Назначение и роль колонн в металлическом каркасе
Стальные колонны — основные вертикальные несущие элементы каркаса здания. Они воспринимают нагрузки от покрытия, перекрытий, стеновых ограждений, мостовых кранов и передают их на фундамент через базы колонн. В промышленном строительстве колонны определяют шаг рам каркаса (обычно 6 или 12 м), высоту здания и грузоподъёмность кранового оборудования.
Выбор типа колонны зависит от нескольких факторов: величины продольной силы, изгибающего момента, высоты здания, наличия мостовых кранов и требований к жёсткости каркаса. Для бескрановых зданий высотой до 8–10 м обычно достаточно одноветвевых колонн из прокатного или сварного двутавра. Для крановых цехов с грузоподъёмностью от 10 т и высотой более 10 м проектируют ступенчатые или двухветвевые колонны.
Колонны работают совместно с другими элементами каркаса: ригелями и прогонами, стропильными фермами, связями и распорками, подкрановыми балками. Вместе они образуют пространственную систему, обеспечивающую геометрическую неизменяемость и устойчивость здания.
Условия работы колонн
Колонна в составе рамы каркаса испытывает одновременное воздействие продольной сжимающей силы N и изгибающего момента M (внецентренное сжатие). Момент возникает от ветровых нагрузок, эксцентриситета приложения вертикальных сил, крановых воздействий. Расчёт ведут по СП 16.13330 на прочность, устойчивость и предельную гибкость.
Для колонн промышленных зданий характерны следующие нагрузки:
- Постоянные — собственный вес конструкций покрытия, стеновых панелей, подкрановых балок
- Снеговые — по СП 20.13330 в зависимости от снегового района
- Ветровые — по СП 20.13330, включая пульсационную составляющую для зданий выше 12 м
- Крановые — вертикальное давление колёс, горизонтальное торможение тележки и моста
Классификация стальных колонн
Стальные колонны классифицируют по нескольким признакам: конструктивной схеме, характеру нагружения и типу сечения. Каждый тип имеет свою область рационального применения.
По конструктивной схеме
Постоянного сечения (одноступенчатые) — применяются в бескрановых зданиях и зданиях с подвесным крановым оборудованием грузоподъёмностью до 5 т. Сечение не меняется по высоте. Высота таких колонн — от 4 до 18 м.
Ступенчатые — состоят из надкрановой и подкрановой частей различного сечения. Используются в зданиях с мостовыми кранами. Подкрановая часть имеет увеличенное сечение для восприятия крановых нагрузок. Высота — от 8 до 24 м и более.
Раздельные — подкрановая и надкрановая ветви связаны гибкими элементами и работают практически независимо. Применяются при тяжёлом крановом режиме (группы 7К–8К).
По типу сечения
Сплошные (одноветвевые) — из одного прокатного или сварного профиля. Это двутавры колонного типа (20К1–40К5), сварные двутавры, трубы круглого или квадратного сечения.
Сквозные (двухветвевые) — из двух ветвей (швеллеров, двутавров или уголков), соединённых планками или решёткой. Рациональны при больших высотах (свыше 10–12 м) и умеренных нагрузках.
Одноветвевые (сплошные) колонны
Одноветвевые колонны — наиболее распространённый тип для бескрановых зданий, складов, торговых центров, спортивных сооружений. Их основное преимущество — простота изготовления и монтажа. Сечение представляет собой один профиль: прокатный двутавр, сварной двутавр или трубу.
Колонны из прокатного двутавра
Прокатные двутавры колонного типа (серия «К» по ГОСТ Р 57837-2017) имеют широкие полки (h/b ≈ 1,0–1,2), что обеспечивает хорошую устойчивость в обеих плоскостях. Их применяют при продольных силах до 200–400 т и высотах до 10–12 м.
Сортамент колонных двутавров охватывает профили от 20К1 (h=195 мм, масса 41,5 кг/м) до 40К5 (h=431 мм, масса 202 кг/м). Выбор сечения определяется расчётом нагрузок с проверкой устойчивости при внецентренном сжатии.
