Конструктивные схемы и элементы каркаса

Глава 7. Конструктивные схемы и решения одноэтажных зданий

Любое промышленное здание представляет собой обоснованное сочетание технологических, инженерно-строительных, архитектурных, экономических и других решений и в зависимости от назначения включает в себя две основные группы конструкций, получивших название несущих (составляющих несущий остов) и ограждающих элементов, часто именуемых ограждениями. Несущий остов в большинстве случаев может состоять из фундаментов, колонн и стоек (реже стен), несущих конструкций покрытий и перекрытий, подкрановых балок и связей. Ограждающие конструкции включают в себя наружные и внутренние стены, перегородки, заполнения световых и других проемов (дверей, ворот), элементы покрытия и полы.

В промышленных зданиях могут быть приняты различные решения несущего остова, которые характеризуются их конструктивными схемами. Применяют различные конструктивные схемы: каркасные, бескаркасные и с неполным каркасом. К первым относят схемы, в которых все вертикальные несущие элементы представляют собой стойки, колонны или столбы. В случаях, когда действующие нагрузки воспринимаются несущими стенами, здания именуют бескаркасными. В зданиях с неполным каркасом наряду с несущими стенами внутри его в качестве промежуточных опор предусматривают колонны, стойки или столбы.

Несущие конструкции промышленных зданий образуют несущий остов, предназначенный для восприятия и передачи действующих нагрузок на основание здания. Несущий остов, как правило, принимают по рамной схеме, образуемой вертикальными несущими элементами, на которые опирают ригели рам. Рамы могут иметь либо жесткое, либо шарнирное сопряжение элементов. В одноэтажных промышленных зданиях, как правило, применяют конструктивную схему с шарнирным сопряжением ригеля рамы с колонной и жесткой заделкой колонн в фундаментах, например двухшарнирную схему. Могут применяться и другие схемы (трехшарнирная, бесшарнирная).

Пространственная жесткость здания в продольном направлении обеспечивается фундаментными балками, а также дисками покрытия и перекрытия и связями.

Как правило, производственные одно этажные здания строят по каркасной схеме. Каркас применяют чаще всего железобетонный, реже стальной; в отдельных случаях может быть применен неполный каркас с несущими каменными стенами.

Здания одноэтажных цехов с типовыми унифицированными конструкциями из сборного железобетона с укрупненной сеткой колонн могут иметь различные конструктивные схемы (рис. 7.1). Для всех схем зданий необходимо предусматривать меры по обеспечению жесткости и устойчивости конструкции отдельных частей и всего здания. При наличии подвесного транспортного оборудования или подвесных потолков, а также при подвеске различных коммуникаций несущие конструкции покрытий в ряде случаев можно распологать через 6 м и применять подстропильные конструкции при шаге колонн 12 м. Если подвесного транспортного оборудования нет, стропильные балки и фермы располагают через 12 м, применяя плиты пролетом 12 м.

Одноэтажные производственные здания проектируют, как правило, по рамной системе, представляющей собой конструкцию, состоящую из поперечных рам, образуемых колоннами, защемленными в фундаментах и шарнирно (или жестко) связанными с ригелями покрытия (балками или фермами). Типовым решением являются одноэтажные здания с поперечными рамами и с шарнирным соединением ригелей и колонн. При таком соединении возможна независимая типизация ригелей и колонн, так как в этом случае нагрузка, приложенная к одному из элементов, не вызывает изгибающего момента в другом. В этом случае достигается высокая степень универсальности колонн и ригелей покрытия, возможность их использования для различных пролетов здания и типов несущих конструкций покрытия и т. п. Кроме того, шарнирное соединение колонн и ригелей конструктивно значительно проще жесткого, так как облегчается изготовление и монтаж конструкций. Техническими правилами (ТП 101—81) расширена область применения железобетонных конструкций.

Рис. 7.1. Одноэтажные производственные здания со сборным железобетонным каркасом, скатным и плоскими покрытиями при сетке колонн 12 х18 м.

В производственных зданиях рекомендованы эффективные железобетонные предаварительно напряженные несущие конструкции (из высокопрочных тяжелых и легки бетонов с применением высокопрочной арматурной стали) с малой материалоемкостью и трудоемкостью. Стальные конструкции целесообазно применять при соответствующих климатических условиях (на Крайнем Севере и в некоторых других районах при отсутствии заводов сборного железобетона, с учетом конкретных условий строительства и его уроков. При стальном каркасе конструктивные схемы в основном аналогичны схемам из железобетона и определяются сочетанием основных элементов здания - балок, ферм, колонн, связанных в единое целое (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Стальной каркас одноэтажного производственного здания:

а - из стандартных унифицированных элементов; 6 - то же, из легких несущих конструкций комплектной поставки

При выборе конструктивной схемы производственных зданий со стальным каркасом необходимо учитывать разнообразные факторы, наиболее важными из которых являются режим работы кранов, нагрузки от кранов и покрытий, а также основные объемно-планировочные параметры цеха (вы­сота, шаг и пролет). Стальные конструкции применяют в цехах заводов, в которых используют краны весьма тяжелого и непрерывного режима работы, и в других случаях, указанных в ТП 101—81.

