Разбивка здания на температурные блоки

 

Одноэтажные промышленные здания имеют большие размеры в плане. Из-за непрерывности покрытия, представляющего собой единую жесткую плиту, изменения температуры наружного воздуха вызывают деформации (удлинения и укорочения) в ригелях. Эти деформации приводят к перемещениям верха колонн и возникновению значительных дополнительных усилий, которые могут вызвать образование трещин и разрушение колонн.

Для уменьшения этих усилий в зданиях предусматривают температурно-усадочные швы. В местах их устройства устанавливают спаренные колонны, а здание разрезают швами на всю высоту до обреза фундамента.

Допускается принимать без расчёта расстояние между швами (длину температурного блока) в отапливаемых одноэтажных промышленных зданиях из сборного железобетона 72 м, в неотапливаемых зданиях − 48 м.

В тех случаях, когда здание возводится на площадке с разнородными грунтами, а также когда его части имеют различную высоту и возможно их неравномерное вертикальное смещение, устраивают осадочные швы. Ими разрезают здания, включая и фундаменты, чтобы обеспечить частям здания независимую осадку. Осадочные швы обычно совмещают с температурно-усадочными.

В нашем случае, т.к. длина здания – 48 м, температурно-усадочные будут отсутствовать.

Обеспечение пространственной жесткости каркаса

Пространственной жёсткостью здания называют его способность сопротивляться воздействию горизонтальных нагрузок.

Пространственная жёсткость каркаса одноэтажного промышленного здания в поперечном направлении обеспечивается конструкцией поперечной рамы – защемлением колонн в фундаментах и достаточной изгибной жёсткостью колонн.

Пространственная жёсткость здания в продольном направлении обеспечивается вертикальными стальными связями. Связи устанавливаются по всем продольным рядам колонн (в одном и том же шаге) в середине температурных блоков. Они устраиваются от пола до низа подкрановых балок или до верха колонн, если отсутствуют мостовые краны, и привариваются к закладным деталям колонн. По конструкции вертикальные связи бывают крестовые (одноярусные или двухъярусные) и портальные, устраиваемые обычно по внутренним рядам колонн.

Горизонтальная ветровая нагрузка, действующая на стеновые панели торца здания, передаётся через стойки фахверка на верх ригеля перпендикулярно его плоскости и далее на плиты покрытия. Учитывая, что жёсткость ригелей из своей плоскости мала, эта горизонтальная сила может вызвать чрезмерные перемещения ригелей. Для исключения таких перемещений ригелей в торцах температурных блоков между ригелями устраивают вертикальные связевые фермы (обычно из стальных уголков), обеспечивающих передачу усилия с покрытия на колонны. Колонны поверху связывают распорками. При небольшой высоте ригелей на опорах (до 0,9 м), допускается связевые фермы не устанавливать. В этом случае сварные швы в сопряжении ригеля с колонной должны рассчитываться на момент M = Wh.

 

РАСЧЁТ ПОПЕРЕЧНЫХ РАМ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛИЙ В СЕЧЕНИЯХ СТОЕК КАРКАСА

Рассматривается однопролётная рама с мостовыми кранами. Стойки ступенчатые. Раму рассчитываем методом сил.

 

Рисунок 3.1 – Расчётная схема однопролётной рамы с мостовыми кранами одноэтажного промышленного здания

Однопролётная рама с мостовыми кранами

Расчётная схема

 Стойками рамы являются ступенчатые колонны. Нижняя (подкрановая) часть колонн имеет большую высоту поперечного сечения по сравнению с верхней (надкрановой) частью, а ширина поперечных сечений одинаковы.

Колонны считаются жёстко защемлёнными в фундаментах и соединяются между собой ригелем (стропильной конструкцией) по шарнирной схеме.

 

Нагрузки

 

На элементы рамы действует система нагрузок: постоянные (от вертикальных нагрузок) и переменные (снеговые, ветровые, крановые). При расчёте конструкций по предельным состояниями первой группы следует принимать следующие сочетания нагрузок:

- первое основное сочетание

 

;

 

 - второе основное сочетание

 

;

 

 Для учёта влияния длительности действия нагрузок следует принимать практически постоянное сочетание:

 

;

Постоянные нагрузки

 

Нагрузки на покрытие, кН/м² подсчитываем в табличной форме. Подсчёты выполнены для совмещённого покрытия с утеплителем из газосиликата и рулонной кровли. Продольный шаг колонн B = 12 м, пролёт стропильных балок L = 18 м, шаг 12 м, ширина плит покрытия 3,0 м.

 

Таблица 3.1 - Постоянные нагрузки g, действующие на покрытие
Вид нагрузки	Вычисления	Величина нагрузки
		нормативная	Коэффи-циент надёжнос-ти по нагрузке γf	расчётная
1 Рулонный гидроизоляционный ковер		0,1	1,35	0,14
2 Цементно-песчаная стяжка   (γ = 2000 кг/м3 , δ = 20 мм)	2000∙10-2∙20∙10-3	0,4	1,35	0,54
3 Утеплитель из газасиликата  (γ = 400 кг/м3, δ = 200 мм)	400∙10-2∙200∙10-3	0,8	1,35	1,08
4 Пароизоляция		0,03	1,35	0,04
5 Плита ребристая (6,8 т)	6,8∙10/(3∙12)	1,89	1,35	2,55
6 Стропильная балка (6,75 т)	6,75∙10/(18∙12)	0,31	1,35	0,42
Итого		gn = 3,53		g = 4,77

 

Нагрузка от покрытия, действующая на стойку, собирается с соответствующей грузовой площади

 

gBL / 2 = 4,77∙12∙18/2 = 515 кН.

 

Нагрузка от собственного веса колонны разделяется на две части (верхнюю G_BC и нижнюю G_HC) и вычисляется путём умножения объёма части колонны на удельный вес железобетона γ = 25 кН/м³ и коэффициент надёжности по нагрузке γ _f = 1,35:

 

G_BC = γ _f γ bh _в H _в,

                                            G_НC = γ _f γ bh _н H _н,

 

где b – ширина поперечного сечения колонны;

h _в – высота поперечного сечения верхней части колонны;

h _н – то же нижней части колонны.

       Собственный вес подкрановых балок и стеновых панелей берётся из соответствующих серий с учётом коэффициента надёжности по нагрузке. Нагрузка от стеновых панелей среднего и нижнего рядов, кроме собственного веса, учитывает вес ленточного остекления, оперяющегося на них. Вес остекления и стальных переплётов можно принять равным 50 кг/м².

 

Переменные нагрузки

 

Снеговая нагрузка. Расчетная снеговая нагрузка определяется по формуле

s = γ _f μs ₀,

где γ _f – коэффициент надежности по нагрузке, γ _f =1,5;

             μ – коэффициент перехода от веса снега на земле к весу снега на покрытии, μ = 1;

            s ₀ – нормативное значение веса снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли s ₀ =1,2 (для II района);

 

s = 1,5∙1∙1,2 = 1,8 кН/м².

 

 Снеговая нагрузка передаётся колоннам в тех же точках, что и постоянная нагрузка от покрытия. Для принятых выше значений пролёта и шага колон снеговая нагрузка на стойку

 

sBL / 2 = 1,8∙12∙18/2 = 194 кН.

 

Ветровая нагрузка. Ветровая нагрузка на поперечную раму каркаса принимается действующей в виде:

w – равномерно распределенной по высоте стойки с грузовой ширины, равной шагу В;

W – сосредоточенной силы в уровне верха стойки с грузовой площади, равной произведению шага рам В на высоту от верха стойки до верха парапетной панели h_п.

Учитывается активное давление ветра с наветренной стороны w_a,кН/м, и W_a,кН, и давление ветра с подветренной стороны w ₀, W ₀:

 

,

 

,

 

где g _f = 1,4- коэффициент надежности по нагрузке;  

с_е = 0,8 – аэродинамический коэффициент для вертикальной поверхности здания;

с_е3 – то же с подветренной стороны, зависящий от отношения высоты здания к пролету и длины здания к пролету;

 

  w ₀ – нормативное значение ветрового давления на 1 м² вертикальной поверхности, зависит от ветрового (географического) района, w₀=0,3 кПа (II район);

k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте. Для нашего здания тип местности А, для высоты здания 14,4м.

Определим ветровую нагрузкуна поперечную раму для наших данных: длина здания 48 м, пролёт 18 м, шаг колонн 12 м, высота здания 12 м, высота парапета 2,4 м, нормативное ветровое давление для второго района ω₀ = 0,3 кПа, тип местности А.

Аэродинамический коэффициент с _e = 0,8. Для коэффициента с _{e 3} вычислим отношения b / l = 48/18 = 2,67 и h ₁ / l = 12/18 = 0,7. По интерполяции значений таблицы А.4 находим с _{e 3} = -0,54.

Коэффициент увеличения ветрового давления для типа местности А определяем в соответствии с рисунком 3.2:

Рисунок 3.2 – Определение коэффициентов увеличения ветрового давления по высоте

 

Значения коэффициента k   для высот 5,10 и 20 м берём из таблицы А.5, остальные значения определяем по интерполяции: k ₅ = 0,75; k ₁₀ = 1,00; k ₂₀ = 1,25; k ₁₂ = 1,05; k _14,4 = 1,11. Для сосредоточенной ветровой нагрузки в уровне верха стойки

 

 

 

Для равномерно распределённой по высоте стойки ветровой нагрузки k _экв определяем по равенству моментов в заделке стойки:

 

 

Давление ветра с наветренной стороны:

 

w_a   = 1,4∙0,8∙0,9∙0,3∙12 = 3,6 кН/м;

 

W_a   = 1,4∙0,8∙1,08∙0,3∙12∙2,4 = 10,5 кН.

 

При статическом расчета рамы давления ветра с подветренной стороны будем учитывать через отношение аэродинамических коэффициентов ε:

 

ε = с_е3/с_е = 0,54/0,8=0,675.

 

Крановая нагрузка. Нагрузка на стойки поперечной рамы от мостовых кранов состоит из вертикальной и горизонтальной.

Вертикальное давление кранов определяют при крайнем положении тележки с грузом. При этом ближняя к тележке колонна испытывает максимальное давление D_max, дальняя – минимальное D_min. Расчетное значение этих давлений определяют от двух наиболее неблагоприятных по воздействию кранов с помощи линий влияния опорных реакций двух смежных подкрановых балок.

 

Рисунок 3.3 – Определение ординат линий влияния

 

Расчетную горизонтальную силу от поперечного торможения кранов определяют при том же положении кранов, при котором определялись вертикальные крановые нагрузки.

Расчетная горизонтальная нагрузка на одно колесо крана

 

T ₀ = kγ_f (Q + G_T)/ n ₀,

 

где k – величина, равная 0,05 для кранов с гибким подвесом груза;

G_T – вес тележки крана.

 

Расчетная горизонтальная сила поперечного торможения передается на колонну в уровне верха подкрановой балки и может действовать влево или вправо:

 

T = ψ [ T _1,0 (y ₁ + y ₂)+ T _2,0 (y ₃ + y ₄)].

В нашем случае работают 2 крана с режимом работы 6К и грузоподъёмностью 8 т. характеристики кранов приведены в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2 - Характеристики подвесного крана

Грузо-подъем-ность,т	Пролет крана, м	Тип кранового рельса	Основные параметры крана, мм			Нагрузка на колесо F,кН	Масса, т
			база Ак	ширина В	Высота Нкр		тележки	крана
8	16,5	Кр70	4400	5400	1900	80	2,2	12,5

 

Нагрузки от одного колеса на рельс F_max = 80кН,

 

 

 

Ординаты линий влияния по рисунку:

 

y ₁ = 1, y ₂ = 0,633, y ₃ = 0,908, y ₄ = 0,542.

 

Расчетные значения вертикальных давлений на колонны

 

=0.85·1.1·80(1+0.633+0.908+0.542)=230.6 кН,

 

 =0.85·1.1·22.5(1+0.633+0.908+0.542)=64.9 кН.

