В одноэтажных производственных зданиях применяют колонны трех типов [1]: постоянного сечения, ступенчатые и раздельные (рис.4.1). Стержень колонны или ее части могут бьггь выполнены сплошностенчатым (сплошным) или решетчатым (сквозным). Сквозные колонны более экономичны по расходу стали, но трудоемки в изготовлении. При высоте сечения колонны 1500 мм и более снижение металлоемкости вносит больший вклад в общую стоимость, чем повышение трудозатрат при изготовлении. Однако высокая стоимость стали в настоящее время может сместить границу рационального применения сквозных колонн до размера поперечного сечения с высотой 1200 мм.
Колонны постоянного сечения используют в зданиях бескрановых, с подвесным транспортом и с мостовыми электрическими кранами общего назначения грузоподъемностью б<20т. Колонна состоит из стержня, оголовка, подкрановой консоли и базы.
Общая длина колонны складывается из высоты здания Hq, величины заглубления базы и высоты опорной части фермы (при жестком сопряжении ригеля с колонной). Высота здания Щ от уровня пола до низа стропильных ферм, в свою очередь, состоит из двух размеров:
из отметки головки подкранового рельса, которая определяется технологическими требованиями производственного процесса, и габарита мостового крана. Этот габарит, принимаемый обычно кратным 200 мм, включает в себя: высоту крана (установленное стандартом или заводским паспортом расстояние от головки рельса до крайней верхней точки тележки крана); безопасный зазор 100 мм между краном и стропильными конструкциями; возможный прогиб конструкций покрытия, принимаемый 200 - 400 мм. Размер Hq в соответствии с «Основными положениями по унификации» назначается кратным 1,2 м до высоты 10,8 и кратным 1,8 - при большей высоте. В некоторых случаях допускается при обосновании принимать этот размер кратным 0,6 м.
Высота сечения колонны по условию жесткости должна быть не менее 1/20 высоты здания Hq и увязана с размерами стального проката с учетом унифицированных привязок наружных граней колонн к продольным разбивочным осям здания.
1ЦГ-а
Рис.4.1. Типы колопп а - постояппого сечепия; б - ступенчатая; в - раздельная
Ступенчатые колонны (рис.4.1) являются массовыми для колонн одноэтажных зданий. Подкрановая балка опирается на уступ нижней части колонны и располагается по оси подкрановой ветви. При двухъярусном расположении кранов колонны могут иметь дополнительную консоль в верхней части колонны, либо два уступа (двухступенчатые колонны). В необходимых случаях, оговоренных в «Правилах устройства и безопасной эксплуатапии грузоподъемных кранов», следует предусмотреть проход между краном и внутренней гранью верхней части колонны, либо организовать его через проем в стенке колонны.
Размеры по высоте ступенчатых колонн определяются аналогично колоннам постоянного сечения. Высоту поперечного сечения верхней части из условия жесткости предварительно принимают не менее 1/12 ее длины от верха уступа до низа стропильной фермы. Высоту сечения нижней части колонны из условия жесткости пеха в поперечном направлении назначают не менее 1/20 i?, а в пехах с интенсивной работой кранов (JK- К) - не менее 1/15Н, где Н - расстояние от верха фундамента до низа стропильной фермы.
При назначении высоты сечения нижней части колонны необходимо обеспечить зазор между краном и верхней частью колонны не менее 75 мм. При устройстве прохода следует добавить еще 450 мм (400 мм на габарит прохода и 50 мм на ограждение). Если требуемая по условию жесткости высота поперечного сечения верхней части колонны не позволяет обеспечить проход вне колонны, то его организуют через проем шириной 400 мм и высотой 1800 мм в стенке верхней части колонны, высоту сечения которой в этом случае принимают не менее 1000 мм. Окончательные размеры сечений верхней и нижней частей колонны должны быть увязаны с модулем пролетов кранов 500 мм и привязками наружных граней колонн к координапионным осям здания 250 мм или 500 мм.
Колонны раздельного типа имеют шатровую ветвь и гибко связанную с ней подкрановую ветвь. Шатровая ветвь работает в системе поперечной рамы и воспринимает все нагрузки, кроме вертикального давления мостового крана, поддерживаемого подкрановой ветвью. Подкрановая ветвь связана с шатровой гибкими в вертикальной плоскости горизонтальными планками, поэтому она воспринимает только вертикальное усилие от мостовых кранов. Применение колонн раздельного типа рапионально в случае низкого расположения кранов большой грузоподъемности или при реконструкпии.