Главным направлением развития металлических конструкций для промышленного строительства является применение типовых легких несущих конструкций комплектной поставки для одноэтажных производственных зданий с основными производствами площадью не менее 5000 м².При выборе металлических конструкций их экономичность следует рассматривать комплексно, с учетом оптимальных массы, трудоемкости изготовления и монтажа, сроков монтажа и их стоимости. В настоящее время расширяется внедрение эффективных металлических конструкций: легких, неразрезных, обеспечивающих блочный монтаж или конвейерную сборку. Рекомендованы прогрессивные конструкции покрытий: с фермами из широкополочных двутавров и гнутосварных профилей пролетом 24, 30 и 36 м, широкополочных тавров пролетами 18, 24, 30 и 36 м; беспрогонные — с фермами из гнутосварных профилей пролетами 18, 24 и 30 м; беспрогонные — с фермами из одиночных уголков со сварными узлами пролетами 24 и 30 м; структурные — из прокатных профилей пролетами 18 и 24 м.

Наряду с широким использованием железобетонных и выборочным применением стальных конструкций иногда могут быть рекомендованы комбинированные сталежелезобетонные конструкции. В них железобетон используется в сжатых частях, а растянутые элементы делаются металлическими. Эти конструкции, находясь на стыке железобетонных и металлических, выгодно отличаются от первых меньшей массой, а от вторых — меньшим расходом стали. Для совершенствования условий работы каркасов производственных зданий, оснащенных кранами значительной грузоподъемности, рядом специалистов предложено новое направление в проектировании производственных зданий, одним из принципов которого является раздельное конструктивное решение и независимая работа конструкций строительной и технологической частей здания. Предлагается элементы несущего каркаса зданий освободить от технологических и крановых нагрузок, благодаря чему существенно снизятся удельные показатели материалоемкости и трудоемкости конструкций. Такой метод получил название автономного конструирования технологических и строительных частей зданий. Оборудование в таких зданиях устанавливают на собственные фундаменты или на сборно-разборные встроенные этажерки, конструкции которых не связаны с конструкциями каркаса здания (см. рис. 3.1 и 10.4). Реализация автономного метода может достигаться в зависимости от условий: заменой мостовых кранов напольными местными или мобильными грузоподъемными и транспортными средствами, манипуляторами и размещением мостовых кранов на самостоятельных эстакадах со строго ограниченными параметрами (пролет и грузоподъемность крана, длина эстакады).

Железобетонный каркас. Рамные железобетонные каркасы являются основной несущей конструкцией одноэтажных производственных зданий и состоят из фундаментов, колонн, несущих конструкций покрытия (балок, ферм) и связей (см. рис. 7.1). Железобетонный каркас может быть монолитным и сборным. Преимущественное распространение имеет сборный железобетонный каркас из унифицированных элементов заводского изготовления. Он наиболее полно удовлетворяет требованиям индустриализации.

Для создания пространственной жесткости плоские поперечные рамы каркаса в продольном направлении связывают фундаментными, обвязочными и подкрановыми балками с панелями покрытия. В плоскостях стен каркасы можно усилить стойками фахверка. (Фахверк — легкий вспомогательный каркас, воспринимающий вес стены и ветров грузку и передающий их на элементы основного каркаса.)

Фундаменты железобетонных колонн. Выбор рационального типа, формы и надлежащих размеров фундаментов существенно влияет на стоимость здания в целом.

В соответствии с указаниями технических правил (ТП 101—81) бетонные и железобетонные отдельно стоящие фундаменты производственных зданий на естественном основании следует выполнять монолитными и сборно-монолитными.

Основные размеры фундаментов назначают по расчету в зависимости от нагрузок и грунтовых условий. Возможны несколько вариантов конструктивных решений фундаментов и опирающихся на них колонн 1) фундаменты назначают разной высоты с учетом отметок их заложения, а колонны одной высоты; 2) фундаменты принимают одной высоты, а колонны — разной в зависимости от изменения отметок заложения фундаментов; 3) фундаменты в местах перепадов отметок их заложения возводят с применением специальных вставок и подколонников, колонны же устраивают равной высоты, назначаемой по наименьшей отметке заложения фундаментов.

