Классификация и компоновка стальных каркасов производственных и гражданских зданий. (тетрадь)

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.

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.

 

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.

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.

 

Область применения стальных каркасов с учетом дефицита стали регламентируется «'Техническими правилами по экономичному расходованию основных строительных материалов». По этим правилам в одноэтажных промышленных зданиях допускается применение стального каркаса в следующих случаях:

1) При высоте здания от пола до низа стропильной фермы равной или большей 18м.

2) При кранах Q 500 кН, а при кранах весьма тяжелого режима работы (Вт) – при любой грузоподъемности.

3) При строительстве в труднодоступных районах (горы, пустыни, тайга и.т.п.) и в районах, где нет базы по изготовлению железобетонных конструкций.

Стальные металлоконструкции обладают в сравнении с другими конструкционными материалами (бетоном, железобетоном, деревом) следующими преимуществами:

• высокой несущей способностью и могут воспринимать значительные усилия при относительно небольших сечениях вследствие большой прочности металла при растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге;
• анизотропией механических свойств (одинаковой прочностью при растяжении-сжатии и в различных направлениях);
• большой долговечностью;
• высокой индустриальностью, позволяющей организовать их заводское изготовление и сократить сроки монтажа;
• значительной надежностью отдельных конструктивных элементов и соединений деталей между собой. Благодаря однородности структуры металла и его упругим свойствам металлические конструкции можно рассчитать наиболее точно, что и позволяет обеспечить высокую надежность работы проектируемого сооружения;
• непроницаемостью, обеспечивающей возможность хранения жидкостей и газов, благодаря сплошности металла и соединений;
• относительной легкостью и транспортабельностью, меньшей подверженностью механическим повреждениям в процессе перевозки, монтажа и эксплуатации;
• ремонтопригодностью, хорошей приспособленностью для реконструкции, легкостью усиления конструкций при увеличении нагрузок;
• удобством эксплуатации и простотой крепления различных коммуникаций;
• меньшей зависимостью себестоимости от серийности, благодаря сравнительно малой стоимости вспомогательных приспособлений при изготовлении и монтаже, возможности быстро переналаживать изготовление;
• высокими эстетическими свойствами с возможностью придания объекту самых различных, порой невероятных форм.

По конструктивному решению строительные металлоконструкции делят на стержневые системы и листовые конструкции.

Стержневые системы применяют:

• в каркасах производственных зданий и сооружений (колонны, стропильные и подстропильные фермы, подкрановые балки, фонари, связи и т. п.);
• в каркасах гражданских высотных зданий (колонны, балки перекрытий, связи);
• в пролетных строениях железнодорожных и автодорожных мостов, путепроводов и эстакад (арки, фермы и опоры пролетных строений, балки проезжей части);
• в большепролетных покрытиях зданий общественного назначения (выставочные павильоны, спортивные и зрелищные сооружения);
• в зданиях специального назначения (ангары, эллинги, авиасборочные цехи и т. п.);
• в сооружениях башенного и мачтового типа (башни и мачты для радиосвязи и телевидения, опоры линий электропередач (ЛЭП) высокого напряжения, башни для маяков и освещения, буровые и нефтяные вышки и т. п.);
• в крановых конструкциях (элементы башенных, козловых, кабельных кранов, кранов-перегружателей, элементы надшахтных копров и т. п.);
• в подвижных конструкциях (несущие конструкции больших подъемно-транспортных машин и экскаваторов (порталы, стрелы, башни), затворы гидротехнических сооружений, ворота шлюзов);
• в ограждающих конструкциях, лестницах и площадках.

Листовые конструкции находят применение при изготовлении:

• бункеров для хранения и перегрузки сыпучих материалов;
• сварных труб и трубопроводов большого диаметра;
• конструкций доменных цехов (элементы кожухов, воздухонагреватели, пылеуловители, скрубберы и т. п.);
• конструкций предприятий химической и нефтяной промышленности (ректификационные колонны, крекинг-установки, различные сосуды и аппараты);
• газгольдеров для хранения и распределения газов;
• резервуаров для хранения жидкостей.

К недостаткам стальных металлоконструкций можно отнести:

• сравнительно слабую коррозийную стойкость углеродистой стали, особенно в агрессивных условиях, что вызывает необходимость в дополнительных специальных мероприятиях по их антикоррозионной защите;
• склонность сварных металлоконструкций к хрупкому и усталостному разрушению;
• образование значительных сварочных деформаций;
• малую огнестойкость, приводящую по мере повышения температуры сначала к ползучесть материала (существенному развитию пластических деформаций при постоянной нагрузке), а затем и к полной потере прочности и разрушению конструкций, что требует выполнения дополнительных мер по их огнезащите.

