Расчет опорной плиты базы стальной колонны

Назначение базы колонны и её конструктивные элементы

База колонны — опорный узел, через который вся нагрузка от надземной части здания или сооружения передаётся на фундамент. В стальных конструкциях база выполняет сразу несколько функций: распределяет сосредоточенное усилие по площади опирания, обеспечивает фиксированное или шарнирное сопряжение с фундаментом и позволяет выполнить регулировку отметки и положения колонны в плане при монтаже.

Типовая база сплошностенчатой колонны включает опорную плиту (подошву), траверсы, рёбра жёсткости и анкерные болты. В базах относительно небольших колонн при осевой нагрузке до нескольких тысяч килоньютонов часто обходятся без траверс — усилие передаётся непосредственно через сварные швы колонны к плите. При больших нагрузках или наличии значительного изгибающего момента применяются траверсы, которые принимают на себя поперечную силу и увеличивают эффективную длину сварных швов.

В зависимости от конструктивной схемы различают жёсткие и шарнирные базы. Жёсткая база передаёт на фундамент не только продольную силу, но и опорный изгибающий момент; шарнирная воспринимает только продольную силу и поперечную силу. Выбор схемы напрямую влияет на расчётные длины стержней колонн и на конструктивное решение сопряжения с фундаментом.

Определение площади и плановых размеров опорной плиты

Расчёт опорной плиты колонны начинается с определения её минимально необходимой площади. Условие прочности задаётся из того, чтобы среднее давление под плитой не превышало расчётного сопротивления бетона фундамента смятию. Расчётное сопротивление бетона локальному сжатию принимается с учётом коэффициента, зависящего от отношения площади фундамента к площади опирания плиты и устанавливаемого по нормам проектирования бетонных и железобетонных конструкций.

Требуемая площадь опорной плиты определяется как отношение расчётной продольной силы в колонне к принятому расчётному сопротивлению бетона смятию. Полученное значение округляют в сторону увеличения и назначают плановые размеры плиты с учётом конструктивных требований: плита должна выступать за грани колонны не менее чем на величину, обеспечивающую размещение траверс и сварных швов. Обычно привязка размеров ведётся к сортаменту листового проката.

При наличии изгибающего момента эпюра давления под плитой становится трапециевидной или треугольной. В этом случае площадь плиты проверяется из условия, что максимальное краевое давление не превышает расчётного сопротивления бетона смятию. Если момент велик настолько, что часть плиты отрывается от фундамента, в расчёт вводятся растягивающие усилия, воспринимаемые анкерными болтами.

Расчёт толщины опорной плиты

Толщина опорной плиты определяется расчётом на изгиб. Плита рассматривается как пластина, нагруженная снизу равномерно распределённым реактивным давлением фундамента. В зависимости от условий опирания отдельных участков плиты применяются различные расчётные схемы: консольный выступ, пластина, опёртая по трём сторонам (в зоне траверс), и пластина, опёртая по четырём сторонам (в центральной зоне между траверсами).

Для каждого из характерных участков вычисляется изгибающий момент на единицу ширины. Максимальный из полученных моментов определяет расчётную толщину плиты из условия прочности на изгиб. Формула выглядит так: требуемая толщина равна корню квадратному из отношения удвоенного расчётного момента к расчётному сопротивлению стали на растяжение. Расчётное сопротивление стали принимается по ГОСТ 27772 в зависимости от марки проката — для С245 оно составляет 240 МПа, для С345 — 315 МПа при толщине листа до 20 мм.

Полученную расчётную толщину округляют до ближайшего значения из сортамента листового проката и сравнивают с конструктивным минимумом — 20 мм. Для баз, монтируемых на подливке без последующей фрезеровки, дополнительного припуска обычно не требуется; для баз с фрезерованной опорной плоскостью к расчётной толщине добавляют 5–8 мм на механическую обработку. Итоговая принятая толщина не должна быть меньше расчётной.

Конструирование и расчёт траверс

Траверсы устанавливаются параллельно стенке двутавровой или трубчатой колонны и приваривают её к опорной плите угловыми швами. Главная задача траверс — передать продольное усилие от полок и стенки колонны непосредственно к опорной плите, разгрузив тем самым швы прикрепления стержня колонны. Кроме того, траверсы существенно увеличивают жёсткость узла при действии момента.

Высота траверсы подбирается из условия размещения расчётной суммарной длины угловых швов прикрепления траверсы к опорной плите и к стержню колонны. Расчётная длина шва определяется из условия восприятия доли вертикальной нагрузки, приходящейся на данный шов. Катет углового шва принимается конструктивно с учётом минимальных значений, установленных действующими нормами для соответствующей толщины листового металла.

Толщина листа траверсы обычно принимается равной толщине стенки колонны или несколько больше — для обеспечения сварки в удобном положении. При больших нагрузках дополнительно проверяется устойчивость траверсы как пластины на срез и изгиб. Если высота траверсы оказывается значительной, между траверсами устанавливают горизонтальные рёбра жёсткости, воспринимающие распор.

Расчёт анкерных болтов

В базах колонн, нагруженных только центрально приложенной сжимающей силой, анкерные болты конструктивно обеспечивают устойчивость положения колонны при монтаже и воспринимают случайные поперечные воздействия. В этом случае болты назначаются конструктивно — как правило, 4 болта диаметром 24–36 мм в зависимости от размеров сечения колонны.