В фундаментах предусматривают уширенные отверстия — стаканы, имеющие форму усеченной пирамиды (рис. 7.3, для установки в них колонн.

Рис. 7.3. Железобетонные фундаменты производственных зданий: I - типы фундаментов; а - монолитный; б - сборный составной; е-то же, с пустотами; г - свайный; // - фундаментные балки; Ш - опирание фундаментных балок; а - через сборный столбик; б - арматурными выпусками; в - по наружному ряду колонн; 1 -столбик; 2 - фундамент колонны; 3- фундаментная балка; 4 - набетонка; 5 - наружная стена; 6 - отмостка; 7 -подсыпка песком или шлаком

Дно стакана фундамента располагают на 50 мм ниже проектной отметки низа колонн, с тем, чтобы подливкой раствора под колонну компенсировать возможные неточности размеров высоты колонн, допускаемые при их изготовлении, и выровнять верх всех колонн.

Рациональным решением конструкции фундаментов ступенчатой формы «стаканного» типа (рис. 7.3, 1,в, г) является такое, при котором независимо от глубины их заложения отметка верха подколонника остается постоянной. Это легко достигается некоторым увеличением высоты подколонника, при малом заглублении фундаментов колонн фундамент должен иметь отметку верхней плоскости 0,15 м или быть ниже уровня пола на 150 мм, т.е. на толщину его бетонной подготовки. В случае необходимости большего заглубления фундамента его конструкция усложняется, так как возникает потребность в дополнительном сборном элементе - вставке (банкете), на который устанавливают колонну.

Фундаменты производственных зданий при соответствующем технико-экономическом обосновании устраивают свайными. Рекомендуется для производственных зданий применять прогрессивные виды свай: забивные (без поперечного армирования, составные, пирамидальные, ромбовидные, булавовидные, сваи-колонны), буронабивные и др. Такое решение конструкций фундаментов под колонны не зависит от заложения смежных фундаментов под оборудование; малый объем земляных работ дает возможность вести строительство без отрывки котлованов, что сокращает сроки строительства, исключает осадку грунта и пола здания, обеспечивает возможность монтажа оборудования сразу же после окончания устройства фундамента и пр.

На рис. 7.4, а, б показана конструкция свайного фундамента с монолитным и сборным ростверком.

Рис. 7.4. Сопряжение свай с ростверком а — подколонны каркаса; 1— цокольна панель; 2— колонна; 3— монолитный ростверк; 4 - вырав нивающий слой; 5 — бетон; 6 — сваи; б – то же фахверка;1 - цокольная панель; 2 – колонна; 3 - бетон; 4 - свая; 5 - сборный ростверк.

Фундаментные балки предназначены для опирания наружных и внутренних стеновых конструкций на отдельно стоящие фундаменты каркаса (см. рис. 7.3, II). Для опирания фундаментных балок применяют бетонные столбики, устанавливаемые на цементном растворе на горизонтальные уступы башмаков или на фундаментные плиты. Установка стен на фундаментные балки кроме экономических создает также и эксплуатационные преимущества — упрощается устройство под ними всевозможных подземных коммуникаций (каналов, туннелей и т. п.). Для защиты фундаментных балок от деформаций, вызванных увеличением объема при замерзании пучинистых грунтов, и исключения возможности промерзания пола вдоль стен их засыпают с боков и снизу шлаком. Между фундаментной балкой и стеной по поверхности балки укладывают гидроизоляцию, состоящую из двух слоев рулонного материала на мастике.

Вдоль фундаментных балок на поверхности грунта устраивают тротуар или отмостку. Для стока воды тротуарам или отмосткам придают уклон 0,03...0,05 от стены здания.

Колонны. В одноэтажных промышленных зданиях применяют обычно унифицированные сплошные железобетонные одноветвевые колонны прямоугольного сечения (рис. 7.5, а) и сквозные двухветвевые (рис. 7.5, б). Прямоугольные унифицированные колонны могут иметь размеры 400 х 400, 400 х 600, 400 х 800, 500 х 500, 500 х 800 мм; двухветвевые — 500 х 1000, 500 х1400, 600x1900 мм и др.

Железобетонные колонны одноэтажных зданий могут быть бесконсольные, применяемые в помещениях без мостовых кранов и с консолями - для опирания подкрановых балок. Чтобы придать зданию жесткость, вместо прямоугольных одноветвевых колонн применяют двухветвевые.

