§4 Конструкції промислових будівель

4.1. Загальні принципи проектування конструктивних елементів

Сукупність основних конструктивних елементів взаємопов’язаних між собою у строго визначеному порядку, що забезпечує міцність, стійкість, просторову жорсткість, довговічність будівлі, а також окремих її елементів, називається конструктивною системою.

Вибір конструктивної системи визначається:

• технологічним процесом;

• параметрами повітряної середи;

• об’ємно-планувальним рішенням будівлі.

Частіше усього одно та багатоповерхові промислові будівлі проектуються каркасної системи. Каркасна система найбільш раціональна при значних статичних та динамічних навантаженнях, характерних для промислових будівель та значних прольотів будівлі.

Може бути і стінова система (при невеликих прольотах до 12 м або відсутності підйомно-транспортного обладнання).

1. Конструктивні схеми промислових будівель

а – з несучими стіни; б – з несучими стінами, підсиленими пілястрами; 1 – фундамент; 2- несуча стіна; 3 – несуча конструкція покриття(з/б балка); 4 – плити покриття; 5 – підвісний кран; 6 – пілястри.

Каркас одноповерхових промислових будівель складається з поперечних рам, утворених колонами та несучими конструкціями покриття (балки, ферми та інші) та поздовжніх елементів: фундаментних, підкранових, обв’язочних балок, підкроквяних конструкцій, плит покриття та пов’язей. Якщо несучі конструкції покриття виконуються у вигляді просторових систем (оболонки, своди, складки), вони ж одночасно є поздовжніми та поперечними елементами каркасу.

2. Основні елементи каркасу одноповерхового промислового будинку

а – загальний вигляд; б – схема влаштування підкроквяних конструкцій; в – схема влаштування вертикальних зв’язків у покритті; 1 – фундамент під колону; 2 – колона каркасу; 3 – ригель (балка чи ферма); 4 – підкранова балка; 5 – фундаментна балка; 6 – несуча конструкція огороджуючої частини покриття – плити; 7 – підкроквяна ферма; 8 – вертикальні зв’язки між колонами; 9 – вертикальні зв’язки в покритті; 10 – зовнішня стіна; 11 – віконні переплети; 12 – огороджуючи конструкція покриття (пароізоляція, термоізоляція і покрівля); 13 – воронка внутрішнього водовідведення.

Елементи каркасу підлягають впливу цілого комплексу силових та несилових впливів:

4.1.3.Зовнішні впливи на елементи каркасу

1 – постійні навантаження; 2 – тимчасові навантаження; 3 – температура внутрішнього повітря; 4 – теплові удари; 5 – рідка та пароподібна волога; 6 – агресивні хімічнч речовини; 7 – мікроорганізми; 8 – блукаючі токи; 9 – звук.

Під дією перелічених впливів в елементах каркасу відбувається ряд складних фізико-хімічних процесів: змінне нагрівання та охолодження конструкцій, передача тепла, зволоження та висушування, корозія матеріалу. Тому елементи каркасу повинні відповідати вимогам довговічності, тобто володіти термостійкістю, вологостійкістю, корозійною стійкістю та біостійкістю.

Вибір конструктивного рішення будь-якого елементу будівлі ведуть в такій послідовності:

1. Визначають функціональне призначення та місце конструктивного елемента в будівлі.

2. Виділяють зовнішні впливи, яким піддається даний конструктивний елемент.

3. Виявляють процеси та впливи, що виникають під дією всієї суми зовнішніх впливів.

4. Формулюють основні вимоги до цього елементу (згідно завданню, нормам та правилам проектування).

5. Обирають можливі рішення.

6. Виконують необхідні розрахунки.

7. Остаточний вибір конструктивного рішення елементу ведуть на основі техніко-економічного порівняння варіантів.

За такою схемою складаються алгоритми рішення задач на ЕОМ.

Каркаси промислових будівель

При виборі матеріалу для елементів каркасу враховують: розміри прольотів та крок колон, висоту будівлі, характер діючих навантажень, параметри повітряної середи, наявність агресивних факторів, вимог вогнестійкості та довговічності.

Каркаси одноповерхових промислових будівель монтують переважно із збірного залізобетону та сталі, рідше з монолітного залізобетону, цегли, алюмінію, деревини та пластмаси.

