Каркас и ограждающие конструкции здания. Элементы каркаса

Современные производства размещаются в многоэтажных и одно­этажных зданиях. По числу пролетов одноэтажные здания подразделяются на однопролетные и многопролетные.

Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепят­ся к каркасу здания.

Каркас, т. е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и пе­редающий на фундаменты нагрузки от веса ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия, нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консоль­ные краны), температурные технологические воздействия и т.п., может выполняться из железобетона, смешанным (т. е. часть конструкций - железобетонные, часть - стальные) и стальным.

Пример конструктивной схемы стального каркаса двухпролетного производственного здания показан на рис.

Рис. Конструктивная схема каркаса двухпролетного производственного здания

1 - колонны; 2 - стропильные фермы; 3 - подкрановые балки;

4 - светоаэрационные фонари; 5 - связи между колоннами

Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения, быть надежной, долговечной и наиболее экономичной.

Большое влияние на работу каркаса здания оказывают краны. При проектировании каркаса здания необходимо особо учитывать режим работы мостовых кранов, который зависит от назна­чения здания и производственного процесса в нем.

Краны с электрическим приводом могут работать в четырех режи­мах (независимо от грузоподъемности):

1К-3К - работают с большими перерывами, редко поднимая грузы, масса которых близка к грузоподъемности. Это обычно краны, не связанные с технологией производства, а предназначенные для крат­ковременных монтажных и ремонтных работ;

4К - обеспечивают технологический процесс в механических и сборочных цехах со среднесерийным производством;

5К-6К - работают в цехах с крупносерийной продукцией (ме­ханосборочные, кузнечно-прессовые и т. п.), а также в некоторых цехах. металлургического производства;

7К-8К - все численные характеристики режима ра­боты, близки к единице. Это обычно краны цехов металлургического производства, в том числе и краны с жестким подвесом груза (напри­мер, клещевые краны зданий нагревательных колодцев прокатных це­хов).

Краны 1К-6К режимов работы имеют гибкий подвес груза.

Режим работы кранов и тип подвеса груза учитываются при проек­тировании каркасов. Например, при кранах весьма тяжелого режима работы должны быть обеспечены большая продольная и поперечная жесткость каркаса, большая надежность и выносливость подкрановых балок.

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проекти­руются так, что несущая способность (включая жесткость) поперек здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль - продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями.

Поперечные рамы каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых сечений).

Продольные элементы каркаса - это подкрановые конструкции, под­стропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или ребра стальных кровельных панелей).

Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого фахверка (а иногда и продольного), площадок, лестниц и других элементов здания..

Конструктивные схемы каркасов достаточно многообразны. В карка­сах с одинаковыми шагами колонн по всем рядам наиболее простая кон­структивная схема - это поперечные рамы, на которые опираются под­крановые конструкции, а также панели покрытия или прогоны (рис. а, б).Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение экс­плуатационных требований в большинстве машиностроительных цехов, в которых оборудование удобно размещается при относительно неболь­ших шагах колонн по внутренним рядам (6-12 м).

При необходимости освещения с помощью поперечных фонарей их конструкции также могут быть использованы для опирания панелей по­крытия (рис. а, в). При необходимости больших шагов колонн по всем рядам можно использовать схему с продольным фонарем, несу­щим часть нагрузки от покрытия (рис. г). На конструкции фона­ря опираются прогоны, расположенные параллельно фермам. Для опи­рания другого конца прогонов между колоннами устраивается подстро­пильная ферма.

При больших пролетах и шагах колонн эффективно применяются каркасы с пространственным ригелем (рис. е).Ригель рамы вы­полняется в виде коробчатого сквозного сечения с консолями, на кото­рые опираются конструкции фонаря.

 

 

Рис. Конструктивные схемы каркасов

Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений (жесткое, шарнирное) ригеля с колонной (рис.).

Рис. Виды сопряжения ригеля с колонной и расчетные схемы поперечных рам

При жестком сопряжении (рис. а) конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечивает передачу моментов и в расчетной схеме принимается жесткий узел. При жестком сопряжении горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на раму с шарнирным сопряжением. Большая жесткость необходима в цехах с мостовыми кранами, работающими весьма интенсивно. В этих цехах горизонтальные перемеще­ния колонн могут препятствовать нормальной эксплуатации мостовых кранов. Однако жесткое сопряжение препятствует типизации ферм, на которые в этом случае передаются значительные опорные моменты, раз­ные для рам с разными параметрами. Поэтому жесткое сопряжение можно рекомендовать главным образом для однопролетных каркасов большой высоты при кранах 5К-8К режимов работы с числом циклов загружения крановой нагрузкой 2∙10⁶ и более. В остальных однопролетных каркасах более целесообразно шарнирное сопряжение (рис. б).

Опирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструи­руется жесткими (см. рис. а-в),но возможно решение, при котором только часть колонн сопрягается с фундаментом жестко, а часть - шарнирно (рис. г). Такое решение часто оказывается эко­номически выгодным при больших тепловыделениях во время эксплуатации здания.Подкрановые конструкции в большинстве случаев опираются на ко­лонны каркаса.

