2. Схемы каркасов зданий

Несущие конструкции одноэтажных зданий из сборных желе­зобетонных элементов принято делить на поперечные и продоль­ные. Поперечные конструкции каркаса здания называют рама­ми; они воспринимают нагрузки от покрытия, снега, кранов, вет­ра, действующего на продольные стены и фонари, а при каркасных стенах – также нагрузки от стен. В отдельных случаях ра­мы могут быть рассчитаны и на восприятие других нагрузок и воздействий, например сейсмических.

Продольные конструкции здания обеспечивают устойчивость поперечных рам и воспринимают продольные нагрузки от тор­можения кранов и от ветра, действующего на торцовые стены здания и торцы фонарей. Продольные конструкции могут вос­принимать и другие нагрузки и воздействия, в том числе сейсми­ческие.

Поперечные конструкции (рамы здания) состоят из основ­ных несущих элементов каркаса здания: стоек и ригелей. В од­ноэтажных зданиях сборные железобетонные рамы могут быть однопролетные, двухпролетные и многопролетные. В современном промышленном строительстве преобладают многопролетные здания.

Сборные железобетонные поперечные рамы собирают из сто­eк (в одноэтажных зданиях их называют колоннами) и ригелей, в качестве которых используют сплошные элементы – балки покрытия (называемые в дальнейшем стропильными балками) либо решетчатые элементы – фермы покрытия (называемые в дальнейшем стропильными фермами). Сборные элементы рам - колонны и балки, а также колонны и фермы – могут со­прягаться между собой при помощи шарнирных либо жестких соединений в узлах. В практике отечественного промышленного строительства рамы одноэтажных зданий с жесткими узлами при сборных железобетонных конструкциях практически не при­меняются; распространение получили только рамы с шарнирными верхними узлами. Колонны и ригели соединяются между собой при помощи закладных деталей, анкерных болтов и относительно небольшого количества сварных швов. Такие соединения податливы, поэтому условно рассматриваются как шар­нирные, хотя практически способны воспринимать небольшие моменты, обычно не учитываемые в расчете. Внизу колонны за­щемлены в фундаментах. Сборные железобетонные рамы дела­ют обычно из типовых элементов заводского изготовления.

Рамы зданий в продольном направлении соединяются меж­ду собой поверху жестким диском покрытия (при скатных покрытиях с небольшой высотой опорных частей стропильных ба­лок и ферм) или подстропильными конструкциями, которые обеспечивают наиболее жесткое соединение, или продольными вертикальными связевыми элементами в уровне опорных час­тей стропильных балок и ферм, а иногда и горизонтальными связями. В зданиях с мостовыми кранами соединительными эле­ментами продольной конструкции служат подкрановые балки и связи между колоннами.

0. 1.3. Конструктивные схемы покрытий

Одноэтажные производственные здания в зависимости от их профиля и решения кровли можно разделить на две основные группы: здания со скатными кровлями и здания с плоскими кровлями.

Здания со скатными кровлями по профилю покрытия и решению каркаса имеют следующие разновидности:

а) – однопролетные с двускатной кровлей (рис. 1.1а);

б) – двухпролетные с двускатной кровлей с применением односкатных балок (рис. 1.1а);

в) – трехпролетные с перепадами и без перепадов с применением одно- и двускатных балок (рис. 1.1а);

г) – многопролетные с применением двускатных балок или ферм (рис. 1.1б).

Рис. 1.1. Каркас одноэтажных зданий

а– однопролетного, двухпролетного и трехпролетного с применением двускатных и односкатных балок; б – многопролетных с применением ферм со скатной кровлей; в – то же, с плоской кровлей

Здания первых трех видов строят с наружным отводом воды, а многопролетные – только с внутренним. Многопролетные здания со скатной кровлей могут быть с фонарями или без них.

Здания с плоской кровлей, как правило, без фонарей, многопролетные с горизонтальными ригелями в виде балок или ферм (рис. 1.1в), с минимальным количеством перепадов.

Типовые конструктивные решения зданий со скатной и плоской кровлей предусматривают применение крупнопанельных плит покрытий пролетом 6 или 12 м, опирающихся непосредственно на балки или на фермы покрытия.

