Металлические конструкции. Том 2. Конструкции зданий

4.6. Конструкции элементов каркаса

Колонны. Колонны многоэтажного каркасного сооружения являются основными конструктивными элементами каркаса. Они воспринимают и передают на фундамент в основном вертикальные нагрузки, но участвуют также в восприятии моментов от ветровой нагрузки. В пределах этажа участок колонны работает на сжатие, иногда с изгибом в одной или двух плоскостях. По сравнению с продольным усилием вклад изгибающих моментов в напряженное состояние колонны обычно мал, поэтому ее чаще всего рассчитывают на центральное сжатие. Поскольку колонны

Рис. 4.20. Типы сечений колонн многоэтажных зданий:
а - двутавровые; б - замкнутые; в - крестовые; г - полые прокатные; д - сквозные

242

могут терять устойчивость в двух направлениях, то расчетным является направление с меньшей жесткостью и, следовательно, для колонн более выгодны поперечные сечения, моменты инерции которых одинаковы относительно обеих осей. Профили, имеющие существенные различия в моментах инерции, могут быть использованы только тогда, когда их устойчивость в плоскости меньшей жесткости обеспечена защемлением в уровне перекрытия или дополнительными закреплениями по высоте. Применяемые типы сечений колонн показаны на рис. 4.20.

Двутавровые профили (рис. 4.20, а) - самая распространенная форма сечения колонн в многоэтажных зданиях. Она особенно удобна при необходимости крепления к колоннам балок перекрытий в двух направлениях, так как все элементы двутавра доступны для организации опорных узлов. В зависимости от действующих усилий используют как прокатные двутавры с параллельными гранями полок модификации К (колонный), так и сварные двутавры из листовой стали толщиной до 60 мм. Применение колонн двутаврового поперечного сечения позволяет использовать их внутригабаритное пространство для проводки инженерных коммуникаций (рис. 4.21).

Прямоугольные коробчатые профили (рис. 4.20, б) применяют при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонны, имеющей ограниченное поперечное сечение. Площадь поперечного сечения в этих профилях можно регулировать путем изменения толщины листа. Благодаря ровным наружным плоскостям возможно использование таких колонн без облицовки. При больших нагрузках иногда рационально применять сплошной квадратный

Рис. 4.21. Примеры расположения инженерных коммуникаций в габаритах сечения колонн:
а , б - двутаврового сечения; в - сквозного сечения

243

профиль (сляб), который обладает высокой степенью огнестойкости при небольших габаритных размерах. Сечение из двух спаренных швеллеров пригодно только при относительно небольших нагрузках.

Крестообразные профили (рис. 4.20, в) благодаря полной симметрии поперечного сечения рационально применять для колонн при наличии в них изгибающих моментов в обоих направлениях. Крестовые сечения использованы в каркасе высотной части МГУ, что позволило одинаково решать узлы примыкания ригелей разного направления в плане.

Полые прокатные профили (рис. 4.20, г). Круглые трубы выгодны с расчетной точки зрения, так как они имеют во всех направлениях одинаковые моменты инерции. Трубы с одинаковыми внешними размерами могут воспринимать различные нагрузки благодаря изменению толщины стенки. Так как стоимость труб в 3...5 раз выше стоимости листового проката и двутавров, то их применение в большинстве случаев оказывается дороже, чем колонн из коробчатых профилей. Использование полых прокатных профилей может стать эффективным при заполнении их бетоном.

Сквозные колонны в современном строительстве многоэтажных зданий практически не применяют, так как они менее компактны и более трудоемки в изготовлении и монтаже. Однако они могут быть с успехом использованы при строительстве каркаса многоэтажного здания, если предполагается прокладка инженерных коммуникаций между ветвями колонны (рис. 4.21, в).

Толщину листов в составных сечениях принимают обычно не более 60 мм, а отношение габаритов сечения к расчетным длинам h/l_x, b/l_y не менее 1/15, чему соответствуют гибкости 40...60 (в зависимости от типа сечения).

Отношение ширины и высоты сечения и его ориентацию в плане следует выбирать с учетом условий работы и компоновки всей конструктивной системы. Например, в обычной рамной системе плоскость наибольшей жесткости двутавровых колонн направляют вдоль узкой стороны здания, в системе с внешней пространственной рамой эту плоскость совмещают с плоскостью рамной грани.

