Общая характеристика каркасов производственных зданий

Ii. Компоновка поперечных рам.

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных (генеральных) габаритных размеров элементов рамы. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая ее нулевой. Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Все размеры принимают в соответствии с основными положениями по унификации.

1. Размеры по вертикали

Вертикальные габариты зависят от технологических условий производства.

Основные величины: h₁, h₂, H, h_в, h_н, h.

h₁ – минимальная отметка головки кранового рельса, которая задается из условия необходимой высоты подъема крюка над уровнем пола.

h₂ – расстояние от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия, зависящее от вертикального габарита мостового крана.

h₂= (h_к+100) +a

где h_к – вертикальный габарит крана по ГОСТ;

100мм – зазор, установленный по требованиям техники безопасности;

а = 200 400мм – размер, учитывающий прогиб конструкций покрытия (для больших пролетов – больший размер)

Окончательный размер h₂ назначают кратным 200мм.

H- высота цеха от уровня пола до низа конструкций покрытия. H принимают кратным 1,2 м при H 10,8 м и 1,8м при H >10,8м из условия соизмеримости со стандартными ограждающими конструкциями.

В отдельных случаях принимают H кратным 0,6м.

Изменение H производят за счет увеличения h₁, оставляя h₂минимально необходимым.

Высота подкрановой части от верха колонны до низа стропильных ферм

h_в=h₂+h_п.б.+h_p

где h₂ – определено ранее;

h_п.б – высота подкрановой балки. Ее определяют при подборе сечения подкрановой балки, который нужно выполнить до статического расчета рамы;

h_p – высота подкранового рельса, принимается по ГОСТ.

Высота подкрановой части колонны

h_н=H – h_в.+ (0,6 1) м.

где 0,6 1,0м – заглубление колонны ниже уровня пола.

Общая высота стойки рамы (колонны) от низа фермы (ригеля) до низа базы.

h = h_н + h_в

Высота колонны у опоры ригеля h_оп зависит от принятой конструкции стропильных ферм и равна их высоте на опоре.

2. Размеры по горизонтали

Привязка наружной грани колонны к продольной разбивочной оси принимается:

1) b₀=0 в зданиях без мостовых кранов или с мостовыми кранами Q 300кН при B=6 м и H 8 10 м;

2) b₀=500 мм в высоких зданиях с кранами Q 750 кН, а также в зданиях «особого» режима, если в надкрановой части колонны устраиваются проемы для прохода;

3) b₀=250 мм во всех остальных случаях. Из условия необходимой жесткости ширину верхней части колонны принимают b_в h_в, как правило, b_в=2 b₀, т.е. b_в=500 мм или 1000 мм и тогда разбивочная ось располагается по середине верхней части колонны.

Чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси колонны до оси подкрановой балки должно быть

B₁+(b_в- b₀) + (60 75) мм,

где B₁- часть кранового моста, выступающего за ось подкранового пути (принимается по ГОСТ на краны);

b_в- b₀ – расстояние от разбивочной оси до внутренней грани верхней части колонны;

60 75 – зазор между краном и колонной устраивается по требованиям техники безопасности, принимается по ГОСТ на краны.

Пролеты кранов имеют модуль 500 мм, поэтому размер должен быть кратным 250 мм. Исходя из этого принимают:

1) =750мм для кранов Q 500 кН при отсутствии проходов в надкрановой части колонны;

2) =1000мм для кранов Q 1250 кН, а также при наличии внутренних проходов в надкрановой части колонны;

3) ³1250мм для некоторых специальных и очень тяжелых кранов при наличии проходов вне колонны.

Сквозные проходы вдоль подкрановых путей должны предусматриваться в зданиях с тяжелым и весьма тяжелым режимом работы кранов.

Ось подкрановой ветви колонны обычно совмещена с осью подкрановой балки; в этом случае ширина нижней части колонны крайнего ряда b_н=b_о - .

Из условия обеспечения жесткости колонны при тяжелом режиме работы кранов необходимо, чтобы b_н h.

Верхняя часть колонны обычно проектируется сплошной; нижняя часть при b_н 1000 мм – сплошной; при b_н>1000 мм – сквозной.

Для легких промышленных зданий с кранами небольшой грузоподъемности иногда применяют сквозные или сплошные колонны постоянного сечения (b_н=b_в) с расположением подкрановых балок на консолях; ширина таких колонн должна быть не менее h.

Размеры пролета здания L и пролета крана L_к связаны зависимостью L= L_к +2 .

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.

