Опирание колонны на фундамент может быть как жестким, так и шарнирным, в зависимости от проектных требований и характеристик конструкции. Жесткое опирание обеспечивает сближение осей колонн и фундамента, что позволяет передавать поперечные и изгибающие моменты, создавая более устойчивую систему. Это подходит для зданий, подверженных значительным нагрузкам или воздействию ветра.
Шарнирное опирание, наоборот, позволяет колонне свободно поворачиваться вокруг опорной точки, что актуально в условиях, где важно ограничить передачу изгибающих моментов на фундамент. Такой подход используется в легких конструкциях или там, где движение основания может привести к значительным деформациям, обеспечивая при этом большую гибкость системы.
Типы, конструкции баз колонн и их расчет
Основание колонны предназначено для равномерного распределения концентрированного давления от стержня по поверхности фундамента и гарантирует фиксацию нижнего конца колонны в соответствии с установленной расчетной схемой.
Существуют два основных вида оснований — шарнирные и жесткие. Шарнирные основания имеют наиболее простую конструкцию. Для колонн, испытывающих значительные центробежные сжатия, может быть использовано основание, состоящее из толстой стальной опорной плиты, на которую опирается обработанный торец стержня (см. рисунок ниже).
Фрезеровка торца для легких колонн не представляется целесообразной, поскольку все усилия могут передаваться на опорную плиту через сварные швы, с помощью которых колонна соединена с плитой. Соединительная траверса (изображение ниже) обеспечивает более равномерное распределение силового потока от колонны к плите. Основная особенность всех шарнирных оснований заключается в том, что анкерные болты (обычно их два) фиксируют основание к фундаменту сразу за опорной плитой.
Жесткие базы центрально-сжатых колонн (рисунок ниже) имеют не менее четырех анкерных болтов, которые крепятся к траверсам. Благодаря этому после затяжки болтов исключается поворот колонны на опоре.
В колоннах с внецентрённым сжатием устанавливают жёсткие основания, способные передавать изгибающие моменты. Для этого траверсы необходимо формировать в направлении, в котором действует момент. При сравнительно малых опорных моментах траверсы изготавливают из листов толщиной 10-12 мм (как показано на рисунке ниже) или из швеллеров.
Типы баз колонн
1 — крепежные винты; 2 — поддерживающие плиты; 3 — балки
Толщину опорной плиты базы определяют расчетом, однако из конструктивных соображений не принимают менее 20 мм.
Часто колонные основания размещают на глубине 500-1000 мм ниже уровня пола сооружения и заливают бетоном для предотвращения коррозии.
Схема базы
1 — основания плиты; 2 — поперечины; 3 — жесткие ребра; 4 — анкеры; 5 — перегородка
Анкерные болты обеспечивают правильное расположение колонны по отношению к основанию. В колоннах, подвергающимся центральному сжатию, они не испытывают нагрузки, поэтому их диаметр выбирается конструктивно в диапазоне от 20 до 36 мм.
При шарнирном опирании анкерные болты крепят непосредственно к опорной плите (рисунок выше), за счет гибкости которой обеспечивается податливость соединения, если возникают случайные моменты. При жестком сопряжении болты (не менее четырех) крепят к стержню колонны посредством специальных столиков или к траверсам (в зданиях с легкими мостовыми кранами) и затягивают их с напряжением, близким к расчетному сопротивлению. Это устраняет возможность поворота стержня колонны на опоре. В данном случае база считается жестко защемленной в фундаменте здания как в плоскости, так и из плоскости рамы.
Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом
Абрашитов, В. С. Расчёт узла сопряжения колонн с фундаментом / В. С. Абрашитов, А. Н. Жуков, Э. Х. Алмаметов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 11 (91). — С. 213-217. — URL: https://moluch.ru/archive/91/19612/ (дата обращения: 27.12.2024).
Одной из основных задач при проектировании стальных рамных каркасов многопролётных зданий является закрепление колонны в фундаменте, обеспечивающее восприятие поперечной и продольной сил, а также изгибающего момента расчетной величины при основном и особом сочетании нагрузок.
В соответствии с расчётной схемой металлического каркаса многопролётного здания имеется в узлах соединения колонны с фундаментом либо шарнирное, либо жёсткое сопряжение (рис.1).
Изображение 1. Соединительный узел колонны и фундамента
При анализе проектной документации нескольких зданий для Пензы и Пензенской области выявлено, что соединение металлической колонны из прокатного двутавра с железобетонным столбчатым фундаментом осуществляется через металлическую базу из плиты базы и четырёх анкерных болтов (рис. 2).
Причём анализируемые проекты имели здания с несколькими пролетами и высотой не менее трёх этажей. Соединения несущих балок с колонной осуществлено по шарнирной схеме. Естественно, что при определении усилий в элементах поперечной рамы необходимо было вводить жёсткое соединение фундамента с колонной в виде жёсткого закрепления, так как в противном случае система становится статически изменяемой (при шарнирном соединении колонн с фундаментом). В рабочей же документации показывается узел соединения колонны с фундаментом через плоскую плиту и четыре анкерных болта.