В бескрановых зданиях (и при наличии подвесного транспорта) высотой 3,6...7,2 м шаг крайних и средних колонн 6 м; при высоте 4,8...9,6 м — шаг средних колонн 12 м. При наличии мостовых кранов колонны прямоугольного сечения приняты для зданий высотой 8,4; 9,6 и 10,8 м; средние колонны могут иметь шаг 6 или 12 м. В зданиях высотой 10,8; 12,6 и 14,4 м, оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью до 30 т, и в зданиях высотой 16,2 и 18,0 м при кранах грузоподъемностью до 50 т применяют двухветвевые колонны. Высоту колонн подбирают в зависимости от высоты помещения Н и глубины их заделки а в стакан фундамента. Заделка колонн ниже нулевой отметки в зданиях без мостовых кранов равна 0,9 м; в зданиях с мостовыми кранами: 1,0 м — для одноветвевых колонн прямоугольного сечения, 1,05 и 1,35 м — для двухветвевых колонн. Для производственных зданий с ручными мостовыми кранами, необходимыми для монтажа и демонтажа технологического оборудования, применяют колонны меньшей высоты: при грузоподъемности крана 8 т — 7; 7,6; 8,2; 8,8 и 9,4 м; при грузоподъемности 12,5...20 т — 8,2; 8,8; 9,4; 10 и 10,6 м.

В настоящее время построено значительное количество одноэтажных производственных зданий с центрифугированными колоннами. По сравнению с прямоугольными железобетонные центрифугированные кольцевого сечения колонны при равной жесткости обычно имеют в два раза меньшую площадь поперечного сечения. Их применение в два раза снизило расход бетона, на 20......30% - стали, на 30% - стоимость изделий и трудозатраты на изготовление.

Как уже говорилось, для усиления основного каркаса в торцах здания применяют колонны вспомогательного каркаса, так называемого фахверка.

Рис. 7.5. Железобетонные колонны одноэтажных производственных зданий: а) - одноветвевые_е прямоугольного сечения - крайние и средние;

6) - то же, сквозные двухветвевые

Этот каркас предназначен для восприятия значительных ветровых нагрузок и веса стенового заполнения при значительной его высоте и протяженности. В соответствии с унифицированными габаритными схемами зданий 6ыли разработаны типовые фахверковые колонны для использования их в унифицированных типовых секциях. Для зданий высотой 10,8 и 12,6 м фахверковые колонны приняты из железобетона прямоугольного сечения 400 х 600 мм, выше 12,6 м — из железобетона, с металлическим оголовком; высота колонны переменная и зависит от места установки. Схема фахверковых колонн стен; показаны на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Железобетонные колонны фахверка:

а — в торцовых стенах; 6 — то же, продольных; б — крепление стойки торцового фахверка каркаса к ферме; г — верх фахверковой стойки; д — при стенах из штучных материалов; 1 — колонна основного каркаса; 2 — ос­новная и вспомогательная стойки фахверка; 3 — стены панельные или из штучных элементов; 4 —стальная стойка фахверка; 5 — фундаменты фахверка; 6— фундаментная балка; 7 — стальная надставка фахверковой колонны; 8 — стальной уголок (на высоту парапета); 9 — стропильная балка или ферма; 10 — планка для крепления плит покрытия; 11 — лист, закрепляющий верх фахверковой стойки.

Для укладки подкрановых балок на колоннах устраивают подкрановые консоли. Верхнюю надкрановую часть колонны, поддерживающую несущие элементы (балки или фермы), называют надколонником. Для крепления несущих элементов покрытия к колонне в верхнем торце ее анкерным болтом закрепляют стальной лист. В местах крепления к колонне подкрановых балок и стеновых панелей располагают стальные закладные детали.

Колонны с элементами каркаса сопрягают сваркой стальных закладных деталей с последующим их обетонированием, причем в колоннах, расположенных по наружным продольным рядам, закладывают также стальные детали для крепления крупноразмерных элементов наружных стен.

Связи между колоннами. Вертикальные связи, расположенные по линии колонн здания, создают жесткость и геометрическую неизменяемость колонн в продольном направлении (рис. 7.8). Их устраивают для каждого температурного блока. Температурным блоком называют участок по длине здания между температурными швами или между температурным швом и ближайшей к нему наружной стеной здания.

В зданиях малой высоты (при высоте колонн до 7...8 м) связи между колоннами можно не устраивать. В зданиях большой высоты предусматривают крестовые или портальные связи.

