Лекция 4, 5
4.1.Типы колонн и область их применения.
4.2. Основы конструирования и расчета сплошных колонн.
4.3.Основы конструирования и расчета сквозных колонн.
4.1. Типы колонн и область их применения.
Сборные железобетонные колонны одноэтажных промышленных зданий по назначению можно разделить на:
1. колоны для зданий без кранов;
2. колонны для зданий, оборудованных мостовыми или другими кранами, для которых необходимы подкрановые пути, опирающиеся на колонны (колонны для зданий с мостовыми электрическими кранами массового применения, колонны для зданий с ручными мостовыми кранами и др.).
По расположению в здании колонны делят на
Колонны крайних рядов (их же используют в рядах, примыкающих к продольным температурным швам);
Колонны средних рядов, имеющих обыкновенно среднюю вертикальную ось симметрии.
К крайним колоннам с наружной стороны примыкают стеновые ограждения.
Крайние колонны подразделяются на:
Основные (воспринимающие нагрузки от навесных панелей, кранов, конструкций покрытий);
Фахверковые (служащие для крепления стен);
Связевые колонны (соединены стальными вертикальными связями для восприятия горизонтальных сил).
Фахверковые колонны устанавливают в торцах здания и между основными колоннами у продольных стен при шаге основных колонн 12 м и 6-ти метровых стеновых панелях.
По конструкции колонныбывают
Постоянного и переменного сечения по высоте (ступенчатые колонны);
Сплошные (прямоугольного или двутаврового сечения);
Сквозные (двухветвенные), которые могут быть безраскосными и раскосными (раскосные колонны применяют для электростанций до Н = 50 м);
Пустотелые (прямоугольного и круглого сечения).
По виду материала:
Из тяжелого бетона (более В 20);
Из легкого бетона (применяют реже, в основном в районах, где мало мелкого заполнителя, например, Дальний Восток).
По способу армирования:
Без предварительного напряжения;
С предварительным напряжением (для гибкихдлинных элементов из условия транспортировки).
Для зданий без мостовых кранов применяют в основном сплошные колонны прямоугольного сечения размерами 300×300 ÷ 400×800 мм (рис. 4.1).
Колонны двутаврового сечения (рис. 4.2) экономичнее прямоугольного сечения, но более трудоемки в изготовлении.
Кольцевые колонны из центрифугированного бетона (рис. 4.3) обеспечивают снижение расхода стали и бетона до 30%. Это объясняется рациональной формой поперечного сечения колонн и повышением прочности бетона в среднем в 1,5 раза вследствие уплотнения бетонной смеси центробежными силами. Способ центрифугирования дает возможность механизировать и автоматизировать технологический процесс изготовления колонн, что является дополнительным достоинством таких изделий.
Рис. 4.1. Колонны для зданий без мостовых кранов
Рис. 4.2. Колонны двутаврового сечения
Рис. 4.3. Колонны кольцевого сечения
Колонны швеллерного сечения (П-образного сечения) также дают возможность наиболее полно использовать свойства высокопрочного бетона и арматуры (рис. 4.4). Опыты показывают, что использование высокопрочных бетонов в сочетании с ненапрягаемой высокопрочной арматурой приводит к экономии бетона и стали до 30%.
Рис. 4.4. Колонны швеллерного сечения
Для зданий с мостовыми кранами применяют сплошные и двухветвенные (сквозные) колонны с консолями (рис. 4.5). Размеры поперечного сечения колонн в надкрановой части назначают из условия размещения кранового оборудования.
Рис. 4.5. Колонны для одноэтажных зданий с мостовыми кранами
а – сплошные прямоугольного сечения; б – сквозные двухветвенные
Для сплошных колонн высота сечения составляет: для крайних – 380, 500 мм; для средних – 600 мм. Для подкрановой части сплошных колонн высота сечения увеличивается соответственно до 600 и 800 мм. Ширина сечения колонн 400 и 500 мм (большие размеры соответствуют шагу колонн 12 м).
