Металлические колонны

Строительство зданий из металлоконструкций получило широкое распространение. Подобные сооружения славятся своей функциональностью и надежностью: они прекрасно справляются с ветровой нагрузкой, разнообразными погодными явлениями. Высокая устойчивость обеспечивается за счет ключевых элементов каркаса – несущих металлических колонн.

Именно монтаж опор является базовым этапом строительства. На них устанавливаются и закрепляются прочие составные части металлоконструкций: продольные и поперечные балки, стойки фахверка, стропильные фермы, перекрытия и т.д. Несущие металлические колонны – это разновидность строительных опор, которая предназначена не только для поддержания целостности здания, но и для разграничения внутреннего пространства сооружений. Поэтому качество и надежность стоек значительно влияет на результат строительства и на долговечность сооружений.

СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОЛОНН

Оголовок. Это верхушка опоры, к которой крепятся фермы, ригели, балки, рельсы мостовых кранов (в промышленных зданиях). Выделяют 2 способа присоединения: верхнее и боковое. Если выбран шарнирный свободный вариант крепления, то балка устанавливается поверх колонны, оголовок которой в этом случае представляет собой плиту с ребрами жесткости. Необходимая жесткость и устойчивость конструкции достигается за счет сварки и дополнительных поперечных элементов, укрепляющих платформу. Если крепление осуществляется шарнирным или жестким методом, то балку стыкуют с боковой стороной опоры. К колонне приваривается столик, на который укладывается ригель, ферма и др. Основное значение оголовка – принятие внешней нагрузки и ее передача на стержень опоры и далее на фундамент.
Стержень. Это средняя часть колонны, которая испытывает постоянное воздействие на сжатие, то есть рабочая зона. Расчет толщины стенок стержня, его высоты производится на этапе проектирования каркаса здания. В некоторых случаях предусматривают дополнительные усиливающие элементы. Косынки и ребра жесткости делают стержень более устойчивым и надежным. По типам делится на сплошные и сквозные (безраскосные, перфорированные и решетчатые). Производят стержни, как правило, из одиночных широкополочных двутавров или прокатных профилей.
База. Это основание колонны, та часть, которая передает всю нагрузку на фундамент. Конструктивное решение базы может быть разным: оно подбирается с учетом типа, высоты сечения стержня, выбранного способа монтажа металлических колонн, варианта присоединения основания к фундаменту. Крепление опоры к плите обычно осуществляется с помощью анкерных болтов. Выделяют сплошные и раздельные базы, с траверсами и без.
Консоли. Эти элементы необходимы для металлических колонн в промышленных зданиях. Дело в том, что если в цехе, на складе планируется установка мостового крана, то рельсы для его перемещения прокладываются с упором на несущие опоры. Консоли служат для крепления подкрановых балок.

ФОРМА НЕСУЩЕЙ КОЛОННЫ

Поперечное сечение металлической опоры может быть разным, чаще всего проектировщики останавливают свой выбор на одном из следующих вариантов:

Двутавр;
Круг;
Прямоугольник (или квадрат).

Соответственно, для изготовления металлических несущих колонн используют профильные трубы либо двутавровые балки. Размер стойки определяется после проведения расчета на прочность с учетом особенностей фундамента и сопряженных с ней элементов (балок, поперечных связей). При этом особое значение приобретает не несущая нагрузка, так как сжатие не является экстремальным с точки зрения достижения предела текучести и номинального разрушения колонны, а показатели устойчивости.

Требования, предъявляемые к несущим металлическим колоннам при проектировании и расчетах:

Наименьший расход материала (стали);
Удобство монтажа;
Однотипность;
Минимальная трудоемкость изготовления;
Простота и надежность стыков колонн;
Наименьшая площадь, занимаемая колоннами;
Простота примыкания балок и ригелей;
Отсутствие сложных узлов и переходов.

ДЛЯ ЧЕГО И ГДЕ ПРИМЕНЯЮТСЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОЛОННЫ

Опоры из металла широко используются для строительства:

Промышленных зданий, складских комплексов;
Торговых центров;
Объектов бытового назначения;
Ангаров;
Дополнительных административных и хозяйственных помещений, которые возводятся в качестве пристройки.