Залізобетонні конструкції володіють високою довговічністю, незгораємістю, незначними деформаціями, дозволяють економити сталь та потребують невеликих витрат з нагляду в процесі експлуатації.

Недоліком залізобетонних конструкцій є:

• їх велика маса;

• значна трудоємкість стикових з’єднань при збірному залізобетоні;

• залежність зведення каркасу з монолітного залізобетону від сезону;

• складність робіт з підсилення конструкцій;

• висока вартість перебудовування та розбирання.

Сталеві конструкції володіють відносно малою масою при великій несучій здатності, високою індустріальністю та малою трудоємкістю монтажу. Сталь відрізняється великою постійністю властивостей, майже однаковими значеннями розрахункових опорів на розтяг та стиск, однорідністю та надійністю, тому несуча здатність сталевих конструкцій найбільш визначена.

Недоліки: підверженість корозії та зниження несучої здатності під впливом високої температури.

Алюмінієві конструкції мають малу масу та високу несучу здатність, стійкі проти корозії, менш крихкі, ніж сталеві, при низьких температурах та володіють добрими естетичними якостями, не утворюють іскор при ударі по ним твердими предметами.

Недоліки: низька жаростійкість, високий коефіцієнт лінійного розширення та трудоємкість виконання з’єднань.

В промислових будівлях масового будівництва несучі конструкції, як правило, виконують із збірного залізобетонна.

Використання сталі, внаслідок великої потреби у всіх областях народного господарства, обмежено:

а) для крокв’яних та підкрокв’яних конструкцій:

• в опалюваних будівлях прольотом від 30 м;

• в неопалюваних будівлях при азбестоцементному покритті;

• при сейсмічності 8-9 балів;

• над гарячими ділянками цехів з інтенсивним тепловипромінюванням;

• коли колони виконують металевими;

б) для колон:

• при висоті ≥14,4 м;

• при мостових кранах Q>50 т;

• при кроці колон >12 м;

• при мостових кранах у двох рівнях, при важких та досить важких режимах роботи кранів;

• для найкращих проходів між кранами;

в) для підкранових балок, світлоаераційних ліхтарів, ригелів та стійок фахверка;

г) для типових легких несучих та огороджуючих конструкцій комплексного надходження.

4.2. Залізобетонний каркас одноповерхових промислових будівель

Виконання залізобетонного каркасу в порівнянні зі сталевим дозволяє економити 50-60 % сталі.

Збірний залізобетонний каркас одноповерхових будівель утворюють поперечні рами, розкріплені пов’язями. Рами складаються із колон, жорстко з’єднаних з фундаментом, та крокв’яних конструкцій, що шарнірно спираюься на колони.

При шарнірному з’єднанні ригелів та колон забезпечується високий рівень універсальності конструкцій. Колони при цьому можна використовувати при різних прольотах та типах несучих конструкцій покриття, а несучі конструкції покриття – при різних типах та висотах колон. Крім того, шарнірне з’єднання ригелей та колон конструктивно простіше жорсткого, а витрати матеріалів при рамних системах з жорсткими вузлами приблизно однакове.

Поздовжні елементи каркасу забезпечують стійкість каркасу в поздовжньому напрямку та сприймають, крім навантажень від власної ваги, горизонтальні навантаження від гальмування кранів, від вітру, що діє на торцеві стіни будівлі. До них належать: фундаментні, обв’язочні та підкранові балки, несучі конструкції огороджуючої частини покриття (плити, прогони), спеціальні пов’язі (між колонами та несучими елементами покриття, фермами, балками).

4.2.1.Колони залізобетонного каркасу

Конструкція збірних з/б колон залежить від об’ємно-планувального рішення пром. будівлі і наявність у ньому того чи іншого виду під’ємно-транспортного обладнання визначеної вантажопід’ємності.

Колони ділять на дві групи:

1. Колони в без кранових цехах і в цехах, обладнаних підвісним під’ємно-транспортним обладнанням.

2. Колони для цехів і обладнаних мостовими кранами.

За місце знаходженням:

• Крайні

• Середні

• Розміщені біля торцевих стін (фахверки) або поздовжніх.

За конструктивним рішенням:

• Одно гілкові (прямокутного перерізу)

• Двох гілкові

Типові колони запроектовані під навантаження:

• Від покриття і підвісного обладнання (монорельсів або підвісних кранів) вантажопід’ємністю до 5 т.

