Svařované sloupy. Účel, zatížení, klasifikace
Sloupy slouží k přenosu zatížení z výše umístěných konstrukcí přes základy do země. Každý sloupec se skládá ze 3 hlavních částí:
tyč – hlavní nosný prvek sloupu;
hlavu, která slouží jako podpěra nadložní konstrukce a roznáší zatížení po průřezu tyče;
základna (botka), která roznáší koncentrované zatížení z tyče po povrchu základu a zajišťuje sloupek v základu.
Nejběžnější typy sloupků.
Nejjednodušší sloup z hlediska konstrukce je válcovaný I-nosník. Nízká boční tuhost takového sloupku však neumožňuje použití válcovaného I nosníku v případech, kdy je použito dodatečné ztužení (vazníky) v rovině nižší tuhosti.
Složené I-paprskové sekce se staly široce používanými.
Řezy prvků (police a stěny) jsou zvoleny tak, aby byla zajištěna stejná tuhost v obou směrech. Takové sloupy se celkem snadno vyrábějí a jsou ekonomické z hlediska spotřeby kovu. Z ekonomického hlediska jsou trubkové sloupy ještě racionálnější. Kvůli nedostatku potrubí se však takové sloupy používají zřídka.
Stále častěji se používají sloupy vyrobené z válcovaných širokopřírubových I-nosníků. Tento profil má vysokou tuhost jak v rovině, tak z roviny stěny a vyžaduje minimální náklady na výrobu sloupu.
V některých případech se používají i jiné sekce.
Podle toho, jak je zatížení sloupem přenášeno, se rozlišují středově a excentricky stlačené sloupy.
Středově stlačené sloupy pracují pod podélnou silou působící podél osy sloupu a způsobují rovnoměrné stlačení průřezu.
Středově stlačené sloupy mohou být buď plnostěnné, nebo příhradové. Masivní sloupy se používají pro velká zatížení a malé výšky, zatímco příhradové sloupy se používají naopak pro lehké zatížení a velké výšky.
U středově stlačených sloupů působí zatížení buď přímo na střed části sloupu, nebo symetricky vzhledem k ose tyče.
Excentricky stlačené sloupy kromě axiálního stlačení od podélné síly pracují také v ohybu od momentu.
Sloupce jsou rozděleny:
podle typu – s konstantní a proměnnou výškou sekce;
dle provedení průřezu tyče – na plnostěnné a příhradové (průchozí), skládající se ze samostatných větví spojených vzpěrami nebo prkny.
Základní principy návrhu svařovaných sloupů
Hlava sloupu je oporou pro nadložní konstrukci (nosník, vazník) a roznáší soustředěné zatížení na sloup rovnoměrně po průřezu táhla.
Konstrukce umístěné nahoře spočívají na sloupu shora nebo jsou připevněny k boku. V případě podepření shora se často používá řešení, kdy podpěrná jednotka nadložní konstrukce má příčné žebro s vyfrézovaným koncem vyčnívajícím o 15-20 mm, přes které se přenáší tlak na sloup.
Někdy se používá řešení, kdy je nosný tlak přenášen vnitřním žebrem umístěným nad přírubou sloupu.
Pokud je síla z nadložní konstrukce přenášena přes nosnou desku na vyfrézovaný konec sloupu, jsou svary uchycující nosnou desku převzaty z návrhových hledisek minimálního průřezu podle SNiP. Výkres poskytuje pokyny pro frézování konce sloupu.
V případě přenosu tlaku přes vyčnívající konec žebra se podpěrný tlak přenese nejprve na nosnou desku hlavy sloupu, poté na nosné žebro hlavy, z tohoto žebra na stěnu sloupu (nebo na příčník v průchozím sloupu) a poté rovnoměrně rozloží po průřezu táhla. Nosná deska hlavice slouží k přenosu tlaku z konců nosníku na nosná žebra hlavice, její tloušťka se proto neurčuje výpočtem, ale konstrukčními hledisky (nepřesnost shody žeber nosníku a sloupu, deformace nosné desky od svařování apod.), obvykle se bere 16-25 mm.
Ze základní desky je tlak přenášen na nosná žebra hlavy prostřednictvím vodorovných svarů, které připevňují konce žeber k desce.
Když jsou konstrukce podepřeny na sloup ze strany, vertikální reakce se přenáší přes hoblovaný konec nosného žebra nosníku na konec podpěrného stolu a odtud na polici sloupu. Tloušťka podpěrného stolu se bere o 5-10 mm větší než tloušťka podpěrného žebra nosníku. Pokud podpěrná reakce nosníku nepřesahuje 200 kN, je podpěrný stůl vyroben z tlustého úhelníku s odříznutou policí. Pro větší reakci je stůl vyroben z plechu s hoblovaným horním koncem. Švy uchycující stůl ke sloupu (každý samostatně) se počítají na 2/3 reakce podpěry. To zohledňuje možnou nerovnoběžnost konců nosníku a stolu v důsledku výrobních nepřesností a s tím spojenou nerovnoměrnost přenosu tlaku mezi konci.
Nosná hrana nosníku je připevněna k přírubě sloupu pomocí šroubů s hrubou nebo normální přesností, umístěných v otvorech, jejichž průměr je o 3 mm větší než průměr šroubů, protože existují případy, kdy s malými odchylkami v otvorech nosník může viset na šroubech a nesmí se dotýkat podpěrného stolu.
