Вопрос №22 – Основные элементы колонны
Еще в античный период Греции сложились три таких классических сочетания: дорический, ионический и коринфский. Эти сочетания носят названия «ордер». Основная конструктивная схема всех ордеров — стоечно-балочная конструкция, которая включает стойки (колонны) и опирающиеся на них балки (архитрав).
При строительстве зданий из металлоконструкций базовым и одним из наиболее ответственных элементов являются колонны, ведь именно на них в результате передаются все внешние нагрузки, воздействующие на объект. Даже в процессе возведения какого-либо сооружения из металла, монтаж колонн является первоочередной задачей, следующей за подготовкой фундамента. Их тщательным образом выставляют, выравнивают, а уже после к ним закрепляются все остальные элементы каркаса: продольные и поперечные балки, перекрытия, стойки фахверка, фермы и прочее. По этой причине изготовление металлических колонн является особенно ответственной задачей, в ходе выполнения которой должны предъявляться повышенных требования к качеству сварки и выполнению технических условий рабочими.
Любую колонну, какой бы сложной она не была на первый взгляд, можно разделить на 3 основных элемента: оголовок, стержень и база.
Оголовок
Верхняя часть колонны. Воспринимает внешние нагрузки и передает их на стержень колонны и далее на фундамент.
Стержень
Средняя часть колонны, ее рабочая зона. В случае необходимости стержень может быть усилен косынками (в местах сопряжения с оголовком и базой) и ребрами жесткости.
База
Место закрепления колонны к фундаменту, которое осуществляется, как правило, через анкерные болты.
По конструктиву поперечного сечения несущие колонны можно разделить на несколько типов:
КОЛОННА ПОСТОЯННОГО СЕЧЕНИЯ
Колонна состоит из единого стержня, ярковыраженной подкрановой консоли и основания. Такие колонны обычно встречаются в бескаркасных зданиях, в ангарах, складах. На них возможна установка подвесного транспортного оборудования с грузоподъемностью не более 20 тн. Могут применяться как в одно- так и в многоэтажных зданиях. Габарит сечения такой колонны не изменяется, но при этом площадь сечения может варьироваться по высоте в соответствии с расчетными усилиями.
КОЛОННА СТУПЕНЧАТАЯ
В случае, когда в здании предполагается установка кран-балки высокой грузоподъемности, от 20 тн и выше. Такая конструкция увеличивает жесткость колонны на изгиб и существенно снижает склонность к потере устойчивости. Ступенчатая колонна состоит из двух ветвей: основной несущей, на которую опираются фермы кровли помещения, и подкрановой, на которую приходится нагрузка непосредственно от кран-балки грузоподъемного оборудования.
Такие колонны встречаются не часто и используются лишь в исключительных случаях:
· при низком расположении кранов большой грузоподъемности;
· при многоярусном расположении кранов;
· при реконструкции цехов (например, при увеличении числа пролетов).
Поперечное сечение колонны может иметь достаточно замысловатую форму, но в большинстве случаев проектировщики применяют:
· профильную прямоугольную трубу,
Конечный размер поперечного сечения подбирается после проведения расчетов на прочность. Колонны работают на сжатие, а такой тип нагружения не является экстремальным с точки зрения достижения предела текучести и последующего номинального разрушения. Намного критичней для колонны является потеря ее устойчивости, восприимчивость к которой во многом определяется не столько ее конструкцией, сколько тем, как колонна взаимодействует с другими элементами здания.
База является опорной частью колонны и предназначена
для передачи усилия, с колонны на фундамент. Конструкция базы
должна соответствовать принятому в расчетной схеме колонны
способу сопряжения ее с фундаментом (сопряжение шарнирноеили жесткое) и иметь минимальное число деталей и количество
сварных швов. Как правило, базы проектируют с учетом опирания
колонн назаранееустановленные,выверенныеиподлитыеопорныеплиты,с верхнейстроганнойилифрезерованнойповерхностью.Усилияотколонннаплитупередаютсячерезфрезерованныйторецколонны.Принегабаритныхразмерахнижнихчастейколонныследуетпредусматривать монтажный стык с фрезерованными торцамивыше базы на отметке, близкой к нулевой.
 Типы баз колонн: |
| 1 – траверса; 2 – плита; 3 – фрезеровка; 4 – центрирующая плита |
 Базы центрально- сжатых колонн |
| 1 – траверса; 2 – консольное ребро; 3 – диафрагма; 4 – анкерная шайба |
При небольших усилиях в колоннах (до 4000-5000 кН) чаще принимаются базы с траверсами. Для увеличения жесткости плиты и повышения равномерности передачи давления с плиты на фундамент, устраивают между ветвями дополнительные ребра. Роль траверсы, в легких колоннах, могут выполнять прокатные швеллеры и консольные ребра.
В колоннах с усилиями 6000-10000 кН и более применяют базы с фрезерованными торцами, конструкция значительно проще, отсутствуют траверсы и ребра.