• Від покриття і мостових кранів Q =_до 50 т.

• Від покриття іц мостових кранів Q = 75/20 100/20 125/20 і прогонів 24, 30 і 36м при кроці колон 6, 12 м.

Градація колон по висоті кратна 600 м.

4.2.1.1. Для без кранових будівель, при висоті колон до 9,6 м використовуються колони прямокутного перерізу 400 х 400, 500 х 500, 600 х 400. Середні колони перерізом 400 х 400, в місцях спирання несучих конструкцій покриття мають по сторонам двох бокових граней консолі.

а – залізобетонні колони прямокутного перерізу будівлі без мостових кранів з кроком колон 6м; б – теж саме, із кроком 12м.

В тих випадках, коли без кранові будівлі мають висоту більше 9,6 м можна використовувати колони для будівель з мостовими кранами.

4.2.1.2. Колони для будівель з мостовими кранами складаються з двох частин: підкранової та над кранової. Переріз крайніх колон для кроку 6 м – 400 х 600, 400 х 800, а при 12 м – 500 х 800.

г – залізобетонні колони прямокутного перерізу для будівель з мостовими кранами і кроком колон 6 і 12м;

д – теж саме, двотаврового перерізу.

4.2.1.3. Двогілкові колони використовують при висоті 10,8-18 м, L = 18, 24, 30 м. Колони армуються зварними та в’язаними каркасами та формуються з бетону марки М20 при прямокутному перерізі та марки М300-М400 – двогілкові. Закладні елементи заанкеровані в бетон або приварені для фіксації положення до робочої арматури, є у всіх колонах в місцях спирання кроквяних конструкцій та підкранових балок, в крайніх колонах – на рівні швів стінових панелей, у зв’язних колонах – в місцях примикання поздовжніх пов’язей.

в – залізобетонні колони двогілкові для будівель без мостових кранів з кроком колон 6 і 12м; е – залізобетонні колони двогілкові для будівель з мостовими кранами з кроком колон 6 і 12м.

Закладні елементи в місцях спирання підкранових балок та крокв’яних конструкцій складаються із сталевого листа з пропущеними крізь них анкерними болтами. Бетон під ними посилюється побічним армуванням сітками (2 сітки Ǿ 6, 50 х 50). На бічних поверхнях колони в місцях їх закладки в фундамент для сприйняття зрушуючих сил передбачають прстрій шпонок у вигляді трикутних канавок глибиною 25 мм з кроком 200 мм

Закладні елементи колони

На бічних поверхнях колони в місцях їх закладки в фундамент для сприйняття зрушуючих сил передбачають пристрій шпонок у вигляді трикутних канавок глибиною 25мм з кроком 200мм.

Стики залізобетонних колон з фундаментом за допомогою заповнення зазору бетоном

При кроці середніх колон 12 м, крайніх – 6 м для встановлення підкранових конструкцій висоту середніх колон зменшують на 0,6 м.

4.2.1.4. Колони циліндричного перерізу

Самостійно с. 43. (Шерешевський)

4.2.1.5.Фахверкові колони

О крім основних колон в будівлі передбачають другорядні (фахверкові) колони, що встановлюються в торцях будівлі та між основними колонами крайніх поздовжніх рядів при кроці 12 м. Вони призначені для вітрових навантажень та маси заповнення стіни.

Довжина стінових панелей 6 м.

Фахверкові колони жорстко закладаються у фундамент та шарнірно кріпляться до елементів покриття. При висоті приміщень до 4,2 м фахверки проектують із сталевих прокатних профілей, а при великій висоті – залізобетонними.

Довжину торцевих з/б фахверків проектують на 100-500 мм менше основних колон, щоб утворити необхідний зазор між їх верхом та нижнім поясом кроквяних конструкцій. На висоту покриття фахверкові колони нарощуються сталевими надставками двотаврового перерізу, а на висоту парапету – кутниками.

Деталі кріплення фахверкових колон

а – сталева надставка фахверкової колони; б – кріплення поздовжньої фахверкової колони; 1 – залізобетонна колона; 2 – сталева надставка; 3 – сталева приставка; 4 – залізобетонна плита перекриття.

