Konstrukcii / Лекция 5

5. Стальные каркасы

Колонны. В одноэтажных производственных зданиях применяют колонны трех типов: постоянного сечения, ступенчатые и раздельные (рис. 21.6). Стержни колонны или ее части могут быть выполнены сплошностенчатыми (сплошными) или решетчатыми (сквозными). Сквозные колонны более экономичны по расходу стали, но трудоемки в изготовлении.

Рис. 21.6. Типы колонн: а – постоянного сечения; б – ступенчатая; в – раздельная

Колонна состоит из стержня, оголовка, подкрановой консоли и базы. Общая длина колонны складывается из высоты здания (Н₀), величины заглубления базы и высоты опорной части фермы (при жестком сопряжении колонны с фермой покрытия).

Высота сечения колонны по условиям жесткости должна быть не менее 1/20 высоты здания и увязана с размерами стального проката.

Ступенчатые колонны (рис. 21.6 б) являются массовыми для стальных каркасов одноэтажных промзданий. Подкрановая балка опирается на уступ нижней части колонны и располагается по оси подкрановой ветви. При двухъярусном расположении кранов колонны могут иметь дополнительную консоль в верхней части колонны либо два уступа (двухступенчатые колонны).

Размеры по высоте ступенчатых колонн определяются аналогично колоннам постоянного сечения. Высоту поперечного сечения верхней части из условия жесткости предварительно принимают не менее 1/12 ее длины от верха уступа до низа стропильной фермы. Высоту сечения нижней части колонны в поперечном направлении назначают не менее 1/20 Н, а при интенсивной работе кранов – 1/15 Н, где Н – расстояние от верха фундамента до низа стропильной фермы.

Колонны раздельного типа имеют шатровую ветвь и гибко связанную с ней подкрановую ветвь. Шатровая ветвь работает в системе поперечной рамы и воспринимает все нагрузки кроме вертикального давления мостового крана. Подкрановая ветвь связана с шатровой гибкими в вертикальной плоскости горизонтальными планками, поэтому она воспринимает только вертикальное усилие от мостовых кранов. Применение колонн раздельного типа рационально в случае низкого расположения кранов большой грузоподъемности.

Компоновка сечений и расчет сплошных колонн. Стержень сплошностенчатой колонны постоянного сечения или надкрановой части ступенчатой колонны обычно проектируют двутаврового типа. Если применение широкополочных двутавров приводит к существенному повышению металлоемкости или отсутствуют двутавры необходимой мощности, то сечение колонн компонуют из трех листов в виде составного двутавра симметричного сечения (рис. 21.7 б). Несимметричное сечение из трех листов (рис. 21.7 в) допускается при сильном различии расчетных изгибающих моментов разных знаков. Полки высоких колонн при больших усилиях можно выполнить из прокатных или сварных двутавров (рис. 21.7 г, д). Для подкрановой части ступенчатой колонны крайних рядов целесообразны асимметричные сечения (рис. 21.7 е-з).

Рис. 21.7. Типы сечений сплошных колонн: а – из прокатного двутавра; б, в, д, ж, з – из сварных листов; г – из двух двутавров и листа; е – из швеллера и листов

Компоновка сечений сквозных колонн. Стержень сквозной колонны состоит из двух ветвей, объединенных между собой соединительной решеткой. Для шатровых ветвей колонн крайних рядов, если затруднено крепление стенового ограждения к полкам двутавра, применяют швеллерное сечение в виде прокатного или холодногнутого швеллера из листа толщиной до 16 мм (рис. 21.8). В мощных колоннах применяют сварные швеллеры из листов или листа и уголков. Сечения колонн средних рядов выполняют симметричными из прокатных двутавров либо составного сечения.

Рис. 21.8. Типы сечений сквозных колонн: а – крайних рядов; б – средних рядов

Оголовки колонн. Опирание стропильных ферм на колонны может быть спроектировано сверху или сбоку. Опирание сверху применяют при шарнирном присоединении фермы к колонне, опирание сбоку – как при шарнирном, так и при жестком.

