Колонны являются одним из основных несущих элементов зданий и сооружений. Они воспринимают нагрузки от вышележащих конструкций и передают их на фундаменты. От правильного проектирования и надежности колонн зависит прочность всего здания. Расчет колонн ведется на различные виды нагрузок и воздействий. В данной статье рассмотрены основные методы конструирования и расчета колонн.
Расчет металлической колонны
Металлические колонны широко применяются при строительстве зданий и сооружений различного назначения. Расчет металлической колонны производится по методике, изложенной в нормах проектирования стальных конструкций.
В расчете определяются внутренние усилия, подбирается сортамент, выполняются проверки несущей способности сечений, общей устойчивости и местной устойчивости элементов сечений.
Учитываются особенности работы колонн в составе каркаса здания. Расчет ведется с применением современных программных комплексов.
Особенности расчета колонн различного назначения
Колонны в зданиях различного назначения работают в специфических условиях, что требует учета дополнительных факторов при расчете.
Для колонн в производственных зданиях важное значение имеют нагрузки от технологического оборудования, вибрационные и ударные воздействия. В общественных зданиях учитывается влияние скопления людей.
При проектировании высотных зданий выполняются расчеты колонн с учетом ветровой нагрузки и аэродинамических эффектов. Для сейсмических районов проводится сейсмический расчет колонн.
Расчет плит перекрытий и покрытий
Наряду с колоннами рассчитываются плиты перекрытий и покрытий, которые опираются на колонны или жестко с ними связаны.
Выполняются проверки плит по прочности, жесткости, трещиностойкости. Плиты рассчитываются на изгиб от собственного веса и полезных нагрузок с учетом опирания на колонны.
Часто используются безбалочные и ребристые перекрытия, в которых плиты опираются непосредственно на колонны без использования балок.
Расчет сквозной колонны
Сквозная колонна проходит через все этажи здания, воспринимая нагрузки от вышележащих конструкций каждого этажа. Это приводит к накоплению напряжений по длине колонны.
При расчете сквозной колонны учитывается изменение усилий по высоте, подбираются разные сечения или класс бетона для разных участков колонны.
Также необходимо обеспечить прочность узлов сопряжения колонны с перекрытиями на каждом этаже для передачи возрастающих по высоте нагрузок.
Внецентренно сжатые колонны
При внецентренном сжатии колонны возникает дополнительный изгибающий момент, снижающий несущую способность. В расчете определяется эксцентриситет и его влияние.
Для внецентренно сжатых колонн требуется большее количество арматуры, чем при центральном сжатии. Также необходима установка дополнительных хомутов для предотвращения раскалывания бетона при изгибе.
Расчет жб колонн с учетом длительных нагрузок
При длительном действии нагрузок в жб колоннах накапливаются упругие деформации, снижающие несущую способность. Это учитывается коэффициентом длительности действия нагрузки при жб расчете.
Для компенсации негативного влияния ползучести бетона при длительных нагрузках производится корректировка расчетных характеристик бетона и арматуры в жб колоннах.
Расчет центрально сжатых колонн на стадии эксплуатации
В процессе эксплуатации здания на центрально сжатые колонны дополнительно могут действовать нагрузки от реконструкции, нарушения грунтовых условий и других факторов.
Для оценки состояния колонн выполняется поверочный центрально расчет с учетом фактических характеристик материалов, конструкции и нагрузок, выявленных в ходе обследования.
При необходимости разрабатываются мероприятия по восстановлению или усилению несущей способности центрально сжатых колонн для дальнейшей безопасной эксплуатации.
Расчет базы колонн при реконструкции зданий
При реконструкции часто требуется усиление базы колонн из-за увеличения нагрузок. Выполняются расчеты базы колонн на новые нагрузки.
Для усиления могут применяться стальные или железобетонные обоймы, устройство дополнительных ребер жесткости, частичная замена бетона, дополнительное армирование.
Расчетные модели учитывают фактическое состояние конструкций базы колонн и характеристики материалов, полученные в ходе обследования.
Расчет армирования железобетонной колонны
Армирование является важнейшей частью конструирования железобетонной колонны, обеспечивающей совместную работу бетона и арматуры.
Выполняется расчет необходимого процента армирования и диаметра стержней из условия несущей способности колонны. Производится конструирование арматурного каркаса.
Учитываются требования к минимальному и максимальному армированию, защите бетона от разрушения при растяжении и сжатии.
Пример расчета стальной колонны каркаса производственного здания
Рассмотрим пример расчета стальной колонны для каркаса одноэтажного производственного здания в Московской области. Заданы нагрузки, геометрия здания и требования.
Выполняется статический расчет, определяются усилия в колоннах. Подбирается двутавровое сечение из условия прочности. Проверяется общая устойчивость колонны.
