Размеры сечения колонн коробчатого сечения

Когда говорят о коробчатых колоннах, многие сразу представляют себе просто две сваренные С-образные балки – но на практике это один из самых коварных моментов в подборе сечений. В нашей практике на объектах ООО Шэньси Чжисинь Тяньхун Металл Мануфэкчуринг постоянно сталкиваемся с тем, что заказчики недооценивают влияние соотношения стенок на местную устойчивость.

Почему геометрия коробки сложнее, чем кажется

Возьмем типовой проект каркаса торгового центра – там часто требуются колонны с сечением 400×400. Казалось бы, берем лист 12 мм, варим короб – и готово. Но при высоте 12 метров и нагрузке в 2500 кН такая колонна начинает 'играть' не так, как ожидалось. Мы в ООО Шэньси Чжисинь Тяньхун Металл Мануфэкчуринг как-то переделывали колонны для логистического комплекса в Казани именно из-за этого – проектировщик заложил h/b=1.0, но не учтены были дополнительные крутящие моменты от несимметричных ригелей.

Особенно критично соотношение ширины полки к толщине – если b/tf превышает 35, уже нужны диафрагмы внутри. Но их установка увеличивает стоимость на 15-20%, поэтому многие подрядчики 'забывают' об этом. Мы же на производстве в Шэньси всегда делаем пробную сборку секций с контролем всех зазоров – даже при использовании современного CNC-оборудования.

Кстати, про оборудование – наш станок с ЧПУ для резки листа позволяет выдерживать отклонения по перпендикулярности не более 0.5 мм на метр, но даже это не спасает от проблем, если неверно рассчитаны размеры сечения. Как-то раз пришлось демонтировать уже смонтированные колонны на объекте мостового перехода – причина оказалась в том, что проектировщик не учел дополнительные напряжения от температурных деформаций покрытия.

Как мы подбираем сечения на реальных объектах

Для многоэтажных каркасов обычно используем коробчатые сечения от 300×300 до 600×600, но с вариацией толщин стенок от 10 до 25 мм. При этом верхние этажи часто делаем с более тонкими стенками – но тут важно не переборщить, иначе возникнут проблемы с монтажом (кран может деформировать секцию при подъеме).

В прошлом месяце как раз закончили проект каркаса для производственного цеха в Новосибирске – там пришлось для разных ярусов использовать колонны 350×350×12 и 350×350×16, хотя по расчетам можно было обойтись единым сечением. Но практика показала, что так надежнее – учли опыт аварии на похожем объекте в 2019 году, когда сэкономили на толщине стенки.

Особое внимание уделяем узлам сопряжения – если ригель приваривается непосредственно к стенке коробчатой колонны, нужно дополнительно проверять местные напряжения. Мы обычно усиливаем такие зоны ребрами жесткости, хотя это и увеличивает трудоемкость. Зато ни одного случая деформации за последние 5 лет.

Ошибки, которые дорого обходятся

Самая распространенная ошибка – использование равностенных сечений без учета реальной нагрузки. Например, для колонн, работающих преимущественно на сжатие, можно увеличить толщину вертикальных стенок, уменьшив толщину горизонтальных. Но многие типовые проекты этого не учитывают.

Помню случай на объекте в Уфе – заказчик настоял на использовании колонн 400×400×10 по всему зданию, хотя для центральных пролетов нужны были сечения с стенкой 14 мм. В результате при монтаже две колонны 'повело' – пришлось срочно усиливать накладными элементами, что обошлось дороже, чем изначальное применение разнопрочных сечений.

Еще один нюанс – антикоррозионная обработка. Если внутренняя полость коробчатой колонны плохо защищена, со временем коррозия 'съедает' расчетную толщину стенки. Мы в ООО Шэньси Чжисинь Тяньхун Металл Мануфэкчуринг разработали свою технологию двухэтапной обработки внутренних поверхностей – сначала пескоструйная очистка, затем напыление защитного состава под давлением.

Взаимосвязь размеров сечения и технологичности

При проектировании всегда приходится балансировать между оптимальным сечением по расчету и возможностями производства. Например, колонны сечением более 500×500 сложнее варить без деформаций – нужны специальные приспособления для сборки.

На нашем заводе в провинции Шэньси для таких случаев используем кондукторы с гидравлическими прижимами – это позволяет минимизировать коробление при сварке. Но даже так, для толстостенных коробок (от 20 мм) применяем ступенчатый режим сварки с обязательным контролем температуры.

Интересный момент – при увеличении размеров сечения растет не только металлоемкость, но и сложность транспортировки. Колонны длиной более 12 метров уже требуют специальных транспортных средств, а это дополнительная статья расходов. Поэтому иногда выгоднее делать составные колонны, хотя это усложняет монтаж.

Перспективные направления в проектировании коробчатых колонн

Сейчас все чаще рассматриваем варианты с использованием высокопрочных сталей – это позволяет уменьшить габариты сечений без потери несущей способности. Но тут есть свои подводные камни – например, сварка сталей с пределом текучести выше 450 МПа требует специальных технологий.

В последнем проекте для коммерческого центра в Москве применяли коробчатые колонны 320×320 из стали S355 – удалось снизить вес на 18% по сравнению с традиционным решением. Правда, пришлось дополнительно тренировать сварщиков и закупить новые расходные материалы.

Еще перспективное направление – комбинированные сечения, где коробчатая колонна заполняется бетоном. Это значительно увеличивает несущую способность и пожарную стойкость. Мы такие решения пока применяем редко – нет достаточного опыта, но уже ведем переговоры о совместном проекте с одной из российских проектных организаций.

В целом, тема размеров сечений коробчатых колонн далека от исчерпания – каждый новый объект приносит новые insights. Главное – не останавливаться на шаблонных решениях и постоянно анализировать реальное поведение конструкций после монтажа. Именно такой подход позволяет нам в ООО Шэньси Чжисинь Тяньхун Металл Мануфэкчуринг избегать серьезных ошибок и предлагать клиентам действительно надежные решения.