Рис. 7.7. Крепление к колоннам ферм, подкрановых балок и стеновых панелей; 1 - стальной лист с анкерами; 2 - закладная деталь, для крепления подкрановой балки; 3 - трубка для подъема колонны; 4 - опорный лист для крепления подкрановой балки; 5 - элементы для крепления

Рис.7.8. Расположение вертикальных связей между колоннами: а - крестовых; б - портальных; связей; 1 - колонны; 2 - фермы покрытия; 3 - то же плиты; 4 — подкрановые балки

Крестовые связи (рис. 7.8, в) применяют при шаге 6 м, портальные (рис. 7.8, в) - при 12 м, их выполняют из прокатных уголков и соединяют с колоннами путем сварки косынок крестов с за­кладными деталями (рис. 7.8, г).

В цехах значительной высоты и особенно с тяжелым режимом работы кранов повышаются требования, предъявляемые к жесткости и надежности вертикальных связей между колоннами.

Подкрановые балки. Предназначены для опирания крановых рельсов, по которым перемещаются электрические мостовые краны. Эти балки являются также продольными элементами каркаса здания (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Железобетонные подкрановые балки: а — пролетом 6 м; б — то же, 12 м; в — опирание подкрановой балки на колонну (общий вид); г— крепление рельса к балке; д — крепление балки к колонне (сечение); 1 — закладные детали колонны; 2 — то же, подкрановой балки; 3 — стальная планка (приваривается к опорной закладной детали подкрановой балки); 4 — стальная накладка; 5 — отверстия для крепления рельса; 6— рельс; 7 — резиновая прокладка; 8 — болт; 9 — балка; 10 — стальные лапки-прижимы.

Применяют предварительно напряженные железобетонные подкрановые балки пролетом 6 и 12 м высотой 800...1000 мм при шаге колонн 6 м и 1400... 2000 мм — при шаге 12 м. Применяют также и стальные подкрановые балки.

Обвязочные балки. В ряде случаев возникает необходимость применения обвязочных балок, например в каменных стенах в местах перепадов высот здания. Балки разработаны шириной 200 мм — для кирпичных стен толщиной 250 мм и стен из легкобетонных камней толщиной 190 мм; шириной 380 мм —для кирпичных стен толщиной 380 мм и стен из легкобетонных камней толщиной 390 мм.

Плоскостные несущие конструкций покрытий. Плоскостные несущие конструкции включают в себя следующие элементы: балки, фермы, арки и подстропильные конструкции.

Несущие конструкции покрытия изготовляют из сборного железобетона, стали, дерева. Тип покрытия назначают в зависимости от конкретных условий – размера перекрываемых пролетов, действующих нагрузок, вида производства, наличия строительной базы и др.

Железобетонные балки покрытий. В качестве несущих конструкций используют железобетонные предварительно напряженные балки чаще всего пролетом 12 м для односкатных и плоских покрытий, двускатные решетчатые пролетом 12, 18 и 24 м (рис.7.10, о-в) - при наличии подвесных монорельсов и кран-балок. Односкатные балки предназначены для зданий с наружным водоотводом; двускатные можно применять в зданиях как с наружным, так и внутренним водоотводом. Уширенную опорную часть балки (рис. 7.10, г) прикрепляют к колонне шарнирно посредством анкерных болтов, выпущенных из колонн и проходящих через опорный лист, приваренный к балке.

Железобетонные фермы и арки покрытий. Очертание ферм покрытия зависит от вида кровли, расположения и формы фонаря и общей компоновки покрытия. Для зданий пролетом 18 м и более применяют железобетонные предварительно напряженные фермы из бетона М400, 500 и 600. Фермы предпочтительнее балок при наличии различных санитарно-технических и технологических сетей, удобно располагаемых в межферменном пространстве, и при значительных нагрузках от подвесного транспорта и покрытия.

В зависимости от очертания верхнего пояса различают фермы сегментные, арочные, с параллельными поясами и треугольные.

Для покрытий зданий пролетом 18 и 24 м часто применяют типовые безраскосные фермы для зданий со скатной и малоуклонной кровлей (рис. 7.11, о). Эти фермы обладают определенными преимуществами (удобный пропуск коммуникаций, особенности технологии изготовления). Для пролетов 18 и 24 м применяют также экономичные раскосные фермы сегментного очертания (рис. 7.11,6). Фермы с параллельными поясами применены на многих действующих предприятиях при пролетах зданий 18 и 24 м и шаге 6 и 12 м.

В некоторых случаях для покрытия большепролетных производственных зданий применяют сборные железобетонные арочные конструкции. По конструктивной схеме арки разделяют на двухшарнирные (с шарнирными опорами), трехшарнирные (имеющие шарниры в ключе и на опорах) и бесшарнирные.