При шарнирном сопряжении ригеля (фермы) со стойкой (колонной) действует только вертикальная сила, равная опорной реакции фермы. При опирании фермы на колонну сверху (рис. 21.11) эта сила через строганый фланец надопорной стойки фермы передается на опорную плиту толщиной 20-30 мм и далее с помощью опорных ребер переходит на стенку и равномерно распределяется по сечению стержня колонны. Толщину опорных ребер оголовка колонны определяют расчетом на смятие и обычно назначают в пределах 14-20 мм.

Рис. 21.11. Узел шарнирного опирания стропильной фермы на колонну и варианты его решений: 1 – стержень колонны; 2 – опорная плита; 3 – опорная пластина; 4 – опорное ребро; 5 – поперечное ребро; 6 – накладка

При жестком сопряжении ригеля с колонной стропильная ферма примыкает к колонне сбоку (рис. 21.12 а). Опорное давление передается на опорный столик из листа толщиной 30-40 мм или из отрезка уголка со срезанной полкой.

Рис. 21.12. Жесткое сопряжение фермы с колонной

Базы колонн без траверс (рис. 21.13) применяют в бескрановых зданиях, в зданиях с подвесным транспортом и с мостовыми кранами общего назначения грузоподъемностью до 20 т.

Опорная плита колонны должна быть компактной в плане и не иметь больших консольных вылетов. Толщина плиты, определяемая расчетом на реактивный отпор бетона, получается порядка 50-80 мм.

Рис. 21.13. Опирание стальной колонны через опорную плиту на фундамент: 1 – колонна; 2 – анкерный болт с гайкой и шайбой; 3 – анкерная плитка; 4 – оси анкерных болтов; 5 – цементная подливка; 6 – фундамент

Базы колонн с траверсами. Для обеспечения жесткости базы и уменьшения толщины опорной плиты устанавливают траверсы, ребра и диафрагмы. Ширину плиты принимают на 100-200 мм шире колонны. Конструкция базы сплошной колонны показана на рис. 21.14.

Рис. 21.14. Опирание колонны через траверсы базы на фундамент: 1 – колонна; 2 – анкерный болт; 3 – анкерная плитка; 4 – опорная плита; 5 – цементная подливка; 6 – фундамент

Базы решетчатых (двухветвевых) колонн проектируют, как правило, раздельного типа (рис. 21.15). Каждая ветвь колонны имеет свою центрально загруженную базу. Толщину траверс назначают обычно 12-16 мм, толщину опорных плит – 20-50 мм. В траверсах предусматривают отверстия диаметром 40 мм для строповки.

Рис. 21.15. Опирание двухветвевой колонны на фундамент: 1 – колонна: 2 – анкерный болт; 3 – монолитнобетонный ростверк по сваям; 4 – буронабивная свая

Стальные колонны для зданий без опорных мос­товых кранов высотой 6–8,4 м (рис. 21.16) разработаны применительно к стальным конструкциям покрытий. Колонны имеют сплошностенчатое постоянное сечение по высоте. Сечения стержней колонн приняты из двутавров с параллельными гранями полок (широкополочных двутавров). В зависимости от параметров здания и нагрузок ствол колонн может иметь сечение двутавров от 35Ш1 до 70Ш1 и различную привязку к крайним координационным осям. Базы колонн спроектированы с опорными плитами, приваренными к стержню колонны на заводе.

Рис. 21.16. Стальные колонны для зданий высотой 6,0-8,4 м без мостовых опорных кранов: а, б – колонны крайнего ряда; в – колонна среднего ряда

Для производственных зданий без опорных мостовых кранов высотой 9,6-18 м колонны проектируют сквозными, двухветвевыми, с двухплоскостной безраскосной решеткой (рис. 21.17). Ширина колонны по осям ветвей принята для всех колонн крайних и средних рядов 800 мм. Ветви колонн спроектированы из стальных горячекатаных двутавров с параллельными гранями полок. Базы колонн – раздельные для каждой ветви.

