23

Лекция 15

Каркас и ограждающие конструкции здания. Элементы каркаса

Современные производства размещаются в многоэтажных и одно­этажных зданиях. По числу пролетов одноэтажные здания подразделяются на однопролетные и многопролетные.

Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепят­ся к каркасу здания.

Каркас, т. е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и пе­редающий на фундаменты нагрузки от веса ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия, нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консоль­ные краны), температурные технологические воздействия и т.п., может выполняться из железобетона, смешанным (т. е. часть конструкций - железобетонные, часть - стальные) и стальным.

Пример конструктивной схемы стального каркаса двухпролетного производственного здания показан на рис.

Рис. Конструктивная схема каркаса двухпролетного производственного здания

1 - колонны; 2 - стропильные фермы; 3 - подкрановые балки;

4 - светоаэрационные фонари; 5 - связи между колоннами

По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бес­крановые, с мостовыми кранами, с подвесными кранами, с подвесными конвейерами. Выбор вида транспорта определяется массой грузов, тра­екториями их перемещения. Для перемещения грузов с большой массой по разнооб­разным траекториям оказываются более целесообразными мостовые и подвесные краны, с помощью которых груз может быть доставлен в лю­бую точку цеха.

Многие современные производственные здания характеризуются большими пролетами, большой высотой помещений, большими нагруз­ками от мостовых кранов.

Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения, быть надежной, долговечной и наиболее экономичной.

Большое влияние на работу каркаса здания оказывают краны. Являясь динамическими, многократно повторяющимися и боль­шими по величине, крановые воздействия часто приводят к раннему из­носу и повреждению конструкций каркаса, особенно подкрановых ба­лок. Поэтому при проектировании каркаса здания необходимо особо учитывать режим работы мостовых кранов, который зависит от назна­чения здания и производственного процесса в нем.

Краны с электрическим приводом могут работать в четырех режи­мах (независимо от грузоподъемности):

1К-3К - работают с большими перерывами, редко поднимая грузы, масса которых близка к грузоподъемности. Это обычно краны, не связанные с технологией производства, а предназначенные для крат­ковременных монтажных и ремонтных работ;

4К - обеспечивают технологический процесс в механических и сборочных цехах со среднесерийным производством;

5К-6К - работают в цехах с крупносерийной продукцией (ме­ханосборочные, кузнечно-прессовые и т. п.), а также в некоторых цехах. металлургического производства;

7К-8К - все численные характеристики режима ра­боты, близки к единице. Это обычно краны цехов металлургического производства, в том числе и краны с жестким подвесом груза (напри­мер, клещевые краны зданий нагревательных колодцев прокатных це­хов).

Краны 1К-6К режимов работы имеют гибкий подвес груза.

Режим работы кранов и тип подвеса груза учитываются при проек­тировании каркасов. Например, при кранах весьма тяжелого режима работы должны быть обеспечены большая продольная и поперечная жесткость каркаса, большая надежность и выносливость подкрановых балок.

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

Поперечные рамы каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых сечений).

Продольные элементы каркаса - это подкрановые конструкции, под­стропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или ребра стальных кровельных панелей).

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

Конструктивные схемы каркасов достаточно многообразны. В карка­сах с одинаковыми шагами колонн по всем рядам наиболее простая кон­структивная схема - это поперечные рамы, на которые опираются под­крановые конструкции, а также панели покрытия или прогоны (рис. а, б). Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение экс­плуатационных требований в большинстве машиностроительных цехов, в которых оборудование удобно размещается при относительно неболь­ших шагах колонн по внутренним рядам (6-12 м).

При необходимости освещения с помощью поперечных фонарей их конструкции также могут быть использованы для опирания панелей по­крытия (рис. а, в). При необходимости больших шагов колонн по всем рядам можно использовать схему с продольным фонарем, несу­щим часть нагрузки от покрытия (рис. г). На конструкции фона­ря опираются прогоны, расположенные параллельно фермам. Для опи­рания другого конца прогонов между колоннами устраивается подстро­пильная ферма.