4.2. Расчет и конструирование стержня колонны
4.2.1. Общие положения. Высокий уровень напряжений в стальных конструкпи-ях требует выполнения расчета на устойчивость рамы в физически нелинейной постановке. Решение такой задачи возможно численными методами, если известны размеры поперечных сечений и задана опасная комбинапия нагрузок. Понятно, что перебор сочетаний нагрузок при наличии в программе машинного расчета вложенных игерапионных пиклов приведет к затратам огромных вычислительных ресурсов, поэтому в проектной практике используется инженерный метод расчета, основанный на применении аппарата расчетных длин.
Исходя из очевидного утверждения, что рама не может быть устойчивой, если не устойчива колонна, постулируется обратное: устойчивость рамы обеспечена, если обладают устойчивостью ее элементы. При этом предполагается, что граничные условия отдельных элементов соответствуют условиям их работы в системе поперечной рамы. Па основании этого задача проверки рамы на устойчивость сводится к определению расчетных длин ее стоек с последующим обеспечением их устойчивости соответствующим подбором поперечных сечений. С этой пелью из
стойки реальной рамы выделяют участок между точками перегиба изогнутой оси при потере устойчивости (расчетную длину). Для таких участков критические напряжения протабулированы для разных эксцентриситетов (имеются таблицы коэффициентов ф), поэтому не представляет затруднений подобрать поперечное
сечение так, чтобы нормальное напряжение о = у/ было меньше критического Осл =Феу =f{m,l)
Такая инженерная методика проста по своей сути, а ее справедливость подтверждена практикой многолетней эксплуатации конструкций и теоретическими исследованиями на основе указанных выше точных приемов.
4.2.2. Определение расчетных усилий. Очертание эпюр изгибающих моментов в поперечных рамах одноэтажных зданий такое, что опасные напряжения могут действовать только в определенных сечениях колонны. Это место заделки в фундаменте, место передачи крановой нагрузки (в ступенчатых колоннах ниже и выше уступа), место жесткого сопряжения с ригелем в уровне опорного раскоса стропильной фермы. Каждому из этих сечений соответствует своя расчетная комбинация нагрузок, определить которую можно последовательным перебором всех реально возможных сочетаний нагрузок. Для этого статический расчет рамы производится отдельно на каждый вид загружения одной нагрузкой или группой совместно действующих нагрузок.
Имея данные статического расчета, последовательно в каждом сечении вначале определяют такую комбинацию нагрузок, которая дает наибольший положительный изгибающий момент М и соответствующую этой комбинации нормальную силу N. При этом анализируют все возможные варианты загружений с отвечающими им коэффициентами сочетаний нагрузок [3]. Затем вычисляют наибольший по величине отрицательный момент М, при соответствующей нормальной силе. И, наконец, - наибольшую нормальную силу N при соответствующих (положительном и отрицательном) изгибающих моментах.
Для дальнейшего расчета колонны или ее участка постоянных размеров рассматривают все относящиеся к нему сечения. Из множества пар значений М к N выбираются наиболее опасные, одну из которых принимают для подбора сечения колонны, а на остальные делают проверку назначенного сечения. При расчете сквозных колонн опасную пару можно установить путем предварительного вычисления усилия в наиболее загруженной ветви: N = N11 + Mjh, где h - расстояние между осями ветвей.
При машинном расчете алгоритм выбора расчетных сочетаний нагрузок задается в виде графа. Геометрически такой граф представляет собой совокупность дуг, соединенных между собой в вершинах графа. Каждая дуга обозначает отдельное загружение или его отсутствие (нулевая дуга). Последовательность дуг (цепь) от начальной точки до конечной определяет одну возможную комбинацию нагрузок. Если две или несколько нагрузок не могут действовать одновременно - они должны быть представлены параллельными дугами.
Па рис.4.2й показан граф для простейшего случая однопролетного здания, оборудованного одним мостовым краном. Формально этот граф следовало дополнить цепями, определяющими сочетание постоянной нагрузки с одной кратковременной при коэффициенте сочетаний \/2=1, однако подобные комбинации обычно предусматривают в программе для ЭВМ и дополнительно не оговаривают.
Если в здании возможна работа двух мостовых кранов, то следует рассматривать комбинации с одним мостовым краном при \/2 = 0,9 и с двумя кранами с коэффициентом сочетаний, соответствующим группе режима работы, например \/2 = 0,85.