ФУНКЦИИ КОЛОНН:

Принимать нагрузку от перекрытий, стен, мостовых кранов, снега и ветра и передавать ее через фундамент на грунт;
Поддерживать кровлю, ограждающие конструкции и верхние элементы несущего каркаса;
Распределять на фундамент в необходимом соотношении массу внешних и внутренних частей здания, промышленного, транспортного оборудования и людей, находящихся внутри помещения;
Выдерживать климатические нагрузки;
Выступать в роли декоративного элемента интерьера.

ПРЕИМУЩЕСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОЛОНН

Полифункциональность. Одна опора одновременно выполняет несколько задач: поддерживает конструкцию сооружения, организует пространство, связывает различные элементы каркаса.
Вертикальные колонны принимают большую часть нагрузок и формируют устойчивость строения;
При использовании в промышленных зданиях на опоре можно закрепить часть оборудования;
Как и другие металлические изделия, колонны прочны и надежны.

КЛАССИФИКАЦИЯ

ПО ТИПУ КОНСТРУКЦИИ

Колонны постоянного сечения. Стержень имеет постоянный размер сечения, в составе опоры ярко выражены подкрановая консоль и основание. Применяются чаще всего в бескрановых одноэтажных и многоэтажных зданиях, ангарах, складах. Высота такой колонны обычно не превышает 12 м. Если их монтируют в промышленных цехах, то возможна установка оборудования общей массой до 20 т.
Колонная ступенчатая. Данную разновидность выбирают, если необходимо выполнить монтаж кранового оборудования с грузоподъемностью от 20 т и выше. Колонная состоит из 2 частей: основная несущая выполняет роль опоры для кровельной фермы, подкрановая воспринимает нагрузку непосредственно от кран-балки подъемного механизма. Между собой части стержня соединяются связями в виде сплошного листа или решетки из горячекатаных уголков.
Колонна несущая металлическая раздельная. Состоит из двух независимых стоек: подкрановая принимает только вертикальное усилие мостового крана, а шатровая берет на себя нагрузки от каркаса и покрытия здания. Соединяются между собой они гибкими горизонтальными планками. Такие конструкции применяются в промышленных зданиях с грузоподъемностью более 150 тонн и могут иметь высоту 15-20 метров. Также раздельные колонны могут монтироваться при многоярусном или низком расположении кранов, при реконструкции цехов.

ПО СПОСОБУ ВОСПРИЯТИЯ НАГРУЗКИ ОТНОСИТЕЛЬНО СВОЕЙ ОСИ

Центрально-сжатые колонны. Результирующие нагрузки от стропильных ферм, несущих балок передаются строго вдоль осевой линии стержня. Это вызывает центральное сжатие сечения. Горизонтальные нагрузки при этом воспринимаются дополнительными поперечными связями.
Внецентренно-сжатые колонны. Сжимающая сила в них приложена по линии, несколько удаленной от оси, поэтому возникает изгибающий момент. Дополнительно на колонну могут воздействовать и продольные усилия. В этих случаях конструкция может иметь несимметричное сечение для более равномерного распределения сил и снижения расхода материала и массы изделия.

ПО ВИДУ СТЕРЖНЯ

Сплошные колонны. Состоят из одного стержневого элемента. Чаще всего представляют собой сварной или прокатный двутавр. Могут иметь крестообразную форму при условии, что они равноустойчивы в обоих направлениях. При одинаковых габаритах несущей колонны крестовое сечение более выигрышно в сравнении с двутавровым, так как оно более жесткое и устойчивое. Также в эту категорию попадают стержни замкнутого сечения, которые были произведены путем спаривания прокатных швеллеров, профилей, круглых труб.

Сквозные колонны. Обычно схема представляет собой 2 ветви стержней, которые связаны решеткой (из планок, раскосов и распорок). Для укрепления колонны решетчатую систему обычно располагают в двух плоскостях, используя для ее изготовления одиночные уголки.

РАСЧЕТ И ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НЕСУЩИХ КОЛОНН

Основными параметрами при проектировании считаются:

Прочность при центральном растяжении или сжатии;
Устойчивость при сжатии вдоль центральной оси (по 2 плоскостям);
Прочность при совместном действии продольной силы и изгибающего напряжения;
Проверка предельной гибкости стержня в 2 плоскостях.

