Несущий каркас промышленного здания
Каркас – это основная несущая конструкция здания, состоящая из вертикальных и горизонтальных конструкций (колонн и балок), а также необходимых связей. Каркас воспринимает вертикальные и горизонтальные нагрузки, после чего передает их на фундаментные конструкции. В этом заключается суть работы каркасных сооружений.
Чаще всего производственные здания возводятся именно по каркасной схеме. В качестве основных каркасных схем применяются стоечно-балочные системы, выполняемые из унифицированных железобетонных или металлических конструкций. В конструкциях одноэтажных однопролетных промышленных зданий получили широкое распространение рамные и арочные каркасы (работа последних обусловлена появлением усилий распора). В случаях, если несущие конструкции покрытий выполнены в виде пространственных систем (например, куполов, сводов, оболочек и т.д.), то такие конструкции одновременно являются продольными и поперечными элементами несущего остова здания.
При выборе материала основных конструкций промышленных зданий следует учитывать габаритные размеры самого здания, его пролетов, параметры воздушной среды производства, наличие агрессивных факторов и прочие аспекты. Интересно, что стоимость самих материалов или конструкций, а также их транспортировка нередко превышает 60% общей стоимости строительства сооружений. В этой связи одной из актуальных задач на сегодняшний день является снижение материалоемкости и массы основных конструктивных элементов здания.
Как уже отмечалось выше, при проектировании промышленных зданий возможно два основных варианта выполнения каркаса: железобетонный и металлический.
В отдельных случаях при соответствующем обосновании допускается применять неполный каркас с несущими каменными стенами. Процесс подбора каркаса – весьма ответственный этап, поскольку для максимально компромиссного решения необходимо учесть все параметры пролетов, грузоподъемности кранов и внутрицехового технологического оборудования.
Следует заметить, что при выборе строительных материалов и вида конструкций необходимо учитывать специфику местных строительных производств, а также климатические условия строительной площадки.
Несущий каркас промышленного здания состоит из поперечных рам, которые формируются при помощи колонн и несущих конструкций покрытия (например, ферм или балок). В состав несущих элементов входят также фундаментные, подкрановые и обвязочные балки. Каркас многоэтажного промышленного здания из унифицированных железобетонных элементов заводского производства может быть решен как с помощью балочных, так и безбалочных перекрытий.
Каркас здания с балочными перекрытиями состоит из поперечных рам, на ригели которых опираются плиты перекрытий. Рамы каркаса состоят из вертикальных элементов (колонн), и горизонтальных элементов (ригелей), которые соединяются между собой в узлах. Поперечная рама каркаса обеспечивает жесткость сооружения в поперечном направлении. Плиты покрытий (перекрытий), совместно с подкрановыми балками и вертикальными связями по колоннам – в продольном.
При больших горизонтальных внешних воздействиях в продольном направлении здания предусматривают ригели, жестко сопряженные с колоннами. Таким образом получается продольная рама каркаса.
Фахверк и связи
Помимо основных несущих колонн в промышленных зданиях предусматривают фахверковые колонны. Такие вертикальные конструкции устраивают в торцах здания, а также между основными колоннами в крайних и продольных рядах. Фахверковые колонны предназначены для восприятия собственного веса стеновых панелей, а также ветровых нагрузок.
Фахверковые колонны жестко защемляются в фундаментах и шарнирно прикрепляются к элементам покрытий. Шарнирное крепление в конструкции обеспечивает передачу ветровых усилий на основной каркас, а также исключает вертикальное влияние покрытия на фахверковые колонны.
Фахверковые колонны в большинстве случаев выполняются в железобетонном исполнении, а при высоте помещений менее 4 метров – из стальных прокатных профилей. Длина торцевого фахверка принимается, как правило, на 0,1-0,5 метра меньше высоты основных колонн.
Высота покрытий фахверковых колонн наращивается при помощи специальных стальных надставок двутаврового сечения. Продольные фахверковые колонны, имеющие одинаковую длину с основными колоннами наращивают при помощи стальных надставок на высоту опорных частей ферм или балок.
В поперечном направлении устойчивость каркаса обеспечивается жесткостью колонн, защемленных в фундаментах, а также жестким диском, образованным плитами и стропильными конструкциями. Последний жесткий узел выполняется при помощи приварки закладных деталей, предусмотренных на обоих конструкциях.
Необходимое количество связей в конструкции сооружения определяется величиной ветровых нагрузок, а также усилий, передаваемых краном. Вертикальные связи между конструкциями обычно располагают в середине температурного блока в каждом ряду колонн. Например, при шаге колонн 6 метров применяют крестовые связи, а при шаге 12 и 18 метров – портальные. В бескрановых производственных зданиях связи предусматривают при высоте колонн более 10 метров.
Рядовые колонны соединяются со связевыми только в зданиях с мостовыми кранами посредством подкрановых балок. В зданиях без кранов при наличии подвесного транспорта рядовые колонны соединяют со связями при помощи специальных распорок, располагаемых по верху колонн. Связи обычно выполняют из уголков или швеллеров и крепят к колоннам с помощью косынок (фасонок).
Фахверковые колонны устанавливают в торцевых стенах зданий из-за больших размеров пролетов. При больших размерах стеновых панелей фахверковые колонны, как стальные, так и железобетонные, устанавливаются на самостоятельных фундаментах.
Как уже отмечалось выше, железобетонные колонн фахверка имеют стальную насадку, завершающуюся стальным уголком. Верх таких колонн прикрепляется к конструкциям покрытия.
Стойки и ригели фахверковой конструкции при стальном каркасе устанавливаются с учетом расположения оконных и дверных проемов. При шаге колонн 6 метров фахверковая конструкция представляет собой горизонтальные ригели. При шаге колонн более 6 метров в состав фахверковой конструкции входят стойки, опирающиеся на отдельно стоящий столбчатый фундамент.
