Максимальная нагрузка на стальную колонну. Несущие металлические колонны

Стальные колонны промышленных зданий: конструкции, преимущества, монтаж

Завод металлоконструкций «ПТОМЕТ» производит металлические конструкции для строительства гражданских и промышленных зданий по собственным проектам и по чертежам заказчика. У нас вы можете заказать стальные колонны из металлопроката с равномерно и неравномерно распределённой нагрузкой. Опытные мастера произведут все сложные расчеты для вас! Звоните.

Применение стальных колонн при возведении промышленных зданий и сооружений имеет ряд преимуществ. Сокращаются общие сроки строительства, увеличивается несущая способность, снижается чувствительность каркаса от вибраций и напряжений изгиба, часто возникающих при работе оборудования.

Конструкция и разновидности стальных колонн

Металлическая колонна включает в себя:

Стержень, который является её основной несущей частью.
Оголовок, на который опираются балки металлических колонн и иных конструкций, предусмотренных схемой каркаса здания.
Башмак – основу колонны, при помощи которого все металлические колонны здания прикрепляются к фундаменту.

Различают стальные колонны из металлопроката с равномерно и неравномерно распределённой нагрузкой. Чаще встречаются внецентренно сжатые колонны, которые входят в систему поперечных рам каркаса. В зависимости от условий эксплуатации здания применяют стальные колонны постоянного или переменного сечения. Первые используют только для зданий с мостовыми кранами или кран-балками малой грузоподъёмности, а вторые в остальных случаях. В стержнях пристенных стальных колонн дополнительно различают внутреннюю подкрановую часть, которая воспринимает все нагрузки от мостового крана, и наружную шатровую, которая необходима для соединения изделия с прочими элементами каркаса.

Для цехов особо большой высоты – до 18 м – используют конструкцию металлических колонн раздельного типа, когда шатровая колонна соединяется с крановой стойкой посредством горизонтальной планки. Количество ветвей стальных колонн определяется их расположением по проекту промышленного здания: одноветвевая колонна всегда является колонной крайнего ряда, а двухветвевая металлическая колонна – колонной среднего ряда. Торцевые части каркаса образуются металлическими колоннами фахверка.

Стальные колонны промышленных зданий

Преимущества металлических колонн

Поскольку для изготовления стальных колонн применяются прочные марки строительных сталей, то главным эксплуатационным преимуществом таких конструкций является возможность их применения для пролётов большой ширины и при высоких удельных нагрузках. Выбор стали для изготовления металлической колонны определяется внешними климатическими условиями (колебаниями значений температур и относительной влажности в течение года), характером нагрузки – спокойная или с вибрациями, а также способом соединения – сваркой или болтами. Для стальных колонн, работающих в особо тяжёлых условиях, применяют стали марок 09Г2С или 12ГС по ГОСТ 27772. Для менее тяжёлых условий эксплуатации используют стали Ст.3Гпс или Ст. 3Гсп по ГОСТ 380. В остальных ситуациях допустимо использование колонн, изготовленных из сталей типа Ст.3.

Преимущества металлических колонн, в сравнении с железобетонными:

Значительно меньшая материалоёмкость;
Вариативность в способах соединения со смежными строительными элементами;
Возможность рационального перераспределения возникающих нагрузок вследствие применения тавровых и широкополочных двутавровых профилей проката.

Последовательность монтажа колоны из металлопроката

Установку металлических колонн выполняют в следующей последовательности:

К железобетонному фундаменту через опорную плиту анкерными болтами крепят башмак колонны.
Используя сварку, башмак обвязывают стальными траверсами.
Устанавливают стержень колонны.
К оголовку присоединяют подкрановые ветви, и места соединений обваривают стальными уголками и швеллерами.
После окончательного выравнивания по лазерному отвесу оси колонны (в обеих плоскостях) соединяют изделие с каркасом здания при помощи диафрагм жёсткости.