4.2.2. Фундаменти

Конструкції фундаментів суттєво впливають на вартість будівлі (трудомісткість зведення фундаментів складає 6-8 %, а витрати з/б – до 20 %)

З економічних міркувань фундаменти невеликих та середніх розмірів, а також полегшені фундаменти ребристої та пустотілої конструкції доцільно виконувати збірними складеними або збірними одно блочними, якщо маса блоку не перевищує 6 т. Їх перевозять та монтують звичайними кранами.

Уніфіковані монолітні з/б фундаменти мають ступінчасту конструкцію з підколонником та стаканом для закладки колон та одно, двох та трьохступінчатої плитної частини. Їх встановлюють на бетонну підготовку товщиною 100 мм з бетону М50, армують типовими арматурними сітками (горизонтальний елемент) та плоскими каркасами (вертикальний елемент) із сталі А-I та А-III.

Фундаменти в плані мають квадратну або прямокутну форму. Довшою стороною прямокутні фундаменти в плані направлені у середину будівлі. Верхній обріз фундаменту розміщують на 0,15 м нище відмітки чистої підлоги цеху. Це дозволяє вести монтаж колон при засипаних котлованах, після встановлення підготовки під підлогу та прокладання підземних комунікацій.

Збірні фундаменти можуть складатися з одного блоку підколонника зі стаканом та опорної плити. Підколонник встановлюють на плиту на шар цементно-піщаного розчину.

Збірні залізобетонні фундаменти і спирання на них колон каркасу

а – із декількох блоків і плит; б – теж, із блоків з пустотами; в – жорстке защемлення колони в стакан; 1 – колона; 2 – башмак із стаканом; 3 – проміжний блок; 4 – плити; 5 – цокольна панель; 6 – стовпчик; 7 – фундаментна балка; 8 – монтажний бетон; 9 – цементний розчин; 10 – з’єднання закладних сталевих деталей за допомогою зварювання.

З метою зменшення ваги та зниження витрат сталі під колони рекомендується використовувати збірні ребристі або пустотілі фундаменти.

Фундаменти з підколонниками пенькового типу встановлюють під колони великого перерізу або під сталеві колони.

Типи фундаментів промислових будівель

а – монолітний; б – збірний складальний; в – пальовий; г – збірний ребристий; д – збірний пустотілий; е – з підколонником пенькового тупу; 1 – ростверк; 2 – паля.

Зведення палевих фундаментів замість звичайних значно зменшує об’єм земляних робіт, знижує витрати матеріалів.

4.2.3. Фундаментні балки

Зовнішні та внутрішні самонесучі стіни будівлі встановлюють на фундаментні балки, які вкладають між підколонниками фундаментів на спеціальні з/б стовбці (300 х 600). Наявність фундаментних балок полегшує прокладання під стінами тунелів, каналів та колекторів для введення в будівлю різноманітних комунікацій. Фундаментні балки захищають підлогу від продування у випадку просадки мощення. В місцях встановлення воріт для в’їзду автомобільного та залізничного транспорту фундаментні балки не передбачають.

З/б фундаментні балки при кроці колон 6 м в залежності від розмірів підколонників мають різну довжину від 5,95 до 4,3 м. Переріз – тавровий або трапецієподібний.

Верх фундаментних балок – на 30 мм нижче рівня підлоги цеху.

4.2.3. Спирання фундаментних балок на фундаменти

а – під поздовжню стіну; б – під торцеву стіну;

1 – фундаментна балка; 2 – бетонний стовпчик; 3 – колона;

4 – самонесуча поздовжня стіна; 5 – торцева стіна;

6 – фахверкова колона; 7 – фундамент під основну колону;

8 – фундамент під колону фахвертка; 9 – шлакова засипка;

10 – жирна глина; 11 – піщана підсипка; 12 – обмотка;

13 – гідроізоляція.

4.2.4. Обв’язувальні балки

О бв’язувальні балки призначені для спирання зовнішніх стін в місцях перепаду висот будівель, а при розміщенні цих балок над віконними отворами вони виконують роль перемичок. Їх використовують коли стіни будівлі виконують з цегли або мілких блоків. Виготовляють їх розрізними. Розміри та форма залежать від товщини встановлюваних на них стін та величини навантаження, що передається на них.