Рис. 21.17. Стальные колонны сквозного сечения для зданий высотой 9,6-18,0 м без опорных мостовых кранов: а – крайних рядов; б – средних рядов

Колонны зданий высотой 8,4 и 9,6 м, оборудованных мостовыми опорными кранами (рис. 21.18) спроектированы сплошностенчатыми постоянного сечения по высоте из двутавров широкополочных. Отметка верха фундамента – 0,130. Базы колонн – с опорными плитами.

Рис. 21.18. Стальные колонны для зданий высотой 8,4 и 9,6 м, оборудованных мостовыми опорными кранами: а – крайнего ряда; б – среднего ряда

Двухветвевые колонны номинальной высотой 10,8-18 м разрабатывают для применения в зданиях пролетами 18, 24, 30 и 36 м с шагом колонн по крайним и средним рядам 6 и 12 м, с одноярусным расположением мостовых кранов легкого, среднего и тяжелого режимов работы грузоподъемностью до 50 т с проходами и без проходов вдоль подкрановых путей (рис. 21.19).

Рис. 21.19. Стальные двухветвевые (сквозные) колонны для зданий высотой 10,8-18,0 м, оборудованных мостовыми опорными кранами: а – крайнего ряда; б – среднего ряда

Колонны проектируют ступенчатыми с нижней решетчатой частью и верхней частью из сварных или широкополочных прокатных двутавров. Подкрановые ветви решетчатой части выполняют из прокатных, сварных, а также широкополочных двутавров, наружные ветви колонн крайних рядов – из прокатных и гнутых швеллеров или широкополочных двутавров. Решетка подкрановой части колонн принята двухплоскостной и выполняется из прокатных уголков (рис. 21.20).

Рис. 21.20. Элементы двухветвевой средней колонны (при наличии проходов вдоль подкрановых путей): 1 – подкрановая ветвь; 2 – надкрановая часть; 3 – оголовок; 4 – раскосы решетки; 5 – база; 6 – анкерный болт

Базы колонн принимают раздельными с фрезерованными торцами ветвей. Надкрановую и подкрановую части колонн соединяют сваркой в заводских условиях или на строительной площадке в зависимости от размера колонны, транспортных средств и конкретных условий строительства.

Колонны всех указанных типов могут применяться в районах с расчетной температурой наружного воздуха -40°С и выше – для отапливаемых зданий и -30°С и выше – для неотапливаемых зданий.

Устойчивость каркаса и восприятие действующих в продольном направлении нагрузок (ветер, торможение кранов, усилия от технологических нагрузок, температурные воздействия, сейсмические усилия) обеспечивают продольные конструкции. В систему продольных конструкций входят колонны, связанные между собой продольными элементами – подстропильными фермами, подкрановыми и тормозными конструкциями, распорками и вертикальными связями по колоннам.

Вертикальные связи по колоннам применяют следующих типов: крестовые, раскосные, полураскосные, портальные, подкосные (рис. 21.21).

Рис. 21.21. Схемы решений вертикальных связей между колоннами: а – крестовая; б – раскосная; в – полураскосная; г, д – портальные; е – подкосная

В зависимости от условий работы раскосные связи могут быть растянутые и сжато-растянутые. Для зданий, оборудованных мостовыми кранами с тяжелым режимом работы, применение растянутых связей не рекомендуется.

Портальные связи применяются для обеспечения технологических проходов и проездов, а также в случаях, когда шаг колонн в полтора раза и более превышает высоту связевой панели (высоту до низа подкрановой балки). Портальные связи, как правило, более многодельны и деформативны, чем крестовые и раскосные.

Вертикальные связи по колоннам целесообразно размещать посередине температурного отсека.

При ширине сплошностенчатых колонн до 600 мм рекомендуется выполнять вертикальные связи одноплоскостными, при ширине колонн более 600 мм, а также при двухветвевых колоннах, вертикальные связи выполняются двухплоскостными.

По верху колонн, а также в уровнях, определяемых требуемой гибкостью колонн из плоскости, устанавливаются распорки.