Подкрановая часть двухветвенных колонн состоит из двух стоек-ветвей, соединенных между собой поперечными распорками. Расстояние между осями распорок принимают s = (8¸10)×h, гдеh = 250 или 300 мм – высота сечения ветви.Для средних колонн высота всего сечения h 1 = 1400¸ 2400 мм, для крайних колонн – h 1 = 1000 ¸ 1900 мм. Ширина сечения колонны b = (1/25¸1/30)×H . Поперечное сечение надкрановой части колонн прямоугольное размером 500×600 мм.
Распорки размещают так, чтобы размер от уровня пола до низа первой надземной распорки составлял не менее 1,8 м и обеспечивал удобный проход между ветвями (рис. 4.5, б).
Соединение двухветвенной колонны с фундаментом осуществляется в одном общем стакане (рис. 4.6, а) или же в двух отдельных стаканах (рис. 4.6, б), что уменьшает объем укладываемого при монтаже бетона.
Рис. 4.6. Конструкции соединения двухветвенной колонны с фундаментом
а – с одним общим стаканом; б – с двумя отдельными стаканами; в – при устройстве шпонок; 1 – бетон замоноличивания; 2 – колонна
Глубину заделки колонны в стакане фундамента принимают равной большему из двух размеров:
или 
Кроме того, глубина заделки колонны должна быть проверена из условий достаточной анкеровки продольной рабочей арматуры.
Если в одной из ветвей колонны возникает растягивающие усилие, соединение колонны с бетоном замоноличивания выполняют на шпонках (рис. 4.6, в).
Центрифугированные колонны с консолями изготавливают сборно-монолитными. Они состоят из верхнего и нижнего (или двух нижних) стволов, соединенных между собой консолью из монолитного бетона классов В 25 ÷ В 40.
Колонны всех типов армируют сварными каркасами, продольные стержни которых из стали класса А-III (А400) диаметром не менее 16 мм, а поперечные - из стали классовА-I (А240) и Bp-I (Вр 500). При применении высокопрочных бетонов классов В 45 ÷ В 60 целесообразно колонны армировать ненапрягаемой арматурой класса А-IV (А600). Это позволяет уменьшить расход металла на 20 ÷ 40%, а бетона до 20%.
Опытами установлено, что гибкие колонны целесообразно изготавливать с напрягаемой арматурой классов А-IV (А600), А-V (А800). Предварительное напряжение повышает жесткость и трещиностойкость колонн и улучшает условия транспортирования длинных колонн. Кроме того, оно позволяет уменьшить поперечное армирование и механизировать арматурные работы. Поэтому по сравнению с колоннами из обычного железобетона расход стали в таких колоннах снижается до 40%.
Продольная арматура в сечениях сплошных конструкций может расставляться симметрично, когда М 1 ≈ М 2 или отношение большего момента к меньшему не более 20%; несимметрично – когда М 1 >> М 2 . Рациональным армированием в большинстве случаев является симметричное армирование.
Расстояние между осями продольных стержней, устанавливаемых по сторонам поперечного сечения колонны, не должно превышать 400 мм. Если у большей стороны сечения колонны по расчету продольная арматура не требуется, то в таком случае необходимо установить конструктивные стержни диаметром 12 мм с таким расчетом, чтобы расстояние между продольными стержнями этой стороны не превышало 400 мм.
Рекомендуется в поперечном сечении колонны устанавливать меньшее из возможных число продольных стержней за счет увеличения их диаметра. Рекомендуемое и минимально допустимое количество продольных стержней для установки в поперечном сечении колонны приведено в табл. 4.1.
Таблица 4.1.
Если высота сечения не превышает 500 мм и у этой стороны расположено не более четырех стержней, то допускается не ставить поперечных стержней или шпилек.
Рис. 4.7. Армирование колонн сварными каркасами
1 – плоские сварные каркасы; 2 – соединительные стержни (шпильки); 3 – плоская сварная арматурная сетка; 4 – продольные стержни
Шаг поперечных стержней должен быть не более 500 мм и не более величин, указанных в табл. 4.2.