Здания со скатной или плоской кровлей из типовых унифицированных конструкций имеет несколько конструктивных схем, которые могут быть сведены к четырем основным вариантам: схема 1 – соответствующая каркасам зданий с шагом всех колонн и стропильных конструкций 6 м; схема 2 – соответствующая каркасам зданий с шагом всех колонн и стропильных конструкций 12 м; схема 3 – соответствующая каркасам зданий с шагом всех колонн 12 м и шагом стропильных конструкций 6 м; схема 4 – соответствующая каркасам зданий с шагом колонн по средним продольным рядам 12 м, шагом колонн по крайним рядам 6м, всех стропильных конструкций также 6 м (эта схема представляет сочетание схем 1 и 3).

Для зданий со скатными покрытиями и типовыми стропильными балками и фермами конструктивные схемы 1 и 2 с шагом колонн и стропильных конструкций соответственно 6 и 12 м показаны на рис. 1.3, конструктивная схема 4 – на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Конструктивная схема 4 покрытия зданий со скатной кровлей при шаге колонн среднего ряда 12м и шаге стропильных ферм 6 м

1 – колонна; 2 – стропильная ферма; 3 – фонарь; 4 – подстропильная ферма; 5– плита длиной 6 м

Рис. 1.3 Конструктивная схема 2 покрытия зданий со скатной кровлей при шаге колонн и стропильных конструкций 12 м

1 – колонна; 2 – стропильная ферма; 3 – фонарь; 4 – стальные связи; 5 – стальная распорка; 6 – плита длиной 12 м

Конструктивная схема 1. Стропильные балки или фермы устанавливаются на колонны с шагом 6 м. В крайних ячейках каждого температурного блока здания, длина которого по нормам принимается 72 м, по оси колонн устанавливаются вертикальные связевые стальные фермы между смежными балками или фермами. В остальных ячейках между связевыми блоками и в уровне верха колонн устанавливаются распорки из стальных линейных элементов для развязки колонн поверху и стропильных конструкций покрытия на уровне их опорных узлов. Плиты покрытия приваривают к закладным деталям верхнего пояса балок или ферм и рассматривают совместно как жесткий диск по верхним поясам балок или ферм. Этот диск из плит покрытия замеряет горизонтальные связевые фермы; плиты служат также распорками балками или фермами. Закрепленными на опорах вертикальными связями, и остальными балками и фермами (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Конструктивная схема 1 покрытия зданий с плоской кровлей

а – вариант с балками; б – вариант с фермами; 1 – колонна; 2 – стропильная балка; 3 – стропильная ферма; 4 – подстропильная балка; 5 – подстропильная ферма; 6 – плита длиной 6 м; 7 – плита длиной 12 м; 8 – вертикальная связевая ферма; 9 – связевая распорка

Конструктивная схема 2. Стропильные балки или фермы устанавливаются непосредственно на колонны с шагом 12 м. В крайних ячейках каждого температурного блока здания, как и при схеме 2, балки и фермы соединяются попарно вертикальными связевыми стальными фермами пролетом 12 м. Далее схема повторяет схему 1 с той лишь разницей, что длина линейных стальных связевых элементов между колоннами равна 12 м вместо 6 м, плит – 12м (как правило, 12х3 м) (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Конструктивная схема 2

1 – колонна; 2 – стропильная балка; 3 – стропильная ферма; 4 – подстропильная балка; 5 – подстропильная ферма; 6 – плита длиной 6 м; 7 – плита длиной 12 м; 8 – вертикальная связевая ферма; 9 – связевая распорка

Конструктивная схема 3. Стропильные балки или фермы с шагом 6 м устанавливаются на подстропильные балки или фермы пролетом 12 м. Работа поперечных рам обеспечивается достаточно жестким соединением опор подстропильных ферм с колоннами с условным шарнирным соединением. Стропильные балки или фермы устанавливают попеременно то в створе колонн, то на средний узел подстропильной фермы или балки с условным шарнирным соединением. Колонны вдоль здания развязываются подстропильными конструкциями, приваренными к верхним закладным листам колонн. Это обеспечивает жесткость системы конструкции вдоль здания (продольных рам) без применения стальных связей между конструкциями покрытия. Плиты покрытия пролетом 6 м приваривают к закладным деталям верхних поясов стропильных конструкций (как и в схеме 1), а расположенные у продольных осей здания закрепляют также к подстропильным конструкциям – с соблюдением ряда требований (рис. 1.6).

