Компоновка балочных конструкций

Компоновка балочных конструкций

При проектировании конструкции балочного покрытия рабочей пло­щадки цеха, проезжей части моста или другой аналогичной конструкции необходимо выбрать систему несущих балок, обычно называемую балоч­ной клеткой.

Балочные клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный, нормальный и усложненный (рис.).

Рис. Типы балочных клеток

а - упрощенный; б - нормальный; в - усложненный

 

В упрощенной балочной клетке нагрузка на пере­крытие передается через настил на балки настила, располагаемые обычно параллельно меньшей стороне перекрытия на расстояниях а (шаг балок) и через них на стены или другие несущие конструкции, ограни­чивающие площадку. Балки настила обычно принимают прокатными.

В усложненной балочной клетке вводятся еще до­полнительные, вспомогательные балки, располагаемые между балками настила и главными балками, передающими нагрузку на колонны. В этом типе балочной клетки нагрузка передается на опоры наиболее длинно. Чтобы снизить трудоемкость перекрытия, балки настила и вспо­могательные балки обычно принимаются прокатными.

 

Сопряжение балок. Размеры балочной клетки

Выбор типа балочной клетки связан и с вопросом о сопряжении ба­лок между собой по высоте. Сопряжение балок может быть этажное, в одном уровне и пониженное.

Рис. Сопряжения балок

а - поэтажное; б - в одном уровне; в - пониженное

При этажном сопряжении (рис. а) бал­ки, непосредственно поддерживающие настил, укладываются на глав­ные или вспомогательные. Это наиболее простой и удобный в монтажном отношении способ сопряжения балок, но он требует наибольшей строи­тельной высоты.

При сопряжении в одном уровне (рис. б) верх­ние полки балок настила и главных балок располагаются в одном уровне, а на них опирается настил. Этот способ позволяет увеличить высоту главной балки при заданной строительной высоте перекрытия, но су­щественно усложняет конструкцию опирания балок.

Пониженное сопряжение (рис. в)применяется в балочных клетках усложненного типа. В нем вспомогательные балки примыкают к главной ниже уровня верхнего пояса главной, на нихпоэтажно уклады­вают балки с настилом, которые располагаются над главной балкой. Этот тип сопряжения, так же как и сопряжение в одном уровне, позво­ляет иметь наибольшую высоту главной балки при заданной строитель­ной высоте перекрытия.

Главные балки обычно опирают на колонны и располагают вдоль больших расстояний. Расстояние между балками настила определяется несущей способностью настила и обычно бывает 0,6 - 1,6 м при стальном и 2 - 3,5 м при железобетонном настиле.

Расстояние между вспомогательными балками обычно назначается в пределах 2-5 м, и оно должно быть кратно пролету главной балки. При выборе этого расстояния надо стремиться получить минимальное число вспомогательных балок, причем прокатных. Установив направле­ние, пролет главных балок и расстояние между балками настила, вы­бирают тип и компонуют балочную клетку таким образом, чтобы общее число балок было наименьшим, балки под настилом и вспомогательные балки были прокатными, а сопряжения между балками были простыми и удовлетворяли имеющейся строительной высоте перекрытия,

При этом следует принимать наиболее простой тип балочной клетки с наиболее коротким путем передачи нагрузки на опоры.

Таким образом, выбор рационального типа балочной клетки и ти­па сопряжения балок в ней зависит от многих факторов, и целесо­образность выбора для данных конкретных условий может быть ус­тановлена только сравнением возможных вариантов конструктивного решения.

Настилы балочных клеток

Настилы балочных клеток бывают весьма разнообразными в зависи­мости от назначения и конструктивного решения перекрытия. Очень часто поверх несущего настила устраивают защитный настил, который может быть из дерева, асфальта, кирпича и других материалов.

В качестве несущего настила чаще всего применяют плоские сталь­ные листы или настил из сборных железобетонных плит.

В последнее время начинают использовать щитовой настил, состоя­щий из несущего стального листа, имеющего сверху защитный слой и подкрепленного снизу продольными и поперечными ребрами. Щиты на­стила имеют размер до 3x12 м и укладываются на балки перекрытий. Такой настил индустриален и значительно ускоряет монтаж.

