Металлические колонны: простые решения сложных задач

Строительство большинства современных объектов не обходится без применения металлических конструкций. Частота их использования обусловлена качественными свойствами, главным из которых является высокая устойчивость к различным внешним воздействиям. Основными элементами каркаса являются металлические колонны, обеспечивающие прочность всей металлоконструкции. Более подробно об их разновидностях, структуре и особенностях использования в строительстве, вы узнаете из нашей статьи.

Где применяются металлические колонны

С установки опор начинается большая часть строительных работ. После этого к ним крепятся другие части металлоконструкций: продольные и поперечные балки, стойки фахверка, стропильные фермы, перекрытия и т. д.

Несущими металлическими колоннами называются строительные опоры, которые предназначены для поддержания целостности здания и разграничения внутреннего пространства объекта. От качества колонн и правильности их установки будет зависеть не только внешний вид сооружения, но и безопасность его эксплуатации.

Предназначение стальных опор заключается в следующем:

• принимать нагрузку от перекрытий, стен и мостовых кранов;
• поддерживать крышу, ограждающие конструкции и верхние элементы несущего каркаса;
• равномерно распределять на фундамент общую массу внешних и внутренних частей сооружения, различного оборудования и посетителей здания;
• выдерживать агрессивное воздействие погодных условий;
• выступать в качестве декоративного элемента интерьера или экстерьера здания.

Каждая колонна одновременно выполняет несколько задач: обеспечивает устойчивость общей конструкции, разделяет пространство на части и связывает различные элементы каркаса. На металлические колонны в промышленных зданиях также закрепляют техническое оборудование. Стальные опоры крепки, надежны и могут эксплуатироваться на протяжении длительного времени.

Основные элементы металлической колонны

• Оголовок.

Это верхняя часть колонны, к которой присоединяются фермы, ригели, балки, рельсы мостовых кранов (в заводских цехах). Крепление может осуществляться двумя способами: сверху и сбоку. Если выбран шарнирный свободный вариант присоединения, то балка устанавливается поверх оголовка, который представляет собой плиту с ребрами жесткости.

Прочность и устойчивость такой конструкции обеспечивается за счет сварки и укрепления платформы дополнительными поперечными элементами. Если крепление осуществляется жестким методом, балку соединяют с боковой стороной опоры. К металлической колонне приваривают столик, на который укладывается ригель, ферма и т. д. Оголовок колонны предназначен для принятия внешней нагрузки и дальнейшей ее передачи на фундамент.

• Стержень

Так называют среднюю часть металлической колонны. Стержень – это тот участок, который испытывает постоянное воздействие на сжатие. В зависимости от предполагаемой нагрузки при проектировании каркаса здания рассчитывается оптимальная толщина стенок стержня. При необходимости он может быть оснащен дополнительными укрепляющими элементами. Косынки и ребра жесткости делают стержень более устойчивым и надежным.

В зависимости от вида стержни делятся на сплошные и сквозные (безраскосные, перфорированные и решетчатые). Большинство стержней изготавливается из одиночных широкополочных двутавровых балок или прокатных профилей.

• База

Так называется нижняя часть металлической колонны здания, которая соприкасается с фундаментом. Конструкция базы подбирается индивидуально, с учетом вида, высоты сечения стержня, выбранного способа монтажа металлической опоры и варианта прикрепления к фундаменту. Для присоединения колонны к фундаменту обычно используются анкерные болты. База может быть раздельной или сплошной, с траверсами или без.

• Консоли

Консоли необходимы для металлических опор, устанавливаемых в промышленных объектах строительства. Если в цехе или на складе планируется монтаж мостового крана, то рельсы для его движения прокладываются с упором на несущие опоры. Консоли предназначены для крепления металлических балок к металлическим колоннам.

Металлические несущие колонны изготавливаются производителем с использованием профильных труб либо двутавровых балок. Для того чтобы рассчитать размер стойки, необходимо определить прочность стенок колонны с учетом особенностей фундамента и всех присоединяемых элементов конструкции.

Проектирование металлических колонн осуществляется с учетом нижеперечисленных требований:

• минимальный расход материала (стали);
• легкость установки;
• однотипность параметров (в рамках одного объекта);
• минимальная затрата ресурсов при изготовлении;
• наличие простых и надежных стыков;
• минимальная площадь, занимаемая колонной на фундаменте;
• простота присоединения вспомогательных элементов общей конструкции;
• отсутствие сложных узлов и переходов.

