Стальные колонны

Общие соображения
оголовок
Колонны воспринимают нагрузки от элементов перекрытия и передают их на фундамент.
Три основных элемента колонны – оголовок, стержень и база.
lef – расчётная длина колонны – эквивалентная из условия устойчивости длина шарнирно опёртого стержня той же жёсткости
Конструктивная схема
стержень колонны
база
фундамент
Расчётная схема

Центрально- и внецентренно сжатые колонны
В центрально-сжатых колоннах сжимающее усилие приложено в центре тяжести сечения (или по оси стержня, поскольку ось – это линия, соединяющая центры тяжести сечений).
Во внецентренно сжатых колоннах сжимающее усилие приложено с эксцентриситетом е.
Внецентренное приложение усилия N эквивалентно совместному действию центрально приложенного усилия N и изгибающего момента M = N·e
e – эксцентриситет – расстояние между осью стержня и линией действия силы N
Центральное сжатие
Сечение развивается в плоскости изгиба
Внецентренное сжатие

Колонны сплошного сечения
Сечения открытого профиля:
Сплошные сечения эффективны при нагрузке N ≥ 4000 кН
Крестовое
ix = iy = 0,29 h
Сечения замкнутого профиля:
dср – диаметр средней линии кольца
Кольцевое
ix = iy = 0,35 dср
Из двух швеллеров
Из двух двутавров
Трубчатое
Из двух швеллеров
Двутавровое
ix = 0,43 h
iy = 0,24 b

Колонны сквозного сечения
Колонны сквозного сечения состоят из двух ветвей, соединённых решёткой.
Из-за большого числа коротких швов эти колонны оказываются более трудоёмкими, чем сплошные.
Сквозные сечения эффективны при нагрузке N < 4000 кН
При N < 1500 кН
ix = iy = 0,43 h
Материальная ось
Трубчатое
При N = 1500…2500 кН
ix = 0,38 h
iy = 0,44 b
Собственная ось ветви
Свободная ось
Ветви
Решётка
Сечение из двух двутавров применяется, когда в сортаменте уже нет подходящих швеллеров, способных воспринять действующую нагрузку
При N = 2500…4000 кН
ix = 0,43 h
iy = 0,50 b

Типы решёток сквозных колонн
Решётка из планок лучше выглядит, однако раскосные решётки менее деформативные.
При конструировании решёток желательно обеспечивать оптимальные углы наклона раскосов.
Безраскосная
(из планок) применяется при
N ≤ 2500 кН
Раскосная
треугольная
Раскосная
с распорками
35°
45°
min 150 мм для возможности окраски
max 1000 мм

Диафрагмы жёсткости в сквозных колоннах
Для обеспечения пространственной жёсткости сквозные колонны укрепляют поперечными диафрагмами, которые необходимо устанавливать через каждые 3…4 м длины.
Центрирование уголков в крестовой решётке допускается осуществлять по наружной грани ветви.
диафрагма

Эффективность применения различных типов сечений
Для экономии материала целесообразно соблюдать условие равноустойчивости стержня колонны:
λx = λy , где λx = lx /ix ; λy = ly /iy
λx , λy – гибкости колонны относительно осей x и y; lx, ly – расчётные длины для осей x и y; ix, iy – радиусы инерции сечения.
При выполнении условия равноустойчивости стержень колонны будет оказывать одинаковое сопротивление потере устойчивости в обоих возможных направлениях. Если условие не выполняется, создаются избыточные запасы устойчивости.
Если расчётные длины центрально-сжатой колонны равны (lx = ly), то наиболее эффективным для неё является сечение с наибольшим радиусом инерции (imax), одинаковым по всем направлениям (ix = iy).
Из сплошных сечений указанным требованиям в наибольшей степени отвечает кольцевое сечение.
На втором месте – крестовое сечение.
Двутавровое сечение будет соответствовать условию равноустойчивости, если b = 2h. В обычном двутавровом сечении потеря устойчивости произойдёт относительно оси у. Несмотря на это, сечения из сварных и прокатных широкополочных двутавров находят широкое применение.