Чтобы провести строительный процесс частного или многоэтажного дома, не обойтись без применения железобетона. Что такое железобетон? Бетон – это строительный материал, который обладает невысоким показателем прочности. Этот показатель может варьироваться в зависимости от способа изготовления бетона, а также марки, которая была использована для производства. Но, так или иначе, использовать бетон все еще небезопасно за счет высокого уровня хрупкости. Именно поэтому его дополнительно армируют. Для данной цели чаще всего применяется сталь или другой тип металла. Желательно, чтобы он не поддавался образованию коррозии на поверхности. На основе железобетона могут изготовляться плиты перекрытия, а также жби колонны , которые незаменимы в частном или многоэтажном домостроении. Обратите внимание, что обращаться нужно только к профессиональным компаниям по производству. Только в таком случае строительство будет безопасным. Рассмотрим основные особенности и преимущества использования железобетонных колонн, какими техническими характеристиками они обладают.
Применение железобетона обширное за счет большого количества положительных сторон эксплуатации. Главное преимущество – это высокий уровень жесткости и стойкости к различным нагрузкам. Современные железобетонные колонны способны выдержать большой вес плит перекрытий. Также к преимуществам таких колонн можно отнести такие факторы:
Но также стоит отметить некоторые негативные стороны применения: большой вес колонн (транспортировать их очень тяжело, устанавливать колонны также), теплопроводность довольно высокая. Но, как правило, высокий показатель колонн не сильно влияют на проживание в доме.
Колонны в системе каркаса воспринимают вертикальные и горизонтальные постоянные и временные нагрузки. Для массового индустриального строительства разработаны типовые конструкции сборных железобетонных колонн для зданий с опорными мостовыми кранами и для бескрановых зданий.
Железобетонные колонны для зданий с мостовыми кранами имеют консоли для опирания подкрановых балок. Для бескрановых зданий применяют колонны без консолей.
По расположению в системе здания колонны делят на крайние (расположенные у наружных продольных стен), средние и торцовые (расположенные у наружных поперечных (торцовых) стен).
Для бескрановых зданий высотой от 3 до 14.4 м разработаны колонны постоянного сечения (рис. 7). Размеры сечения колонн зависят от нагрузки и длины колонн, их шага и расположения (в крайних или средних рядах) и могут быть квадратными (300х300, 400х400 мм) или прямоугольными (от 500х400 до 800х400 мм). В фундаменты их заглубляют на 750 - 850 мм.
Рис. 7. Типы железобетонных колонн для бескрановых зданий
Для зданий с опорными мостовыми кранами легкого, среднего и тяжелого режимов работы и грузоподъемностью до 300кН разработаны колонны переменного сечения высотой от 8.4 до 14.4 м (рис.8), а для зданий с кранами грузоподъемностью до 500кН – двухветвевые колонны высотой от 10.8 до 18 м (рис.9).
Размеры колонн переменного сечения в подкрановой части составляют от 400х600 до 400х900 мм, в надкрановой – 400х280 и 400х600 мм. Колонны двухветвевые имеют размеры в подкрановой части 500х1400 и 500х1900, а отдельных ветвей – 500х200 и 500х300 мм.
Рис. 8. Типы сплошных железобетонных колонн для зданий с
мостовыми опорными кранами
Рис. 9. Типы двухветвевых железобетонных колонн для зданий
с мостовыми опорными кранами
В зданиях с тремя и более кранами в пролете для безопасности персонала, обслуживающего краны и подкрановые пути, предусматривают сквозные проходные галереи вдоль подкрановых путей в уровне верха подкрановых балок размером 0.4х2.2 м (рис.10).