Základna sloupu (botka) slouží k rovnoměrnému rozložení soustředěného tlaku z tyče sloupu po podpěrné ploše a zajišťuje upevnění spodního konce sloupu v souladu s přijatým konstrukčním schématem.
U centrálně stlačených sloupů mohou být základny kloubové nebo tuhé. Sklopné základny mají jednodušší konstrukci. Jsou připevněny kotevními šrouby přímo k základní desce (dva, někdy i čtyři kotevní šrouby). U silně zatížených sloupů se instalují příčníky a žebra pro rovnoměrné rozložení tlaku při přenosu na nosnou desku.
Pevné základny mají obvykle alespoň čtyři kotevní šrouby, které jsou připevněny k příčkám. Proto je po dotažení šroubů vyloučeno otáčení sloupu na podpěře.
Tloušťka základové nosné desky se stanoví výpočtem. Z konstrukčních důvodů by však neměla být menší než 20 mm.
Kotevní šrouby se také používají z konstrukčních důvodů: pro základny závěsů o průměru 20-30 mm nebo více (v závislosti na nosnosti sloupu). Při instalaci se kotevní šrouby vkládají do speciálních oušek, jejichž šířka je o 10-30 mm větší než průměr šroubu, nebo procházejí mezi příčníky. Poté se na šrouby umístí podložky o tloušťce 20-30 mm s otvory o 3 mm větší než je průměr šroubu nebo kotevní desky o tloušťce 30-40 mm. Matice jsou utaženy a podložky (dlaždice) jsou přivařeny k desce nebo příčníkům pomocí montážního svařování.
U lehkých sloupů je základní deska obvykle přivařena k příčníkům a tyči sloupu. U těžkých sloupů se častěji používá způsob instalace bez vyrovnání. V tomto případě se vyfrézuje konec sloupu a povrch desky, deska se pomocí instalačních šroubů vyrovná do projektované polohy na základu, zalije se tekutou maltou a poté se sloup na desku osadí.
Délka zapuštění kotevního šroubu, délka závitu a maximální velikost oka se bere v závislosti na průměru kotevního šroubu podle SNiP.
Základy sloupů jsou obvykle instalovány 500-1000 mm pod úrovní podlahy budovy a jsou betonovány pro ochranu proti korozi.
Patky excentricky stlačených průchozích sloupů mají mnoho společného s patami středově stlačených sloupů, protože větve sloupu jsou zatíženy středovou podélnou silou. Proto je výpočet a návrh patek excentricky stlačovaných průchozích sloupů obdobný jako výpočet a návrh patek středově stlačovaných sloupů.
V případě velkého ohybového momentu a nevýznamné podélné síly může dojít k napětí v jedné z větví sloupu a bude mít tendenci se odtrhnout od základu. Napnutá větev je přitažena k základu kotevními šrouby, takže v tomto případě šrouby fungují a jejich průřez je určen výpočtem.
Patky excentricky stlačených masivních sloupů mají protáhlý tvar v rovině působení momentu a velké osazení kotevních šroubů.
Při navrhování patek sloupů, kdykoli je to možné, se snažíme používat jednoduchá řešení s minimálním počtem dílů a švů dostupných pro svařování.
Příhradové (průchozí) sloupy.
Větve sloupu jsou navzájem spojeny pomocí úhlových výztuh, desek (pásů) a výztuh vyrobených z gitrowelded trubek (GSP). Spojení větví sloupu s diagonálami dává tyči větší tuhost. Takové sloupy se používají pro významná zatížení, jakož i pro malé odchylky podélné síly od osy tyče.
Excentricky komprimované sloupy.
Současné působení podélné síly a ohybového momentu je znakem excentricky stlačených sloupů. To také určuje charakteristiky jejich průřezu, na rozdíl od centrálně stlačených sloupů. Často je asymetrický, protože působením momentu je jedna strana sekce zatížena a druhá nezatížena. Strana, která nese ohybový moment, má rozvinutější (vyšší) průřez.
Excentricky stlačené sloupy mohou být buď plné nebo průchozí, s konstantní nebo proměnnou výškou průřezu.
V objemových sloupech, které nesou malé síly, a také když ohybový moment může působit v obou směrech, se používají symetrické řezy.
Prostřednictvím excentricky stlačených sloupů.
Přítomnost ohybového momentu způsobuje značnou příčnou sílu, takže větve excentricky stlačeného sloupu jsou spojeny s diagonální mříží. Symetrické průřezy tyčí sloupů se používají pro malé síly nebo v případech, kdy ohybové momenty působí v obou směrech. Při jednostranném momentu jsou větve sloupů zatěžovány nerovnoměrně a asymetrická řešení jsou racionálnější. Šířka obou větví se obvykle považuje za stejnou z důvodu pohodlí upevnění mřížových výztuh.
Průchozí sloupy fungují jako paralelní pásové vazníky.
Větve sloupu se po stanovení vypočtených sil v nich posuzují na stabilitu v obou rovinách analogicky s posudkem stability větví středově tlačených průchozích sloupů.
U průchozího sloupu jako jediné tyče složeného profilu se nekontroluje stabilita z roviny působení momentu, protože ta je zajištěna kontrolou stability v tomto směru obou větví.
Aby se zabránilo kroucení, jsou větve sloupů spojeny pevnými příčnými membránami, které jsou umístěny přibližně každých 3-5 m.
Příhradové prvky průchozího excentricky stlačeného sloupu se počítají pro větší z příčných sil: skutečnou, která se určí při statickém výpočtu, nebo konvenční, zjištěnou stejným způsobem jako u středově stlačených sloupů.