительные нагрузки, например, от мостовых кранов грузоподъемностью 20 и более тонн, с целью экономии металла проектируют сквозные колонны, состоящие из двух ветвей, соединенные между собой решеткой.

Рис. 3. Двухветвевые колонны.

Изготовление и монтаж колонн

Металлические колонны здания относятся к ответственным конструкциям, изготавливаются в заводских условиях, с обязательным прохождением технического контроля на качество сварных швов и соответствие проектным размерам. Каждое изделие комплектуется паспортом качества. Колонна устанавливается на строительной площадке в собранном виде на заранее подготовленные фундаменты. Для возможности перемещения колонны в процессе установки отверстия под анкерные болты имеют несколько больший диаметр. После окончательной выверки положения колонны производится подливка базы колонны цементным раствором и фиксация анкерными болтами. Фактическое положение колонн после завершения монтажа фиксируется в исполнительной геодезической съемке.

Рис. 4. Схема монтажа колонны.