Рис. 10. Двухветвевые железобетонные колонны
с проходами в уровне крановых путей
В железобетонных колоннах имеются стальные закладные элементы для крепления стропильных конструкций, подкрановых балок, стеновых панелей (в крайних колоннах) и вертикальных связей (в связевых колоннах). В местах опирания стропильных конструкций и подкрановых балок через стальные листы пропущены анкерные болты.
В зданиях с подстропильными конструкциями длину колонн принимают на 600 мм меньше (см рис. 8,9,10).
Помимо основных колонн в зданиях предусматривают фахверковые колонны, устанавливаемые в торцах зданий и между основными колоннами крайних продольных рядов при шаге 12 м и длине стеновых панелей 6 м. Предназначены они для восприятия ветровых усилий и массы стен.
Фахверковые колонны шарнирно крепят к фундаменту сваркой закладных деталей колонны и опорного листа, установленного поверху фундамента строго по осям (узел 2, рис.11). Колонны фахверка крепят к конструкциям покрытия с помощью листового шарнира (узел 1, рис.11). Такое соединение обеспечивает передачу ветровых нагрузок на каркас здания и устраняет вертикальные воздействия покрытия на колонны фахверка.
Унифицированные железобетонные колонны для торцового фахверка двух типов (I и II) применяются в случаях, приведенных в таблице 1. В остальных случаях применяют стальные колонны фахверков. Конструкции колонн приведены на рис. 11.
Таблица 1
Колонны типа I имеют постоянное поперечное сечение по высоте (h = 300 мм), что позволяет размещать их верхнюю часть в зазоре между торцовой стеной и пристенной балкой покрытия и крепить их к верхнему поясу балки с помощью листового шарнира (узел 1, рис. 11).
Колонны типа II имеют переменное сечение по высоте (Н в и Н н, рис. 11) . Верхняя часть колонны (Н в) имеет такое же сечение, как и колонны типа I (h=300мм) и крепится к верхнему поясу стропильной балки аналогично колоннам типа I (узел 1, рис.11).
Огромное количество людей при упоминании такого слова, как «колонна», сразу вспоминают античные, декоративные памятники архитектуры и здания с широкими резными колоннами, поддерживающими перекрытие. Но помимо таких архитектурных объектов, выполняющих декоративную функцию, существуют и железобетонные колонны промышленных зданий, которые выполняют опорную функцию для поддержания каркаса здания.
Колонны, изготовленные из армированного бетонного раствора, переставляют собой вертикальные изделия, обладающие относительно небольшими габаритами формы поперечного сечения, если сравнивать с их высотой или длиной.
Такие строительные элементы применяются в основном для создания каркасов связевого или рамного типа, а также их используют в качестве опор, распределяющих нагрузку, для иных строительных элементов:
ЖБИ колонны — это изделия обладающие следующим набором свойств:
Инструкция по выбору той или иной конструкции предусматривает ориентир на соответствие следующим параметрам:
Основной и самой важной технической характеристикой ЖБИ опор является именно несущая способность. Чем выше показатели данного параметра, тем ниже колонна располагается в здании. Изделия с наивысшей несущей способностью могут использоваться в сооружение нижних этажей или подвальных помещений.
Для многоэтажных зданий обычно используются колонны, конструкция которых наделена несколькими консольными выступами, предусмотренными на высоте в 2,5 и 3 метра. Отметки такого типа являются обозначением конца этажа, потому что именно на них фиксируются балки перекрытия для обустройства следующего уровня. Таким образом и формируется каркас высотных строений.
Колонны, которые используются для возведения зданий в один этаж, являются более высокими и не предусматривают наличие выступов. Такие опоры могут использоваться для строительства промышленных или сельскохозяйственных помещений.
К ЖБИ изделиям такого типа относятся с большой степенью ответственности и предъявляют строжайшие требования. Элементы данного типа изготавливаются в полном соответствии с стандартизованной документацией. Над ними производят огромное количество различных проверок и испытаний на прочность, надежность, жесткость и способность противостоять растрескиванию.