Преимущества прокатных двутавров: отсутствие сварных швов в сечении (выше усталостная прочность), стабильное качество, минимум обработки на производстве. Недостаток — ограниченный сортамент: при больших нагрузках или нестандартных соотношениях моментов в двух плоскостях приходится переходить на сварные сечения.
Колонны из сварного двутавра
Сварной двутавр формируют из трёх листов: стенки и двух полок, соединённых автоматической сваркой. Это даёт свободу в выборе размеров: высота сечения 300–2000 мм, ширина полок 200–800 мм, толщина стенки 8–40 мм, полок — 12–80 мм.
Сварные двутавры рациональны, когда:
- Продольная сила превышает 300–500 т и прокатных профилей недостаточно
- Требуется развитое сечение в одном направлении (большой момент в плоскости рамы)
- Колонна ступенчатая и нужен плавный переход сечений
- Проектируются колонны переменного сечения (с вутами)
Материал полок и стенки может отличаться по толщине и даже по марке стали. Например, полки — из С345, стенка — из С255. Это позволяет оптимизировать расход металла.
Колонны из труб
Трубчатые колонны (круглые по ГОСТ 10704, квадратные и прямоугольные по ГОСТ 30245) имеют одинаковую жёсткость во всех направлениях, что важно при двухосном изгибе. Диаметр — от 219 до 530 мм (стенка 6–16 мм) для круглых; сечение 200×200–400×400 мм для квадратных.
Трубы часто используют в каркасах общественных зданий, где колонны остаются на виду: торговые центры, аэропорты, спортзалы. Эстетичность, отсутствие полок (удобно для примыкания стеновых панелей), хорошая работа при кручении — преимущества трубчатого сечения. Основной недостаток — сложность устройства узловых соединений.
Двухветвевые (сквозные) колонны
Двухветвевые колонны состоят из двух параллельных ветвей, соединённых между собой планками (безраскосная решётка) или раскосной решёткой. Расстояние между ветвями (ширина колонны) — от 400 до 1500 мм в зависимости от высоты и нагрузки.
Конструкция и типы решёток
Ветви двухветвевой колонны — это обычно два швеллера, два двутавра или два уголка, расположенные полками наружу. Соединительные элементы бывают двух типов:
Планки — короткие пластины, приваренные перпендикулярно к ветвям. Шаг планок определяется из условия равноустойчивости колонны в обеих плоскостях. Планочная конструкция проще в изготовлении, но менее жёсткая.
Раскосная решётка — система из раскосов и (опционально) стоек, образующая треугольные ячейки. Обеспечивает высокую сдвиговую жёсткость, применяется при значительных поперечных силах (крановые нагрузки, ветер на высокие колонны).
Область применения
Двухветвевые колонны рациональны при высоте более 10–12 м и умеренных продольных силах (50–250 т). По сравнению с одноветвевыми они экономичнее по расходу стали, поскольку материал вынесен на периферию сечения — радиус инерции больше, гибкость меньше.
Типичная область — подкрановые части ступенчатых колонн производственных цехов, а также колонны этажерок и высотных стеллажных складов. Подкрановая ветвь воспринимает давление крана через подкрановую балку, наружная ветвь — нагрузку от покрытия и стен.
Расчётные особенности
Расчёт двухветвевой колонны выполняют как для составного стержня. Проверяют:
- Устойчивость колонны в целом в плоскости рамы (из плоскости соединительных элементов) — по формулам для сплошного стержня с приведённой гибкостью
- Устойчивость колонны из плоскости рамы — с учётом податливости планок или решётки
- Устойчивость отдельной ветви между узлами планок/решётки
- Прочность и устойчивость планок (решётки) на усилия от поперечной силы
Приведённая гибкость λef для планочной колонны вычисляется по формуле: λef = √(λx² + λ1²), где λ1 — гибкость ветви между планками. Для решётчатой: λef = √(λx² + α·A/Ad), где Ad — площадь сечения раскосов.