Рис. 7.10. Железобетонные балки покрытий: а — для пролетов 12 м — односкатные; б, в — двускатные решетчатые для пролетов 12, 18 и 24 м; г — сопряжение балки с колонной; 1 — балка; 2 — колонна; 3 — анкерный болт; 4 — опорный лист

Подстропильные конструкции предназначены для опирания стропильных балок или ферм, когда шаг колонн превышает шаг основных несущих конструкций покрытия (рис. 7.12, а—в). Подстропильные балки и фермы применяют пролетом 12 м. В связи с потребностью применения укрупненного шага колонн возможно использование подстропильных конструкций с большим пролетом. Для опирания стропильных балок в середине пролета на нижней полке подстропильной фермы имеются банкетки. Подстропильные конструкции крепят к колоннам каркаса аналогично основным конструкциям.

Связи покрытий. Для воспринятия ветровой нагрузки, действующей на торец здания, в покрытии по нижнему поясу ригелей устраивают горизонтальные связи в виде горизонтальной связевой фермы. Такие связи рациональны в цехах значительной высоты и с большими пролетами. Их выполняют в виде блока-решетки из стальных уголков между двумя крайними ригелями покрытия (рис. 7.13, а). Кроме того, горизонтальные связи устраивают по верхнему поясу ригелей в виде горизонтальной фермы, образованной крестообразными связями и поясами двух крайних ригелей, а также в виде распорок (из металлических уголков, тяжей или железобетонных элементов), устанавливаемых посередине пролета между всеми остальными ригелями. Такие связи делают только при наличии фонарей. При отсутствии их устойчивость сжатого пояса поперечных рам обеспечивается крупнопанельными плитами покрытия, приваренными к ригелям.

Рис. 7.11. Железобетонные фермы покрытия: а — безраскосные арочные; б— раскосные сегментные

Рис. 7.12. Железобетонные подстропильные балки и фермы покрытия: а, б — конструктивные схемы; в –общий вид (балки и фермы); 1 - балка; 2 — феpма; 3 – закладная деталь для крепления плит; 4 – то же для крепления ферм.

При покрытиях по прогонам с мелкоразмерными плитами с целью повышения жесткости покрытия необходимо устраивать под прогонами горизонтальные связи крестовой системы. В фонарях устраивают систему связей из вертикальных и горизонтальных стальных уголков. Вертикальные связи между несущими конструкциями покрытия устраивают в крайних пролетах температурного отсека, ограниченного температурными швами или торцом здания. Эти связи предназначены для воспринятия тормозных усилий кранов, а также ветровых воздействий на торец здания. Если ригель рамы представляет собой сквозную полигональную ферму, то вертикальные связи выполняют в виде крестовой решетки из стальных уголков (рис. 7.13, б).

Рис. 7.13. Схема расположения связей покрытия при железобетонном каркасе в пределах температурного блока:

а - горизонтальных по нижнему поясу ферм (балок); б - вертикальных между несущими конструкциями покрытия; 1 - связевая ферма; 2 – распорка.

Стальной каркас. Стальные каркасы применяют при строительстве предприятий металлургии, машиностроения и других в цехах при крупных пролетах и значительных крановых нагрузках. В большинстве других производственных зданий по указанию ТП 101—81 применяют сборный железобетонный каркас. Согласно требованиям ТП 101—81 колонны, балки, стропильные, подстропильные и другие конструкции надлежит выполнять с применением широкополочных двутавров и тавров.

За последние годы проведены большие работы по созданию типовых стальных конструкций, имеющих малую материалоемкость и трудоемкость, усовершенствованы конструкции для покрытий зданий, разработаны типовые конструкции зданий с использованием стального профилированного настила и эффективных утеплителей, а также типовые узлы стальных конструкций покрытий.

Рис. 7.14 Схемы стальных каркасов одноэтажных производственных зданий:

I - однопролетного: а - общий вид; б - опирание ферм покрытия на подстропильную конструкцию;1 - фермы (ригель); 2 - колонна рамы; 3 – подкрановая балка; 4 – ригель; 5 - вертикальные связи между еолоннами; 6 – вертикальные связи покрытия; 7 – горизонтальные связи покрытия; 8 – фонарь; 9 – связи фонаря; 10 – прогоны; 11 – панель покрытия;

П – многопролетного: а – с легким режимом работы; б – то же с тяжелым; в – с покрытием оболочкой двоякой кривизны по стальным фермам.