Все основные требования и стандарты для ЖБИ опор содержатся в следующих документах:
Обратите внимание! В данных ГОСТах сваям-колоннам присваивается такое обозначение «СК.40.2.5-1». Данное обозначение говорит о том, что длина подобных элементов составляет 0,4 м, а ширина их составляет 0,2 м.
Цена на такие изделия относится к разряду достаточно высоких и поэтому важно следить чтобы, потраченные средства были оправданы. По параметрам долговечности и прочности колоны из армированного бетона не имеют аналогов среди всего ассортимента ЖБИ изделий. Именно такие характеристики обуславливают то, что колонны становятся теми изделиями, вокруг которых и строится здание.
К выбору материала для изготовления таких несущих конструкций подходят с особой тщательность, ведь именно от него зависят основные показатели готового изделия. Современные элементы, изготавливаются с применением растворов марки от М300 до М600 с укрепленным каркасом, выполняемым с помощью жестких стержней и проволоки. Арматура из стали может быть напряженной или ненапряженной.
Именно такое стальное упрочнение позволит колонне обладать необходимым уровнем прочности, долговечностью и способностью претерпевать колоссальные нагрузки от плит перекрытия.
Монтаж железобетонных колонн своими руками производится в специализированные стаканы или в монолитные фундаменты. Колонные фундаменты — это изделия, выполняемые также из армированного бетона. Такие элементы обладают просто огромным запасом прочности, что позволяет им надежно удерживать изделия данного типа, исключая перемещение и наклон.
На фото — фундамент под установку
Существует несколько видов классификаций таких ЖБИ конструкций по различным признакам и особенностям готового элемента.
По виду такие конструкции делятся всего на две основные группы:
Обратите внимание! Изделие такого типа состоит из надкрановой части, на которую как раз и опирается перекрытие, и подкрановой части, которая служит опорой для балки и воспринимает нагрузку от перекрытия.
Унифицированные размеры железобетонных колонн с консолями также разделяются в зависимости от типа поперечного сечения:
Согласно типу поперечного сечения конструкции могут быть:
Согласно методу, с помощью которого изготавливается, опорная конструкция может быть:
В зависимости от положения колонны в создаваемой железобетонной конструкции каркаса строящегося здания изделия делятся на:
Фасадные элементы обладают увеличенной консолью, которая и обеспечивать возможность опоры на нее фасадных покрытий. Имеющиеся в данной консоли отверстия предназначаются для проведения коммуникационных стояков.
Также существуют фасадные изделия с длинными консолями для обустройства балконов и лоджий.
Такие параметры, как длина, наличие закладных элементов, сечение, и несущие способности колонны определяются методом расчета на этапе проектирования конструкции. В огромном количестве случаев используются именно сборные ЖБИ изделия, которые обладают длинной, равной двум этажам сооружаемого строения.
Первое, с чем необходимо определиться с помощью расчета, это площадь сечения изделия из бетона, которая позволит сохранить равномерность сжатия. Данная величина определяется по следующей формуле:
A = F / Rb, где:
Пример расчет железобетонной колонны:
F= 50 тонн. обладающий прочностью на сжатие в 200 кгс/см2.
А =50000/200 = 250 см2
Сторона квадрата сечения будет равна:
А=√250= 16 см.
После того как площадь сечения известна, следует расчет с учетом коэффициентов, обозначающих условия работы, точность монтажа и иные условия, которые способны повысить размеры сечения. Также следует учитывать внецентренное сжатие с учетом случайного эксцентриситета и гибкость создаваемой конструкции, которая увеличивается пропорционально высоте изделия.
Расчеты эти могут быть настолько громоздкими и сложными, что их производство зачастую сопряжено с высокой вероятностью допущения ошибок. Да и при нынешних возможностях современной вычислительной техники, производить подобные расчеты вручную просто нецелесообразно. Ну а если определить площадь сечения колонны необходимо в, так сказать, полевых условиях тогда вам, конечно, придется считать вручную.