В конструкциях покрытия наибольшее распространение получили два конструктивных решения: с применением продольных прогонов и без них. В первом случае по стропильным фермам укладывают с шагом 1,5 или 3 м легкие несущие элементы – прогоны, на которые опираются мелкоразмерные кровельные плиты; во втором – непосредственно на фермы кладут крупноразмерные плиты или панели, совмещающие функции прогонов и плит.

Ii. Покрытия с прогоном.

Наиболее простыми прогонами являются балки из прокатных швеллеров или двутавров (в том числе и перфорированных) при шаге строительных ферм до 6 м. Прогоны устанавливают на верхний пояс фермы в ее узлах.

Кровельные покрытия бывают теплыми (с утеплением) в отапливаемых производственных зданиях и холодными без утеплителя (для неотапливаемых зданий, а также горячих цехов, имеющих избыточные тепловыделения от технологических установок).

Для теплых кровель в качестве несущих элементов, укладываемых по прогонам применяют стальной профилированный настил из оцинкованной листовой стали. Применяются также мелкоразмерные асбоцементные, армоцементные, керамзитобетонные плиты, а также трехслойные панели, состоящие из двух металлических листов, между которыми расположен утеплитель.

Холодные кровли выполняют из волнистых алюминиевых, стальных, или асбоцементных листов.

В горячих цехах целесообразна кровля из плоских стальных листов.

Сплошные прогоны, расположенные на скате кровли, работают на изгиб в двух плоскостях.

Хотя при небольших уклонах кровли q_y невелика, вследствие малой жесткости прогона относительно оси y-y напряжения от нее получаются большими. Чтобы уменьшить изгибающий момент от скатной составляющей, прогоны раскрепляют тяжами из круглой стали d=18 22мм, уменьшающими расчетный пролет прогона в плоскости ската.

Тяжи ставят между всеми прогонами, за исключением конькового. Составляющие нагрузки на прогон q_y и q_x в зависимости от угла наклона ската кровли

q_x= q_y×cos ; q_y= q×sin .

Значение изгибающих моментов в плоскости меньшей жесткости прогона зависят от числа тяжей. При шаге ферм 6м ставят 1 тяж, при шаге 12 м или крутом скате ставят 2 тяжа.

Изгибающий момент в плоскости ската определяется как в неразрезной двух или трех пролетной балке.

Максимальные напряжения в прогоне от совместного действия изгиба в двух плоскостях

Прочность прогонов разрешается проверять с учетом развития пластических деформаций

Если кровельный настил крепится к прогонам жестко и образует сплошное полотнище, то скатная составляющая будет восприниматься самим полотнищем кровли. В этом случае необходимость в тяжах отпадает, и прогоны можно рассчитывать только на нагрузку q_x. Общую устойчивость прогонов не проверяют. Прогиб прогонов проверяют от нормативной нагрузки только в плоскости его большей жесткости. Он не должен превышать 1/200 пролета.

При шаге ферм 12 м применение сплошных прогонов увеличивает расход стали. В этом случае применяют сквозные прогоны.

Сквозные прогоны рассчитывают как фермы с соответствующей системой решетки и неразрезным верхним поясом. Верхний пояс прогонов работает на сжатие с изгибом в одной плоскости, если нет скатной составляющей нагрузки, или в двух плоскостях. Остальные элементы испытывают продольные усилия.

Беспрогонное покрытие.

Для беспрогонного покрытия широкое распространение получили различного вида крупнопанельные унифицированные железобетонные плиты шириной 1,5 и 3м и длинной 6 и 12м.

Недостатком крупногабаритных ж/б плит является их большой собственный вес.

Стремление облегчить теплую крупнопанельную кровлю приводит к поиску других конструктивных решений панелей с применением гнутых профилей, профилированного настила, алюминия, легких утеплителей.

В последнее время находят применение металлические панели шириной 1,5 и 3 м и длинной 6 и 12 м. Вес таких панелей в 4-5 раз меньше железобетонных. По сравнению с кровлей по прогонам металлические панели более индустриальны.

Для холодных кровель крупноразмерные панели применяются чаще, поскольку их конструкция довольно проста.

Панели с использованием алюминиевых сплавов отличаются малой массой и высокой коррозионной стойкостью. Однако из-за высокой стоимости алюминия их применение требует обоснования.

Подкрановые конструкции.

Комплекс подкрановых конструкций включает в себя подкрановые балки, тормозные балки, крепления балок к колоннам, крановый рельс с креплениями его к подкрановой балке и крановые упоры в торцах здания.

Основные несущие элементы подкрановых конструкций – подкрановые балки могут иметь различную конструктивную форму.