Ступенчатые колонны для крановых зданий
Ступенчатая колонна — основной тип колонны для промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами. Она состоит из двух частей: верхней (надкрановой) и нижней (подкрановой), различающихся по сечению и жёсткости.
Надкрановая часть
Надкрановая часть воспринимает нагрузку от покрытия (ферм, прогонов, кровли, снега) и ветра на надкрановую стену. Обычно это сплошное сечение — прокатный двутавр 30К–40К или сварной двутавр высотой 400–600 мм. Высота надкрановой части определяется габаритом крана: от верха подкрановой балки до низа стропильной фермы должен вместиться кран с учётом зазоров по ГОСТ 25711.
Подкрановая часть
Подкрановая часть — наиболее нагруженный участок. Она воспринимает все нагрузки от надкрановой части плюс вертикальное и горизонтальное давление крана. В зависимости от грузоподъёмности крана и высоты здания подкрановую часть проектируют:
- Сплошной — сварной двутавр высотой 500–1200 мм при кранах до 30–50 т
- Двухветвевой — при кранах от 30 т и высоте подкрановой части более 8–10 м
Подкрановая ветвь двухветвевой колонны располагается под подкрановой балкой и имеет увеличенное сечение. Шатровая (наружная) ветвь — меньшего сечения, воспринимает часть продольной силы и момента.
Траверса (переходная зона)
Сопряжение надкрановой и подкрановой частей выполняется через траверсу — горизонтальный элемент, передающий опорную реакцию подкрановой балки и усилие от надкрановой части на подкрановую. Траверса проектируется из листового проката и рассчитывается на местное смятие, срез и изгиб.
Расчёт колонн: нагрузки, устойчивость, гибкость
Проектирование колонн ведут в соответствии с СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции». Расчёт включает определение усилий (N, M, Q) от всех комбинаций нагрузок, подбор сечения и проверку по нескольким предельным состояниям.
Центральное и внецентренное сжатие
Центрально-сжатые колонны (N проходит через центр тяжести) — редкость в реальных конструкциях. Большинство колонн каркаса работают на внецентренное сжатие: сила N и момент M действуют одновременно. Эксцентриситет e = M/N определяет характер работы:
- При малых эксцентриситетах (e < 0,1h) — колонна работает преимущественно на сжатие, потеря несущей способности — от потери устойчивости
- При больших эксцентриситетах (e > 0,5h) — колонна работает как изгибаемо-сжатый элемент, несущая способность определяется прочностью крайних волокон
Проверка устойчивости внецентренно сжатой колонны по СП 16: N / (φe · A · Ry · γc) ≤ 1, где φe — коэффициент устойчивости при внецентренном сжатии, зависящий от условной гибкости λ̅ и приведённого эксцентриситета mef.
Предельная гибкость
Гибкость колонны λ = lef / i, где lef — расчётная длина, i — радиус инерции сечения. СП 16.13330 ограничивает предельную гибкость:
| Тип элемента | Предельная гибкость [λ] |
|---|---|
| Колонны зданий (основные) | 120 |
| Колонны зданий с кранами группы 7К–8К | 100 |
| Стойки связей | 150 |
| Ветви двухветвевых колонн между планками | 40 |
| Раскосы связей и решёток | 200 |
Расчётная длина колонны зависит от схемы закрепления. Для колонн рам с жёстким сопряжением с ригелем коэффициент расчётной длины μ = 1,0–2,0 в плоскости рамы. Из плоскости рамы расчётная длина определяется расстоянием между точками закрепления связями.