38.Размещение колонн в плане

Размещение колонн в плане принимают с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов. Оно должно быть увязано с габаритами технологического оборудования, его расположением и на­правлением грузопотоков. Размеры фундаментов под колонны увязыва­ют с расположением и габаритами подземных сооружений (фундамен­тов под рабочие агрегаты, боровов, коллекторов и т.п.). Колонны раз­мещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы, т.е. в многопролетных цехах колонны разных рядов устанавли­ваются по одной оси.

Согласно требованиям унификации промышленных зданий, расстоя­ния между колоннами поперек здания (размеры пролетов) назначают­ся в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6 м (иногда 3 м); для производственных зданий L=18, 24, 30, 36 м и более. Расстояния между колоннами в продольном направлении (шаг колонн), при­нимают кратными 6 м. Шаг колонн однопролетных зданий, а также шаг крайних (наружных) колонн многопролетных зданий обыч­но не зависит от расположения технологического оборудования и его принимают равным 6 или 12 м. У торцов зданий колонны обычно смещаются с мо­дульной сетки на 500 мм для возможности использования типовых ог­раждающих плит и панелей с номинальной длиной 6 или 12 м. Смеще­ние колонн с разбивочных осей имеет и недостатки, поскольку у торца здания продольные элементы стального каркаса получаются меньшей длины, что приводит к увеличению типоразмеров конструкций.

При больших размерах здания в плане в элементах каркаса могут возникать большие дополнительные напряжения от изменения темпера­туры. Поэтому в необходимых случаях здание разрезают на отдельные блоки поперечными и продольными температурными швами. Нормами проектирования установлены предельные размеры температурных бло­ков, при которых влияние климатических температурных воздействий можно не учитывать.

 

 

39.Связи

Связи - это важные элементы стального каркаса, которые необхо­димы для:

· обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов;

· восприятия и передачи на фундаменты некоторых нагрузок (ветро­вых, горизонтальных от кранов);

· обеспечения совместной работы поперечных рам при местных нагруз­ках (например, крановых);

· создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормаль­ных условий эксплуатации;

· обеспечения условий высококачественного и удобного монтажа.

Связи подразделяются на связи между колоннами и связи между фермами (связи шатровые).

39.Связи между колоннами

Система связей между колоннами предназначены для обеспечения во время эксплуата­ции и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении (воспринимая при этом неко­торые нагрузки), а также устойчивость колонн из плоскости попереч­ных рам. Для этого необходимы хотя бы один вертикаль­ный жесткий диск по длине температурного блока и система продоль­ных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему. В жесткие диски (рис.) включены две колонны, под­крановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неиз­меняемость. Решетка чаще проектируется крестовой, элементы которой работают на растяжение при любом направлении сил, передаваемых на диск, и треугольной (рис. б), элементы которой работают на растяжение и сжатие.

При размещении жестких дисков (связевых блоков) вдоль здания нужно учитывать возможность перемещений колонн при температурных деформациях продольных элементов (рис. а). Если поставить дис­кипо торцам здания (рис. б), то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) возникают значительные температурные усилия. Поэтому при небольшой длине здания (температурного блока) ста­вится вертикальная связь в одной панели (рис. а).

 

Рис. Расположение связей между колоннами

а - в коротких зданиях (или температурных отсеках); б - в длинных; 1-колонны; 2 - распорки; 3 - ось температурного шва; 4 - подкрановые балки

Вертикальные связи между колоннами ставят по всем рядам колонн здания; располагать их следует между одними и теми же осями.

Связи, устанавливаемые в пределах высоты ригелей в связевом бло­ке и торцовых шагах, проектируют в виде самостоятельных ферм (мон­тажного элемента), в остальных местах ставят распорки.

Ветровая нагрузка на торец здания воспринимается стойками тор­цевого фахверка и частично передается на связи по нижнему поясу ферм. Связи шатра передают ветровую силу в ряды колонн.

 

40.Связи по покрытию

Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают: устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм; перераспределение местных нагрузок (например, крано­вых), приложенных к одной из рам, на соседние рамы; удобство мон­тажа; заданную геометрию каркаса; восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок. Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикаль­ных связей. Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижне­го, верхнего поясов ферм и верхнего пояса фонаря. Горизонтальные свя­зи состоят из поперечных и продольных.

Рис. Связи между колоннами и расчетные схемы колонн из плоскости рам

Рис. Связи между фермами

а - по верхним поясам ферм; б - по нижним поясам ферм; в - вертикальные; 1 - распорка в коньке; 2 - поперечные связевые фермы; 3 - про­дольная связевая ферма; 4 - растяжка по ниж­нему поясу; 5 - вертикальные связи

Элементы верхнего пояса стропильных ферм сжаты, поэтому необ­ходимо обеспечить их устойчивость из плоскости ферм. Ребра кровель­ных плит и прогоны могут рассматриваться как опоры, препятствующие смещению верхних узлов из плоскости фермы при условии, что они за­креплены от продольных перемещений связями,

Вертикальные связи вместе с поперечными связевыми фермами по верхним и нижним поясам обеспечивают создание жестких простран­ственных блоков у торцов здания. К этим блокам распорками и растяж­ками привязывают промежуточные фермы.