Полезная нагрузка настила перекрытий задается равномерно распре­деленной интенсивностью до 40 кН/м², а предельный относительный про­гиб принимают не более 1/150.

Р ис. 7.5. Плоский стальной настил

Толщина стенки балки

Наименьшая толщина стенки из условия ее ра­боты на касательные напряжения определяется из формулы Н.Г. Журавского:

,

где Q - максимальная поперечная сила;

S - статический момент полусечения балки относительно нейтральной оси;

I - момент инерции сечения балки;

t_w - толщина стенки;

R_s - расчетное сопротивление материала стенки на срез.

Для определения толщины стенки можно также воспользоваться формулой

.

Чтобы обеспечить местную устойчивость стенки без дополнительного укрепления ее продольным ребром, необходимо иметь λ_w < 5,5: тогда

.

В высоких балках толщина стенки берется меньшей и достигает 1/200 - 1/250 высоты, что требует укрепления стенки, способного обес­печить ее устойчивость.

Таким образом, задача определения толщины стенки оказывается вариантной, влияющей на экономичность сечения балки и требующей очень внимательного к себе отношения. Для балок высотой 1 - 2 м рациональное значение толщины стенки можно определить по эмпирической формуле:

(мм).

Толщина стенки должна быть согласована с имеющимися толщина­ми проката листовой стали. Обычно минимальную толщину стенки при­нимают не менее 8 мм (очень редко 6 мм).

 

Стыки балок

Различают два типа стыков балок: заводские и монтажные (укруп-нительные).

Заводские стыки представляют собой соединения отдельных частей какого-либо элемента балки(стенки, пояса), выполняемые из-за недо­статочной длины имеющегося проката. Их расположение обусловлено длиной проката или конструктивными соображениями (стык стенки не должен совпадать с местом примыкания вспомогательных балок, с реб­рами жесткости и т. п.). Чтобы ослабление сечения балки заводским стыком было не слишком велико, стыки отдельных элементов обычно располагают в разных местах по длине балки, т. е. вразбежку.

Монтажные стыки выполняются при монтаже, они необходимы тог­да, когда масса или размеры балки не позволяют перевезти и смонти­ровать ее целиком. Расположение их должно предусматривать членение балки на отдельные отправочные элементы, по возможности одинаковые (в разрезной балке стык располагают в середине пролета или симмет­рично относительно середины балки), удовлетворяющие требованиям транспортирования и монтажа наиболее распространенными средст­вами.

Стыки прокатных балок (заводские и монтажные) выполняют, как правило, сварными.

 

Опирания и сопряжения балок

Сопряжения балок. Сопряжения главных и второстепенных балок между собой бывают: этажные, в одном уровне верхних поясов и с по­ниженным расположением верхних поясов второстепенных балок (рис.).

Рис. Сопряжение балок шарнирное

а - поэтажное; б - в одном уровне на болтах; в - пониженное

Этажное сопряжение (рис. а) является простейшим, но оно из-за возможного отгиба пояса главной балки может передавать лишь не­большие опорные реакции. Это сопряжение можно усилить, поставив под вспомогательной балкой ребро жесткости и пригнав его верхний торец к верхнему поясу главной балки для предотвращения отгиба.

Сопряжения в одном уровне и пониженное сопряжение способны пе­редавать большие опорные реакции. Неудобство сопряжения в одном уровне (рис. б) - необходимость выреза верхней полки и части стенки вспомогательной балки. Этот вырез ослабляет ее сечение и уве­личивает трудоемкость сопряжения; кроме того, число болтов, которые можно разместить на стенке балки, ограничено. Избежать этих не­удобств можно, приварив на заводе к торцу вспомогательной балки ко­ротыш из уголка, и уже его сопрягать на монтаже болтами или сваркой с ребром жесткости главной балки (рис. в ).

В этих сопряжениях опорная реакция со стенки примыкающей вспо­могательной балки передается через болты или монтажную сварку на специальное ребро, укрепляющее стенку главной балки. В качестве ра­ботающих применяют болты нормальной точности, а при больших опорных реакциях вспомогательных балок - высокопрочные болты.

Все рассмотренные сопряжения балок работают как шарнирные. При необходимости жесткого сопряжения балок (рис.) вводят «рыбки» (при одинаковой высоте балок) или «рыбку» и столик (при различной высоте балок). В таком сопряжении возникает не только поперечная сила, передающаяся на болты, прикрепляющие стенку вспомогательной балки к ребру главной балки или непосредственно на столик, но и опорный момент, передающийся через специальные наклад­ки-рыбки или через «рыбку» и столик.