Отправить свой отзыв

Средний рейтинг: 2 отзывов

Feb 4, 2017

отРыков Роман

Колонны

Хорошая работа.Установили всё за довольно быстрое время, завтра ещё нужно будет кое-какие детали доделать, но это по моей личной просьбе, чтобы наверняка, установить ещё пару крепежей, так потребовало начальство. Будем сотрудничать дальше

Aug 22, 2016

отСаша

Колонны

Сотрудничаем с птомет уже почти год. Нравится то, что на данном предприятии можно приобрести огромнейшее количество запчастей самого разного выбора. Часто покупаем Траверсы и Заземляющие проводники. Отдельно хочется сказать о качестве продукции МеталлЭнерго Северо-Запад. Всегда продукция поставляется в соответствии с заказом и с чертежами. Есть все необходимые сертификаты. И вообще, за два года сотрудничества с данным предприятием у нас ни одного раза не было поставки с браком. Все тщательно проверяется. Сотрудники в компании мне нравятся. Всегда вовремя предоставят все документы, согласуют все данные об отгрузке. Нравится и то, что всегда вовремя доставляют наши заказы, что особенно касается траверс. Ведь мы не можем допустить срывов сроков и данная компания еще ни одного раза нас не подвела со сроками. Четко соблюдают наш договор поставки и выполняют все пункты. По стоимости продукции - стоимость нормальная и полностью соответствует качеству продукции. Проблем не возникает и продолжаем взаимовыгодное сотрудничество с данным предприятием. Рекомендую всем к сотрудничеству. Порядочность и качественность работы гарантировано.

ptomet.ru

Расчет фундамента под металлическую колонну, стальную: сбор нагрузок

Изображение металлической колонны на обустроенном фундаменте

Несмотря на огромную популярность каркасных ленточных или монолитных фундаментов, в некоторых случаях они не могут использоваться из-за особенностей почвы, нагрузок на единицу площади конструкции, особенностей самого здания. Как правило, колонные фундаменты часто строятся для промышленных предприятий тяжелой энергетики, машиностроения и для военных нужд.

Такие бескаркасные фундаменты выдерживают огромные нагрузки, но расчет делается всегда каждой колонны отдельно, ведь тут проводится полный сбор всех допустимых нагрузок со стороны самого здания, почвы и климатических условий в регионе строительства.

Какие бывают колонны?

Эскиз обустройства фундамента под металлической колонной

Железобетонные. Они отличаются прочностью, производятся в промышленных условиях, поэтому соответствуют всем нормам качества, а также марке бетона. Внутри таких колонн уже предусмотрено несущее армирование, но колонны такого типа тяжелые и для их монтажа приходится использовать мощную строительную технику.

Металлические. Они более легкие, чем железобетонные, но при этом тут используются совсем иные методы монтажа. К тому же, при расчете нужно однозначно определиться изначально, какой тип колонны лучше использовать.

Какие данные нужно собрать для правильного расчета фундамента под колонны?

Схема соединения металлической колонны с арматурой фундамента

Расчет колонного фундамента провести довольно сложно, ведь тут проводится сбор сразу многих факторов. Понятно, что самостоятельно такие сложные вычисления сделать практически невозможно, нужно специальное образование и навыки. Поэтому, перед началом расчета колонного фундамента, нужно получить следующие данные:

особенности климатических условий в регионе строительной площадки, тип и мощность ветров, а также периодичность ливней;
создать подробную геодезическую карту, причем лучше делать скважинный анализ с целью получить данные о структуре почвы, толщине мягких и прочных пород. Также нужно получить данные о залегании грунтовых вод, их сезонном движении;
масса самого здания. Чем она больше, тем и колонны должны быть мощнее. Понятно, что для железобетонных колонн используются фундаменты стаканного типа, а для металлических – совсем другие;

тип колонны, ее несущие характеристики, степень растяжения и сжатия при воздействии повышенных и пониженных температур;
тип бетона, его марка, состав и эксплуатационные характеристики;
структура будущего сооружения, материал несущих стен и перекрытий, высота сооружения.

Раньше расчет колонного основания делали на глаз, используя стандартные показатели допустимых нагрузок. Например, стандартная глубина погружения подушки составляла до 200 мм, а верхняя ее часть выступала из грунта на высоту до 50 мм.

Такие колонны не способны выдерживать подвижки почвы, ведь подушка быстро вымывалась и основание разрушалось. Теперь в расчете четко указывается максимально допустимая глубина погружения подушки, она должна быть ниже глубины промерзания почвы, где нагрузок уже практически нет.

Как делается расчет колонного фундамента

Монолитный столбчатый фундамент под металлическую колонну

Как правило, расчет фундамента для металлической колонны подразумевает, способен ли грунт выдержать расчетную нагрузку фундамента, с которой он будет воздействовать на квадратном сантиметре площади, и сбор всех данных о будущем строительстве. Фактически, нужно получить полную информацию о здании, грунтах и грунтовых водах, провести сбор и систематизацию полученных данных и уже на их основании передать строителям готовый проект. Для этого нужно:

получить от архитектора проект будущего здания, спецификацию строительных материалов и коммуникаций;
рассчитать полную площадь опоры;
сделать сбор всех параметров, систематизировать их и получить фактическое расчетное давление здания в целом.