Далее выполняется конструирование узлов крепления колонны к фундаментам и ригелям перекрытия. Приводятся спецификации на металлопрокат и крепеж.
Расчет ректификационной колонны
Ректификационные колонны широко применяются в нефтехимической и других отраслях промышленности для разделения жидких смесей. Расчет таких колонн имеет ряд особенностей.
Выполняются гидродинамические расчеты процессов тепло- и массообмена. Определяются конструктивные параметры колонны: диаметр, толщина стенок, количество тарелок.
Расчет ведется с учетом агрессивности технологических сред, температурных режимов и других специфических факторов.
Расчет анкеровки арматуры в узлах сопряжения колонн и ригелей
В узлах сопряжения колонн с ригелями или плитами перекрытий возникают концентрированные усилия. Для их передачи требуется надежная анкеровка арматуры.
Выполняются расчеты на срез и вырывание анкеров стержней продольной и поперечной арматуры в узлах. Назначается длина и форма анкеровок.
Правильное армирование узлов позволяет обеспечить совместную работу колонны с другими элементами каркаса здания.
Учет пространственной работы колонн в каркасных зданиях
В каркасных зданиях колонны работают совместно, образуя пространственную систему. Это оказывает взаимное влияние на напряженно-деформированное состояние колонн.
Выполняется расчет пространственной модели каркаса, позволяющий учесть перераспределение усилий от жесткостных характеристик колонн и геометрии здания.
Учет пространственной работы дает более точный расчет усилий в колоннах и обеспечивает равномерное нагружение каркаса.
Динамический расчет колонн
При динамических воздействиях, таких как сейсмика, ветер, взрывы, на колонны действуют импульсные нагрузки. В этом случае требуется динамический расчет.
Строятся динамические модели колонн и каркаса с учетом массы и жесткости. Определяются динамические характеристики: частоты, формы колебаний.
По результатам динамического расчета выполняется подбор сечений колонн, обеспечивающих прочность, устойчивость и колебания в допустимых пределах.
Особенности расчета колонн подвальных и цокольных этажей
Колонны подвальных и цокольных этажей работают в условиях воздействия грунтов и грунтовых вод, что накладывает ряд особенностей при расчете.
Дополнительно учитывается горизонтальное давление грунта, а также возможные неравномерные осадки основания. Предусматривается гидроизоляция.
Также колонны подвальных этажей часто испытывают меньшие нагрузки по сравнению с колоннами верхних этажей здания.
Учет требований пожарной безопасности при расчете колонн
При проектировании колонн должны учитываться требования пожарной безопасности зданий. Колонны должны сохранять несущую способность в условиях пожара в течение заданного времени.
Для колонн применяются материалы с пределами огнестойкости, соответствующими противопожарным требованиям. Выполняются расчеты несущей способности колонн с учетом огневых воздействий.
Предусматриваются огнезащитные покрытия колонн, а также конструктивные меры защиты от обрушения при пожаре (устройство шарнирных опор и др.).
Конструктивные решения колонн в зданиях и сооружениях
Помимо расчета, большое значение имеет правильный выбор конструктивных решений колонн с учетом архитектурных, технологических и эксплуатационных требований.
Рассматриваются варианты сечений колонн, схем их размещения, материалов, сопряжений с другими элементами. Выполняется технико-экономическое сравнение вариантов.
Конструктивные решения должны обеспечивать удобство эксплуатации, ремонтопригодность, а также эстетические и функциональные требования к зданиям и сооружениям.
Особенности изготовления и монтажа колонн
Важное значение имеет правильная технология изготовления и монтажа колонн в проектное положение.
Для железобетонных колонн разрабатывается технология бетонирования, выдержки, распалубки. Для металлических колонн - документация на изготовление узлов, сварку, антикоррозионную защиту.
Собранные колонны устанавливаются в проектное положение с применением геодезических методов. Выполняются монтажные соединения колонн с фундаментами и ригелями.
Расчет колонн с применением компьютерного моделирования
Современные программные комплексы позволяют выполнять расчет колонн с использованием компьютерного моделирования.
Строится пространственная конечно-элементная модель колонн и каркаса здания. Задаются геометрия, свойства материалов, воздействия.
По результатам расчета получают поля перемещений, напряжений и усилий. Оценивается прочность, устойчивость, жесткость колонн.
Расчет армоколонн для многоэтажных зданий
Армоколонны представляют собой железобетонные колонны, армированные стальными трубами. Используются в высотном строительстве.
Выполняется расчет сечения с учетом совместной работы бетона, арматуры и стальных труб. Учитывается высокая несущая способность сталктруб.
Армоколонны позволяют снизить расход бетона и уменьшить сечение колонн по сравнению с традиционными железобетонными колоннами.