Наиболее часто применяются сплошные подкрановые балки как разрезные, так и неразрезные.

Разрезные подкрановые балки проще в монтаже, нечувствительны к осадке опор, но имеют повышенный расход стали.

Неразрезные балки на 12 15% экономичнее по расходу стали, но более трудоемки при монтаже. Кроме того при осадке опор в них возникают дополнительные напряжения.

При легких кранах () и больших шагах колонн целесообразны решетчатые подкрановые балки с жестким верхним поясом.

Их применение позволяет снизить расход стали по сравнению с разрезными сплошными балками на 15 20%. К недостаткам решетчатых балок относятся большая трудоемкость изготовления и монтажа и более низкая долговечность при кранах тяжелого режима работы.

При больших пролетах (шаг колонн 24м и более) и кранах большой грузоподъемности применяются подкраново-подстропильные фермы, объединяющие в себе подкрановую балку и подстропильную ферму.

Экономичность таких конструкций возрастает с увеличением шага колонн. Однако такие фермы сложны в изготовлении и монтаже.

Работа подкрановых конструкций происходит в очень тяжелых условиях: вертикальное давление катков мостовых кранов достигает весьма больших значении (до 600 800кН) и прикладывается в виде движущейся сосредоточенной силы, что требует обеспечения повышенной надежности всей верхней части балки.

При торможении, а так же из-за перекосов моста крана при движении, непараллельности крановых путей возникают существенные горизонтальные нагрузки Т, для восприятия которых устраивают специальную тормозную конструкцию (балку или ферму).

Из-за внецентренного приложения вертикальных нагрузок F (при случайных смещениях рельса с оси подкрановой балки) и поперечных горизонтальных нагрузок Т, приложенных в уровне верха рельса, на верхний пояс балки действует дополнительный крутящий момент, вызывающий изгиб стенки.

Вертикальные и горизонтальные нагрузки от кранов носят динамический характер и часто сопровождаются рывками и ударами. Основными повреждениями подкрановых балок являются трещины в верхнем поясном шве и околошовной зоне, повреждения швов крепления тормозных конструкций к подкрановым балкам, повреждения элементов узлов, крепления балок к колоннам.

Сплошные подкрановые балки.

Типы сечений подкрановых балок зависят от нагрузки, пролета и режима работы кранов.

При пролете 6 м и кранах кН обычного режима работы (легкого, среднего) применяют прокатные двутавры, усиленные для восприятия горизонтальных сил Т листом или уголками или сварные двутавры несимметричного сечения.

Для бόльших пролетов и кранов бόльшей грузоподъёмности применяют сварные двутавровые балки с горизонтальной тормозной конструкцией.

 

При кранах кН рациональны балки составного сечения из широкополочных тавров с тонкой стенкой – вставкой.

Иногда подкрановые балки проектируют бистальными: стенку – из малоуглеродистой стали, пояса – из низколегированной.

 

В зданиях с «особым» режимом работы кранов целесообразно применять балки с верхним поясом, усиленным вертикальными или наклонными элементами (ламелями) или использовать двустенчатые сечения.

 

Тормозные балки при их ширине до 1,25 1,5м проектируют из рифленого листа .

В крайних рядах колонн, где имеется только одна подкрановая балка, при её пролете до 6 м, рифленый лист опирается на двутавровую балку, а при пролете 12м и более на вспомогательную ферму.

 

 

 

Возможно также промежуточное крепление тормозной балки листовым шарниром мм к фахверковой стойке.

 

 

 

Если ширина тормозной балки более 1,5м, то целесообразно проектировать тормозную ферму с площадкой b=600м.

 

 

Во избежание чрезмерных колебаний нижних поясов подкрановых балок их свободная длина не должна превышать 12м. У балок пролетом более 12м между нижними поясами устанавливаются связевые фермы.

 

Расчет подкрановых балок

См. методические указания по расчету сварной подкрановой балки.

Общая характеристика каркасов производственных зданий

Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны.

По числу пролетов одноэтажное здание подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты).

В настоящее время строятся преимущественно здания многопролетные (с числом пролетов два и более). По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бескрановые, с мостовыми кранами, с подвесными кранами, с подвесными конвейерами.

Наиболее широкое распространение получили одноэтажные производственные здания, оборудованные мостовыми электрическими кранами. Перемещаясь по подкрановым балкам на требуемой высоте, такие краны могут обслуживать практически всю площадь цеха, что весьма удобно для организации самых разнообразных производственных процессов.

Современные производственные здания имеют большие пролеты и высоту, часто оборудуются мощными кранами, вследствие чего в несущих конструкциях здания возникают большие усилия.