Классификация металлических колонн

• В зависимости от конструктивных особенностей

Опоры постоянного сечения. Стержни таких опорных элементов имеют постоянный размер сечения. Рассматриваемая разновидность широко используется в зданиях различной этажности, ангарах, складах. Оптимальная высота металлической колонны постоянного сечения не должна превышать 12 м. Монтаж таких колонн в промышленных зданиях позволяет установить оборудование общей массой до 20 т.

Ступенчатые опоры. Выбор рассматриваемого типа металлических колонн обычно обуславливается необходимостью монтажа кранового оборудования с грузоподъемностью от 20 т. Конструкция колонны состоит из двух частей, при этом основная несущая является опорой для кровельной фермы, а подкрановая принимает нагрузку от кран-балки подъемного механизма. Соединение частей стержня осуществляется при помощи связей в виде сплошного листа или решетки из уголков.

Раздельные опоры. Данная конструкция состоит из двух обособленных металлических стоек, для соединения которых используются гибкие горизонтальные элементы. Чаще всего раздельные несущие колонны монтируются в промышленных зданиях с грузоподъемностью более 100 т и могут достигать 20 м в высоту. Помимо этого, раздельные колонны могут устанавливаться при многоярусном или низком расположении кранов, а также в случае проведения ремонтных работ в заводских помещениях.

• По методу восприятия нагрузки

Центрально-сжатые опоры. В данном случае давление передается строго по центральной оси стержня, что провоцирует центральное сжатие сечения. Продольные нагрузки при этом принимаются вспомогательными элементами.

Внецентренно-сжатые опоры. Действие сжимающей силы в них проходит по траектории, немного удаленной от центральной оси, как бы по изогнутой линии. Помимо этого, на колонну могут воздействовать и горизонтальные нагрузки. В таких случаях конструкция обычно имеет несимметричное сечение для более равномерного распределения нагрузки и уменьшения расхода материала и массы металлической колонны.

• По типу стержневого элемента

Сплошные опоры. Их конструкция включает в себя только стержневой элемент. В большинстве случаев сплошные колонны представляют собой сварной или прокатный двутавр. При одинаковой устойчивости в обоих направлениях сплошные колонны могут иметь крестообразную форму. Стоит отметить, что крестовое сечение по сравнению с двутавровым считается более жестким и надежным.

Сквозные опоры. Конструкция сквозных колонн чаще всего представляет собой две направляющие стержней, которые связаны решеткой. В целях укрепления опоры решетку обычно располагают в двух плоскостях, используя для ее изготовления одиночные уголки.

Расчет и изготовление металлических колонн

Выбор оптимального типа, размера колонны, а также способа ее установки должен зависеть от характеристик строительного объекта (количества этажей в здании), необходимости размещения мостового крана (или отсутствия таковой), технологии крепления каркасных элементов и т. д.

Производство колонн – ответственный процесс, требующий неукоснительного соблюдения всех расчетных формул. Большая часть элементов изготавливается на заказ работниками заводов металлоконструкций. Стоит ли говорить о том, что качество сварки и сборки всех металлических составляющих должно быть стабильно высоким. Организации, которые специализируются на производстве металлических опор, имеют в своем распоряжении современное техническое оснащение, что позволяет им изготавливать детали в соответствии со всеми требованиями и нормативами.

В качестве исходного сырья используют сталь, качественные свойства которой предварительно проверяются на предмет соответствия установленным стандартам.

Самые высокие требования предъявляются к установке металлических колонн в промышленных зданиях. Помимо того, что почти все производственные помещения имеют довольно высокие потолки, нагрузка усиливается за счет крепления к металлическим колоннам заводского оборудования. То есть безопасность и срок эксплуатации здания будет напрямую зависеть от качества несущих стальных опор. Стоит отметить, что большая их часть изготавливаются в целях монтажа в зданиях промышленной направленности.

В случаях, когда исходная длина или иные обстоятельства не позволяют изготовить стержень из цельного элемента, приходится соединять между собой несколько частей.