Подкрановые конструкции. Среди конструктивных элементов, определяющих надежность и эксплуатационную пригодность промышленных зданий, особое место принадлежит подкрановым конструкциям. В большинстве зданий эксплуатируются подкрановые конструкции в виде сварных или прокатных балок.

В общем случае подкрановые системы состоят из собственно подкрановой балки, кранового рельса с креплениями, тормозной балки (или фермы), связей по нижнему поясу, вертикальных связей, диафрагм или поперечных связей, т.е. представляют собой в совокупности пространственный жесткий брус (рис. 21.22).

Рис. 21.22. Схемы подкрановых путей: а – по колоннам крайнего ряда; б – среднего ряда; 1 – каток крана; 2 – тормозная балка (ферма); 3 – вспомогательная ферма (балка); 4 – вертикальные связи; 5 – подкрановая балка; 6 – горизонтальная связь; 7 – подкрановый рельс

Подкрановые конструкции воспринимают комплекс нагрузок и воздействий: собственный вес конструкций; вертикальные, горизонтальные и крутящие воздействия катков крана; ветровые и сейсмические нагрузки; температурные и др. воздействия.

Подкрановые балки подразделяются на следующие типы:

- по расчетным схемам: разрезные и неразрезные (рис. 21.23);

- по конструктивному решению: сплошностенчатые (рис. 21.24) и сквозные (рис. 21.25);

- по способу соединения элементов: сварные, клепаные, на высокопрочных болтах, комбинированные (рис. 21.24).

Рис. 21.23. Подкрановые балки: а – разрезная сплошностенчатая; б – неразрезная

Рис. 21.24. Типы поперечных сечений подкрановых балок сплошного сечения: а – сварная; б – из листов и уголков клепаная или с соединениями на высокопрочных болтах; в, г – с комбинированными соеди­нениями (болтосварные)

Рис. 21.25. Сквозная разрезная подкрановая ферма (общий вид и узлы)

Особый вид конструкций представляют собой подкраново-подстропильные фермы (рис. 21.26). Объединение подкрановой балки и подстропильной фермы по­зволяет в ряде случаев при технологической необходимости использовать мощные краны тяжелого и весьма тяжелого режимов работы.

Рис. 21.26. Подкраново–подстропильные фермы (варианты)

Схема и тип подкрановых конструкций назначаются в зависимости от грузоподъемности, режима работы кранов, пролета подкрановых конструкций, податливости опор, типа грунтов оснований.

Сечение подкрановых балок принимается в виде симметричного двутавра из прокатных широкополочных профилей или из трех листов в виде сварного двутавра. В некоторых случаях для поясов балок составного сечения возможно выполнение поясов из пакета листов, соединенных на сварке или высокопрочных болтах (рис. 21.24).

Минимальная ширина верхнего пояса определяется типом применяемого рельса и способом его крепления к подкрановой балке. Обычно для сварной балки ширину верхнего пояса принимают 250 мм, нижнего – 200 мм.

Толщина стенки во многом зависит от значения давления катка крана, являющегося определяющим факто­ром местной устойчивости. Толщину стенки балки можно определить по формуле: t = (6 + 3h) мм, где h – высота балки, м. Минимальная толщина стенки может составлять 1/70-1/200 высоты балки.

При проектировании подкрановых балок на высоко­прочных болтах рекомендуется выбирать сплошностенчатое сечение, состоящее из вертикального листа, верхнего пояса из двух уголков и поясного листа или пакета листов, нижнего пояса из двух уголков. Для разрезных подкрановых балок рекомендуется проектировать комбини­рованную болто-сварную балку с верхним поясом из двух уголков и поясного листа с нижним поясом из листа, приваренного к стенке балки (рис. 21.24 в, г).

Подкрановые фермы (рис. 21.25) проектируют с параллельными поясами, с треугольной схемой решетки и стойками. Высоту подкрановых ферм следует назначать в пределах 1/5-1/7 пролета при пролетах 12-18 м и 1/7-1/10 пролета при пролетах 24-36 м (где меньшие величины относятся к большим пролетам). Длину панели подкрановой фермы рационально назначать приблизительно равной высоте фермы, но не более 3 м с тем, чтобы можно было подобрать сечение верхнего пояса из прокатного широкополочного двутавра, нижний пояс – из широкополочного тавра или из уголков; для элементов решетки рекомендуются спаренные уголки.

