Конструкции одноэтажных производственных зданий

Лекция 10 Конструкции одноэтажных производственных зданий Общая характеристика каркасов производственных зданий По числу пролетов одноэтажные промышленные здания подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты). Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепятся к каркасу здания. Пример конструктивной схемы стального каркаса двухпролетного производственного здания показан на рис. 1. Рис. 1. Конструктивная схема каркаса двухпролетного производственного здания: 1 – колонны; 2 – стропильные фермы; 3 – подкрановые балки; 4 – светоаэрационные фонари; 5 – связи между колоннами По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бескрановые, с мостовыми кранами, подвесными кранами, подвесными конвейерами. Выбор вида транспорта определяется массой грузов и траекториями их перемещения. Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируются так, что несущая способность и жесткость поперек здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль – продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями. Поперечные рамы (см. рис. 1) каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или балок). Продольные элементы каркаса – это подкрановые конструкции, подстропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или ребра стальных кровельных панелей). Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения, быть надежной, долговечной и экономичной. Значительную часть стоимости конструкций составляет стоимость стали. Поэтому при поиске экономичного решения требуется найти такие конструктивные формы, которые обеспечивают наименьшую массу каркаса. Эти вопросы решаются при компоновке каркаса и проектировании отдельных элементов и их соединений. Основными направлениями решения этих задач можно считать использование сталей повышенной прочности, эффективных видов проката, применение принципа концентрации материала. Конструктивные решения многообразны, но существуют некоторые общие принципы проектирования экономичных каркасов. 1. Концентрация материала. В большинстве случаев выгодно сосредоточить массу в некоторых несущих элементах. При этом часть элементов получается достаточно тяжелой, но число их сокращается. Например, при больших нагрузках и высотах колонн шаг колонн 12 м оказывается выгоднее, чем 6 м (число колонн и ферм сокращается почти в 2 раза). 2. Наиболее полное использование прочности всего объема материала в конструкциях. Этот принцип реализуется выбором конструктивной схемы с использованием растянутых поверхностей, равнонапряженных по всей площади, регулированием усилий в плоских и пространственных конструкциях (в том числе и с помощью предварительного напряжения). Например, в неразрезных подкрановых балках прочностные свойства по длине используются лучше, чем в разрезных. Пролетные моменты в первых меньше, чем в разрезных. Численным показателем реализации этого принципа в конструкциях может служить так называемая нагруженность, т. е. показатель, в котором учитываются уровень напряжений в конструкциях и объем их материала. 3. Совмещение функций элементов. Например, включение конструкций фонаря в работу ригеля рамы приводит к сокращению массы ригеля; при больших шагах колонн подкраново-подстропильная ферма экономичнее отдельно запроектированных подкрановой балки и подстропильной фермы и т.д. 4. Наименьший путь передачи нагрузок на фундамент. Например, рамные системы всегда более металлоемки, чем арочные при одном и том же пролете. При этом нужно учитывать, что для обеспечения равноценных производственных площадей пролет арочной системы должен быть больше. Компоновка конструктивной схемы каркаса Проектирование каркаса производственного здания начинают с выбора конструктивной схемы и ее компоновки. Исходным материалом является технологическое задание, в котором даются расположение и габаритные размеры агрегатов и оборудования цеха, число кранов, их грузоподъемность и режим работы. Технологическое задание содержит данные о районе строительства и условиях эксплуатации цеха (освещенность, температурновлажностный режим и т.п.). Колонны размещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы, т.е. в многопролетных цехах колонны разных рядов устанавливаются по одной оси. Привязка наружной грани колонны к оси здания а может быть нулевой, 250 или 500 мм. Нулевую привязку принимают в зданиях без мостовых кранов, а также в невысоких зданиях (при шаге колонн 6 м), оборудованных кранами грузоподъемностью не более 30 т. Привязку размером а – 500 мм принимают для относительно высоких зданий с кранами грузоподъемностью 100 т и более, а также если в верхней части колонны устраиваются проемы для прохода. В остальных случаях а = 250 мм. Связи – важные элементы стального каркаса, которые необходимы для выполнения следующих требований: обеспечение неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов; восприятие и передача на фундаменты некоторых нагрузок (ветровых, горизонтальных от кранов); обеспечение совместной работы поперечных рам при местных нагрузках (например, крановых); создание жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации; обеспечение условий высококачественного и удобного монтажа. Связи подразделяются на связи между колоннами и связи между фермами (связи по покрытию). Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса, его несущую способность и жесткость в продольном направлении (воспринимая при этом некоторые нагрузки), а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам. Рисунок 2 – Система связей между колоннами Для выполнения этих функций необходим хотя бы один вертикальный жесткий диск по длине температурного блока и система продольных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему. В жесткие диски (рис. 2) включены две колонны, подкрановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неизменяемость. Верхние вертикальные связи следует размещать не только в торцевых панелях здания, но и в панелях, примыкающих к температурным швам, так как это повышает продольную жесткость верхней части каркаса; кроме того, в процессе возведения цеха каждый температурный блок может в течение некоторого времени представлять собой самостоятельный конструктивный комплекс. Связи по покрытию. Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм, перераспределение местных нагрузок (например, крановых), приложенных к одной из рам, на соседние рамы, удобство монтажа, заданную геометрию каркаса, восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок. Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей. Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижнего и верхнего поясов ферм. Горизонтальные связи состоят из продольных и поперечных. 3 2 1 Рисунок 3 – Система связей по покрытию: 1 – горизонтальные связи по нижнему поясу ферм; 2 – горизонтальные связи по верхнему поясу ферм; 3 – вертикальные связи между фермами в середине пролета Вертикальные связи между фермами устанавливают в тех же осях, в которых размещают горизонтальные поперечные связи (см. рис. 3). В пролете устанавливают одну-две вертикальные связи по ширине пролета (через 12 — 15 м). Вертикальные связи придают неизменяемость пространственному блоку, состоящему из двух стропильных ферм и горизонтальных поперечных связей по верхнему и нижнему поясам ферм. Конструкции покрытия. Покрытие производственного здания решается с применением прогонов или без них. В первом случае между стропильными фермами через 1,5 – 3 м устанавливают прогоны, на которые укладывают элементы покрытия (в последнее время чаще всего сэндвичпанели). Во втором случае непосредственно на стропильные фермы укладывают крупноразмерные плиты или панели шириной 1,5 – 3 м и длиной 6 и 12 м, совмещающие функции несущих и ограждающих конструкций. Кровля по прогонам получается легче вследствие небольшого пролета ограждающих элементов, но требует большего расхода металла (на прогоны) и более трудоемка в монтаже, беспрогонная кровля индустриальна, проста в монтаже и обеспечивает меньший расход стали (при применении железобетонных панелей); основной ее недостаток – большая масса. Покрытия по прогонам. Прогоны устанавливают на верхний пояс стропильных ферм в их узлах. В качестве прогонов применяют прокатные балки, гнутые профили либо сквозные конструкции (при шаге ферм больше 6 м). Кровельные покрытия бывают теплыми (с утеплителем) в отапливаемых производственных зданиях и холодными без утеплителя (для неотапливаемых зданий, а также горячих цехов, имеющих избыточные тепловыделения от технологических агрегатов). а) б) Рисунок 4 – Узлы опирания прогонов (а) и плит покрытия (б) на фермы покрытия Беспрогонные покрытия. Для покрытий производственных зданий широко применяют различного вида крупнопанельные железобетонные плиты шириной 3 м и длиной до 12 м. Продольные ребра плит опираются непосредственно в узлах верхнего пояса ферм и привариваются минимум по трем углам (рис. 4б). Список литературы 1. Металлические конструкции: учебник /под ред. Ю.И. Кудишина. – М. : Академия, 2014. – 688с. 2. Мандрикров А.П. Примеры расчета металлических конструкций. Учебное пособие /А.П. Мандрикров. – СПб. : Лань, 2012. – 432с. 3. Доркин В.В. Металлические конструкции: учебник / В.В. Доркин, М.П. Рябцева – М. : Инфра-М, 2017. – 457с. 4. SCAD office. Версия 21.Вычислительный комплекс SCAD++ / В.С. Карпиловский, Э.З. Криксунов [и др.] – М. : СКАД СОФТ, 2015г. – 848с. 5. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений: учеб. пособие / И.А. Шерешевский, Архитектура-С, 2012. – 168с. 6. СНиП РК 5.04-23-2012. Стальные конструкции. Астана: «КазГОР». – 120с. 7. НТП РК 01-01-3.1 (4.1)-2017 «Нагрузки и воздействия на здания». Астана: Комитет по делам строительства и жилищно-коммунального хозяйства Министерства по инвестициям и развитию Республики Казахстан, 2017. – 181с. 8. СП РК EN 1993-1-1:2005/2011 «Проектирование стальных конструкций». Астана: Комитет по делам строительства и жилищнокоммунального хозяйства Министерства национальной экономики Республики Казахстан, 2016. – 116с.