Рис. Жесткое сопряжение балок

Центрально сжатые колонны

Центрально-сжатые колонны (рис. а) применяются для поддер­жания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих пло­щадках, путепроводах, эстакадах и т. п.

Рис. Схемы центрально сжатых стержней

 

Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фун­даменты и состоят из трех частей:

оголовок, на который опирается вышележащая конструкция, нагру­жающая колонну;

стержень — основной конструктивный элемент, передающий нагрузку от оголовка к базе;

база, передающая нагрузку от стержня на фундамент.

Колонны и сжатые стержни бывают сплошными или сквозными.

Сплошные колонны

Обычно сечение сплошной колонны проектируют в виде широкопо­лочного двутавра, прокатного или сварного. Различные типы сечений сплошных колонн показаны на рис.

Чтобы колонна была равноустойчивой, гибкость ее в плоскости оси х должна быть равна гибкости в плоскости оси у.

Прокатный двутавр вследствие незначительной ширины его полок меньше всего отвечает требованию равноустойчивости и по­этому применяется редко.

 

Рис. Типы сечений сплошных колонн

 

У прокатного широкополочного двутавра (рис. а) может быть b = h, что не удовлетворяет условию равноустойчивости, но все же дает сечение, вполне пригодное для колонн.

Сварные колонны, состоящие из трех листов (рис. б), достаточ­но экономичны по затрате материала, так как могут иметь развитое сечение, обеспечивающее колонне необходимую жесткость. Сварной двутавр является основным типом сечения сжатых колонн.

Равноустойчивыми в двух направлениях и также простыми в изго­товлении являются колонны крестового сечения. При небольших нагрузках они могут составляться из двух уголков крупного калибра (рис. в); из трех листов свариваются тяжелые колонны (рис. г).

Простыми, но ограниченными по площади и менее экономичными по расходу стали получаются колонны из трех прокатных профилей (рис. 8.2, е).

При заполнении стальной трубы бетоном получается эффективная комплексная конструкция (трубобетонная), в которой труба является оболочкой, стесняющей поперечные деформации заключенного внутри бетонного цилиндра. В этих условиях работы прочность бетона на сжа­тие значительно увеличивается, исключаются потери местной устойчиво­сти трубы и коррозии внутренней ее поверхности.

Трубы могут быть из малоуглеродистой, и из низколегированной стали, бетон приме­няют высоких марок - от 250 до 500 и выше.

Сквозные колонны

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит из двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой решетками (рис. а-в). Ось, пересекающая ветви, называется матери­альной; ось, параллельная ветвям, называется свободной. Расстояние между ветвями устанавливается из условия равноустойчивости стержня.

 

Рис. Типы сечений сквозных колонн

 

Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить полками внутрь (рис. а), так как в этом случае решетки получаются меньшей шири­ны и лучше используется габарит колонны.

Более мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или свар­ных двутавров (рис. в).

В сквозных колоннах из двух ветвей необходимо обеспечивать зазор между полками ветвей (100-150 мм) для возможности окраски внут­ренних поверхностей.

 

Снеговая нагрузка

Ветровая нагрузка

В связи с тем что скорость ветра достаточно рез­ко меняется, эта нагрузка воздействует динамически, но в низких широ­ких зданиях не появляются колебания от ветра и для них рассматрива­ется только статическая составляющая, связанная с разницей давлений внутри помещения и снаружи у стеновых (или кровельных) огражде­ний. Для высоких и узких зданий (высота более 36 м, отношение высоты к пролету более 1,5) учитывается динамическое воздействие ветра.

Давление ветра на высоте 10 м над поверхностью земли в открытой местности, называемое нормативным значением ветрового давления Wo, зависит от района строительства. Ветровая нагрузка меняется по высоте, но в нормах при­нято, что до высоты 10 м от поверхности земли ветровое давление не ме­няется. Увеличение ветрового давления при большей вы­соте учитывается коэффициентами k, разными при разной высоте и при разных защищенностях от ветра проектируемого здания.