Подбор сечения: алгоритм
- Определяют расчётные усилия N, M, Q от всех комбинаций нагрузок
- Назначают марку стали (С255, С345, С390) и расчётное сопротивление Ry
- Задают расчётную длину lef в обеих плоскостях
- По требуемой площади Areq ≈ N / (φ · Ry) подбирают начальное сечение (φ ≈ 0,7–0,8)
- Проверяют устойчивость при внецентренном сжатии
- Проверяют гибкость λ ≤ [λ]
- Проверяют местную устойчивость стенки и полок
- При необходимости корректируют сечение и повторяют проверки
Несущая способность по сечениям и высотам
В таблице ниже приведены ориентировочные значения допустимой продольной силы N для одноветвевых колонн из прокатных двутавров колонного типа при центральном сжатии (сталь С345, Ry = 335 МПа). Значения даны для шарнирно-защемлённой схемы (μ = 0,7 в плоскости рамы, μ = 1,0 из плоскости).
| Профиль | Масса, кг/м | A, см² | ix, см | iy, см | N при H=6 м, т | N при H=9 м, т | N при H=12 м, т |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20К1 | 41,5 | 52,9 | 8,4 | 5,0 | 140 | 105 | 72 |
| 25К1 | 53,5 | 68,1 | 10,5 | 6,3 | 195 | 155 | 115 |
| 25К2 | 73,4 | 93,5 | 10,6 | 6,5 | 270 | 215 | 160 |
| 30К1 | 78,2 | 99,6 | 12,7 | 7,5 | 300 | 250 | 195 |
| 30К2 | 105 | 134 | 12,9 | 7,7 | 405 | 340 | 270 |
| 35К1 | 109 | 139 | 14,8 | 8,7 | 425 | 370 | 305 |
| 35К2 | 137 | 175 | 14,9 | 8,9 | 535 | 470 | 395 |
| 40К1 | 122 | 156 | 17,0 | 9,8 | 485 | 435 | 370 |
| 40К3 | 167 | 213 | 17,2 | 10,1 | 665 | 600 | 520 |
| 40К5 | 202 | 257 | 17,4 | 10,3 | 805 | 730 | 640 |
Примечание: значения ориентировочные, для предварительного подбора. Окончательное сечение определяется расчётом с учётом изгибающих моментов, схемы закрепления и класса ответственности здания.
Рекомендуемые сечения по нагрузке и высоте
Для предварительного выбора типа и сечения колонны можно использовать следующую таблицу:
| Нагрузка на колонну, т | Высота 4–6 м | Высота 7–10 м | Высота 11–14 м | Высота 15–18 м | Высота 19–24 м |
|---|---|---|---|---|---|
| До 50 | 20К1–25К1 | 25К1–25К2 | 25К2–30К1 | Сварной 400×250 | Двухветвевая |
| 50–100 | 25К1–25К2 | 25К2–30К2 | 30К2–35К1 | Сварной 500×300 | Двухветвевая |
| 100–200 | 30К1–30К2 | 30К2–35К2 | 35К2–40К1 | Сварной 600×350 | Двухветвевая |
| 200–400 | 35К1–35К2 | 35К2–40К3 | 40К3–Сварной | Сварной 700×400 | Двухветвевая |
| 400–800 | 40К3–40К5 | 40К5–Сварной | Сварной 800×400 | Сварной 1000×450 | Двухветвевая |
| 800+ | Сварной | Сварной | Сварной 1000×500 | Двухветвевая | Двухветвевая |
Для крановых зданий сечение колонны подбирают с учётом крановых нагрузок. При кранах грузоподъёмностью от 20 т, как правило, применяют ступенчатые колонны.
Монтаж и узловые соединения
Монтаж стальных колонн — первый этап возведения металлокаркаса. От точности установки колонн зависит геометрия всего здания.
Монтажные стыки
Колонны высотой до 12–14 м поставляют на площадку целиком (одной отправочной маркой). При большей высоте колонну делят на 2–3 отправочных элемента с монтажными стыками. Стыки выполняют:
- На болтах — фланцевые соединения на высокопрочных болтах (класс 10.9). Быстрый монтаж, но требуют точной фрезеровки фланцев
- На сварке — стыковые швы полок и стенки. Высокая несущая способность, но медленнее в монтаже и требуют контроля качества (УЗК)
- Комбинированные — полки на болтах, стенка на сварке или наоборот
Сопряжение с фундаментом
Колонна крепится к фундаменту через базу колонны — опорную плиту с анкерными болтами. Различают жёсткое и шарнирное сопряжение. Жёсткое — при 4 и более анкерных болтах, расположенных за полками колонны. Шарнирное — при 2 болтах, расположенных по оси стенки.