Особенности расчета колонн высотных зданий
При проектировании высотных зданий колонны работают в особых условиях из-за больших высот и ветровых нагрузок. Это накладывает ряд особенностей при расчете.
Учитываются высокие продольные усилия от собственного веса и ветровые нагрузки, изменяющиеся по высоте. Выполняются проверки общей устойчивости колонн.
Применяются несущие колонны в виде стальных труб большого диаметра, а также армоколонны. Рассчитываются узлы крепления колонн к диафрагмам жесткости.
Учет температурных деформаций колонн
При значительных перепадах температур в колоннах возникают температурные деформации, которые необходимо учитывать в расчете.
Определяются температурные удлинения или укорочения и вызванные ими усилия. Назначаются компенсационные зазоры, разрывы или деформационные швы.
Для колонн в неотапливаемых зданиях выполняются расчеты на температурные климатические воздействия и циклические колебания температур.
Контроль качества бетона при бетонировании колонн
Обеспечение заданных прочностных характеристик бетона является важной задачей при возведении железобетонных колонн.
Осуществляется входной контроль применяемых материалов, технологический контроль процесса бетонирования, а также контрольные испытания бетона по прочности.
Строгое соблюдение технологии бетонирования и контроль качества позволяют гарантировать соответствие фактических и расчетных характеристик бетона.
Особенности расчета вечномерзлых грунтов при проектировании колонн
В районах вечной мерзлоты при проектировании фундаментов под колонны выполняются расчеты вечномерзлых грунтов с учетом принципов строительства на вечной мерзлоте.
Определяется глубина сезонного оттаивания, расчетное сопротивление грунтов в мерзлом и талом состоянии. Назначается глубина заложения фундаментов.
Предусматриваются мероприятия по сохранению вечномерзлого состояния грунтов в основании здания на весь период эксплуатации.
Обследование и мониторинг технического состояния колонн
В процессе длительной эксплуатации зданий должен осуществляться мониторинг и периодическое обследование технического состояния колонн.
Выполняется оценка фактической прочности материалов, выявляются дефекты и повреждения, определяются реальные нагрузки. Даются рекомендации по ремонту или усилению.
Регулярный мониторинг позволяет своевременно обнаружить опасные дефекты и повысить надежность и безопасность эксплуатации зданий.
Особенности расчета вантовых колонн и мачт
Вантовые колонны и мачты, используемые в строительстве стадионов, башен и других сооружений, работают под действием растягивающих усилий от вант. Это накладывает ряд особенностей при расчете.
Определяются расчетные усилия в вантах и передаваемые на колонну. Выполняются проверки прочности и устойчивости на растяжение, а также расчеты узлов крепления вант.
Колонны проектируются из высокопрочных сталей, способных воспринимать значительные растягивающие усилия.
Усиление колонн при реконструкции и ремонте зданий
При реконструкции или ремонте зданий может потребоваться усиление колонн для обеспечения их несущей способности.
Применяются различные методы усиления: устройство железобетонной или стальной рубашки, установка дополнительных стоек или колонн, использование композитных материалов, замена или дополнительное армирование.
Выполняется расчет усиления с учетом фактического состояния конструкций для обеспечения требуемой несущей способности колонн.
Контроль качества монтажа металлических колонн
При монтаже металлических колонн важное значение имеет контроль качества болтовых и сварных соединений.
Осуществляется визуальный и инструментальный контроль качества сварных швов. Проверяется качество затяжки высокопрочных болтов динамометрическими ключами.
Контроль качества монтажа обеспечивает соответствие фактической прочности узлов проектным параметрам, заложенным при расчете колонн.
Оценка остаточного ресурса эксплуатируемых колонн
Для обоснования возможности дальнейшей эксплуатации колонн выполняется оценка их остаточного ресурса.
С этой целью проводят детальное обследование колонн с определением реальной несущей способности с учетом фактического состояния материалов и конструкции.
На основе результатов обследования делается вывод о сроке дальнейшей безопасной эксплуатации колонн или необходимости их усиления или замены.
Разработка мероприятий по защите колонн от агрессивных воздействий
Для зданий с агрессивными средами должны предусматриваться меры по защите колонн от коррозии, выщелачивания, разрушающего воздействия химикатов.
Применяются защитные покрытия, химстойкие материалы, конструктивные решения по гидро- и пароизоляции. Выполняются расчеты долговечности защиты.
Комплексная защита колонн позволяет обеспечить их расчетный срок службы при эксплуатации в агрессивных средах.
Проектирование сейсмостойких колонн
В сейсмически активных районах колонны должны проектироваться как сейсмостойкие конструкции, способные противостоять землетрясениям.