Как узнать нагрузку, которая будет создавать само здание? Для этого нужно получить подробные данные о самом здании, сделать сбор массы и характеристик всех материалов, которые могут использоваться при его возведении, а также проектируемых коммуникаций, будущей мебели, количества снега на крыше. Такой расчет состоит из нескольких частей:

Расчет перекрытий зданий и стальных колонн. Сначала нужно узнать массу самой металлической колонны, ведь она также, хоть и незначительно, создает давление на грунт. Для этого требуется посчитать объем конструкции. Делается это по геометрической формуле вычисления объема цилиндра. Так получится объем, который затем умножается на плотность металла для получения массы стальной колонны.
Затем нужно узнать массу перекрытий. Как правило, это фабричные изделия и каждый производитель уже указывает их массу. Поэтому, достаточно связаться с поставщиками.
Бывают случаи, когда на металлические колонны устанавливается ростверковая конструкция. Ее массу также не проблема рассчитать, ведь для этого достаточно знать, какое количество бетона или готовых бетонных конструкций пойдет на строительство ростверка.
Расчет массы стен. Тут многое зависит от материала, ведь кирпич весит меньше, чем бетон, но больше, чем пеноблоки. Соответственно, стоит провести сбор данных обо всех строительных материалах, используемых при строительстве здания.
Расчет крыши. Сюда входит спецификация материалов, из которых сделано чердачное помещение, а также спецификация всех материалов крыши, вплоть до внешнего покрытия. При проектировании сооружения архитектор предоставляет подробную спецификацию, поэтому посчитать суммарную массу конструкций не составит труда.

После суммирования всех полученных данных будет вычислена цифра, которая характеризует максимально допустимую нагрузку на опоры фундамента.

Чтобы узнать, какая сила давит на единицу площади опоры, нужно знать ее габаритные размеры. Если стальной столб имеет квадратное сечение 50 х 50 см, то площадь опоры будет составлять 2500 см². Тогда давление, которое будет воздействовать на единицу площади грунта, вычисляется методом деления массы здания на площадь одной опоры.

Теперь самый важный этап расчета фундамента для стальной опоры – это исследование характеристик грунта и сбор данных о его расчетном сопротивлении. Такие данные предоставит геодезическая служба. Если сопротивление грунта будет больше, чем расчетное от самого здания, тогда опора выдержит нагрузку и не деформируется со временем. Если показатели меньше, тогда нужно увеличивать количество столбов.

Но всегда существует правило: большее количество опор не будет лишним, поэтому часто проектировщики устанавливают опоры с интервалом приблизительно 1,5 – 3 м. Это делается с целью предоставления необходимого резерва прочности на конструкции, связанные с несанкционированной достройкой, обустройством помещений или установкой тяжелого промышленного оборудования. Как правило, при расчетах предоставляют обязательный 50% резерв прочности на каждую опору.

Дополнительные расчеты фундаментов для металлических колонн

Расположение металлической колонны в колодце

Также проводится дополнительный расчет под существующие и перспективные геодезические изыскания. Для правильного обеспечения геодезии проводится контроль анкерных соединений, а именно высотное расположение их головок. Для этого используются шаблоны или кондуктор.

Шаблон – это металлическая плоская рама с готовыми гнездами для болтовых соединений. Они соединяются на опалубке с основными осями фундамента, затем закрепляются. Для получения более точных данных, на колонне изначально указывается уровень установки шаблона с целью контроля степени его смещения.

Анкера шаблона рекомендуется приварить к арматуре колонны, чтобы устранить вертикальное смещение во время крепежа конструкций. После заливки бетоном основания колонны, проводится первичный контроль над месторасположением шаблона и при необходимости делается корректировка еще до того, как бетон застынет.