По своей конструктивной схеме стальной каркас в целом подобен железобетонному и представляет собой основную несущую конструкцию промышленного здания, поддерживающую покрытие, стены и подкрановые балки, а в некоторых случаях — технологическое оборудование и рабочие площадки. Основными элементами несущего стального каркаса, воспринимающими почти все действующие на здание нагрузки, являются плоские поперечные рамы, образованные колоннами и стропильными фермами (ригелями; рис. 7.14, а). На поперечные рамы, расставленные согласно принятому шагу колонн, опирают продольные элементы каркаса — подкрановые балки, ригели стенового каркаса (фахверка), прогоны покрытия и в некоторых случаях фонари. Пространственная жесткость каркаса достигается устройством связей (рис. 7.15, а —в) в продольном и поперечном направлениях, а также (при необходимости) жестким закреплением ригеля рамы в колоннах. В многопролетных зданиях при потребности расположения средних колонн через 12 м промежуточные стропильные фермы опирают на подстропильные фермы (рис. 7.14, б).

Фундаменты и базы стальных колонн. Под стальные колонны устраивают отдельно стоящие ступенчатые железобетонные фундаменты, которые заглубляют в грунт. Отметку верха фундамента в зависимости от типа колонн принимают 0,70 или 1,0 (рис. 7.16 а, б). Надежное закрепление анкерных болтов в фундаменте достигается посредством сцепления их с бетоном при заделке на определенную глубину или же с помощью опорных шайб, воспринимающих давление бетона по площади шайбы. По аналогии с железобетонным каркасом для восприятия нагрузки от наружных стен между отдельными фундаментами укладывают сборные железобетонные фундаментные балки. Для предохранения от коррозии нижней опорной части стальных колонн поверхности их, соприкасающиеся с грунтом, необходимо тщательно обетонировать. Нижняя часть колонны имеет башмак (базу). Он служит для передачи и распределения давления от стержня стальной колонны на площадь фундамента, а также обеспечивает закрепление нижнего конца колонны в фундаменте. Применяют основных типа баз — шарнирные и жесткие. Шарнирные базы используют для центрально сжатых, значительно нагруженных колонн с передачей усилий на толстую опорную плиту. На опорную плиту через траверсу нагрузка передается более равномерно. Жесткие базы, как правило, устраивай во внецентренно сжатых колоннах, и размеры траверс приходится увеличивать в направлении действия изгибающего момента. Траверсы выполняют из листов толщиной 10…12 мм или швеллеров.

Колонны. Стальная колонна coстоит из следующих элементов:

а) стержня, являющегося основной несущей частью колонны; б) оголовка, выполняющего функцию опоры для расположенных выше конструкций и предназначенного для распределения нагрузки по сечению стержня; в) базы (башмака), посредством которой стержень колонны надежно присоединяется к фундаменту, и сосредоточенная нагрузка от нее распределяется по поверхности фундамента. По характеру передачи нагрузки различают центрально и внецентренно сжатые колонны. В каркасах промышленных зданий широко применяют внецентренно сжатые колонны, входящие в систему поперечных рам. В поперечных конструкциях цеха можно применять следующие колонны с различной конструктивной системой стержня: 1) постоянного сечения с консолью — для цехов с мостовыми кранами, как правило, малой грузоподъемности (рис. 7,17, а); 2) переменного сечения (ступенчатые) сплошные и решетчатые (рис. 7.17, б, в), которые наиболее широко применяют, в том числе и для самых тяжелых крановых нагрузок. В стержнях пристенных колонн этого типа различают внутреннюю подкрановую ветвь, воспринимающую давление от крана, и наружную шатровую ветвь (рис. 7.17, в, г); 3) колонны раздельного типа, применяемые в цехах с тяжелой нагрузкой, высотой до 18,0 м. С помощью горизонтальных планок крановую стойку соединяют с шатровой колонной (рис. 7.17, г).

Рис. 7.17. Стальные колонны: а - сплошная постоянного сечения; б — то же, переменного; в - то же, сквозная; г — раздельного типа; 1 - ферма; 2 - шатровая ветвь; 3 - то же, подкрановая; 4 - диафрагма жесткости.

Подкрановые балки. Стальные подкрановые балки обычно применяют разрезные, сплошные или решетчатые. Высота подкрановой балки составляет '/₆...¹/₁₂ пролета. Для кранов малой грузоподъемности изготовляют сплошные балки, обычно из прокатного двутавра с усиленным верхним поясом для восприятия горизонтальных усилий торможения крана; применяют также балки составного сечения на сварке для кранов большой грузоподъемности (рис. 7,18, а - в). При длине 18 м и более рациональны решетчатые подкрановые балки в виде ферм (рис. 7.18, г).

Для крановых путей применяют железнодорожные рельсы специального профиля. Выбор типа кранового рельса и его крепления к подкрановой балке зависит от грузоподъемности, режима работ и типа ходовых колес крана. Крепление рельсов к подкрановым балкам, как правило, выполняют подвижным, т. е. допускающим выправление пути (рихтовку). Крановые рельсы профиля КР крепят с помощью специальных лапок (рис. 7.19, а, б).