 

 

Конструкции покрытия

Покрытие производственного здания состоит из кровельных (ограж­дающих) конструкций, несущих элементов (прогонов, ферм, фонарей), на которые опирается кровля, и связей по покрытию, обеспечивающих пространственную неизменяемость, жесткость и устойчивость всего покрытия и его отдельных элементов.

Конструкция кровли

Покрытие производственного здания решается с применением про­гонов или без них. В первом случае между стропильными фермами че­рез 1,5-3 м устанавливают прогоны, на которые укладывают мелко­размерные кровельные плиты, листы, настилы. Во втором случае непосредственно на стропильные фермы укладывают крупно­размерные плиты или панели шириной 1,5-3 м и длиной 6 или 12 м, совмещающие функции несущих и ограждающих конструкций.

Кровля по прогонам получается легче вследствие небольшого проле­та ограждающих элементов, но требует большего расхода металла (на прогоны) и более трудоемка в монтаже. Беспрогонная кровля индустриальна и проста в монтаже, обеспечивает меньший расход стали (при применении железобетонных панелей); основной недостаток ее - боль­шая масса.

Снижение массы кровельной конструкции имеет важ­ное значение, ибо уменьшает стоимость не только конструкции кровли, но и всех нижерасположенных конструкций: фонарей, ферм, колонн и фундаментов.

Выбор конструкции кровли производится на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов с учетом технологических и экономических факторов - назначения здания, температурно-влажностного режима внутрицеховой среды, стоимости возведения, наличия производственной базы по изготовлению крупноразмерных панелей в районе строительства, условий транспортировки, обеспеченности мон­тажными механизмами и т. д.

 

 

Покрытия по прогонам

Прогоны устанавливают на верхний пояс стропильных ферм в их узлах. В качестве прогонов применяют прокатные балки, гнутые про­фили либо легкие сквозные конструкции (при шаге ферм больше 6 м). Кровельные покрытия бывают теплыми (с утеплителем) в отапливае­мых производственных зданиях и холодными без утеплителя (для не­отапливаемых зданий, а также горячих цехов, имеющих избыточные тепловыделения от технологических агрегатов).

Для теплых кровель в качестве несущих элементов, укладываемых по прогонам, широко используется стальной профилированный настил. Применяют также мелкоразмерные керамзитобетонные, армоцементные и асбестоцементные плиты, трехслойные панели типа сэндвич, состоя­щие из двух металлических листов, между которыми расположен утеп­литель, или монопанели с несущим слоем из профилированного настила и гидроизоляцией из мягкой кровли.

Профилированный настил (рис.) изготовляют из оцинкованной рулонной стали толщиной t=0,8; 0,9; 1 мм; высота профиля h=40, 60 и 80 мм; ширина B = 680, 711 и 782 мм; длина до 12 м.

Профилированные листы укладывают по прогонам, расположенным через 3-4 м. При шаге стропильных ферм 4 м настил может опираться непосредственно на фермы.

Настил крепится к прогонам самонарезающими винтами. Между собой листы настила соединяются комбинированными заклепками, по­зволяющими вести клепку с одной стороны настила. Масса настила – 10-15 кг/м².

Холодные кровли выполняют из волнистых асбестоцементных, стальных или алюминиевых листов, укладываемых по прогонам, распо­ложенным через 1,25-1,5 м. Масса асбестоцементных листов в сред­нем 20 кг/м². Стальные волнистые листы изготовляют из холодноката­ной стали толщиной от 1 до 1,8 мм. Высота волны h=30 и 35 мм. Мас­са 15-20 кг/м². Алюминиевые волнистые листы имеют толщину 0,6 - 1,2 мм и массу 5 - 7 кг/м². Волнистые листы крепят к прогонам с по­мощью специальных упругих кляммеров или крюков из круглой стали.

Для обеспечения водоотвода в местах стыков волнистые листы пере­пускают внахлестку на 150 - 200 мм, при этом уклон кровли для асбе­стоцементных листов должен быть не менее 1/4; а для стальных и алю­миниевых — не менее 1/6.

Во избежание электрохимической коррозии в местах контакта алю­миния со сталью при установке алюминиевых листов на стальные про­гоны соприкасающиеся поверхности покрывают специальными грунтами (например, АЛГ) или применяют изолирующие прокладки. Стальные метизы для крепления листов нужно оцинковывать или кадмировать.

