Колонны представляют собой преимущественно вертикальные элементы, которые передают нагрузки на фундаменты или нижерасположенные конструкции здания.
Колонны являются очень важными с архитектурной точки зрения конструктивными элементами, так как их расположение влияет на внешний облик, внутренние пространственные решения быстровозводимых зданий и крепление ограждающих конструкций. Кроме того, габариты колонн вместе с последующей отделкой уменьшают полезную площадь помещений, что иногда может быть решающим фактором в выборе конструктивной схемы здания и типа сечений.
Классификация колонн
Сечения стальных колонн делятся в основном на сплошностенчатые открытые, сплошностенчатое замкнутые и сквозные. Кроме того, широкое применение находят сталебетонные колонны, заполненные бетоном, или сталежелезобетонные, в случае, когда в бетоне устанавливается дополнительно рабочее армирование.
Основы проектирования колонн
В основном колонны воспринимают сжимающие нагрузки и проверяются на устойчивость. Колонны, в которых в силу специфики распределения силового потока могут появляться изгибающие моменты, рассчитывают на внецентренное сжатие или сжатие с изгибом. Также в колоннах контролируют общую гибкость и местную устойчивость элементов сечений. Основное конструктивное требование к колоннам – обеспечение равноустойчивости сечения. По этой причине при центральном сжатии для колонн наиболее эффективными являются коробчатые профили и трубы. В то же время при значительных эксцентриситетах или жестких узлах передачи нагрузки в колоннах могут возникать моментные усилия, и сечение должно быть развито в плоскости действия изгибающего момента. В принципе, из-за начальных несовершенств геометрии и случайных эксцентриситетов приложения нагрузки некоторые моментные усилия действуют и в центрально сжатых колоннах, а поэтому эти элементы считаются активными по сечению.
При компоновке архитектурных поэтажных планов быстровозводимых зданий, как правило, соблюдают соосность расположения колонн от первого до последнего этажа. При этом оси могут быть наклонными или изменять направление в узлах, но обязательно сохраняя при этом неразрывность передачи усилий. Решения, предусматривающие смещение осей колонн от этажа к этажу или разрежение сетки колонн, предполагают постановку мощных распределительных балок или ферм – аутригеров, которые, значительно повышают стоимость проекта и имеют большую строительную высоту. В необходимых случаях аутригеры выполняют в виде тяжелых ферм с высотой в один или несколько этажей.
Колонны сплошностенчатого открытого сечения.
Наиболее часто колонны в зданиях проектируют постоянного профиля, который изменяется с шагом в два-три этажа по высоте. Одним из наиболее эффективных сечений при этом является двутавр. Полки колонных двутавров намного более развиты, чем у балочных аналогов, что необходимо для увеличения радиуса инерции из плоскости. Профиль формируется составным из листов, что позволяет оптимально подобрать его геометрические характеристики. При необходимости могут быть также импортированы прокатные колонные двутавры, которые выпускаются, в частности, в Западной Европе, России и Казахстане. Двутавровое составное сечение может быть моно- или бисиметричным, в зависимости от действующих усилий. В табл. приведены ориентировочные габариты сечений составных двутавровых колонн для балочных перекрытий быстровозводимых зданий с разными размерами ячейки и разной этажностью. Данные в таблице рассчитаны для колонн со свободной высотой между перекрытиями 3,2 м при характеристической полезной нагрузке 4 кН/м2 и характеристической нагрузке от собственного веса конструкций 3,5 кН/м2. Прочностные характеристики при составлении таблицы стали взяты для класса С355. Поскольку наибольшая нагрузка действует в колоннах нижних этажей, уменьшаясь к верху, в зданиях средней этажности сечение колонн по высоте остается в постоянных габаритах, однако меняется толщина листов и класс прочности стали. Для высотных быстровозводимых зданий, как правило, от низа к верху изменяется также габарит или даже тип сечения.