Монтаж металлических колонн

Установка металлических колонн должна осуществляться в соответствии со стандартами нижеперечисленных нормативных актов:

• «СП 13330.2011. Организация строительства. Актуализированная редакция СНиП 12-01-2004 (с Изменением № 1)»;
• «Строительные нормы и правила 3.01.03-84. Геодезические работы в строительстве»;
• Пособие к «Строительным нормам и правилам 3.01.03-84. Производство геодезических работ в строительстве»;
• 2Строительные нормы и правила 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции»;
• «Строительные нормы и правила II-23-81. Стальные конструкции»;
• «Строительные нормы и правила III-18-75. Металлические конструкции»;
• «Строительные нормы и правила II-90-81. Производственные здания промышленных предприятий»;
• «Стандарты Национального Объединения Строителей (СТО НОСТРОЙ) 2.33.14-2011 г. Организация строительного производства. Общие положения»;
• «Стандарты Национального Объединения Строителей 2.33.51-2011 г. Организация строительного производства. Подготовка и производство строительно-монтажных работ»;
• «Стандарты Национального Объединения Строителей 2.10.76-2012 г. Строительные конструкции металлические. Болтовые соединения. Правила и контроль монтажа, требования к результатам работ»;
• «Стандарты Национального Объединения Строителей 2.10.64-2012. Сварочные работы. Правила и контроль монтажа, требования к результатам работ»;
• «Строительные нормы и правила от 12 марта 2001 г. Безопасность труда в строительстве. Часть I. Общие требования»;
• «Строительные нормы и правила от 12 апреля 2002 г. Безопасность труда в строительстве. Часть II. Строительное производство»;
• «Руководящий документ от 11 февраля 2006г. Требования к составу и порядку ведения исполнительной документации при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте объектов капитального строительства и требования, предъявляемые к актам освидетельствования работ, конструкций, участков сетей инженерно-технического обеспечения»;
• «Руководящий документ от 11 мая 2007 г. Порядок ведения общего и (или) специального журнала учета выполнения работ при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте объектов капитального строительства».

Начальному этапу монтажных работ должна предшествовать тщательная подготовка, включающая в себя целый ряд организационно-технических мероприятий, а именно:

• разработку расчетно-технологической карты или проекта производства работ монтажа металлических колонн;
• назначение специалистов, которые будут нести ответственность за безопасное проведение монтажных работ, а также контролировать качество их выполнения;
• инструктирование всех участников рабочей группы относительно правил техники безопасности;
• определение места для хранения инвентаря, а также оборудование теплых бытовых помещений для приема пищи, сушки и хранения рабочей одежды, установку санузлов и т. д.;
• согласование и утверждение всех необходимых документов;
• подготовку необходимой техники и оборудования, в т. ч. их транспортировку на место строительства;
• обеспечение рабочих инструментарием в зависимости от специализации, выдачу средств индивидуальной защиты;
• доставку противопожарного инвентаря на место проведения работ;
• подготовку участка для хранения строительных материалов, изделий и конструкций;
• ограждение места строительства и установку предупредительных знаков, которые будут видны как в дневное, так и ночное время;
• обеспечение системы оповещения для управления рабочим процессом;
• проверку документации, подтверждающей высокое качество металлоконструкций и крепежных материалов, а также их соответствие установленным техническим стандартам;
• проверку работоспособности строительных машин, средств механизации работ и оборудования на предмет возможности выполнения действий, предусмотренных расчетно-технологической картой или проектом производства работ;
• составление документа о готовности к началу рабочего процесса;
• получение соответствующего разрешения на начало работ.

Процедура установки колонн мало чем отличается от аналогичного монтажа железобетонных конструкций.

Металлические колонны обычно присоединяют к основанию целиком, и лишь изредка, когда размеры опоры слишком велики, их собирают из нескольких составляющих.

Процесс установки металлических колонн включает в себя несколько взаимосвязанных этапов:

• транспортировка и размещение на месте предполагаемого монтажа;
• совокупность подготовительных действий: проверка качества колонны и ее соответствия техническому заданию, обустройство необходимых приспособлений и подмостков;
• захват колонны;
• подъем;
• наводка опоры на основание;
• выверка;
• временное закрепление;
• надежное закрепление.

Стойку поднимают при помощи строповки или полуавтоматических приспособлений. Чтобы избежать проскальзывания, между стропами и колонной прокладывают деревянные подкладки или отрезки стальных профилей.

Если говорить о продолжительности проведения работ, то самыми затратными в этом плане являются этапы выверки и временного закрепления колонны. Монтаж металлических колонн может осуществляться тремя способами:

• На стальные подкладки. Толщина подкладок варьируется от 4 до 5 см, а помещаются они между опорной плитой колонны и фундаментом. После установки и фиксации колонны анкерными болтами образовавшиеся щели заливаются цементным раствором.

Выбор данного способа создает необходимость соблюдения некоторых правил при укладке фундамента (его нельзя доводить до проектной отметки на заданную величину). К минусам рассматриваемого способа установки можно отнести тот факт, что он требует высокой точности проведения работ и повышенного расхода материала (т. к. процесс подгона сопровождается применением подкладок).