При узком поясе стальной балки железнодорожные рельсы крепят через каждые 500...700 мм специальными крюками (рис. 7.19, б).

Рис. 7.18 а, б, в — сплошного сечения; г — решетчатого типа; д — схема балок сплошного сечения; е — опирание на стальную колонну; 1 — торцовое ребро; 2 — подкрановая балка; 3 — ребро жесткости; 4 — крепление планки; 5 — надколонник; 6 — фасонка; 7 — опорный лист траверсы;

8,9 — подкрановые ветви колонны

Стальные балки и фермы покрытий. Простейшим видом стальных несущих конструкций покрытия являются двутавровые прокатные или составные балки пролетом 12 и 18 м. При больших пролетах рационально применять типовые стальные фермы. Стальные фермы различают по характеру очертания поясов: полигональные, с параллельными поясами, а также треугольные (рис. 7.20, а - г).

В промышленных зданиях с рулонной кровлей используют фермы трапецеидального очертания. Для малоуклонных покрытий применяют фермы с параллельными поясами. При необходимости создать крутые уклоны (более 20%) применяют треугольные фермы. Наиболее часто применяют унифицированные пролеты стальных ферм покрытия зданий, равные 18, 24, 30, 36 м. Для упрощения изготовления проведена унификация геометрических схем и размеров (пролет и высота) ферм.

Рис. 7.20. Схемы и узлы стальных ферм покрытия: а - типы стропильных и подстропильных ферм.

Рис. 7.21. Блок покрытия с использованием профилированного настила:

а — первый тип; 1— подстропильная балка; 2 — стропильная ферма;

3 — подкос; 4 — затяжка; 5 — прогон; 6 —профилированный настил;

б — второй тип; 1— подстропильная ферма; 2 — стропильная ферма;

3 — профилированный настил

В условиях широкого внедрения в строительство конвейерной сборки и крупноблочного монтажа покрытий особо важную роль получает компоновка несущих конструкций в блоках (настил, прогоны, подстропильные и стропильные фермы (рис. 7.21, а, б). Элементы фермы соединяют в узлах, как правило, на сварке с помощью фасонок (косынок) из листовой стали, располагаемых между парными уголками (рис. 7.20, б, г). Фермы к стальным колоннам крепят сбоку (рис. 7.20, б, в, г). Применяют также металлические трубчатые фермы с узловыми соединениями без использования фасонок (рис. 7.20, б).

Как уже говорилось, для придания цеху пространственной жесткости, а также для устойчивости элементов рам между ними устраивают связи, а в ряде случаев создают жесткое крепление ригелей на колоннах. В плоскости верхних и нижних поясов ферм размещают горизонтальные связи (см. рис. 7.15, а—в). Кроме того, как между фермами, так и между колоннами предусматривают вертикальные связи.

Деревянные конструкции покрытий. В некоторых случаях технико-экономический анализ подтверждает высокую эффективность применения деревянных конструкций. В ряде производств с агрессивными средами, в покрытиях складов, гаражей, мастерских и других применение клееных деревянных и клеефанерных конструкций, защищенных современными средствами от гниения и возгорания, позволяет снизить стоимость строительства и обеспечить высокую долговечность здания. Разработаны несущие и ограждающие конструкции из клееной древесины для покрытий производственных зданий (клееные дощатые и клеефанерные балки, клееные сегментные металлодеревянные фермы, трехшарнирные арки, панели покрытий, а также оболочки и складки).

Зарубежный опыт также подтверждает высокую эффективность применения для многих зданий и сооружений несущих клееных конструкций — балок различного сечения, ферм полигональных, трапецеидальных, сегментных и с параллельными поясами, а также арок и рам пролетом до 100 м.

На рис. 7.22, а, в показаны дощатая клееная балка, арка и фермы. В нашей практике клееные конструкции находят применение в первую очередь в теплых и холодных однопролетных бесчердачных помещениях с наружным отводом воды, без фонарей, в зданиях с нормальным темературно-влажностным режимом, в которых опасность загнивания древесины является минимальной. В современном промышленном строительстве для покрытий применяют также металлодеревянные фермы, в которых элементы, работающие на сжатие, делают деревянными, а на растяжение — металлическими (рис. 7.22, г).

Рис. 7.22. Деревянные несущие конструкции покрытий:

а, 6, в — клееные балки и фермы; г — то же, металлодеревянная ферма; д — то же, узлы фермы

§ 7.2. Покрытия

Дата добавления: 2013-12-12