Колонны в перекрытиях ориентируют так, чтобы главные балки примыкали к полкам двутаврового сечения. Это позволяет организовать достаточно просто как шарнирные, так и жесткие узлы соединения с минимальным путем передачи усилий. В то же время такое решение создает эксцентриситеты примыкания и при неравномерных нагрузках на перекрытие вызывает появление в колонне нежелательных изгибающих моментов. Колонны сплошностенчатого замкнутого сечения. Квадратные и прямоугольные профили замкнутого сечения, а также трубы часто применяются в качестве колонн в зданиях, так как имеют эффективное распределение материала при работе на центральное сжатие. Колонны из таких профилей имеют более высокую архитектурную привлекательность, чем колонны двутаврового сечения. В то же время замкнутые профили, в особенности трубы, усложняют примыкание горизонтальных элементов каркаса. Невозможность доступа во внутреннюю полость заставляет развивать сечение по периметру с приваркой листовых ребер и опорных пластин для восприятия усилий.
В таблице приведены ориентировочные габариты сечения колонн трубчатого сечения по ГОСТ 10704-91 для быстровозводимых зданий разных пролетов перекрытий и этажности. Как и в предыдущей таблице, данные валидны для колонн высотой 3,2 м при характеристической полезной и постоянной нагрузке 4 кН/м 2 и 3,5 кН/м2 соответственно и стали С355. Из-за ограниченного сортамента профилей замкнутого сечения и труб в зданиях средней и повышенной этажности эффективное применение находят коробчатые сечения, сварные из листов. Трубы повышенного диаметра также могут быть изготовлены на заказ сварными спиральношовными. Габариты коробчатых сечений, составных из листов, на этапе эскизного проектирования могут приниматься как для двутавровых колонн по табл.
Сквозные колонны.
Колонны сквозного сечения организовывают из прокатных или составных профилей. Ветви сквозных колонн скрепляются между собой на листовых планках или с помощью решетки из прокатных элементов. Применение сквозных колонн оправданно при больших нагрузках или пролетах, когда составные сечения небольших габаритов не обеспечивают достаточной жесткости или несущей способности. Основным недостатком сквозных колонн является значительный габарит, который они отнимают у функционального пространства. Однако благодаря наличию внутреннего пространства между ветвями оно может быть полезно использовано для пропуска коммуникаций или заполнено бетоном для повышения огнестойкости и жесткости колонны.
Сталебетонные колонны.
Поскольку колонны воспринимают преимущественно вертикальные нагрузки, в них может быть эффективным использование бетона, который достаточно хорошо воспринимает сжимающие усилия. При этом бетоном может быть заполнено пространство между полками колонн двутаврового профиля либо внутренняя полость замкнутых сечений. В частности, заполнение между полками колонны двутаврового профиля без армирования может повысить ее огнестойкость до 60 минут без увеличения внешних габаритов сечения. Бетонное заполнение трубчатых колонн также позволяет повысить предел огнестойкости колонн до 60 минут. Для достижения более высокой огнезащиты сталебетонных элементов – до 120 минут и выше, требуется дополнительно внешнее обетонирование и армирование сечения. Для полного включения внешнего обетонирования в работу и достижения совместной работы могут применяться упорные анкеры, такие, как в композитных балках, навариваемые на стенку и полки балки. Кроме того, добавочно устанавливается рабочее армирование, в результате чего колонна работает как сталежелезобетонная.
Применение сквозных колонн оправданно при больших нагрузках или пролетах, когда составные сечения небольших габаритов не обеспечивают достаточной жесткости или несущей способности. Основным недостатком сквозных колонн является значительный габарит, который они отнимают у функционального пространства. Однако благодаря наличию внутреннего пространства между ветвями оно может быть полезно использовано для пропуска коммуникаций или заполнено бетоном для повышения огнестойкости и жесткости колонны. Сталебетонные колонны. Поскольку колонны воспринимают преимущественно вертикальные нагрузки, в них может быть эффективным использование бетона, который достаточно хорошо воспринимает сжимающие усилия. При этом бетоном может быть заполнено пространство между полками колонн двутаврового профиля либо внутренняя полость замкнутых сечений. В частности, заполнение между полками колонны двутаврового профиля без армирования может повысить ее огнестойкость до 60 минут без увеличения внешних габаритов сечения.