Сопряжение с ригелем
Узел «колонна–ригель» (или «колонна–ферма») может быть жёстким или шарнирным. Жёсткий узел передаёт момент, обеспечивая рамную работу каркаса. Шарнирный — только вертикальную и горизонтальную реакции. Выбор типа сопряжения определяется расчётной схемой каркаса.
Для стропильных ферм чаще применяют шарнирное опирание на оголовок колонны. Для балочных ригелей — жёсткое, с накладками на полках и болтами на стенке.
Подберём оптимальное сечение колонн
Порядок монтажа
Колонны устанавливают в проектное положение автокраном грузоподъёмностью 25–100 т (в зависимости от массы колонны и высоты подъёма). Последовательность:
- Разметка осей на фундаментах, проверка отметок опорных поверхностей
- Строповка колонны, подъём и установка на фундамент
- Выверка вертикальности (отвес, теодолит) — допуск ±5 мм на 10 м высоты
- Временное закрепление расчалками или кондукторами
- Установка связей первой монтажной ячейки
- Затяжка анкерных болтов, подливка базы бетоном
- Демонтаж временных расчалок после раскрепления каркаса
На нашем производстве колонны изготавливаются с контрольной сборкой узлов, что обеспечивает точную стыковку на монтаже и сокращает сроки строительства.
Частые вопросы
Когда применяют двухветвевые колонны вместо одноветвевых?
Двухветвевые колонны рациональны при высоте более 10–12 м и умеренных продольных силах (до 200–300 т). При большой высоте одноветвевая колонна требует чрезмерно развитого сечения для обеспечения устойчивости, а двухветвевая позволяет достичь нужной жёсткости меньшим расходом стали за счёт разнесения материала от центра тяжести. Также двухветвевые колонны применяют в подкрановых частях ступенчатых колонн при кранах грузоподъёмностью от 30 т.
Какую марку стали выбрать для колонн?
Для большинства колонн промышленных и гражданских зданий применяют сталь С255 (расчётное сопротивление 240 МПа при толщине до 20 мм) или С345 (335 МПа). С345 даёт экономию металла 15–25 % при незначительном удорожании проката. Для колонн отапливаемых зданий в климатических районах с расчётной температурой до −40 °C применяют С345-3 или С390. Для неотапливаемых зданий и температур ниже −40 °C — С345-4 или С390К с гарантией ударной вязкости.
Какова максимальная высота стальной колонны?
Стандартные промышленные колонны имеют высоту от 4 до 24 м. Колонны до 12–14 м перевозят целиком, более высокие — с монтажным стыком. Для специальных сооружений (ракетно-космические комплексы, крупные ТЭЦ, металлургические цеха) высота колонн может достигать 30–40 м с несколькими ярусами кранов. Ограничение по высоте определяется не столько прочностью стали, сколько устойчивостью и допустимым горизонтальным перемещением верха колонны.
Как определить расчётную длину колонны?
Расчётная длина lef = μ · l, где l — геометрическая длина (высота) колонны, μ — коэффициент расчётной длины. Значение μ зависит от условий закрепления концов: для шарнирно-опёртой колонны μ = 1,0; для защемлённой снизу и свободной сверху (консоль) μ = 2,0; для защемлённой снизу и шарнирно-закреплённой сверху μ = 0,7. В рамных каркасах μ определяют по таблицам СП 16.13330 в зависимости от соотношения жёсткостей колонны и ригелей.
Сколько стоит изготовление стальной колонны?
Стоимость зависит от сложности конструкции, марки стали и объёма заказа. Ориентировочно: колонны из прокатного двутавра — от 85 000 до 110 000 руб./т, из сварного двутавра — от 95 000 до 130 000 руб./т, двухветвевые — от 110 000 до 150 000 руб./т (включая материал, изготовление, антикоррозийную защиту). Для точного расчёта воспользуйтесь онлайн-калькулятором или запросите коммерческое предложение.