Конструктивная схема 4. Применяется при шаге крайних колонн здания 6 м и шаге всех средних колонн 12 м. Стропильные балки или фермы устанавливаются по средним рядам на подстропильные конструкции (как и в схеме 3), а по крайним рядам – непосредственно на колонны через 6 м. По крайним рядам предусматриваются вертикальные связевые стальные фермы длиной 6 м и связевые стальные элементы длиной по 6 м (как в схеме 1), а по средним рядам связями служат подстропильные конструкции (рис. 1.7).

Рис. 1.6. Конструктивная схема 3

1 – колонна; 2 – стропильная балка; 3 – стропильная ферма; 4 – подстропильная балка; 5 – подстропильная ферма; 6 – плита длиной 6 м; 7 – плита длиной 12 м; 8 – вертикальная связевая ферма; 9 – связевая распорка

Рис. 1.7. Конструктивная схема 4

1 – колонна; 2 – стропильная балка; 3 – стропильная ферма; 4 – подстропильная балка; 5 – подстропильная ферма; 6 – плита длиной 6 м; 7 – плита длиной 12 м; 8 – вертикальная связевая ферма; 9 – связевая распорка

Помимо описанных типовых конструктивных схем одноэтажных производственных зданий в отдельных случаях, а иногда и более широко применялись другие конструктивные схемы. До разработки типовых унифицированных конструкций одноэтажных зданий с плоской кровлей Промстройпроектом в 1959 году были составлены проекты зданий с плоской кровлей в Москве, в том числе здание текстильной фабрики в Новых Черемушках. Конструктивная схема этих зданий с сеткой колонн 24х12 м и созданные для нее конструкции использовались до последнего времени для проектирования и строительства большого количества промышленных объектов и отдельных зданий в Москве и Московской области. Эта схема представляет собой вариант схемы 4. Фермы расположены через 6 м с опиранием на подстропильные фермы (рис. 1.8). Схема с шагом колонн 12 м и подстропильными конструкциями оказалась для проектируемых в Москве предприятий наиболее рациональной, т.к. помимо применения укрупненной сетки колонн проще и экономичнее решено крепление подвесных потолков, осветительной арматуры, вентиляционных коробов и подвесного оборудования. Отличие этой схемы от типовой схемы 4 в том, что в типовой схеме стропильные фермы с восходящими сжатыми опорными раскосами опираются на нижние узлы подстропильных ферм, а в рассматриваемой схеме стропильные фермы с нисходящими растянутыми опорными раскосами опираются на верхние узлы подстропильных ферм.

Рис. 1.8. Конструкции зданий с плоской кровлей с опиранием в верхних узлах ферм

1 – стропильная ферма; 2 – подстропильная ферма; 3 – колонна; 4 – стальная связь

Схема конструкций по варианту, применявшемуся в Москве, имеет свои определенные преимущества. Поскольку стропильные фермы опираются на подстропильные верхним узлом, существенно облегчается их монтаж, при котором можно почти полностью отказаться от монтажных связей и при необходимости вести монтаж ферм независимо от монтажа панелей покрытия. Кроме того, имеются и некоторые преимущества в изготовлении подстропильной фермы с прямолинейным предварительно напряженным нижним поясом и сжатыми раскосами. Недостаток такой конструктивной схемы в том, что в ней не могли быть применены типовые колонны, используемые для зданий со скатной кровлей и в зданиях с ригелями в виде стропильных балок (при сетке колонн 18х12 м).

Для зданий с плоской кровлей с сеткой колонн 18х12 м и 24х12 м разработаны схема и конструкций покрытий с балками длиной 12 м и пустотными настилами длиной 18 и 24 м, внутренние пустоты которых используются вместо вентиляционных коробов (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Покрытие здания из длинномерных пустотных настилов

1 – колонна; 2 – балка пролетом 12 м; 3 – длинномерный настил; 4 – плоская плита; 5 – закладные детали и монтажные сварные швы

1.4. Жесткость и устойчивость каркаса здания и конструкций покрытия. Решение связей

Каркас здания должен обладать пространственной жесткостью, которая условно оценивается величиной упругих смещений элементов каркаса, происходящих под влиянием различных си­ловых воздействий. В зданиях с каркасами из сборных железо­бетонных элементов с применением крупноразмерных плит же­сткость покрытия и каркаса здания в целом обеспечивается связями и диском покрытия, образуемым из плит. В покрытиях с прогонами жесткость обеспечивается только связями.

Несколько большие требования в отношении жесткости кар­касов предъявляются к зданиям, оборудованным во всех пролетах мостовыми кранами грузоподъемностью свыше 30 т либо в части пролетов кранами грузоподъемностью свыше 50 т, а также зданиям большой высоты. Для таких здании недостаточно обычных вертикальных связей, по колоннам и диска покрытия из крупноразмерных плит, поэтому приходится применять и горизонтальные стальные связи.

