Тема 7. Конструктивні рішення промислових будівель. Елементи каркасу одноповерхових будинків. Конструкції багатоповерхових будинків.

Питання теми :

1. Вибір конструктивної схеми і матеріалу каркаса

2. Каркаси одноповерхових промислових будівель

3. Каркаси багатоповерхових промислових будівель

4. Каркасні будівлі з рамною конструктивною схемою

5. Каркасні будівлі з рамно-зв'язковою конструктивною схемою

6. Каркасні будівлі із зв'язковою конструктивною схемою

1. Вибір конструктивної схеми і матеріалу каркаса

Основою для вибору конструктивної схеми промислової будівлі є: об'ємно-планувальна структура, яка забезпечує раціональну організацію виробничо-технологічного процесу; навантаження на конструкції; вимоги міцності, стійкості та довговічності.

Для більшості одноповерхових промислових будівель характерні два варіанти каркасної конструктивної схеми - з поперечними і повздовжніми несучими рамами. Рами багатоповерхових будівель можуть мати різне геометричне і конструктивне рішення.

Рама - це плоска або просторова стрижньова система, у якої всі або деякі вузлові з'єднання жорсткі. Жорсткий вузол характеризується тим, що кут між осями стрижнів, що його утворюють, не змінюється при деформації.

Залізобетонні рами - це конструкції, які складаються із залізобетонних стояків (колон), закріплених у фундаментах, і залізобетонних ригелів (балок або ферм). За конструктивним рішенням залізобетонні рами поділяють на одноповерхові та багатоповерхові, а за технологією виконання - на рами із збірних залізобетонних елементів, рами із монолітного залізобетону і рами із збірно-монолітними елементами. Збірні залізобетонні рами можуть мати шарнірне, піддатливе і жорстке з'єднання ригелів і колон. Монолітні та збірно-монолітні рами, зазвичай, мають жорстке з'єднання.

Шарнірні з'єднання збірних елементів залізобетонних рам утворюють шляхом спирання ригелів по верху колони або на консолі колон із зварюванням закладних деталей. Для спрощення монтажу і зниження енерговитрат розроблені конструкції шарнірних з'єднань ригелів з колонами на болтах.

Піддатливі з'єднання збірних залізобетонних рам використовують в багатоповерхових зв'язкових каркасах з обмеженим опорним моментом. їх утворюють шляхом додаткового з'єднання верхньої арматури ригеля з колоною і спеціальних металевих накладок - рибок, які приварюють до закладних деталей ригелів і колон.

Жорсткі з'єднання збірних рам утворюють в результаті зварювання потужних металевих накладок із закладними деталями ригелів і колон, або шляхом зварювання випусків верхньої арматури ригелів і подальшого омонолічування стикувань. Жорсткі з'єднання залізобетонних монолітних рам утворюють шляхом заведення арматури ригелів і колон та монолітного зв'язку бетоном цих елементів. Жорстке з'єднання елементів збірно-монолітних рам здійснюють шляхом зварювання випусків верхньої та нижньої арматури ригелів з арматурою і металевими заклад­ними деталями, які виступають із колон, і подальшого омонолічування стику та верхньої частини ригеля.

Одноповерхові промислові будівлі з великими розмірами прогонів, значною висотою і мостовими кранами найчастіше проектують в каркасному варіанті. В поперечному напрямі по рамній конструктивній схемі, яку утворюють колони, жорстко зароблені в фундаментах, і балки або ферми, шарнірно з'єднані з колонами. В повздовжньому напрямі рами каркасів утворюються колонами, ребристими плитами покриття, що спираються на балки або ферми, і вертикальними елементами, жорсткими в горизонтальному напрямі та утвореними сусідніми колонами, з'єднаними сталевими гратовими зв'язками, і працюють по зв'язковій конструктивній схемі.

Конструктивна схема з повздовжніми рамами складається з колон і повздовжніх елементів (підкроквяних конструкцій, підкранових балок, вертикальних зв'язків тощо), які разом забезпечують стійкість і жорсткість в повздовжньому напрямі. В поперечному напрямі жорсткість і стійкість забезпечують сумісною роботою колон і несучих елементів покриття: кроквяними балками і фермами або панелями покриття "на прогін".

Стикування елементів каркаса можуть бути шарнірними, жорсткими і комбінованими. Шарнірне стикування спрощує форму горизонтальних елементів і з'єднання їх з колонами. При такому стикуванні горизонтальні навантаження викликають моменти на згин лише в тих елементах, до яких вони прикладені. Ця обставина дуже важлива при використанні уніфікованих і типових конструкцій.