Базы с шарнирным устройством большой сложности монтажа применяются редко. Анкерные болты ставятся лишь для фиксации проектного положения и закрепления к фундаменту. При шарнирном узле, анкерные болты прикрепляются непосредственно к опорной плите, при жестком – крепятся через консоли.
Колонны, как архитектурный элемент
Многие архитектурные стили невозможно представить без такого строительного элемента, как колонна. С практической точки зрения колоннада используется в качестве основы каркаса и вертикальной опоры, на которую укладываются вышерасположенные части строения. С точки зрения эстетики – такие элементы обеспечивают визуальную связь между кровлей и основанием здания, а во многих случаях является триумфальным украшением, на которых, например, можно расположить статуи. Способность колонн выдерживать определенные нагрузки рассчитывается архитекторами еще на стадии проектирования здания согласно свойствам материалов изготовления.
Архаический период развития архитектуры
Колонны при строительстве зданий стали использовать в начале развития человеческой цивилизации. Первые колоннады изготавливались из древесины и представляли собой столбы для поддержки навесов. Чтобы деревянные столбы не проседали, их основания закреплялись каменными глыбами. На верхнюю опорную часть укладывалась доска или плита, которые можно считать прототипами баз и капителей, являющихся основными элементами современных архитектурных колонн.
Вне зависимости от течения времени и появления новых архитектурных стилей со своими правилами, модернизациями, революционными новшествами конструкции колоннад принципиальным изменениям не подверглись и сохранили свои основные части:
· База: нижняя часть, которая переносит нагрузки на основание;
· Капитель: верхняя часть, помогает распределить нагрузки с вышерасположенных элементов строения, но не является обязательной.
Первые колоннады появились при строительстве храмов древних ассирийцев, египтян и шумеров около 2 тысяч лет до нашей эры. Но наибольшее архитектурное распространение и доведение до совершенных форм совпало с периодом расцвета искусства и культуры древней Греции. Именно тогда древнегреческими мастерами были заложены три основных принципа (или ордера) строения колонных систем: ионический, дорический, коринфский, которые среди современных архитекторов негласно считаются художественным языком античности.
Позднее древние римляне, которые использовали в строительстве греческие принципы создания колонных систем, добавили от себя еще два ордера. Первый – строгий тосканский, был частично позаимствован у этрусков. Второй ордер является композитным, потому что объединяет в себе лучшие черты коринфского и ионического ордеров и считается по-настоящему роскошным.
Характерные черты колонн в архитектуре разных стран
Эталоном совершенной и прекрасной со всех точек зрения архитектуры принято считать древнегреческую и древнеримскую архитектуру. На какое-то время она была забыта, но мастера Эпохи Возрождения восстановили в своих творениях характерные формы и принципы античных ордеров. Гораздо позже к ним вернулся классицизм.
Если древнегреческие зодчие использовали колоннады исключительно в практических целях в качестве красивых опор для кровельной части строения, до мастера Древнего Рима больше акцентировали внимание на эстетической стороне. Римляне применяли колонные системы в архитектуре храмовых сооружений, терм, дворцов и других зданий, имеющих высокую общественную значимость. Кроме того, со временем древнеримские мастера стали строить колоннады как отдельные, самостоятельные сооружения – ростральные колонны с пышными капителями в честь воинов-победителей и императоров, в качестве пограничных столбов для границ земельных участков и поместий, в качестве дорожных указателей и т.п.
В Индии колонные системы использовались в качестве отдельных сооружений, сами колонны казались выточенными из металла или каменных глыб и до сих пор считаются непревзойденными произведениями архитектурного искусства и одними из лучших образцов национальной культуры. Индийские колонны являлись местом притяжения, где проводились религиозные и торжественные церемонии и обряды.
Практически все колонны в Китае изготовлены из древесины и выполняют функции опоры для кровельных частей зданий и сооружений. Китайские колонные системы достаточно скромны в части декора, не имеют излишеств и даже капители у китайских колонн считаются большой редкостью.
Что касается архитектуры России и применения колонных систем в ней, то самым ярким и выдающимся образцом можно считать Казанский собор в Санкт-Петербурге, который украшен фантастической по красоте колоннадой из 96 колонн, изготовленных из гранита и имеющих высоту 13 метров.
Типы колонн и ригелей одноэтажных промышленных зданий
Виды устройств железобетонных колонн применяемых в зданиях по сечению и типам ригелей. Виды армирования колонн и связей между колоннами промышленных зданий.
В зависимости от наличия консолей колонны в строительстве бывают:
В качестве соединения всех элементов каркаса применяется сварка закладных деталей и соединительных элементов.
3 — трехэтажная;
К — колонна;
Н — нижняя;
Д — двухконсольная;
4 — сечение 400х400;
4.8 — высота типового этажа в дм.;
60 — высота нижнего этажа (техподполья, подвала);
4 — несущая способность консоли;
2 — тип армирования.