Расчет колонн производят по общим правилам (см. § 6.4 и п. 6.7.7 [1]), при этом коэффициенты расчетной длины для колонн рамных каркасов определяют по формулам табл. П6.1, а для связевых каркасов по формуле

244

Стыки колонн решают в зависимости от соотношения между величиной нормального усилия и момента в месте стыка. Если эксцентриситет е = M/N не превышает ядрового расстояния p = W/A, то стык выполняют как для центрально сжатой колонны (см. рис. 6.56, б [1]), как правило, с предварительной фрезеровкой торцов. При этом монтажные уголки устанавливают только на стенке, чтобы не портить внешний вид колонны. Такой стык можно использовать также при небольших эксцентриситетах, превышающих ядровое расстояние, проверив прочность монтажных уголков и их креплений на растягивающее усилие от момента. При больших эксцентриситетах используют стыки с накладками (см. рис. 6.56, в [1]). Применение фланцевых стыков затруднено необходимостью скрывать выступы фланцев в облицовке колонны, в стене или в конструкции пола, но в последнем случае стык оказывается размещенным в непосредственной близости от узла сопряжения ригеля с колонной, т.е. в месте с большим изгибающим моментом.

Базы колонн. В каркасах многоэтажных зданий, как правило, применяют базы для безвыверочного монтажа колонн (рис. 4.22, а). Плиту базы (обычно из слябов) с фрезерованной или строганной верхней поверхностью устанавливают на фундамент по разбивочным осям, ориентируясь на риски 2, выверяют с помощью установочных болтов 3 и подливают цементным раствором.

При относительно малых изгибающих моментах, когда анкерные болты 4 не работают или испытывают небольшие растягивающие усилия,

Рис. 4.22. Базы колонн:
a - с конструктивными анкерными болтами; б, в - с расчетными анкерными болтами; 1 - плоскость фрезерования; 2 - установочная риска; 3 - установочный болт; 4 - анкерный болт; 5 - шайба; 6 - подливка

245

их ставят конструктивно и крепят к колонне через ребро или уголковые коротыши.

Базы колонн с расчетными анкерными болтами (рис. 4.22, б, в) проектируют в соответствии с указаниями п. 6.8.5 [1].

Балки и ригели. Балки и ригели перекрытий работают преимущественно на изгиб. Продольные силы в ригелях и балках, как правило, незначительны и появляются от горизонтальных нагрузок, передаваемых через балку от наружной стены к диафрагме, стволу жесткости, и от поперечных сил в колоннах, обусловленных начальным переломом или искривлением их оси.

В многоэтажном строительстве наиболее часто применяют балки (рис. 4.23, а) со сплошной стенкой при пролетах до 12 м и выполняют их из обычных, широкополочных или сварных двутавров. Асимметричные сварные двутавры применяют, как правило, в случае включения железобетонной плиты перекрытия в совместную работу с балкой γ_f = 1,0 (сталежелезобетонные балки). Двухстенчатые сварные балки применяют при больших поперечных силах, а также при необходимости увеличения горизонтальной жесткости. При размещении инженерных систем в пределах высоты междуэтажного перекрытия целесообразно применять балки с перфорированной стенкой (см. п.5.9 [1]), которые получают из широкополочных двутавров.

При больших пролетах (более 12 м) и больших нагрузках в качестве ригелей могут быть использованы фермы (рис. 4.23, б) с поясами из широкополочных двутавров или тавров и безфасоночным примыканием решетки из одиночных или парных уголков.

Рис. 4.23. Типы сечения ригелей и балок перекрытий:
а - балочные профили; б - фермы; 1 - усиления балок в сечениях с максимальным изгибающим моментом; 2 - железобетонная плита перекрытия

246

комических соображений с учетом эксплуатационных затрат. Обычно отношение высоты сечения балки или фермы h к ее пролету l изменяется в пределах 1/15...1/4. В особых случаях, когда, например, для обеспечения общей жесткости каркаса используют ригели-перемычки внешней пространственной рамы или ригели - диафрагмы, соотношение h / l изменяется в пределах 1/3 до 1, как в балке-стенке.

Сопряжения ригелей с колоннами. Тип сопряжения зависит от конструктивной схемы каркаса. В связевых системах применяют свободное (шарнирное) прикрепление балок к колоннам, в рамных - жесткое.

Примерами свободного прикрепления являются конструктивные решения, показанные на рис. 4.24, а...в. Аналогичные решения можно применить и для колонн с другими типами сечений. Свободное прикрепление на болтах нормальной точности (рис. 4.24, а) по сравнению с другими типами проще в изготовлении и монтаже, не требует высокой точности изготовления, обеспечивает достаточную податливость узла и практически свободный поворот балки относительно колонны. Основные усилия для расчета прикрепления - поперечная сила в опорном сечении балки Q и продольная сила N, возникающая в балке при работе связевой системы. В узле возникают лишь небольшие моменты, влияние которых учитывают при расчете болтов повышающим коэффициентом 1,2...1,3 к силе Q. Вертикальное ребро и швы, прикрепляющие его к колонне, следует рассчитывать на силу Q, момент Qe, силу N.