Подкраново-подстропильные фермы (ППФ) проектируются с ездовым нижним поясом коробчатого сечения и восходящими (сжатыми) опорными раскосами (рис. 21.26). Решетка и верхний пояс фермы назначаются Н-образного сечения. Высоту ППФ рекомендуется принимать в пределах 1/5-1/8 пролета. Верхний пояс фермы принимается в одном уровне с верхним поясом стропильных конструкций. Длину панелей нижнего пояса назначают кратной 3 м. Монтажные стыки подкраново-подстропильных ферм выполняются на сварке и высокопрочных болтах.

Подкрановые балки и фермы опирают на колонны с центрованной передачей опорного давления через опорные прокладки, прикрепленные к нижнему поясу (рис. 21.27), или через опорные ребра, имеющие строганые поверхности (рис. 21.28). Опорным ребрам подкрановых балок должно отвечать ребро в колонне (стальной).

Рис. 21.27. Опирание неразрезной подкрановой балки на стальную колонну: а – сварной; б – на высокопрочных болтах

Рис. 21.28. Опирание разрезных подкрановых балок на железобетонную колонну: 1 – закладные детали; 2 – планки, устанавливаемые в местах расположения вертикальных связей по колоннам

Опирание стальных подкрановых балок на железобетонные колонны должно осуществляться через распределительную опорную плиту и крепиться к колонне предусмотренными в ней анкерными болтами. Размер распределительной плиты определяется в зависимости от опорного давления подкрановой балки и марки бетона колонны (рис. 21.28).

При проектировании узлов крепления подкрановых конструкций к колоннам следует учитывать особенности их действительной работы. При проходе крана балка прогибается, и ее опорное сечение поворачивается на некоторый угол. Под влиянием температурных воздействий подкрановые конструкции удлиняются (укорачиваются), что приводит к горизонтальным смещениям опорных сечений относительно колонн.

Поэтому конструкция крепления балок к колоннам в горизонтальном направлении должна обеспечивать передачу горизонтальных поперечных сил, допуская при этом свободу поворота и продольного смещения опорных сечений. Применяются два типа узлов. В узлах первого типа (рис. 21.29 а) поперечные горизонтальные воздействия передаются через плотно пригнанные к полкам колонны элементы (упорные планки), допускающие за счет проскальзывания свободу перемещений опорных сечений. В узлах второго типа (рис. 21.29 б) балки крепятся к колоннам с помощью гибких элементов в виде листов или круглых стержней.

Рис. 21.29. Узлы крепления разрезных подкрановых балок к колоннам: а – с упорными планками; б – с гибкими стержнями

Крепления рельсов к подкрановым балкам должны быть разъемными (подвижными). Крепление железнодорожного рельса осуществляется крюками из круглых стержней диаметром 24 мм с пружинными шайбами; крюки проходят через отверстия в стенке рельса и захватывают кромки верхнего пояса подкрановой балки (рис. 21.30).

Рис. 21.30. Крепление железнодорожного рельса крюками: 1 – крюк; 2 – пружинная шайба

Специальные крановые рельсы крепятся посредством планок с подкладками; планки имеют круглые отверстия и соединяются с балкой болтами диаметром 24 мм, а подкладки имеют овальные вырезы, которые позволяют рихтовать рельс упором подкладок. После рихтовки рельсов плотно прижатые к ним подкладки привариваются к планкам (рис. 21.31).

Рис. 21.31. Крепление кранового рельса планками: 1 – упорная планка; 2 – прижимная планка

Рельс может крепиться скобами (рис. 21.32), прикрепляемыми с помощью высокопрочных болтов с фигурными планками и клиньями. Также возможно крепление рельса установкой под него подкладок специального профиля с выпуклой цилиндрической поверхностью, контактирующей с верхним поясом балки в пределах толщины стенки (рис. 21.33).