Жорстке стикування використовують у тих випадках, коли неможливо забезпечити достатню загальну жорсткість рами (великі вітрові, сейсмічні або інші навантаження); при наявності мостових кранів великої вантажопідйомності важкого режиму роботи або коли вони розміщуються в два яруси; при великих прогонах (більше 36 м) і відношенні висоти прогону до його ширини більше ніж 1,5, незалежно від наявності кранів. При жорсткому стикуванні конструктивних елементів рам навантаження, які прикладені до одного з елементів, викликають моменти на згин в інших елементах.

Комбіноване стикування конструкцій каркаса використовують у промислових будівлях із складним конструктивним рішенням: різними навантаженнями в прогонах, різними висотами і перерізами колон, при реконструкції існуючих будівель.

Основними матеріалами для каркасів будівель є залізобетон і метали.

Залізобетон - комплексний матеріал, який складається із бетону і розміщеної в ньому арматури. Внаслідок сумісної роботи бетону і сталевої арматури залізобетон має гарні фізико-механічні властивості, високу несучу здатність на стиск і згин, високі довговічність, вогнестійкість, стійкість до атмосферних впливів, опір динамічним навантаженням. На виготовлення залізобетону витрачається в 2-3 рази менше металу, ніж на сталеві конструкції. В залізобетонних конструкціях, які знаходяться під навантаженнями, в розтягнутій зоні часто з'являються тріщини. Для запобігання їх утворенню або обмеженню ширини розкриття використовують попередньо напружений залізобетон, інтенсивно обтиснутий внаслідок натягу арматури. Основним недоліком залізобетону є велика об'ємна вага. Для зниження ваги залізобетонних конструкцій використовують: високоміцні бетони і сталі, тонкостінні та пустотілі конструкції, а також конструкції з бетоном на пористих заповнювачах.

У несучих конструкціях каркаса із залізобетону в основному використовують важкі бетони щільної структури, виготовлені на цементних в'яжучих, щільних дрібних і крупних заповнювачах (у = 2200...2500 кг/м³). Такі бетони забезпечують міцність на стиск у межах класів бетонів від BIO до В60 або марок бетону від М200 до М800.

Для армування залізобетонних конструкцій використовують сталеві стрижні із арматури або дроту, сітки, плоскі та просторові каркаси.

За способом виготовлення залізобетонні конструкції каркасів можуть бути збірними, монолітними і збірно-монолітними.

Металеві матеріали використовують в каркасах промислових будівель у вигляді сталевих і алюмінієвих сплавів.

Сталі являють собою сплави різного хімічного складу. В будівельних конструкціях використовують вуглецеві та леговані сталі. Вуглецеві сталі поділяють на низько-, середньо- і високовуглецеві, в залежності від наявності вуглецю. Леговані сталі поділяють на низько- і високолеговані, в залежності від кількості марганцю, хрому і нікелю.

У будівельних металоконструкціях використовують сталь групи В, яку класифікують за гарантованими фізико-механічними властивостями і хімічним складом. Для виготовлення сталевих будівельних конструкцій використовують різноманітні сортаменти профілів, які за умовами використання поділяють на дві групи: профілі загального призначення - двотаври, таври, швелери, кутики, труби, круглу, квадратну і листову сталь, канати тощо; профілі спеціального призначення - профільовані настили для стін і покриттів, профілі для віконних і ліхтарних рам, двотаврові балки для шляхів підвісного транспорту, кранові рейки тощо.

Порівняно із залізобетоном сталеві конструкції мають багато позитивних властивостей: при рівнозначній несучій здатності значно меншу вагу, високу технологічність та індустріальність. Недоліками сталевих конструкцій є: низька корозійна стійкість; зниження несучої здатності під впливом високих і низьких температур; висока собівартість.

Алюмінієві сплави за міцностю близькі до сталевих, але порівняно з ними більш стійкі проти корозії та майже в три рази легші. На відміну від сталевих конструкцій в алюмінієвих сплавах зниження температури веде до підвищення механічних властивостей. Недоліки: менший ніж у сталі модуль повздовжньої пружності; високий коефіцієнт температурного розширення; складність виконання з'єднань. У будівництві алюмінієві сплави знайшли використання: в збірно-розбірних конструкціях, призначених для багаторазового використання; в кліматичних районах із холодним кліматом і підвищеною сейсмічністю; для рам віконних і ліхтарних заповнень; в стінових і покрівельних конструкціях.

Дерево в промислових конструкціях використовують у вигляді клеєних конструкцій рам, балок, арок і металодерев'яних ферм.

В одноповерхових промислових будівлях найширше застосування отримали такі варіанти каркасів: залізобетонний, сталевий і змішаний, коли, наприклад, колони залізобетонні, а балки або ферми металеві.