В схеме рис. 4.24, б условия загружения столика из уголка зависят от его деформаций и являются довольно неопределенными [3]. Для приближенной оценки эксцентриситета е силы Q относительно сечения горизонтальной полки, в котором начинается ее закругление (размер ki от обушка), можно принять распределение контактных напряжений по треугольной эпюре, тогда е = а₀ + 2с₀ / 3 - k₁, где размер с₀ должен быть не менее Q / (t_wR_y) - h₁.

Рис. 4.24. Свободное прикрепление балок к колоннам:
1 - ребро; 2 - монтажный столик; 3 - начало закругления в переходе от стенки к полке; 4 - прокладка; 5 - плоскость фрезерования#Sa

247

Если e ≥ 9Q / (8l_aR_y), то толщину полки находят из условия ее сопротивления изгибу t_a = √

6Qe

laRy

  , иначе из условия сопротивления срезу _ta =

3Q

2laRs

  , где t_a, l_a - толщина и ширина полки уголка.

При опорных давлениях более 120...150 кН используют варианты столика с подкреплением вертикальным ребром, для которых также принимают треугольную эпюру контактных напряжений. Прикрепление столика к колонне при любом варианте следует проверить на силу Q и момент Q(b - c₀ / 3). Болты, соединяющие стенку балки с колонной через промежуточный уголок или ребро, рассчитывают на продольную силу.

Жесткое прикрепление балок к колонне показано на рис. 4.25. Расчет конструкций узла, выполненного по схеме рис. 4.25, а, не имеет особенностей (см. п. 6.8 [1]). В узле по схеме рис. 4.25, б детали сопряжения с колонной стенки балки рассчитывают на поперечную силу, детали крепления к полкам балки - на силу S = M/h.

Горизонтальные и вертикальные связи. Усилия от ветровой нагрузки, действующей на наружные стены, собираются в плоскостях перекрытий и покрытия и передаются на вертикальные элементы каркаса через жесткие горизонтальные диски, образуемые несущими конструкциями перекрытий.

Вертикальные связевые фермы в связевых и рамно-связевых каркасах могут иметь различные системы решеток (рис. 4.26). Наибольшее распространение получила полураскосная решетка (рис. 4.26, б), так как допускает устройство в связевых панелях дверных и оконных проемов и при этом испытывает незначительные дополнительные усилия сжатия из-за укорочения колонн под нагрузкой. Оси раскосов должны проходить через точки пересечения осей колонн и ригелей. Примыкание с эксцентриситетом связано с возникновением моментов в стержнях решетки. В

Рис. 4.25. Жесткое прикрепление балки к колонне

248

Рис. 4.26. Схемы вертикальных связей:
а - треугольная; б - полураскосная; в - портальная; г - крестовая

Рис. 4.27. Сечения раскосов связевых ферм:
а - тавровое из двух уголков; б - из двух швеллеров; в, г - из замкнутых профилей; д - двутавровое

отдельных случаях при соответствующих требованиях к устройству проемов применяют треугольные (рис. 4.26, а) схемы решетки вертикальных связей. Устройство связей с крестовой решеткой возможно лишь в глухих стеновых панелях. Такая решетка является наиболее жесткой и эффективно работает на горизонтальные нагрузки, изменяющие направление в процессе эксплуатации.

Вертикальные связевые фермы обычно выполняют на всю высоту здания в одних и тех же панелях. Однако в некоторых случаях приходится смещать связи в соседние панели и тогда нижние связи должны заходить на верхние на высоту этажа, т.е. на переходном этаже вертикальные связи должны располагаться в двух смежных панелях.

Поясами вертикальных связевых ферм, как правило, являются колонны, а стойками - балки перекрытий. Раскосы вертикальных связевых ферм обычно проектируют из парных уголков, швеллеров, прямоугольных или круглых труб, а при больших продольных усилиях - из двутавров (рис. 4.27). Так как раскосы связевых ферм участвуют в передаче вертикальных нагрузок, то при расчете раскосов и узлов их прикрепления следует учитывать дополнительные усилия, возникающие от укорочения колонн здания (см. [1], п. 6.6.2). Крепление раскосов в большинстве

249

случаев выполняют на высокопрочных болтах. При расчете узлов можно пользоваться рекомендациями п.6.5 [1].

Литература к гл. 4

1...7. См. основную литературу.

8. Пуховский А.Б., Арефьев В.М., Ламдон С.Е., Лафишев А.З. Многоэтажные высотные здания. - М.: Стройиздат, 1997.

9. Харт Ф., Хенн В., Зонтаг X. Атлас стальных конструкций. Многоэтажные здания. - М.: Стройиздат, 1977.

10. Шуллер В. Конструкции высотных зданий. - М.: Стройиздат, 1979.

11. Савицкий Г.А. Ветровая нагрузка на сооружения. - М.: Стройиздат, 1972.

12. Барнштейн М.Ф. Воздействия ветра на здания и сооружения. / Труды ЦНИИСК, вып. 21. - М.: 1973.

13. Романсиков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991.

250