В любом случае расчет должен учитывать не только собственную прочность колонны, но и возможность ее взаимодействия с фундаментом и перекрытиями строения. Поэтому расчетное сечение следует увеличить хотя бы из конструктивного взгляда на усиление конструкции.
Перед тем как приобретать колонны для сооружения здания или помещений промышленного или сельскохозяйственного типа следует найти производителя, у которого можно по приемлемой цене приобрести продукцию хорошего качества.
Для того чтобы заказать и приобрести опорную ЖБИ конструкцию необходимо будет предоставить следующие данные:
Колонны – чрезвычайно важное, прочное и надежное изделие для сооружения заданий. Выбирая такие опоры, следует ориентироваться на данные, которые указывает ГОСТ на железобетонные колонны для промышленных зданий, сельскохозяйственных, одноэтажных и многоэтажных. Помимо данных нормативных документов, следует также опираться на расчет внецентренно сжатой железобетонной колонны, который непременно должен присутствовать в проекте.
Ну а монтаж ЖБИ опоры не составит никакого труда, главное, чтобы изделие обладало всеми заявленными характеристиками, ведь именно от них зависит прочность и надежность строения. А видео в этой статье поведает вам еще больше о таком важном для строительства элементе, как колонны из армированного бетона.
Железобетонные колонны – не просто элемент декорирования, это очень важная часть практически любого здания. Их задача – брать на себя большую часть нагрузки от любых горизонтальных элементов конструкции (пример: перекрытия, лестничные клетки , балконы).
С их помощью осуществляется монтаж навесных перекрытий, лестничных клеток, длинных прогонов горизонтальных элементов здания и т.д. И вообще, можно смело говорить о том, что любое строительство многоэтажных, одноэтажных и промышленных зданий без колонн не возможно.
Монтаж опорных колонн своими руками производится после заливки специальных стаканов или монолитных фундаментов с пазами под опорные элементы. Бетонирование специальных стаканов позволяет произвести надежное крепление колонны, гарантирующее ее устойчивость и отсутствие малейших кренов.
Как мы уже говорили ранее, колонны могут применяться в разных формах строительства (пример: монтаж многоэтажных или одноэтажных зданий) и выполнять разные функции (пример: усиление всего здания или навесного перекрытия). Поэтому и классификации готовых изделий будут разными, беря в расчет те или иных параметров.
По внешнему виду опорные элементы делятся на консольные и бесконсольные.
Монтаж и усиление конструкций при помощи мостовых кранов с применением консольных колонн. Их можно подразделить на:
Стандарты ГОСТ прописывают конкретные размеры обоих типов опорных конструкций:
Усиление и монтаж зданий, производимый без использования мостовых кранов предусматривает применение бесконсольных колонн.
По типу поперечного сечения колонны бывают:
При выборе поперечного сечения в расчет берутся нагрузочные характеристики и назначение. На пример, в виде декоративных опор для навесных перекрытий чаще используют изделия с круглым сечением.
Стандарты ГОСТ допускают несколько способов производства конструкций, осуществляющих усиление зданий:
Как уже говорилось ранее, колонны могут выполнять разные функции, например, опора, усиление или декорация. По функциональной нагрузке и месту положения колонны бывают:
Декоративные колонны имеют презентабельный внешний вид и практически не несут нагрузки. Однако, декоративные функции могут быть возложены на фасадные колонны, служащие опорами для балконов или лоджий.
Монтаж и усиление перекрытий производится при помощи колонн среднего и крайнего ряда. Разница лишь в том, крепление какого количества плит предусматривает опора. Например, крайние колонны имеют один выступ для крепления балок перекрытий своими руками, а средние – два.
Бетонирование колонн своими руками на строительной площадке обойдется дешевле. Но если вы не профессионал и строите не одноэтажное здание – рисковать жизнью всех домочадцев не стоит.
Что же касается промышленного строительства, усиление зданий или монтаж сборных конструкций предпочитают производить с помощью готовых опорных изделий.
При приобретении готовых колонн в расчет берется следующее:
