2.6 Каркасы промышленных зданий Каркасные здания и роль связей в них

1. Общие сведения. Различают два основных типа зданий: а) с несущими стенами; б) каркасные здания. В зданиях первого типа нагрузки воспринимаются сте­нами, которые поэтому называются несущими. В каркас­ных зданиях стены выполняют только ограждающие функции, а все нагрузки, действующие на здание, вос­принимаются каркасом.

Элементы каркаса любого здания могут быть разде­лены на две категории: а) несущие конструкции; б) свя­зи.

Основным назначением, несущих конструкций являет­ся восприятие вертикальных нагрузок, действующих на сооружение: собственного веса, веса полезной нагрузки, давлений мостовых кранов и т. п. Чаще всего несущие конструкции представляют собой плоские системы — балки, фермы, рамы, арки и т. д. Как известно, плоские системы могут воспринимать только такие нагрузки, ко­торые действуют в их плоскости. Сооружение, составлен­ное из одних только плоских несущих элементов, распо­ложенных в вертикальных плоскостях, нельзя эксплуа­тировать, эти элементы будут неустойчивыми, они опрокинутся при небольшом дуновении ветра. Про такое сооружение также говорят, что оно не обладает прост­ранственной жесткостью, а в строительной механике та­кие сооружения называются геометрически изменяемыми в пространстве, поэтому несущие конструкции объединя­ются между собой в единый пространственный комплекс (каркас) при помощи связей.

Главным назначением связей является обеспечение геометрической неизменяемости сооружения.

Схемы конструций

а, б – геометрически изменяемых; в – д – геометрически неизменяемых

Рамные конструкции

Образование геометрически неизменяемых систем

Типы решетки ферм связей

а – крестовая; б — треугольная; в — полураскосная; г — крестовая со стойка­ми; д —расчетная схема связевой фермы с крестовой решеткой (пунктиром показаны выпучившиеся сжатые диагонали), сплошными линиями — диагона­ли, работающие на растяжение)

2. Конструкция связей. При проектировании связей используется правило образования геометрически неиз­меняемых систем: создается жесткий блок в виде плос­кой связевой фермы, к которой при помощи распорок присоединяется каждый новый узел системы.

Чтобы обеспечить пространственную геометрическую неизменяемость сооружения, необходимо поставить плос­кие связи в продольном и поперечном направлениях, а также в плане.

В связевых фермах решетка создается из элементов связей, а поясами обычно являются несущие элементы: колонны или пояса ферм и балок. Для связевых ферм часто применяют крестовую решетку. Объясняется это тем, что при такой системе диагонали связей можно вы­полнить из легких одиночных уголков, несмотря на их большую гибкость. В каждой панели фермы с крестовой решеткой один раскос будет сжат, а другой — растянут. Расчет ведется в предположении, что сжатые диагонали выпучились, а всю поперечную силу воспринимают растя­нутые диагонали, поэтому диагонали крес­товых связей проверяют только на растяжение, что ведет к экономии материала.

В последнее время элементы связей выполняют из гнутых профилей, радиус инерции которых много больше радиуса инерции уголков, поэтому для связевой фермы стала рациональной треугольная систе­ма решетки.

Рекомендуется связи проектировать так, чтобы тан­генс угла наклона раскосов был близок единице. Он не должен быть менее 1 :2 и более 2: 1 (угол наклона соот­ветственно равняется 45 и около 30°). Если высота свя­зевой фермы больше удвоенной ее панели, то, чтобы по­лучить нужный угол наклона раскосов, применяют полураскосную решетку.

Иногда вместо связей в виде фермы (или, как их еще называют, решетчатых связей) применяют рамные свя­зи.

Обычно элементы связей крепятся на черных болтах. В случае значительных усилий в элементах связей и в зданиях с кранами большой грузоподъемности и тяже­лого режима работы связи крепят монтажной сваркой или высокопрочными болтами.

Усилия в элементах связей обычно небольшие и сечения их часто приходится назначать из усло­вия, чтобы гибкость была меньше предельной.

3. Роль связей в зданиях с металлическим каркасом. Существование таких зданий невозможно без связей (кроме каркасов многоэтажных зданий, для кото­рых иногда применяется рамная схема). Связи выполняют многочисленные и важные функ­ции:

I. Создание геометрической неизменяемости сооруже­ния; выше указывалось, что это ближайшая цель, дос­тигаемая постановкой связей;

П. Обеспечение устойчивости сжатых элементов соо­ружения (колонн и поясов стропильных ферм) путем уменьшения их расчетной длины;

III. Восприятие горизонтальных нагрузок, действую­щих вне плоскости несущих элементов (давление ветра, торможение кранов);

IV. Выравнивание перегрузки несущих конструкций (например, при поперечном торможении крана ближай­шая к крану рама каркаса нагружена больше остальных, связи часть перегрузки передают на соседние рамы). В результате перераспределения нагрузки повышается об­щая жесткость здания.

V. Фиксирование правильности положения собираемых конструкций во время монтажа и обеспечение их устойчивости.

Опыт показал, что здания со слабыми' связями явля­ются маложесткими. В результате динамических воздей­ствий крановой нагрузки в их элементах возникают не­допустимо большие деформации, что затрудняет эксплу­атацию кранов, ведет к авариям (известны, например, случаи выпадения стенового заполнения). Такие здания преждевременно изнашиваются. Известно множество аварий во время монтажа сооружений из-за запаздыва­ния с постановкой связей.