Исходя из параметров здания, из того, одноэтажным оно будет или многоэтажным, необходимо ли будет размещать мостовой кран и какая технология крепления каркасных элементов будет применяться, выбирают тип колонны, ее размеры и способ монтажа.

К процессу производства следует подходить с высокой долей ответственности. Как правило, элементы под заказ приобретаются на заводах металлоконструкций. Здесь важно обеспечить высокое качество сварки и сборки. Предприятия, которые производят колонны в промышленных масштабах, привлекают к работе мастеров-профессионалов и закупают точное и современное оборудование. Поэтому изделия, выпускаемые заводами, соответствуют строительным нормам и правилам и требованиям, предъявляемым к колоннам и прочим несущим конструкциям.

Для производства используют низкоуглеродные и легированные марки стали. Исходное сырье проверяется на соответствие стандартам.

Особое внимание уделяется изготовлению и монтажу металлических колонн в промышленных зданиях. Как правило, помещения цехов или складов имеют большую высоту потолка, а на опоры помимо элементов сооружения крепится оборудование. Следовательно, нагрузка на колонны возрастает. Поэтому здесь требуется точный расчет и надежные исходные конструкции. Известно, что более половины всех производимых несущих металлических колонн применяется для монтажа именно промышленных зданий из металлоконструкций.

Иногда длина металлопроката или иные обстоятельства не позволяет выполнить стержень из цельного изделия. В этом случае приходится стыковать несколько частей. Стыки бывают 2 видов:

Заводские, которые выполняют методом сварки с полным проваром. Такая технология позволяет удовлетворить требование равнопрочности. Чаще всего такие стыки производятся из-за недостаточной длины прокатных изделий.
Монтажные, которые применяются из-за необходимости разделить колонну на несколько частей для транспортировки. Используют высокопрочные болты и фланцевое соединение, также сварку встык на накладках. Для выверки и фиксации при монтаже используют специальные уголки.

МОНТАЖ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОЛОНН

Технология установки схожа с аналогичной для железобетонных конструкций. Как правило, колонны из металла крепят к основанию целиком, в редких случаях, если размеры опоры слишком велики, ее собирают из отдельных частей. Процесс монтажа делится на этапы:

Доставка и раскладка по месту установки;
Подготовка: проверка параметров качества колонны и ее соответствия техническому заданию, обустройство необходимых приспособлений и подмостков;
Захват колонны;
Подъем;
Наводка опоры на основание (или встык, если речь идет о составном элементе стержня);
Выверка;
Временная фиксация;
Постоянное закрепление.

Для подъема стойки используют строповку или захват полуавтоматическими приспособлениями. Для предотвращения проскальзывания между стропами и колонной прокладывают деревянные подкладки или отрезки стальных профилей.

Наибольшее количество времени и внимания требуют этапы выверки и временного закрепления колонны. Выделяют 3 основных методики монтажа:

На стальные подкладки. Они имеют толщину от 40 до 50 мм, помещаются между опорной плитой колонны и фундаментом. После укладки и фиксации опоры анкерными болтами образующиеся зазоры заливаются цементным раствором. Если используют этот способ монтажа, то при укладке фундамента его не доводят до проектной отметки на заданную величину. Метод имеет свои недостатки: он недостаточно точен и очень трудоемок. Процесс выверки идет с использованием подкладок, поэтому увеличивается расход материала.
Сразу на поверхность основания здания. В этом варианте фундамент доводят до проектной отметки, впоследствии подошву колонны не укрепляют раствором цемента. Главная сложность состоит в том, чтобы отклонения поверхности, на которую устанавливают колонную, не превышали по высоте 5 мм, по уклону 1/1000. Опорную плиту базы при этом фрезеруют на производстве.
На дополнительные плиты. Их устанавливают заранее и подливают цементным раствором. База колонн должна быть со строганой поверхностью. Такой способ получил название безвыверочного монтажа.

В любом случае, главный акцент при использовании колонн в строительстве промышленных и гражданских зданий из металлоконструкций делается на точность расчетов, высокое качество изготовления и профессиональную работу специалистов.