Сегодня колонны используют как в малоэтажном строительстве, так и для высоких жилых зданий. В строительстве промышленных зданий колонны также получили широкое распространение.
Колонны обладают всеми необходимыми достоинствами, но служат исключительно для восприятия вышележащей нагрузки и передачи ее специальный фундамент на грунтовое основание. От разного приложения нагрузки могут возникать разные усилия в конструкции колонны такие как центральные и внецентренные. Соответственно расчет производится на центральное и внецентренное сжатие.
Колонны, которые воспринимают нагрузку от центрального сжатия, работают с продольной силой, приложенной к оси колонны и вызывающей сжатие поперечного сечения равномерно.
Те колонны, которые работают на восприятие внецентренного сжатия (обычно крайнего ряда), кроме непосредственно осевого сжатия от продольной силы, также подвергаются изгибу от момента.
Ригели применяются высотой 450 мм для зданий пролетами 6, 3, 7.2 м.
Ригели могут иметь продольное или поперечное расположение.
РДП — для опирания многопустотных плит на две его полки (двухполочный);
РОП — для опирания многопустотных плит на одну его полку (однополочный);
РЛП — для опирания многопустотных плит в лестничных клетках;
РДР — для опирания ребристых плит на две его полки (двухполочный);
РОР — для опирания ребристых плит на одну его полку (однополочный);
РЛР — для опирания ребристых плит в лестничных клетках;
РКП — консольный для опирания многопустотных плит балконов;
РБП — бесполочный (изготовленный в форме двухполочного ригеля) при перекрытии из многопустотных плит;
РБР — бесполочный при перекрытии из ребристых плит;
Р — прямоугольного сечения.
РЛ — ригель лестничный;
П — для опирания многопустотных плит. Если буква «Р» — для опирания ребристых плит;
4 — высота ригеля 450 мм;
26 — округленная длина ригеля, дм.;
60 — несущая способность ригеля в сотнях кгс на 1 м.п.
Каркасная система здания подразумевает под собой несущие элементы в виде колонн и опирающихся на них горизонтальных связей в виде ригелей. Колонны в каркасе наиболее часто встречаются сечением 400х400мм, их высота, не зависимо от четного или нечетного количества этажей, может быть высотой на один этаж или на два сразу. Колонны также могут быть конструктивным элементом зальных помещений, технических этажей, подполий, подвалов.
Чаще всего колонны высотой в два этажа применяют в промышленности. Такие колонны возводятся для предприятий Главмоспромстройматериалов, если нет техники для монтажа более высоких колонн либо возможностей заведения в сетку колонн диафрагм жесткости, плит покрытия и перекрытия, ригелей.
Унифицированный поперечный размер сечения колонн 400х400 мм сокращает номенклатуру элементов и опирающихся или примыкающих к ним конструктивных элементов здания (ригелей, диафрагм жесткости, распорок перекрытий, стен и др.)
Марка бетона для колонн используется следующая: М300, М400, М500, М600.
Для армирования ствола колонн применяется арматура диаметром 16…40 мм из стали класса A-III, что позволяет обеспечивать несущую способность до 9400кН.
Изменение несущей способности колонн в ходе прогресса строительной отрасли постоянно меняется в положительную сторону. Положительные изменения происходили благодаря тому, что возможности технического производства изделий из сборного железобетона превзошли номенклатурность изделий. Постоянное изменение нормативных документов и научные исследования также благоприятно отразились на изменении несущей способности колонн.
Наиболее уязвимое место при возведении колонн — это их стыки, на которые действуют повышенные нагрузки. Применяемым узлом стыка колонн в строительной области является такой, в котором усилия передаются с помощью стальных элементов (опорных листов). К таким стыкам выдвигается ряд требований: обеспечение надежной работы всей конструкции, возможность работы в минусовой температуре, точность расположения всех элементов, долговечность, легковозводимость.
Усилия главным образом передаются благодаря центрирующей прокладке и накладке, приваренным к стальным обоймам. Однако из-за неточности размеров граней обойм часто происходит выгибание примыкающей накладки.
Перекосы опорных плоскостей — частая проблема при сваривании рабочей арматуры с обоймой. Между торцами и центрирующей прокладкой обойм колонн образуются трещины глубиной раскрытия до 10 мм, что повышает деформацию стыка. Периферийная зона является также местом концентрации напряжений, что приводит к возникновению неучтенных, случайных эксцентриситетов, вызывающих перенапряжения в колоннах.
С течением времени такие типы стыков изжили себя при проектировании, так как обладают большими недостатками.
Новым решением стыка колонн каркаса было решение, где усилие передается через сферические торцовые поверхности, а также одновременное соединение ванной сваркой выпущенных арматурных стержней по углам ствола колонны. К таким колоннам предъявляют повышенные требования и точность при изготовлении их изделий.