Выполняются динамические расчеты на основные и особые сейсмические нагрузки. Подбираются оптимальные материалы и конструктивные решения колонн и их сопряжений с фундаментами.
Предусматриваются конструктивные меры по повышению сейсмостойкости, такие как устройство шарнирных узлов в основании колонн.
Расчет колонн с учетом прогрессирующего обрушения
При расчете несущих систем зданий анализируются сценарии прогрессирующего обрушения и выполняется расчет колонн на эти воздействия.
Оценивается возможность образования пластических шарниров в колоннах, перераспределения усилий в несущей системе, последовательности разрушения элементов.
На основе расчетов выполняется проектирование колонн, исключающее возможность прогрессирующего обрушения при локальных повреждениях.
Проектирование композитных колонн
Перспективным направлением являются композитные колонны, сочетающие преимущества разных материалов.
Например, можно использовать стальные колонны, обетонированные для придания огнезащиты и защиты от коррозии. Или армоколонны, в которых бетон совместно работает со стальными трубами.
Расчет композитных колонн выполняется с учетом нелинейной работы, ползучести, усадки и других факторов для разных материалов.
Испытания колонн натурными нагрузками
Важным этапом проектирования являются натурные испытания колонн статическими и динамическими нагрузками.
Испытания позволяют оценить фактический запас прочности и жесткости колонн, проверить расчетные модели, выявить скрытые дефекты.
Результаты испытаний учитываются при дальнейшем проектировании и расчете колонн в аналогичных условиях.
Бескрановый монтаж колонн многоэтажных зданий
Для сокращения сроков возведения многоэтажных зданий применяются методы бескранового монтажа колонн, не требующие использования грузоподъемной техники.
Используются самоподъемные или навесные колонны, монтируемые по мере возведения этажей с опиранием на ранее смонтированные конструкции.
Бескрановый монтаж позволяет ускорить и удешевить строительство, но требует тщательного расчета и проектирования колонн.
Контроль напряженно-деформированного состояния при строительстве
В процессе строительства важно осуществлять геодезический контроль напряженно-деформированного состояния колонн для своевременного выявления отклонений от проектного.
Контролируются прогибы, крены, перемещения и усилия в колоннах на всех этапах строительства. Выявляются причины отклонений и разрабатываются меры по их устранению.
Регулярный мониторинг позволяет обеспечить соответствие фактических параметров колонн расчетным.
Моделирование аварийных воздействий на колонны
Для оценки работы колонн в аварийных ситуациях проводится моделирование экстремальных воздействий - пожаров, взрывов, столкновений, природных катастроф.
Строятся модели колонн и их элементов с учетом физических процессов при аварийных воздействиях. Анализируются сценарии разрушения и остаточной несущей способности.
Полученные данные используются для разработки требований пожарной безопасности, антитеррористической защиты, создания систем аварийного оповещения.
Биокоррозия бетона в колоннах
Биокоррозия представляет собой разрушение бетона микроорганизмами и вызывает снижение прочности колонн.
Для защиты от биокоррозии применяются добавки в бетон, создающие неблагоприятную среду для микроорганизмов. Также используют гидроизоляцию и специальные покрытия.
Необходим регулярный мониторинг колонн для своевременного выявления и устранения биоповреждений.
Неразрушающий контроль колонн
Для выявления дефектов в колоннах без нарушения их целостности используются неразрушающие методы контроля:
- акустические - ультразвуковые и импульсные;
- магнитные - магнитопорошковая и магнитная дефектоскопия;
- радиационные - рентгеновский контроль.
Позволяют обнаружить трещины, расслоения, пористость бетона, коррозию арматуры на ранней стадии.
Математическое моделирование железобетонных колонн
Современные программные комплексы позволяют создавать детальные математические модели железобетонных колонн, учитывающие:
- нелинейность работы материалов;
- пространственную работу конструкций;
- физическую и геометрическую нелинейность.
Проводятся сложные нелинейные расчеты, позволяющие с высокой точностью моделировать напряженно-деформированное состояние колонн.
Особенности расчета колонн оболочковых конструкций
В оболочковых конструкциях колонны работают совместно с несущими оболочками. Это накладывает особенности при расчете:
- Учитывается пространственная работа всей конструкции.
- Рассматриваются различные схемы разрушения.
- Анализируется взаимодействие колонн и оболочек.
Выполняются сложные расчеты с использованием пространственных конечно-элементных моделей.
Оценка огнестойкости железобетонных колонн
Проводятся испытания и расчеты для определения фактического предела огнестойкости железобетонных колонн с учетом:
- Материалов, сечения и армирования колонн.
- Вида и температуры огневого воздействия.
- Критериев предельных состояний.
Полученные данные используются для назначения необходимых пределов огнестойкости и огнезащиты колонн.