Стальные колонны состоят из нижней части (база или башмак) и верхней части (стержень) и оголовка. По высоте колонны могут иметь одинаковое или переменное поперечное сечение.

Колонны делят на сплошные и решетчатые. Сплошные колонны выполняют из прокатных профилей или листов, сваренных между собой. Решетчатые колонны состоят из двух ветвей, выполненных из прокатных профилей и соединенных между собой поперечными планками или решеткой.

Нижняя часть (башмак) колонны опирается на железобетонный фундамент и крепится к нему анкерными болтами, заделанными в фундамент при его изготовлении. Башмак колонны, соприкасающийся с грунтом, для защиты от коррозии бетонируется.

Обвязочные балки каркаса делают из сплошных стальных профилей (двутавра или швеллера). Подкрановые балки могут быть сплошные, сваренные из прокатных двутавров, или решетчатые в виде ферм. Крановые рельсы применяют нормального или квадратного сечения в виде стальных брусков, которые крепятся к верхнему поясу подкрановой балки или фермы с помощью болтов с пружинными шайбами и прижимных гаек.

 

Несущие конструкции покрытий и балки выполняют из прокатных профилей. При больших пролетах применяют фермы треугольные, полигональные и с параллельными поясами. Наиболее распространенными являются фермы полигонального очертания.

 В узлах элементы ферм в большинстве случаев соединяются на сварке с помощью косынок из листовой стали. Все элементы ферм выполняют из прокатных профилей.

Опоры для ферм делают неподвижными. При больших пролетах, когда температурные деформации ферм, например в горячих цехах, могут быть большими, одну из опор выполняют подвижной на катках.

В качестве стальных несущих конструкций могут применяться также двух- и трехшарнирные арки сплошного и решетчатого сечения.

Пространственная устойчивость и жесткость ферм, арок и других несущих конструкций одноэтажных стальных каркасов обеспечивается системой связей в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Горизонтальные связи устраивают в виде решетки, соединяющей плоские пояса двух соседних ферм, арок или балок. Вертикальные связи размещаются в плоскостях опорных стоек ферм.

В промышленных одноэтажных зданиях применяют несущие каркасы смешанного типа, когда колонны железобетонные, а несущие конструкции покрытия — стальные.

 

В каркасных зданиях компоновка колонн определяет систему горизонтальных элементов каркаса - балок. Глав­ные балки совместно с колоннами образуют основную си­стему, выполняя функции несущих элементов вертикаль­ных рам. Пролеты главных балок могут достигать 15 м. В зависимости от размеров основной планировочной ячей­ки каркаса она может быть разделена второстепенными балками с образованием балочной клетки. Эти балки имеют пролеты 6-12 м и располагаются с шагом 2-3 м. При этом чем больше их пролет, тем меньше шаг, и наоборот.

Конструкции несущих систем каркасных зданий вы­бираются в соответствии со схемой передачи усилий в виде поперечных, продольных и пространственных рам (в двух или трех направлениях).

В системах с поперечными рамами (одно-, двух-, трехпролетными) вертикальные нагрузки передаются этим рамам, которые одновременно воспринимают и основную часть горизонтальных нагрузок (рис. 12.25 а). По мере уве­личения шага рам необходимо переходить на балочные клетки (рис. 12.25 б-г), в которых второстепенные балки передают вертикальные нагрузки на главные балки - риге­ли рам. Такой подход характерен для жестких (рамных) каркасов. Второстепенные балки чаще всего располагают в третях или четвертях основного пролета.

В несущих системах с продольными рамами (рис. 12.25 д-з) вертикальные нагрузки передаются рамам, параллельным длинной стороне здания, а поперечные рамы работают, в основном, на горизонтальные нагрузки.

Если сетка колонн и форма плана здания близки к квадрату, то обычно применяют несущие системы, рабо­тающие в двух направлениях (рис. 12.25 и-м). В целях распределения вертикальных нагрузок по обоим направ­лениям расположение главных и второстепенных балок можно менять поэтажно.

В треугольном по плану здании главные балки могут располагаться в двух или трех направлениях параллельно каждой из наружных стен, а второстепенные - перпенди­кулярно им или под углами в 30° и 60° (рис. 12.25 н-р, ч).