 

Рис.Теплая кровля со стальным профилированным настилом

а - профилированный настил; б - комбинированная заклепка; в - узел кровельного покрытия; 1 - стальной стержень; 2 - алюминиевая втулка; 3 - самонарезающий винт; 4- комбинированные

 

Беспрогонные покрытия

Для покрытий производственных зданий широко применяют различ­ного вида крупнопанельные железобетонные плиты шириной 3 м и дли­ной 6 и 12 м. Продольные ребра плит опираются непосредственно в уз­лах верхнего пояса ферм и привариваются минимум по трем углам. Иногда в качестве доборных применяют плиты шириной 1,5 м. В этом случае верхний пояс ферм необходимо рассчитать с учетом ме­стного момента от внеузловой передачи нагрузки или поставить допол­нительные шпренгели, подкрепляющие верхний пояс в местах опирания плит. Типы плит покрытия и их характеристики указаны в каталогах типовых сборных железобетонных изделий.

Основной недостаток крупнопанельных железобетонных плит - их большой собственный вес (1,4 - 2,1 кН/м²), что утяжеляет все нижеле­жащие конструкции каркаса здания.

Для снижения нагрузок от покрытия в последнее время находят применение металлические панели шириной 1,5 и 3 м и длиной 6 и 12 м. Масса таких панелей в 4 - 5 раз меньше, чем железобетонных. По срав­нению с кровлей по прогонам металлические панели более индустриальны и позволяют значительную часть работ по устройству кровли пе­ренести на заводы металлических конструкций или в специализирован­ные мастерские. Однако расход стали на них по сравнению с прогонным решением несколько больше за счет дополнительных элементов, необ­ходимых для обеспечения жесткости панелей при транспортировке и монтаже.

Прогоны

Прогоны воспринимают нагрузку от кровли и передают ее на стро­пильные конструкции. Прогоны бывают сплошного сечения и решетча­тые. Сплошные прогоны тяжелее решетчатых, но значительно проще в изготовлении и монтаже. Они применяются при шаге ферм 6 м. Сплош­ные прогоны обычно изготовляются из прокатных швеллеров, реже из двутавров. Более рациональны прогоны из гнутых профилей швеллер­ного, С-образного и Z-образного сечения. Такие прогоны мо­гут иметь развитую высоту при тонкой стенке. Для обеспечения местной устойчивости полок устраивают отгибы.

При легкой кровле и небольших снеговых нагрузках прогоны из гну­тых профилей могут применяться при шаге ферм до 12м. При больших нагрузках более рациональны сквозные прогоны из перфорированного двутавра («сквозной» двутавр) и тонкостенных балок.

По расходу стали прогоны из «сквозных» двутавров приближаются к решетчатым, а по стоимости на 10-15 % дешевле.

Еще более эффективно использование для прогонов тонкостенных
балок. Учет закритической стадии работы стенки позволяет уменьшить
ее толщину и принять гибкость стенки (отношение высоты к толщине)
200 - 300. Такие прогоны на 8—18 % легче решетчатых. Для изготовле­ния тонкостенных балок-прогонов разработана поточная линия с при­менением высокочастотной сварки

Компоновка балочных конструкций

При проектировании конструкции балочного покрытия рабочей пло­щадки цеха, проезжей части моста или другой аналогичной конструкции необходимо выбрать систему несущих балок, обычно называемую балоч­ной клеткой.

Балочные клетки подразделяют на три основных типа: упрощенный, нормальный и усложненный (рис.).

Рис. Типы балочных клеток

а - упрощенный; б - нормальный; в - усложненный

 

В упрощенной балочной клетке нагрузка на пере­крытие передается через настил на балки настила, располагаемые обычно параллельно меньшей стороне перекрытия на расстояниях а (шаг балок) и через них на стены или другие несущие конструкции, ограни­чивающие площадку. Балки настила обычно принимают прокатными.

В усложненной балочной клетке вводятся еще до­полнительные, вспомогательные балки, располагаемые между балками настила и главными балками, передающими нагрузку на колонны. В этом типе балочной клетки нагрузка передается на опоры наиболее длинно. Чтобы снизить трудоемкость перекрытия, балки настила и вспо­могательные балки обычно принимаются прокатными.