Бетонное заполнение трубчатых колонн также позволяет повысить предел огнестойкости колонн до 60 минут. Для достижения более высокой огнезащиты сталебетонных элементов – до 120 минут и выше, требуется дополнительно внешнее обетонирование и армирование сечения. Для полного включения внешнего обетонирования в работу и достижения совместной работы могут применяться упорные анкеры, такие, как в композитных балках, навариваемые на стенку и полки балки. Кроме того, добавочно устанавливается рабочее армирование, в результате чего колонна работает как сталежелезобетонная. Заполнение бетоном трубчатых колонн позволяет значительно увеличить несущую способность, снизить толщину стенок и уменьшить габариты сечения, что желательно с архитектурной точки зрения. Марка бетона заполнения колонн, приведенных в таблице, принята C35/45 при 1%-м конструктивном внутреннем армировании.
Колонны как конструктивный инструмент архитектурной формы
Обычно колонны каркаса быстровозводимых зданий стараются визуально скрыть. Внутренние колонны подлежат отделке и располагаются в местах прохождения стен и перегородок, наружные колонны интегрируются во внешние ограждающие конструкции. Однако в некоторых случаях, когда это конструктивно необходимо, колонны могут быть наоборот максимально визуально открыты и использованы для достижения архитектурной выразительности. В основном такие колонны имеют трубчатое сечение, что позволяет обеспечить хорошие конструктивные характеристики при незначительных габаритах и минимальном вмешательстве в архитектурную среду. Трубчатые колонны равноустойчивы и хорошо работают на центральное сжатие.
Повышение конструктивных характеристик трубчатых колонн может быть достигнуто за счет заполнения бетоном, что позволяет также повысить огнестойкость. Для огнезащиты колонн также применяются вспучивающиеся покрасочные покрытия. Примыкания элементов к трубчатым колоннам выполняют в рамках общей концепции каркаса. Колонны имеют монтажные марки на высоту двух или трех этажей.
Монтажные стыки выполняют, как правило, непосредственно над высотой перекрытия с тем, чтобы избежать вмешательства в полезное пространство этажа или на высоте 1,2-1,5 м над уровнем перекрытия для удобства монтажа и диагностики в процессе эксплуатации. Внешние, отдельно стоящие колонны нашли широкое применение в зданиях общественного назначения, таких как торговые центры, концертные залы и объекты инфраструктуры. На рис. показан пример использования внешних колонн из труб для опирания навеса развлекательного центра в Сиднее. Ключевую конструктивную роль колонны подчеркивают ее массивное сечение и лучевидные консоли, которые на нее приходят.
Еще один пример применения колонн как инструмента достижения архитектурной выразительности-здание со стальным каркасом в г. Питсбург. В данном строении одном из первых была применена внешняя структурная оболочка каркаса. Такой конструктивный прием значительно улучшает распределение нагрузок и живучесть каркаса, а также создает ритмику фасада и узнаваемый внешний вид здания. Колонны при этом являются органической частью сетчатой оболочки, подчеркивая легкость и основательность сквозной структуры. Отдельно стоящие колонны используются как элементы концентрации и заземления силового потока, приходящего от кровли либо других несущих конструкций каркаса. Наглядным примером использования отдельно внешних стоящих опор из трубчатых профилей является здание Renault Parts Distribution Centre в Суиндоне, Великобритания.
Отдельно стоящие или сгруппированные колонны могут сами по себе образовывать архитектурно выразительные конструкции, являющиеся акцентом здания и обеспечивающие ему узнаваемость. Такой прием был, в частности, использован в терминале аэропорта Станстед. Группа из четырех объединенных ветвей колонн выполняет функцию жесткой пространственной опоры для структурной конструкции кровли. Внутреннее пространство между ветвями рационально использовано для организации информационных табло и коммуникаций. В некоторых случаях оправданным с точки зрения архитектурной выразительности является применение многоэлементных опор. Такие решения, в частности, дают положительный архитектурный эффект в вестибюлях, залах ожидания, учреждениях культуры и других общественных местах. Рис. иллюстрирует использование в качестве колонн трубчатых элементов переменного сечения с уровнями сварных «ответвлений», на которые опирается кровля. Геометрия и принцип работы таких опор приближает их к комбинированным несущим системам, более активным по по вектору. «Ветви» колонн не только служат для формирования выразительного внутреннего пространства, но также являются интересным конструктивным решением, позволяющим облегчить кровлю за счет равномерного снятия с нее нагрузки.