Каркасное здание усеченной элиптической формы (рис. 12.25 ш) требует устройства необычного веерооб­разного расположения главных балок и рам, которые вос­принимают вертикальные нагрузки и основную часть го­ризонтальных нагрузок.

Естественно стремление в зданиях, близких к форме круга (рис. 12.25 э), создать систему радиальных рам и связывающих их балок по кольцевым направлениям или, наоборот, кольцевых рам и радиальных балок.

В современной практике строительства зданий из стали применяются рамные, связевые и рамно-связевые типы каркасов (рис. 12.28 а-в). При проектировании стального каркаса в силу различных причин не всегда со­храняется регулярность системы и единый принцип ее построения. В высоких зданиях возможны нарушения ре­гулярности в виде выступов и углублений в плане, усту­пов и консольных выносов по высоте, смещений осей и некоторых колонн и ригелей, изменения схемы работы системы по высоте здания, по поперечному или продоль­ному направлению и т.д. (рис. 12.28 г-ж).

Рамный стальной каркас состоит из жестко соеди­ненных между собой колонн и балок (ригелей), образую­щих плоские и пространственные рамы в двух или трех направлениях (в плане).

Жесткие рамы работают при горизонтальных нагруз­ках за счет изгиба балок и колонн. Жесткость рам зави­сит от прочности и жесткости узловых сопряжений при изгибе, которые не допускают податливости узлов. Функ­ции обеспечения жесткости распределены равномерно между элементами системы. Несущая способность рамы во многом зависит от несущей способности отдельных балок и колонн, снижается с повышением высоты этажа и увеличением расстояния между колоннами.

В обычной рамной системе (рис. 12.30) на прямоу­гольной модульной сетке с расположением рам по каж­дому ряду колонн с их регулярным расположением по всему плану здания с шагом 6-9 м сечения колонн имеют небольшие габариты. В такой системе учет горизонтальных нагрузок приводит к заметному увеличению расхода стали, поэтому в зданиях высотой более 30 этажей рам­ные каркасы в их чистом виде применяются редко.

Связевый тип каркаса состоит из связевой плоской или пространственной конструкции и колонн, шарнирно присоединенных к ней ригелями. Связевая конструкция представляет собой вертикальную диафрагму, образо­ванную колоннами, ригелями и связями - диагональны­ми элементами (рис. 12.35). Функции обеспечения жест­кости распределены в связевом каркасе неравномерно: при действии горизонтальных нагрузок практически вся жесткость сосредоточена в связевой конструкции, рабо­тающей по схеме защемленной в фундаменте консоли. Колонны при условии шарнирного их присоединения к связевой конструкции настолько слабо сопротивляются горизонтальным перемещениям, что их вкладом в жест­кость каркаса можно пренебречь. Эти колонны сжаты от вертикальных нагрузок перекрытий, наружных стен и пе­регородок. Колонны, входящие в состав связевой кон­струкции, воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки, работая в качестве ее поясов. Ригели несут не­посредственно действующие на них вертикальные на­грузки и испытывают небольшие продольные усилия от горизонтальных нагрузок.

Рис. 12.35. Принципиальная схема расположения связевых кон­струкций - вертикальных диафрагм жесткости

Связевый тип каркаса работает на горизонтальные нагрузки эффективнее рамного, так как в работе участву­ют диагональные элементы (связи). Бóльшая часть ко­лонн освобождена от внутренних усилий изгиба и требу­ет меньшего расхода стали. Поэтому в связевом каркасе проще унифицировать элементы и узлы, не входящие в связевую конструкцию.

Связевым каркасам соответствует свободное (шар­нирное) крепление балок к колоннам (рис. 12.36). По сравнению с другими свободное крепление на болтах нормальной точности проще в изготовлении и монтаже, не требует высокой точности изготовления, обеспечива­ет податливость узла и практически свободный поворот балки относительно колонны. Основные усилия для рас­чета крепления - поперечная сила в опорном сечении балки (Q) и продольная сила (N), возникающая в балке при работе связевой системы. Для удобства монтажа и частичной передачи поперечных сил в большинстве слу­чаев предусматриваются опорные столики в виде угол­ков, кронштейнов, толстых листов стали.

Различие форм зданий в плане предполагает раз­нообразие возможных компоновок связевых каркасов (рис. 12.39), которые характеризуются следующими особенностями:

- расположением диафрагм и ядер жесткости: внутри здания, в зоне контура здания, комбинированным, симметричным, несимметричным;

- количеством диафрагм и ядер жесткости (обыч­но не менее трех диафрагм или двух ядер);

- формой ядер жесткости: незамкнутые (откры­тые) - Г-, П-, Т-, Z-образные; замкнутые - прямоугольной, треугольной и других форм.