Комплекс несущих конструкций, воспринимающих нагрузку от веса ограждающих конструкций здания (кровля, стеновые панели, переплеты остекления и т.п.), атмосферные нагрузки (снег, ветер), нагрузки от кранов, а в некоторых случаях и от другого технологического оборудования, называется каркасом здания.

Наряду с полностью стальными или железобетонными каркасами применяются смешанныекаркасы производственных зданий, в которых отдельные конструкции (чаще всего конструкции покрытия и подкрановые балки) выполняются из стали, а колонны – из сборного ж/б. Основу каркаса составляют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко защемленных в фундаменте и ригелей (стропильных ферм), жестко или шарнирно соединенных с колоннами. Расстояние между осями колонн в поперечном направлении здания называется пролетом. Расстояние между рамами называется шагом рам.

Рисунок 1.1 – Конструктивная схема стального каркаса двух пролетного производственного здания. 1 – колонны, 2 – стропильные фермы, 3 – подкрановые балки, 4 – светоаэрационные фонари, 5-связи по колоннам

В продольном направлении на рамы опираются подкрановые балки, элементы покрытия и фонари.

Жесткость и устойчивость каркаса и его отдельных элементов обеспечивается системой связей: вертикальными связями по колоннам, воспринимающими продольные усилия от действия ветра на торец здания и сил продольного торможения кранов; горизонтальными и вертикальными связями по шатру здания, обеспечивающими устойчивость конструкции покрытия.

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

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

Производственные здания бывают однопролетными и многопролетными, оборудованными мостовыми кранами в одном или двух ярусах.

 

 

2. Компоновка конструктивной схемы каркаса

Проектирование каркаса производственного здания начинают с компоновки его конструктивной схемы. Исходным материалом является технологическое задание, в котором даются расположение и габариты агрегатов и оборудования цеха, число кранов их грузоподъемность и режим работы. Технологическое задание содержит данные о районе строительства, условиях эксплуатации цеха (освещенность, температурно-влажностный режим и т.д.)

При компоновке конструктивной схемы каркаса решаются вопросы размещения колонн здания в плане, выбирается схема поперечной рамы, устанавливаются внутренние габариты здания, назначаются генеральные размеры основных конструктивных элементов каркаса, решается система связей по колоннам и шатру здания.

i. Размещение колонн в плане

Размещение колонн в плане принимают с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов.

Согласно требованиям унификации промышленных зданий, расстояние между колоннами поперек здания (размеры пролетов) назначаются в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6 м (иногда 3 м) для производственных зданий пролетом L=18, 24, 30, 36 м и более. Расстояние между колоннами в продольном направлении (шаг колонн) также принимают кратными 6 м.

Шаг колонн однопролетных зданий а также шаг крайних (наружных) колонн многопролетных зданий не зависит от расположения технологического оборудования и его принимают равным 6 или 12 м. Вопрос о назначении шага колонн крайних рядов (6 или 12 м) для каждого конкретного случая решается сравнением вариантов. Как правило, для зданий больших пролетов (L 30м) и значительной высоты (H=14м) с кранами Q 500кН оказывается выгоднее шаг 12 м и, наоборот, для зданий с меньшими параметрами экономичнее шаг колонн 6 м. У торцов здания колонны смещаются с модульной сетки на 500 мм для возможности использования типовых ограждающих панелей с номинальной длиной 6 или 12 м.

В многопролетных зданиях шаг внутренних колонн исходя из технологических требований (например, передача продукции из пролета в пролет) часто принимается увеличенным, но кратным шагу наружных колонн.

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.

 

Характеристика здания	Стальной каркас	Смешанный каркас
Длина блока вдоль здания, м	Ширина блока поперек здания, м	Длина блока вдоль здания, м	Ширина блока поперек здания, м
Отапливаемое	230(160)	150(110)
Неотапливаемое и горячие цеха	200(140)	120(90)

Размеры в скобках для зданий, эксплуатируемых при температуре наружного воздуха t= -40 ¸ -65 °C.

 

 

Наиболее распространенный способ устройства поперечных температурных швов заключается в том, что в месте разрезки здания ставят две поперечные рамы, не связанные между собой, колонны которых смещают с оси на 500 мм в каждую сторону, подобно тому как это делается у торца здания.

Если устраивается продольный температурный шов, то колонны устанавливают на разных осях с расстоянием 1000 или 1500 мм.

Возможно и другое решение продольного температурного шва с подвижным в поперечном направлении опиранием одного или обоих ригелей на колонну с помощью катков или другого устройства.