При больших пролетах и шагах колонн эффективно применяются каркасы с пространственным ригелем (рис. е). Ригель рамы вы­полняется в виде коробчатого сквозного сечения с консолями, на кото­рые опираются конструкции фонаря.

Рис. Конструктивные схемы каркасов

Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений (жесткое, шарнирное) ригеля с колонной (рис.).

Рис. Виды сопряжения ригеля с колонной и расчетные схемы поперечных рам

При жестком сопряжении (рис. а) конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечивает передачу моментов и в расчетной схеме принимается жесткий узел. При жестком сопряжении горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на раму с шарнирным сопряжением. Большая жесткость необходима в цехах с мостовыми кранами, работающими весьма интенсивно. В этих цехах горизонтальные перемеще­ния колонн могут препятствовать нормальной эксплуатации мостовых кранов. Однако жесткое сопряжение препятствует типизации ферм, на которые в этом случае передаются значительные опорные моменты, раз­ные для рам с разными параметрами. Поэтому жесткое сопряжение можно рекомендовать главным образом для однопролетных каркасов большой высоты при кранах 5К-8К режимов работы с числом циклов загружения крановой нагрузкой 2∙10⁶ и более. В остальных однопролетных каркасах более целесообразно шарнирное сопряжение (рис. б).

Опирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструи­руется жесткими (см. рис. а-в), но возможно решение, при котором только часть колонн сопрягается с фундаментом жестко, а часть - шарнирно (рис. г). Такое решение часто оказывается эко­номически выгодным при больших тепловыделениях во время эксплуатации здания.

Подкрановые конструкции в большинстве случаев опираются на ко­лонны каркаса.

Размещение колонн в плане

Размещение колонн в плане принимают с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов. Оно должно быть увязано с габаритами технологического оборудования, его расположением и на­правлением грузопотоков. Размеры фундаментов под колонны увязыва­ют с расположением и габаритами подземных сооружений (фундамен­тов под рабочие агрегаты, боровов, коллекторов и т.п.). Колонны раз­мещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы, т.е. в многопролетных цехах колонны разных рядов устанавли­ваются по одной оси.

Согласно требованиям унификации промышленных зданий, расстоя­ния между колоннами поперек здания (размеры пролетов) назначают­ся в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6 м (иногда 3 м); для производственных зданий L=18, 24, 30, 36 м и более. Расстояния между колоннами в продольном направлении (шаг колонн), при­нимают кратными 6 м. Шаг колонн однопролетных зданий, а также шаг крайних (наружных) колонн многопролетных зданий обыч­но не зависит от расположения технологического оборудования и его принимают равным 6 или 12 м. У торцов зданий колонны обычно смещаются с мо­дульной сетки на 500 мм для возможности использования типовых ог­раждающих плит и панелей с номинальной длиной 6 или 12 м. Смеще­ние колонн с разбивочных осей имеет и недостатки, поскольку у торца здания продольные элементы стального каркаса получаются меньшей длины, что приводит к увеличению типоразмеров конструкций.

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.

Компоновка поперечных рам. Установление вертикальных размеров

На рис. представлена конструктивная схема поперечной рамы одноэтажного однопролетного производственного здания.

Высота здания от уровня пола до низа стропильных ферм

, (1)

где H₁ - расстояние от уровня пола до верха кранового рельса (обусловливается требуемой высотой подъема груза мостовым краном над уровнем пола; указывается в задании на курсовой проект);

H₂ - расстояние от головки кранового рельса до низа стропильных конструкций покрытия; определяется в зависимости от высоты мостового крана H_К [5] по формуле

(2)

где H_К – расстояние от головки рельса до верхней точки тележки крана; этот размер указывается в паспорте на кран;

f - размер, учитывающий прогиб конструкций покрытия (ферм, связей), принимаемый равным 200 - 400 мм в зависимости от величины пролета (для больших пролетов - больший размер);

 - зазор между верхней точкой тележки крана и строительными конструкциями; устанавливается требованиями техники безопасности равным 100 мм; принимается  = 100 мм.