Рис. 21.32. Крепление кранового рельса с помощью скоб: 1 – фигурная планка; 2 – скоба; 3 – клин; 4 – высокопрочный болт

Рис. 21.33. Крепление кранового рельса с подкладкой: 1 – упругая подкладка; 2 – упорная планка; 3 – прижимная планка; 4 – подрельсовая подкладка; 5 – болт

Упоры для кранов устраивают по концам подкранового пути для фиксации предельного положения крана. Их располагают в соответствии с технологическим заданием. Для смягчения возможных ударов к передней части упора прикрепляют деревянный брус на уровне буферов кранового моста (рис. 21.34).

Рис. 21.34. Упоры для кранов разной грузоподъемности: а – до 30 т для сварных подкрановых балок; б – до 250 т для балок на высокопрочных болтах

Покрытия. Стальные конструкции покрытий в общем случае состоят из следующих элементов: стропильных ферм, подстропильных ферм, прогонов (в покрытиях с прогонным решением), фонарных конструкций, связей.

В покрытиях зданий, в зависимости от их назначения и эксплуатации, применяют стропильные фермы: с параллельными поясами, трапециевидные двухскатные и треугольные (рис. 21.35). Первые два вида ферм применяют при кровлях из рулонных и мастичных материалов и кровельных плит, фермы треугольного очертания – при кровле из асбестоцементных волнистых или подобных листов.

Рис. 21.35. Геометрические схемы стропильных ферм

Решетку ферм следует применять поэлементную простой формы. Рациональны треугольная с дополнительными стойками (рис. 21.36 а), треугольная (рис. 21.36 б), раскосная (рис. 21.36 в) и перекрестная (рис. 21.36 г). Выбор типа решетки зависит от конструктивных особенностей фермы, способа узловых соединений решетки с поясами, способа опирания на колонны, требуемых размеров пространства между элементами решетки и др. Наиболее целесообразна треугольная решетка с дополнительными стойками, поскольку она имеет наименьшее количество стержней и узлов.

Рис. 21.36. Геометрические схемы решеток стропильных ферм

При проектировании стропильных ферм должна быть обеспечена их габаритность по условиям транспортировки. Предельный размер по высоте между крайними точками выступающих элементов не должен превышать 3,8 м. Для достижения габаритности ферм по высоте при больших уклонах кровли и больших пролетах следует предусматривать устройство монтажных стыков.

Членение ферм по длине на отправочные марки обычно производится так: фермы пролетами 24 и 30 м поставляются двумя отправочными марками, пролетом 36 м – тремя отправочными марками.

Стропильные и подстропильные фермы проектируют:

- из парных горячекатаных уголков;

- с поясами из тавров и решеткой из уголков;

- с поясами из широкополочных двутавров и решеткой из прямоугольных гнутосварных профилей или горячекатаных уголков;

- из круглых электросварных труб;

- из замкнутых прямоугольных гнутосварных профилей (прямоугольных труб).

Фермы из горячекатаных уголков (рис. 21.37) по своим конструктивным особенностям можно применять во всех климатических районах в сочетании с легкими и тяжелыми ограждающими конструкциями при пролетах зданий 18-36 м. Из-за наличия узловых фасонок и других листовых деталей они многодельны, материалоемки и могут применяться только в обоснованных случаях. Не допускается эксплуатация этих ферм в средне- и сильноагрессивной среде из-за щелей между уголками. Не следует также применять их при внеузловых нагрузках, вызывающих местные изгибы поясов.

Рис. 21.37. Схемы стропильных ферм из прокатных уголков с разбивкой на отправочные элементы

Стропильные фермы из уголков пролетом 18 м запроектированы с нижним горизонтальным поясом и верхним поясом с уклоном 1,5%. Фермы остальных пролетов запроектированы с параллельными поясами, имеющими уклон 1,5%. Общая высота на опоре ферм составляет 3300 мм, а по обушкам поясных уголков – 3150 мм. Номи­нальная длина ферм принята меньше пролета здания за счет сокращения размеров крайних панелей.