• Непосредственно на поверхность основания здания. В данном случае фундамент доводят до проектной отметки, но основание опоры после ее установки не укрепляется цементной смесью. Здесь очень важно соблюдать одно правило: отклонения поверхности, на которую устанавливают колонну, не должны превышать 0,5 см.
• На дополнительные плиты (безвыверочный монтаж). Плиты устанавливают заранее и подливают цементным раствором. В данном случае важно, чтобы нижняя часть металлической колонны имела строганую поверхность.

Независимо от выбранного способа установки, основной акцент должен быть сделан на точности расчета металлических колонн, проверке соответствия изделий установленным стандартам, а также высоком качестве монтажных работ.

Способы соединения металлических колонн

Узлы металлических балок – это соединения нескольких стальных каркасов. Соединительные детали изготавливаются в основном промышленным способом и имеют типовые параметры. Благодаря стыковым элементам длина металлической опоры может увеличиваться в несколько раз.

Узлы крепления металлических колонн позволяют соединить обособленные друг от друга составляющие, получив в результате общую конструкцию, размеры которой будут соответствовать всем предъявляемым требованиям.

• Узлы, изготовленные для сопряжения всех металлических балок

Состоят из нескольких частей. Различаются в зависимости от своих конструктивных особенностей и широко применяются при строительстве различных зданий. Такие узлы могут изготавливаться как промышленным способом, так и в рамках возведения определенного строительного объекта.

• Сопряжения со специальными колоннами из стального материала

Балочная конструкция может соединяться с металлическими опорами при помощи шарнирного или жесткого крепления. Однако большинство специалистов рекомендует опирать балки поверх и подавать всю нагрузку только в центральной части профильного каркаса колонны.

• Крепеж с боковой стороны

При осуществлении крепежа с боковой стороны, помимо сжимающей нагрузки во всем каркасе, возникает момент, при котором из-за действия данной силы появляется дополнительная линия нагрузки, отклоняющаяся от центральной оси (т. е. нагрузка на металлический каркас увеличивается).

Для правильного распределения нагрузки на каркас каждое его ребро должно выступать от своего уровня в среднем на 1,5-2 см. Впоследствии эти же ребра придется немного укоротить, чтобы общая нагрузка могла передаться на всю площадь конструкции.

• Процесс опирания балок с верхней части металлических колонн

Так же, как и в вышеописанном способе, следует опереть балки через ребро и довести до головки колонн. После этого их необходимо соединить и закрепить при помощи болтов.

Между балками нужно будет установить соответствующие пластины, чтобы в дальнейшем не пришлось стягивать их вместе. Стоит отметить, что можно опереть сразу две балки на один оголовок колонны.

Ключевым элементом рассматриваемой соединительной схемы является балка, расположенная на нижней полке на самом оголовке каждой колонны. Обратите внимание, что ее придется усилить ребром.

Ребро следует закрепить таким образом, чтобы оно оказалось над самой полкой колонны.

Следующим шагом будет скрепление балок при помощи болтов и накладных пластинок (не забывайте следить за равномерным распределением нагрузки).

Во избежание образования излишних узлов опирания металлических колонн не следует соединять все балки с верхней части. Ребра на колоннах в данном случае не потребуются. Между ними рекомендуется оставить небольшое расстояние (1-2 см).

• Шарнирные крепления на колонны сбоку

При любом креплении сбоку необходимо определять степень отклонения линии нагрузки от центральной оси. Использование шарнирного крепежа повлечет за собой передачу нагрузки только через опорное ребро и только на опорный стол.

Для изготовления опорных столиков обычно используют прочные стальные листы. Присоединяются столики при помощи сварки с трех основных сторон. Общая ширина опорного столика должна на 2–4 см превышать размер балочного ребра.

Отверстия делают таким образом, чтобы их диаметр на 0,3-0,4 см превышал диаметр используемых для присоединения болтов.

При использовании шарнирных крепежей ребра в колонну каркаса не потребуются. Между опорным ребром и колонной устанавливается металлическая прокладка толщиной не более 0,5 см.

• Сопряжение с металлическими колоннами в жестком варианте

Изготовить соединительный элемент можно не только при помощи болтов, но и с использованием сварочного аппарата.

Стоит отметить, что применение болтов считается наиболее оптимальным вариантом, поскольку в этом случае почти все детали разрабатываются и выпускаются на производстве. То есть при сборке каркаса потребуется лишь установить детали и посильнее затянуть болты.

Между опорными балками и колонной нужно будет проложить несколько тонких стальных листов, чтобы все элементы плотно прилегали друг к другу. Даже незначительные зазоры недопустимы.