Сейчас, увеличения прочности каркаса основания для стальной колонны достигают с помощью соединения стали и размещения в специальных колодцах. Такие углубления изначально предусматриваются в чаше основания, оно постоянно остается открытым, и бетоном не заливается на первом этапе строительства. Только, когда болт будет установлен, зафиксирован и его расположение точно замерено, тогда колодец закрывают.

fundamentclub.ru

Максимальная нагрузка на стальную колонну

Важно знать не только реальную, но и расчетную длину колонны, а кроме того радиус инерции поперечного сечения. Да и вид вертикальной нагрузки (будет ли приложенная нагрузка создавать дополнительный момент из-за возникающего эксцентриситета или ее можно рассматривать, как приложенную по центру тяжести сечения) будет влиять на максимально допустимое значение нагрузки. Само собой наличие горизонтальных нагрузок также будет снижать максимально допустимое значение вертикальной нагрузки.

Конечно же колонны бывают разные: ступенчатые, сплошного и сквозного сечения, с геометрическими параметрами сечения постоянными по высоте и изменяющимися. Однако далее будет рассматриваться только один вид стальных колонн (стоек, любых других сжатых стержней), а именно колонны сплошного сечения с геометрическими параметрами, постоянными по высоте, так как именно такие колонны чаще всего и используются в малоэтажном частном строительстве, которому посвящен данный сайт.

А чтобы было еще более просто и наглядно, будем рассматривать во всех случаях колонну одной длины l = 3 м (300 см) из квадратной профильной трубы сечением 80х80х4 мм, с площадью сечения F = 11.75 см2 и радиусом инерции i = 3.07 см. Расчетное сопротивление стального профиля примем равным R = 2450 кг/см2 (но вообще значение расчетного сопротивления следует уточнять у производителя металлопроката).

Собственный вес профильной трубы в виду его относительно небольшого значения мы учитывать не будем, чтобы не усложнять расчеты дополнительным определением расчетной длины колонны при действии равномерно изменяющейся нагрузки, каковой является собственный вес трубы, а потом приведением этой нагрузки к эквивалентной для общей расчетной длины. К тому же собственный вес колонны - это центрально приложенная нагрузка, а значит полученное расчетами значение имеет очень небольшой, но запас. Квадратное сечение также позволяет сократить расчеты (во всяком случае для внецентренно нагруженных колонн), так как позволяет рассматривать сечение колонны только в одной плоскости.

Итак:

Первое, и самое главное: несущая способность колонны напрямую будет зависеть от расчетной длины колонны. А расчетная длина колонны в свою очередь зависит от вида закрепления колонны на опорах. Более подробно вопрос определения коэффициента расчетной длины колонны в зависимости от различных факторов рассматривается в другой статье, ну а тема данной статьи, просто посмотреть, как меняется несущая способность колонны из одного и того же профиля, одной и той же длины, но при разных условиях закрепления на опорах. Итак.

Определение несущей способности стальной колонны, жестко защемленной на нижнем конце

Определить максимально допустимую нагрузку N на центрально сжатую колонну можно по следующей формуле:

N = RφF (456.1)

Как видим, формула не сложная. В этой формуле у нас только одно неизвестное - коэффициент продольного изгиба φ, его определением мы сейчас и займемся.

Если у колонны есть только одна опора - жесткое защемление на нижнем конце, то расчетная длина такой колонны будет составлять:

lef = μl = 2·300 = 600 см (456.2)

где μ = 2. Тогда при радиусе инерции i = 3.07 см гибкость колонны будет

λ = lef/i = 600/3.07 = 195.4 (456.3)

Тогда при расчетном сопротивлении стали колонны 2450 кг/см2 коэффициент продольного изгиба φ согласно таблицы 214.2 будет составлять:

Таблица 214.2. Коэффициенты продольного изгиба φ центрально-сжатых элементов

определение коэффициента продольного изгиба

Примечание: значения коэффициента в таблице увеличены в 1000 раз

φ = 0.169 (456.4)

Тогда максимальная нагрузка на стальную колонну составит:

N = 2450·0.169·11.75 = 4865 кг

Вроде бы несущая способность вполне приличная, почти 5 тонн, вот только одна беда, по ныне действующим нормативным документам недопустима гибкость более 150 для основных колонн и более 180 для второстепенных колонн. И это еще большое послабление для проектировщиков, в предыдущем СНиПе по металлоконструкциям для основных колонн максимально допустимая гибкость была вообще 120.

Возможно в следующей редакции СНиПа будет еще больше послаблений, ну а пока использовать рассматриваемую нами профильную трубу в качестве отдельно стоящей колонны с расчетной длиной 600 см нельзя. Даже если нагрузка на нее будет совсем небольшой. Во всяком случае этого требуют ныне действующие нормативные документы. Если вас это не пугает, то вы конечно же можете делать такую колонну, мы же рассмотрим ситуацию, когда такая колонна будет не отдельно стоящей и наличие соответствующих диафрагм жесткости позволяет рассматривать ее как колонну с жестким защемлением на нижнем конце и шарнирным опиранием на верхнем конце.