Вертикальные и горизонтальные связи обеспечивают жесткость и неизменяемость покрытия и здания в целом и являются ответственными элементами каркаса здания. Кроме того, эти связи воспринимают горизонтальные ветровые нагрузки, дейст­вующие на торцы здания, горизонтальные тормозные нагрузки от мостовых кранов и подвесных электрических кран-балок, а также создают устойчивость сжатых поясов несущих конструкций покрытий зданий стропильных балок и ферм. . .

К вертикальным относятся связи по колоннам и связи, рас­полагаемые вдоль продольных осей, на уровне опорных частей несущих конструкции покрытии, связи фонарей и ферм покры­тий,. а также связи подвесных путей. Связи по колоннам соз­дают жесткость, геометрическую неизменяемость продольной рамы здания, собирают все горизонтальные усилия с покрытия и продольных рам здания и передают их на фундаменты. Эти связи выполняются из стальных уголков, которые привариваются при монтаже к закладным деталям колонн. Связи па ко­лоннам устанавливают в каждом ряду в середине температурного блока; при этом следует иметь в виду, что при установке таких связей в двух смежных ячейках продольной рамы стано­нятся затруднительными деформации от перепада температуры, что в свою очередь вызывает нежелательные дополнительные напряжения в элементах каркаса здания. Поэтому установка вертикальных связей в двух ячейках температурного блока не рекомендуется.

Вертикальные связи по элементам покрытия решаются в за­висимости от принятой схемы конструкции покрытия. Так, в зда­ниях со скатной кровлей с типовыми конструкциями стропильных балок и ферм, имеющими высоту на опоре 800 и 900 мм, вертикальные связи в уровне верха колонны и опорных частей балок и ферм обычно не ставят. В этом случае горизонтальные силы с диска покрытия передаются непосредственно через опорные части ферм и балок, имеющих определенную жесткость из своей плоскости. Поэтому изгибающий момент от горизонтальной силы, передаваемой с небольшим плечом, должен быть вос­принят креплением балки или фермы к колонне через закладной лист.

В зданиях с плоской кровлей, где высота типовых балок составляет 1200-1500 мм, а ферм - 2700 мм, а иногда и более, при принятых способах соединения сборных конструкций рассчитывать на передачу горизонтальных сил на колонны без связей нельзя. В крайних ячейках температурного блока здания по продольным осям, между опорными стойками ферм либо между опорными утолщениями балок устанавливают связи. Такого же типа связи следует применять и в зданиях со скатными кровлями при использовании балок и ферм с высотой на опорах более 1000 мм. Связи-распорки также следует предусматривать и в высоких зданиях павильонного типа со скатной кровлей. Необходимость связей-распорок в таких зданиях обуславливается тем, что связевая панель доходит до верха колонн и в этом случае при отсутствии распорок все ветровые нагрузки должны передаваться через сварные швы крепления плит в связевой панели. Этих швов недостаточно и поэтому необходимо вводить распорки в уровне оголовков колонн для передачи ветровых нагрузок по всем сварным швам.

Стальные связи покрытий зданий с плоской кровлей с шагом колонн 6 и 12 м без подстропильных конструкций состоят из вертикальных связей-ферм с номинальной длиной 6 или 12 м и высотой, соответствующей высоте балок и ферм, и связевых линейных элементов – распорок и растяжек – с номинальной длиной 6 и 12 м.

Вертикальные связи покрытий располагают по средним рядам колонн – по их оси, и по крайним рядам колонн со смещением связей на 150 мм от оси внутрь пролета. В нижних углах связи крепят к столикам, привариваемым к закладным деталям колонн (рис. 1.10а), а в верхних углах к закладным деталям на верхней плоскости концевых частей смежных стропильных ферм (рис. 1.10б) или балок.