 

Расчетное значение горизонтальной силы на колесо крана

 

= 0.05·1.1 (8·10+2.2·10)/2=2.8кН

 

Расчетная горизонтальная сила от поперечного торможения крана

 

0.85·2.8·(1+0.633+0.908+0.542) =7.3 кН

Конструктивная схема стоек. Исходные данные для расчета

 

Конструктивные схемы стоек поперечной рамы и точки приложения нагрузок показаны на рисунке 3.4:

Рисунок 3.4 – Конструктивная схема стоек поперечной рамы

Все размеры стоек и данные о постоянных и переменных расчётных нагрузках заносим в таблицу 3.3. В таблице 3.4 производится вычисление эксцентриситетов приложения сил относительно центральных осей подкрановых и надкрановых частей колонн.

 

Таблица 3.3 - Исходные данные для расчета рамы

№ п/п	Обозначение или формула	Число
Высота стоек и ее элементов, м
1	Нк	12,15
2	Нн	8,15
3	Нв	4,0
Уровень воздействия тормозных сил, м
4	χТ	2,48
Сечение стоек, м
5	h н	0,8
6	h в	0,6
7	b	0,5
Нагрузки, передаваемые ригелем, кН
8	Ng	515
9	Ns	194
Нагрузки от стеновых панелей, подкрановых балок, стоек, кН
10	G вп = 1,35∙(3,7+4,7)∙10	113,4
11	G сп = 1,35∙((3,7+4,7)∙10+0,5∙12∙2,4)	132,84
12	G нп = 1,35∙(3,7∙10+0,5∙12∙4,8)	88,83
13	G пб = 1,35∙11,6∙10	156,6
14	G нс = 1,35∙25∙0,5∙0,8∙8,15	110,03
15	G вс = 1,35∙25∙0,5∙0,6∙4,0	40,5
Крановые нагрузки, кН
16	Dmax	230.6
17	D min	64.9
18	T	7,3
	Ветровые нагрузки
19	wa, кН/м	3,6
20	Wa, кН	10,5
21	ε	0,675

 

Таблица 3.4 – Эксцентриситеты приложения сил

№ п/п	Обозначение	Формула	Число	Обозначение	Формула	Число
1	∆		0,25	енп = есп	(h н +δп)/ 2	0,55
2	δп		0,30	ен	(h н - h в)/ 2	0,10
3	ев	∆/ 2	0,125	λ		0,75
4	евп	(h в +δп)/ 2	0,45	екр	λ +∆- h н / 2	0,60

 

 

  Таблица 3.5 – Расчётные усилия в колоннах и их сочетания

Исходные данные для расчета 1-пролетной рамы
Высота стоек и её элементов, м						10. Gсп=	132,84
1. Н=	12,15					11. Gнп=	88,83
2. Hн=	8,15					12. Gпб=	156,6
3. Нв=	4,0					13. Gнс=	110,03
Уровень воздействия тормозных сил, м						14. Gвс=	40,5
4. Хт=	2,48					Крановые нагрузки, кН
Сечение стоек, м						15.Dmax=	230,6
5. hн=	0,8					16.Dmin=	64,9
6. hв=	0,6					17. T=	7,3
Нагрузки, передаваемые ригелем, kN			кН			Ветровые нагрузки
7. Nб=	515					18. wa(kН/м)=		2,8
8. Ns=	129,6					19. Wa(kН)=		8
Нагрузки от панелей, подкрановых балок, стоек, кН						20.e=		0,675
9. Gвп=	113,4
Толщина стеновой панели, м				0,3
Привязка колонн, м				0,25
Эксцентриситет l=				0,75

Расчетные усилия в колоннах и Расчетные сочетания нагрузок, кНм, кН

Расчетные сочетания нагрузок

Наибольший +М и N	1)1'+2+7		1)1'+3'+6'+7'		1)1'+7+3'+5'
	74,6	673,07	97,51	973,57	319,25	1142,6	37,443
Наибольший -М и N	2)1'+4+6'+8'		2)1'+8+2'+4'+6'		2)1'+8+2'+4'+5'
	-54,51	543,07	-72,5	931,73	-339,17	1100,76	-41,263
Наибольшая N и +M	3)1+2+7'		3)1+2'+3'+6'+7'		3)1+2'+3'+5'+7'
	61,76	769	94,62	1203,2	209,48	1402,2	21,789
Наибольшая N и -M	4)1+2+4'+6'+8'		4)1+2'+3'+6'+8'		4)1+2'+3'+5'+8'
	-30,56	769	39,95	1203,2	-95,92	1402,2	-20,441