Определение несущей способности стальной колонны, с жестким защемлением на нижнем конце и шарнирной опорой на верхнем

Формула для определения максимально допустимой нагрузки N на центрально сжатую колонну при этом не изменится, изменится лишь один показатель -коэффициент продольного изгиба. В данном случае μ = 0.7.

При этом расчетная длина такой колонны будет составлять:

lef = μl = 0.7·300 = 210 см (456.5)

тогда при радиусе инерции i = 3.07 см гибкость колонны будет

λ = lef/i = 210/3.07 = 68.4 (456.6)

Соответственно при все том же расчетном сопротивлении стали колонны 2450 кг/см2 коэффициент продольного изгиба φ согласно таблицы 214.2 будет составлять:

φ = 0.744 (456.7)

Тогда максимальная нагрузка на стальную колонну составит:

N = 2450·0.744·11.75 = 21417 кг

Как видим, та же самая колонна, но при других условиях закрепления может выдерживать нагрузку в 4 раза больше. Более того, сечение колонны можно даже уменьшить, значение гибкости это позволяет.

Определение несущей способности стальной колонны, с жестким защемлением на нижнем конце и верхнем концах

Если к рассматриваемой колонне будет крепиться нижний и верхний пояс фермы. Причем ферма при этом будет иметь жесткость значительно больше, чем колонна, кроме того диагональные связи, обеспечивающие жесткость, будут в плоскости и из плоскости фермы, то такую колонну можно рассматривать, как имеющую защемление на верхнем и нижнем концах. Для такой колонны μ = 0.5

Тогда расчетная длина такой колонны будет составлять:

lef = μl = 0.5·300 = 150 см (456.8)

соответственно гибкость колонны будет

λ = lef/i = 150/3.07 = 49 (456.9)

а коэффициент продольного изгиба φ согласно таблицы 214.2 будет:

φ = 0.856 (456.10)

Тогда максимальная нагрузка на стальную колонну составит:

N = 2450·0.856·11.75 = 24642 кг

Впрочем, такое значение максимальной нагрузки будет завышенным, так как при расчете рам необходимо учитывать моменты, возникающие в вертикальных элементах рам - колоннах, но об этом чуть ниже.

Если необходимых диафрагм жесткости не будет, то даже при креплении верхнего и нижнего пояса фермы большой жесткости к колонне в плоскости фермы значение коэффициента μ будет зависеть от соотношений длин и жесткостей колонн и фермы, а также количества колонн в ряду.

Так, если в ряду будет 2 колонны, момент инерции фермы будет в 10 раз больше момента инерции колонн, при этом длина ферм будет в 2 раза больше длины колонн, то μ = 1.04. А при балках, жестко связывающих колонны (или фермы) из плоскости фермы и имеющих такую же жесткость и длину как колонны μ = 1.11 (определение коэффициента μ для колонн - элементов рам - отдельная большая тема). Соответственно несущая способность колонны из рассматриваемого профиля будет в плоскости фермы даже меньше, чем при шарнирной опоре сверху.

Если к любой из выше рассмотренных колонн вертикальная нагрузка приложена не по центру тяжести сечения, а с эксцентриситетом, если колонна является частью рамы или кроме вертикальных нагрузок на колонну действуют горизонтальные, то конечно же значение максимально допустимой нагрузки еще уменьшится. В целом, с учетом того, что в одной из рассматриваемых плоскостей должно соблюдаться условие:

R ≥ N/φF + Mz/Wz + My/Wy = σ (449.2.1)

где М - значение изгибающего момента, возникающего в рассматриваемом поперечном сечении колонны, рассматриваемой, как часть рамы, или в результате действия эксцентриситета и(или) горизонтальных нагрузок в рассматриваемой плоскости, например относительно оси z, W - момент сопротивления поперечного сечения относительно той же оси. Если формулу (449.2) преобразовать, то мы получим:

N = (R - Mz/Wz - My/Wy)φF (456.11)

Я это все к тому, что при расчете конструкций очень важно понимать, как именно данный элемент конструкции, в данном случае колонну, нужно рассматривать и какие в итоге нагрузки на него будут действовать.

doctorlom.com