Рамно-связевые каркасы аналогичны по своей схеме связевым, но отличаются от них рамным (жест­ким) соединением ригелей и колонн, не входящих в свя­зевую конструкцию.

Функции обеспечения жесткости системы распреде­лены между ее связевой и рамной частями, однако в большинстве случаев соотношение жесткостей в системе таково, что ее связевая часть воспринимает до 80% гори­зонтальных нагрузок.

Моменты от горизонтальной нагрузки в узлах рамно-связевого каркаса намного меньше, чем в чисто рамной системе, что обеспечивает унификацию ригелей и узлов. Однако узлы довольно сложны и трудоемки в изготовле­нии и монтаже.

В современной практике применяют рамно-связевые системы с примыканием ригеля к колонне, расчитанным на восприятие 0,1-0,2 части полного балочного момента риге­ля и допускающим образование шарнира пластичности (рис. 12.40). Такие примыкания облегчают унификацию узлов и ригелей и способствуют широкому применению рам­но-связевых стальных каркасов в многоэтажных зданиях.

Рис. 12.40. Компоновочные схемы рамно-связевых каркасов

 

 

5. Многоэтажные каркасные гражданские и промышленные здания с железобетонными балочными перекрытиями. Объемно-планировочные и конструктивные решения. Типы соединений ригелей с колоннами. Обеспечение пространственной жесткости

Балочная схема многоэтажных зданий является наиболее распространенной. При этой схеме в поперечном направлении располагаются ригели, опирающиеся на консоли колонн, а по ригелям укладываются сборные железобетонные ребристые или пустотелые настилы. Настилы, укладываемые вдоль разбивочных осей ряда колонн, имеют вырезы для пропуска колонн (рис. 84). Ригели имеют тавровое поперечное сечение. В некоторых случаях для уменьшения высоты перекрытия применяют ригели трапецеидального сечения с четвертями для опирания плит перекрытия.

Рис. 84. Многоэтажное здание с балочными перекрытиями

Колонны делают высотой на этаж, при этом стыки колонн располагаются не в уровне междуэтажного перекрытия, а на 60 см выше него. Для унификации размеров всех сборных элементов сечения колонн, ригелей и плит перекрытий всех этажей принимают одинаковыми. Узлы и стыки сборных элементов выполняются сваркой закладных стальных частей с последующим замоноличиванием (рис. 85).

Рис. 85. Сопряжение элементов каркаса. а — ригелей и плит перекрытия; б, в — ригелей с колоннами; 1 — колонна; 2 — ригель; 3 — плиты перекрытия.

Рис. 3. Деталь опирания ригеля и крупнопанельных железобетоных плит
1 — крупнопанельные плиты; 2 — сварка; 3 —- штыри и монтажные уголки (срезаются после выверки ригеля); 4 — ригель; 5 — уголковые накладки; 6 — стальные накладки для соединения плит; 7 — заливка бетоном

Для крепления к ригелям крупнопанельные плиты имеют внизу в четырех углах закладные элементы из уголков, которые приваривают к закладным частям ригелей.

В местах расположения колонн укладывают крупнопанельные плиты, имеющие вырез в полке (между ребрами) за счет смещения торцовых поперечных ребер (рис. 4,6).

Эти плиты укладывают по осям колонн и крепят, как и остальные, к ригелям. Участки между торцовыми ребрами плит и колонной заливают бетоном. Швы между сборными балками заливают раствором.

 

Стальные планки, заложенные в нижнем поясе ригелей, привариваются к планкам, заложенным в консоли колонн. Планки в консолях шире планок ригелей, благодаря чему сварные швы накладываются в нижнем положении, самом удобном для производства сварочных работ. Поверху ригели соединяются стыковыми накладками, которые располагаются с двух сторон от колонны и привариваются к закладным планкам верхнего пояса ригелей. Вертикальные зазоры между торцами ригелей и колонной заполняют бетонной смесью на мелком гравии или цементным раствором. Элементы настила соединяются с ригелями сваркой закладных деталей.

Вместо ригелей могут быть применены парные прогоны, которые опираются на консоли вдоль разбивочных осей колонн. На прогоны укладываются многопустотные плиты. Швы между элементами настила замоноличиваются. Перекрытие получается с гладким потолком, что является большим преимуществом перед перекрытием с ребристым настилом.

СТР 227.