Примечание: размер H₂ обычно принимается кратным 200 мм.

Размер H_О принимается кратным 1,2 м - до высоты 10,8 м и кратным 1,8 м - при большей высоте;

Общая высота колонны рамы от низа базы до низа ригеля

, (3)

где H_В = h + h_Р + H₂ - длина верхней части ступенчатой колонны;

h - высота подкрановой балки; предварительно можно принять равной (1/8…1/10) длины подкрановой балки (шага колонн в продольном направлении);

h_Р - высота кранового рельса;

окончательно размер H_В уточняется после расчета подкрановой балки;

H_Н - длина нижней части колонны;

Рис. Схема поперечной рамы одноэтажного производственного здания

H_Н = Н_О – Н_В + (600...1000), (4)

где размер (600...1000) - обычно принимаемое заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола;

Высота фонаря зависит от требуемой освещенности и определяется светотехническим или теплотехническим расчетами с учетом высот: типовых фонарных переплетов, бортовой стенки и карнизного элемента. Типовые фонарные переплеты имеют высоту 1250 или 1750 мм и могут устанавливаться в один или два яруса; принимаем два яруса фонарных переплетов высотой по 1250 мм каждый. Высоту бортовой стенки под переплетами принимают равной 700 мм (чтобы остекление не заносило снегом). Карниз фонаря принимают равным 300 мм. Ограждающая конструкция покрытия фонаря выполняется такой же, как ограждающая конструкция здания.

Часто встречаемая конструкция светоаэрационного фонаря (рис.).

Рис. Поперечная конструкция светоаэрационного фонаря

Установление горизонтальных размеров

В зданиях с интенсивной работой кранов (группы режимов работы 5К – 8К) для частого осмотра и ремонта крановых путей в стенках верхних частей колонн устраиваются проходы шириной не менее 400 мм и высотой 2000 мм (рис а). Минимальные размеры проема: по ширине - 400 мм, по высоте - 2000 мм).

Привязка наружной грани колонны к оси колонны может быть нулевой, 250 мм или 500 мм. Нулевую привязку принимают в зданиях без мостовых кранов, а также в невысоких зданиях (при шаге колонн 6 м), оборудованных кранами грузоподъемностью не более 30 т. Привязку а = 500 мм принимают для относительно высоких зданий с кранами грузоподъемностью 100 т и более, а также для зданий с кранами групп режимов работы 5К - 8К. В остальных случаях а = 250 мм.

При назначении ширины сечения нижней части ступенчатой колонны необходимо учитывать, что для того, чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее

L_В  B1 + (h_В - a) + 75, (5)

где В₁ - размер части кранового моста, выступающей за ось рельса, принимаемый по ГОСТу на краны;

75 - зазор между краном и колонной, по требованиям безопасности принимаемый по ГОСТу на краны;

Пролеты мостовых кранов имеют модуль 500 мм, поэтому размер L_В должен быть кратным 250 мм.

Ось подкрановой ветви колонны обычно совмещают с осью подкрановой балки; ширина сечения нижней части колонны равна:

h_Н = L_В + a .

Верхнюю часть ступенчатой колонны проектируют сплошной двутаврового сечения, нижнюю часть (при ширине колонны более 1 м – сквозной.

а – с проходом в верхней части колонны; б – без прохода

Рис. Конструктивное решение верхней части ступенчатой колонны

Ширина фонаря обычно назначается 6 или 12 м.

Связи

Связи - это важные элементы стального каркаса, которые необхо­димы для:

• обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов;

• восприятия и передачи на фундаменты некоторых нагрузок (ветро­вых, горизонтальных от кранов);

• обеспечения совместной работы поперечных рам при местных нагруз­ках (например, крановых);

• создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормаль­ных условий эксплуатации;

• обеспечения условий высококачественного и удобного монтажа.

Связи подразделяются на связи между колоннами и связи между фермами (связи шатровые).