В базах внецентренно-сжатых колонн, особенно при больших опорных моментах, часть болтов может оказаться в зоне растяжения. Здесь проводится полноценный расчёт: определяется положение нейтральной оси на эпюре давления под плитой, после чего вычисляется суммарное растягивающее усилие в болтах из условия равновесия момента. Требуемая площадь сечения болтов определяется делением этого усилия на расчётное сопротивление стали болтов растяжению.

Анкерные болты для баз колонн изготавливают из конструкционных сталей в соответствии с действующими нормами на анкерные болты — в частности, на прямые и изогнутые анкера. Глубина заделки болта в фундаменте рассчитывается из условия восприятия выдёргивающего усилия за счёт сцепления и механического зацепления с бетоном. Расстояния между болтами и от болтов до края фундамента регламентируются расчётом и конструктивными требованиями норм.

Овальные отверстия в опорной плите, через которые пропускаются болты, делаются увеличенного диаметра относительно тела болта — порядка 20 мм дополнительного зазора в каждую сторону. Это позволяет выполнить точную выверку колонны в плане при монтаже. После выверки зазор заполняется подливочным раствором, который обеспечивает контактную передачу нагрузки по всей опорной плоскости.

Марки стали для опорных плит и элементов базы

Опорные плиты, траверсы и рёбра жёсткости баз колонн изготавливают из листового проката по ГОСТ 27772. Для неответственных конструкций при умеренных нагрузках и положительных расчётных температурах применяется сталь С235 или С245. При повышенных нагрузках, а также в климатических районах с расчётной температурой ниже минус 40 °С целесообразно использовать сталь С345 категорий, обеспечивающих нормируемую ударную вязкость при низких температурах.

Следует помнить, что с увеличением толщины листа расчётные сопротивления стали снижаются. Для листов толщиной свыше 40 мм значения Ry и Rs уменьшаются, и это необходимо учитывать при расчёте толстых опорных плит нагруженных колонн. ГОСТ 27772 устанавливает предельные толщины проката для каждой марки и класса стали, и выход за эти пределы недопустим без специального согласования.

Анкерные болты изготавливают из сталей, предусмотренных нормами на анкерные болты. Для гаек используют стали, обеспечивающие совместимость с материалом болта и исключающие срыв резьбы. Антикоррозионная защита баз колонн — критически важный вопрос: в агрессивных средах и при эксплуатации в промышленных зданиях толщина покрытия и его тип определяются проектом антикоррозионной защиты в соответствии с действующими нормами.

Особенности базы внецентренно-сжатой колонны

Колонны промышленных зданий, особенно подкрановые, как правило, работают при значительном изгибающем моменте у основания. В этом случае конструкция базы существенно усложняется. Опорная плита делается несимметричной либо разбивается на две зоны — сжатую и растянутую. Со стороны растяжения болты рассчитываются на выдёргивание, а со стороны сжатия производится проверка на смятие бетона.

При расчёте внецентренно-нагруженной базы необходимо задаться начальным приближением размеров и последовательно уточнять их итерационно: принять размеры плиты, вычислить краевые давления, проверить прочность бетона и болтов, скорректировать размеры, повторить расчёт. Современные программы расчёта стальных конструкций — КРИСТАЛЛ, SCAD, Advance Design — автоматизируют эту процедуру, однако инженер-конструктор обязан понимать логику расчёта для корректной интерпретации результатов.

Жёсткость базы при передаче момента обеспечивается не только размерами плиты, но и высотой траверс и жёсткостью болтового соединения. В ряде случаев для увеличения плеча болтов применяют выносные упорные пластины — «консоли» базы. Конструктивное решение при этом усложняется, но несущая способность узла по моменту существенно возрастает. Все эти решения требуют тщательного расчёта и отражения в рабочих чертежах марки КМ.

Монтажные и технологические требования

Качество монтажа базы колонны во многом определяет долговечность и надёжность всего несущего каркаса. Опорная плита устанавливается на анкерные болты, предварительно выверенные по нивелиру. Зазор между плитой и поверхностью фундамента обычно составляет 40–60 мм и заполняется подливочным раствором с ненулевой прочностью — после набора прочности подливки затягиваются гайки анкерных болтов.

Критичным является момент затяжки анкерных болтов: недотяжка не обеспечивает расчётного прижатия плиты к подливке, перетяжка грозит срывом резьбы или повреждением болта. При наличии в проекте требований к усилию затяжки монтажники обязаны использовать динамометрические ключи и документировать результат в исполнительной документации.

После завершения монтажа каркаса необходимо выполнить антикоррозионную защиту базовых узлов. Подготовка поверхности, тип грунтовки и финишного покрытия определяются проектом в зависимости от степени агрессивности среды. Особого внимания требуют зоны примыкания опорной плиты к бетонному фундаменту — здесь возможно накопление влаги и ускоренная коррозия при нарушении герметизации. При комплектации металлоконструкций через сервисных интеграторов, таких как Stalfa, согласование требований к грунтовке и защитным покрытиям включается в техническое задание на этапе заказа, что позволяет избежать несоответствий при поставке.

Частые вопросы