Рис. 2. Соединение колонн с железобетонным фундаментом
Вместе с тем базы колонн имеют закрепления нижнего конца в фундаменте либо шарнирное, либо жёсткое. Причём если колонны центрально сжаты, то крепления их к фундаментам можно осуществлять непосредственно за опорную плиту болтами, чаще всего двумя и иногда четырьмя, которые условно можно назвать монтажными. При этом такое закрепление называют шарнирным, так как на плиту базы не действует изгибающий момент (М=0). Анкерные болты должны воспринимать изгибающие моменты и работать, как правило, на растяжение, что приводит к тому, что база проектируется с наличием распределительных траверс по схеме на рис.3, то есть жёсткой.
Рис. 3. База с жестким опиранием внецентренно сжатой колонны
Напряжение под плитой базы колонны определяется в зависимости от величины значений N и M по формуле:
,
где В — ширина плиты базы, а L — длина базы.
Значения этих напряжений могут быть разные в виде схем (рис.4):
Рис.4 Графики распределения нагрузки
Анализируя оба варианта эпюр нагружения, можно сказать, что по первому варианту болты не работают на растяжение и их условно можно назвать монтажными, так как они работают на сжатие.
По второму варианту контактная зона плиты с фундаментом не может воспринимать растягивающие напряжения и растягивающие усилия, воспринимаемые анкерными болтами. Сила, которую воспринимают анкерные болты, определяется из условия статического равновесия системы по формуле:
,
где M и N — расчётные усилия для фундаментной плиты; — сила, которую воспринимают анкерные болты; a — расстояние от центра тяжести плиты базы до центра тяжести эпюры сжатых напряжений под плитой базы; y — расстояние от анкерных болтов до центра тяжести эпюры сжатых напряжений.
Если значение продольной силы уменьшается, а значение изгибающего момента возрастает, то сила будет увеличиваться. Согласно рисунку 1, соединение колонны с базовой плитой в технической литературе [1], [2], [3] традиционно рассматривается как шарнирно опёртое. Тем не менее, существует техническое решение в типовой серии 1.423.3–8 вып.2, которое предусматривает проектирование базы колонн без траверс для бескаркасных зданий, зданий с подвесным транспортом и мостовыми кранами общего назначения, грузоподъемность которых составляет до 5 тс. Данная плита базы должна быть спроектирована на изгиб в соответствии со схемой, представленной на рис.5.
Рис.5 Схема грузовой площади при расчёте плиты базы на изгиб от отпора фундамента на плиту
Расчет плиты ведут по следующей методике, описанной в [5]:
Толщину опорной плиты следует определять расчетом на изгиб пластинки по формуле
(1)
где Мmax — максимальное значение изгибающих моментов М, которые действуют на различных участках опорной плиты и вычисляются по следующим формулам:
1) для консольного участка плиты
(2)
2) для участка плиты, опертого на четыре стороны в направлении короткой и длинной сторон соответственно
(3)
3) для области плиты, поддерживаемой с трех сторон
(4)
для участка плиты, опертого на две стороны, сходящиеся под углом, по формуле (4), принимая при этом d1 — диагональ прямоугольника, а размер а1 в таблице Е.2 [5]- расстояние от вершины угла до диагонали. Здесь с — вылет консольного участка плиты;
α1, α2, α3 — коэффициенты, зависящие от условий опирания и отношения размеров сторон участка плиты и принимаемые согласно таблице Е.2 [5]; q — реактивный отпор фундамента под рассматриваемым участком плиты на единицу площади плиты.
При этом площадь стальной опорной плиты должна удовлетворять требованиям расчета на прочность фундамента. Передача расчетного усилия на опорную плиту может осуществляться через фрезерованный торец или через сварные швы конструкции, опирающейся на плиту [5].
В этой связи требуется провести расчет сварного шва, который соединяет плиту основания с массивной колонной, используя для этого следующую формулу:
, (5)
где — момент сопротивления расчётного сечения сварного соединения по металлическому шву.
Данная формула применяется, если значение ; то есть расчёт ведётся по металлу шва, а не по металлу границы сплавления (см. [5]).
Только если толщина плиты и сварные соединения колонны с плитой удовлетворяют вышеуказанным расчётам, можно считать соединение колонн с фундаментом по рисунку 1 условно жёстким и в расчётах опорный узел принимать жёстким. При проверке несущей способности уже изготовленных рам с устройством соединения колонн с фундаментом по типу рис. 1 без траверс нельзя считать соединения жесткими.
1. Стальные конструкции. Под редакцией Н. С. Стрелецкого, Москва, 1961 год.
2. Муханов К. К. Металлические конструкции. М. Строиздат, 1967.
3. Васильев А. А. Металлические конструкции. М. Строиздат, 1975.
4. Металлические конструкции. Справочник проектировщика, Т. 2. Под ред. В. В. Кузнецова, М., 2011.
5. СП. 16. 13330. 2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция.
СНиП II-23–81*. Москва, 2011 год.
Основные термины (генерируются автоматически): плита базы, болт, изгибающий момент, узел соединения колонны, фундамент, баз колонн, опорная плита, продольная сила, соединение колонн, центр тяжести эпюры.