Рис. 1.10. Детали крепления стальных вертикальных связей ук колоннам и фермам по средним рядам зданий с плоской кровлей

а – к верху колонны; б – к верхним поясам стропильных ферм; 1 –колонна; 2 – ферма; 3 – закладные детали; 4 –связевая ферма; 5 – стальная распорка; 6 – накладная деталь; 7 – монтажные швы, накладываемые до установки смежной фермы

Если в зданиях с плоской кровлей по крайним рядам колонн с шагом 12 м предусматриваются дополнительно колонны продольного фахверка с шагом 6 м, то вертикальные связи пролетом 6 м и распорки крепятся с одной стороны к основным колоннам с другой – к колоннам фахверка (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Деталь крепления вертикальных связей к колонне продольного фахверка стен

а – при нулевой привязке; б – при привязке к оси 250 мм; 1 – колонна фахверка; 2 – закладные детали; 3 – стальная связевая ферма длиной 6 м

В зданиях с подстропильными конструкциями продольная жесткость покрытия и колонн на уровне их верхушек обеспечивается подстропильными балками или фермами, прикрепляемыми к колоннам. В этом случае необходимость в вертикальных связях и распорках на уровне опорных частей стропильных конструкций отпадает, т.к. продольная жесткость каркаса получается значительно большей, чем при стальных связях.

Рассмотрим несколько характерных схем покрытий и связей.

1. покрытие здания без мостовых кранов со скатной кровлей. В этом случае вертикальные связи между колоннами не предусмотрены; ветровая нагрузка, действующая на торец здания, распределяется по всем рядам колонн через швы приварки плит над осями крайних и средних колонн. Усилие от ветровой нагрузки воспринимается суммой расчетных швов (рис. 1.12а).

2. покрытие здания с мостовыми кранами и скатной кровлей с вертикальными связями между колоннами, которые установлены до отметки подкрановых балок (рис. 1.12б). Ветровая нагрузка воспринимается суммой всех расчетных швов, как и в предыдущей схеме покрытия.

3. покрытие здания без мостовых кранов с вертикальными связями между колоннами. Ветровая нагрузка, действующая на здание, передается через сварные швы над местами расположения связей между колоннами (рис. 1.13).

4. покрытие здания без мостовых кранов с вертикальными связями между фермами или балками с распорками по верху колонн. По колоннам предусмотрены вертикальные связи. Ветровая нагрузка, действующая на торец здания, передается через сварные швы в местах расположения вертикальных связей между фермами или балками (рис. 1.14а).

Рис. 1.12. Расчетные схемы(1 и 2) диска покрытия со скатной кровлей

а – без кранов и без связей между колоннами; б – с кранами и со связями до низа подкрановых балок)

Рис. 1.13. Расчетная схема (3) диска покрытия здания без кранов со скатной кровлей и вертикальными связями между колоннами

Рис. 1.14. Расчетные схемы (4 и 5) диска покрытия и связей зданий с плоской кровлей

а – без кранов; б – с мостовых кранами; 1 – колонна, 2 – опорная стойка фермы; 3 – плита покрытия; 4 – вертикальная связь по фермам; 5 – дополнительная связь, устанавливаемая при недостаточной суммарной длине сварных швов; 6 – связь по колоннам; 7 – распорки

5. покрытие здания с мостовыми кранами, вертикальными связями между фермами или балками, с распорками по верху колонн и вертикальными связями между колоннами, установленными до отметки подкрановых балок (рис. 1.14б).

6. Покрытие здания с применением подстропильных балок или ферм. Ветровая нагрузка, действующая на торец здания, передается с плит покрытия на подстропильные конструкции и затем на колонны через сварные швы по аналогии с ранее описанными схемами.

Конструктивные схемы одноэтажных производственных зданий, проектируемых для сейсмических районов с каркасом из сборных железобетонных конструкций, в целом принимаются по обычным схемам – со стойками, защемленными внизу в фундаменты и шарнирно связанными поверху балками или фермами покрытия – при шаге колонн 6 и 12 м. При этом схема покрытия в зданиях с расчетной сейсмичностью 7 и 8 баллов принимается без подстропильных конструкций (с шагом колонн и стропильных конструкций 6 и 12м) либо с подстропильными конструкциями. Схема покрытия в зданиях с расчетной сейсмичностью 9 баллов принимается без подстропильных конструкций, со сборными железобетонными балками или фермами с шагом 6 м (по колоннам с шагом 6 м) и сборными или сборно-монолитными покрытиями из плит длиной 6м.

Рис. 1.15. Схемы и детали крепления связей в зданиях с подстропильными конструкциями

а – для зданий со скатной кровлей и мостовыми кранами; б – для зданий с плоской кровлей без кранов; в – детали крепления распорок; 1 – плита покрытия; 2 – стропильная ферма; 3 – распорка; 4 – связь по колоннам; 5 – подстропильная ферма

19