Для ряда многоэтажных зданий, в которых технологические требования диктуют необходимость "нетиповых" высот этажей, а иногда и повышенных полезных нагрузок на перекрытия, оказывается экономически целесообразным применять стальные каркасы.
Высказанные при рассмотрении и анализе железобетонных каркасов соображения по выбору конструктивных схем, в частности рекомендации по свя-зевым системам каркаса, относятся в полной мере и к стальным каркасам.
Остановимся на вопросах, связанных с выбором конструкций элементов стального каркаса.
Колонны. Наиболее широкое применение получили следующие конструктивные формы колонн (рис. 10.14): двутаврового сечения с разновидностями в виде колонн, сваренных из трех листов универсальной стали, и в виде колонн, ском-
понованных из двух швеллеров; колонны крестового сечения с разновидностями в виде колонн, сваренных из листов универсальной стали, и в виде колонн, сваренных из составленных крестом прокатных уголков; колонны в виде слябов или составные из толстых полос.
Анализируя различные типы сечений колонн, можно проследить развитие конструктивных форм колонн от составных двутаврового сечения к составным крестового сечения и далее к использованию колонн наиболее компактных сечений - в виде слябов или составных из полос. В этой эволюции сечений находит отражение принцип последовательного упрощения конструктивных форм.
Из сварных колонн наибольшее распространение получили, особенно на первом этапе многоэтажного строительства, колонны двутаврового сечения. Однако сварные колонны двутаврового сечения обладают рядом недостатков и прежде всего значительными деформациями от усадки сварных швов - винто-образиостью, серповидностью, грибовид-ностью и перекосами полок (см. рис. 10.14, в).
Винтообразность вызывается крутящими моментами, возникающими в связи с усадочными деформациями поясных швов и прилегающих к ним зон нагрева основного металла, которые приводят к закручиванию ствола колонны. При этом поворот сечений колонн может достигать 2-3 мм на протяжении каждого метра. Из-за закручивания колонн увеличивается трудоемкость их изготовления и возникают осложнения при монтаже. Во избежание нарастания закручивания приходится при установке "разворачивать" колонны, при этом для того, чтобы обеспечить необходимую плоскость опирания в стыках, торцы уширяют приваркой к ним на монтаже строганых планок. Вследствие серповидно-сти колонн, вызываемой неравномерной продольной усадкой поясных швов, на монтаже возникают значительные отклонения колонн от вертикали, а это приводит к "раскрытию" стыков, которое приходилось устранять забивкой в стыки шлифованных прокладок.
Вполне понятно, что все указанные меры повышают трудоемкость изготовления колонн двутаврового сечения.
Помимо того, остаточные деформации отрицательно сказываются на несущей способности колонн: в деформированных колоннах возникают эксцентрицитеты в передаче усилия, появляются дополнительные изгибающие моменты, ухудшается передача усилий в раскрытых стыках и т. д, что приводит к появлению дополнительных напряжений в металле.
Более целесообразны колонны крестового сечения, впервые примененные в здании МГУ (см. рис. 10.14). Деформации, возникающие при сварке поясных швов, значительно меньше, чем в колоннах двутаврового сечения; объясняется это положением поясных швов вблизи центра тяжести сечения. Трудоемкость изготовления колонн крестового сечения ниже, чем колонн двутаврового сечения
Проведенные в ЦНИПС в 1949- 1950 гг. экспериментальные исследования работы колонн крестового сечения на осевое сжатие показали их высокую несущую способность; в частности, установлено, что пластические деформации могут свободно развиваться на глубину до четверти высоты сечения и только после этого возникает потеря местной устойчивости колонн. Этим определяется преимущество колонн крестового сечения по сравнению с колоннами двутаврового сечения, в которых при появлении фибровой текучести выключается из работы полностью полка, что, естественно, резко сказывается на уменьшении несущей способности всего сечения.
Ценное качество колонн крестового сечения - идентичность узловых сопряжений с ригелями в обоих направлениях: это упрощает изготовление и монтаж конструкций и способствует унификации и стандартизации узловых деталей и ригелей.
Однако колонны крестового сечения не лишены некоторых недостатков: их жесткость на 15-20% меньше, чем колонн двутаврового сечения. Кроме того, при применении колонн крестового сечения в стальном каркасе необходимо конструировать их в нижних этажах из большого числа листов (см. рис. 10.14). Присоединение дополнительных листов при помощи электрозаклепок многодельно и трудоемко.
Применение колонн крестового сечения наиболее целесообразно в качестве жесткой арматуры железобетонных каркасов, в которых не требуется сильно развитых многолистовых сечений и не имеет существенного значения несколько меньшая жесткость их по сравнению с двутавровыми сечениями. Здесь рационально применять сечения из двух прокатных уголков (см. рис. 10.14,6). Выгодно также создание компактного прямоугольного сечения из толстых полос.
Меньшая свобода компоновки сечений колонн из прокатных профилей, чем составных из листов, не имеет значения в железобетонных каркасах, где варьирование сечений можно производить за счет изменения количества гибкой арматуры и марки бетона. Такой прием образования железобетонных сечений дает не только экономию стали, но и позволяет свести к минимуму количество типов жесткой арматуры и осуществить тем самым большую типизацию элементов стальных конструкций.
Рациональное решение баз колонн представляет конструкция в виде стальной опорной плиты, на которой устанавливается нижняя монтажная марка колонны. По статической работе это решение характеризуется передачей усилия с колонны через фрезерованный торец непосредственно на строганую поверхность фрезерованной плиты. Положение плиты выверяется с помощью нижних регулировочных гаек или регулировочных болтов (рис. 10.15).
Дальнейшее упрощение базы колони, применяемой в железобетонной колонне с жесткой арматурой, может быть достигнуто благодаря передаче доли усилия, приходящегося на бетонное сечение колонны, непосредственно на фундамент с помощью уширенного железобетонного башмака. В этом случае необходимая площадь и толщина стальной опорной плиты, воспринимающей лишь долю усилия, приходящегося на жесткую армату-
ру, значительно уменьшается. Отверстия для анкерных болтов следует выносить за пределы опорной плиты на приваренные к торцам плиты планки не большой толщины (благодаря этому не придется высверливать или прожигать дыры в толстой стальной плите).
Монтажное крепление колонны к опорной плите выполняется при помощи обварки торца колонны по контуру.
Наиболее распространенной конструкцией стыков колонн (рис. 10.16), работающих на большие нагрузки, является решение с передачей усилий через фрезерованные торцы.
