10. Действительная работа каркаса под нагрузкой и приближенный расчет поперечных рам
6. Виды связей между колоннами
Связи между колоннами обеспечивают их устойчивость и геометрическую неизменность, воспринимают и передают на фундамент нагрузки, действующие вдоль здания. Такие связи представляют собой систему жестких дисков и распорок.
Жесткие диски. Это основа связей, с помощью которой все остальные элементы связей прикрепляются к фундаменту. По каждому ряду колонн в пределах температурного отсека располагается не меньше одного жесткого диска.
Распорки. Это балочные элементы, которые монтируются в пролетах между колонн. Они обеспечивают устойчивость колонн, уменьшая по высоте их расчетные длины. В качестве распорок могут использоваться продольные элементы каркаса: подкрановые балки, ригели стенового фахверка, балки междуэтажных перекрытий и т.д.
Связи между колоннами
Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении (воспринимая при этом некоторые нагрузки), а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам.
По торцам здания крайние колонны иногда соединяют между собой гибкими верхними связями. Вследствие относительно малой жесткости надкрановой части колонны расположение верхних связей в торцовых панелях лишь незначительно сказывается на температурных напряжениях. Верхние торцовые связи также делают в виде крестов, что целесообразно с точки зрения монтажных условий и однотипности решений.
Верхние вертикальные связи следует размещать не только в торцовых 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.
Вертикальные связи между колоннами ставят по всем рядам, колонн здания;располагаются они между одними и теми же осями.
Ветровая нагрузка на торец здания воспринимается стойками торцевого фахверка и частично передается на связи по нижнему поясу ферм. Связи шатра передают силу в ряды колонн.
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, верхнего поясов ферм и верхнего пояса фонаря. Горизонтальные связи состоят из поперечных и продольных.
В зданиях с мостовыми кранами необходимо обеспечить горизонтальную жесткость каркаса как поперек, так и вдоль здания. При работе мостовых кранов возникают усилия, вызывающие поперечные и продольные деформации каркаса цеха. Если поперечная жесткость каркаса недостаточна, краны при движении могут заклиниваться, и нарушается нормальная их эксплуатация. Чрезмерные колебания каркаса создают неблагоприятные условия для работы кранов и сохранности ограждающих конструкций. Поэтому в однопролетных зданиях большой высоты (H > 18 м), в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью 10 т, с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы при любой грузоподъемности обязательна система связей по нижним поясам ферм.
В длинных зданиях, состоящих из нескольких температурных блоков, поперечные связевые фермы по верхним и нижним поясам ставят у каждого температурного шва (как у торцов), имея в виду, что каждый температурный блок представляет собой законченный пространственный комплекс.
4. Цель оптимизации конструкций – получение наибольшего экономического эффекта при полном удовлетворении технологических требований к зданию и обеспечении достаточной надежности.
Наиболее эффективный путь оптимизации каркасов зданий – это выбор рациональной конструктивной схемы, возможной для проектируемого объекта.
5. Проектирование каркаса производственного здания начинают с выбора конструктивной схемы и ее компоновки. Исходным материалом является технологическое задание, в котором даются расположение в габариты агрегатов и оборудования цеха, количество кранов, их грузоподъемность и режим работы.
Размещение колонн в плане принимают с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов. Оно должно быть увязано с габаритами технологического оборудования, его расположением и направлением грузопотоков. Колонны размещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы, т.е в многопролетных цехах колонны разных рядов устанавливаются по одной оси.
Расстояния между колоннами поперек здания назначают в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6м (иногда 3м).
8. Покрытие по прогонам. Прогоны устанавливают на верхний пояс стропильных ферм. Для того чтобы в поясе фермы не возник дополнительный изгибающий момент, целесообразно обеспечить опирание прогонов в узлах фермы, т.е. увязать шаг прогонов со схемой фермы.
Шаг прогонов зависит от несущей способности кровельного настила. Применяют различные типы настилов (см.п.1.2.1) и увязывают с ними шаг прогонов. Шаг прогонов при кровле из профилированного настила и панелей в зависимости от снеговой нагрузки принимают равным 3...4 м. В зонах повышенного снегоотложения (у фонарей, перепадов высот) шаг прогонов может быть меньше.
Холодные кровли из волнистых асбестоцементных, стальных или алюминиевых листов укладывают по прогонам, установленным с шагом 1,25...1,5 м. При использовании мелкоразмерных плит шаг прогонов (в зависимости от несущей способности плит) принимают 1,5...2 м. При использовании для кровли стального оцинкованного настила с высотой гофра 57 или 75 мм шаг прогонов назначают 3...4 м
Беспрогонные покрытия. До недавнего времени основным типом покрытий одноэтажных производственных зданий были железобетонные панели размером 3 × 6 и 3 × 12. Собственная масса таких панелей составляет 140...210 кг/м2, что утяжеляет все нижележащие конструкции.
Для снижения нагрузок от покрытия были разработаны каркасные металлические панели шириной 1,5 и 3 м и длиной 6 и 12 м. Масса таких панелей в 4...5 раз меньше, чем железобетонных.
Утепленные стальные панели обычно состоят из каркаса, профилированного настила, эффективного утеплителя и гидроизоляционного слоя. Для пролета 12 м разработаны также панели со шпренгелем, с предварительно напряженной обшивкой и другие решения
9. Фахверком называется система конструктивных элементов, служащих для поддержания стенового ограждения и восприятия (с последующей передачей на фундаменты и другие конструкции) ветровой нагрузки.
Фахверк устраивается для наружных стен (вдоль здания и торцовых), а также для внутренних стен и перегородок.
При самонесущих стенах, а также при панельных с длинами панелей, равными шагу колонн, необходимости в конструкциях фахверка нет.
При длине панелей, меньших шага колонн, устанавливаются стойки фахверка, и панели опираются на столики колонн и этих стоек. Сечения стоек фахверка - прокатные обычные и широкополочные, а также сварные двутавры, составные из швеллеров и сквозные из швеллеров (прокатных или гнутых). Стойки опираются на фундамент и с помощью листового шарнира, передающего горизонтальные усилия, но не стесняющего вертикальные перемещения ферм, - на связи по нижним поясам ферм. Если по высоте есть горизонтальные площадки, то стойки опираются в горизонтальном направлении и на них. При стенах из малоразмерных элементов (волнистые асбестоцементные, стальные, алюминиевые листы) кроме стоек предусматриваются ригели, к которым и крепятся стеновые листы. Ригели воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки (от веса стенового ограждения и ветровой нагрузки), и поэтому проектируются достаточно жесткими в обеих плоскостях. Сечения их составляются из уголков, листов, швеллеров, гнутых профилей.
В торцах здания обязательно устанавливаются стойки, а при малоразмерных листах ограждения и над большими проемами - ригели. В высоких цехах для обеспечения устойчивости стоек фахверка в плоскости стены ставятся распорки, которые крепятся к вертикальным связям.
Фахверк внутренних стен устраивается аналогично. Если внутренние стены кирпичные, то стойки и ригели фахверка располагаются в пределах толщины стены.
10. ДЕЙСТВИТЕЛЬНАЯ РАБОТА КАРКАСА ПОД НАГРУЗКОЙ И ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНЫХ РАМ
Пространственная многостержневая конструкция каркаса промышленного здания, воспринимающая и передающая на фундаменты все нагрузки и воздействия, при замене ее расчетными схемами расчленяется на плоские системы (поперечные рамы и продольные конструкции). Это приводит к погрешностям в определении усилий, которые при расчете стальных каркасов частично компенсируются приближенным учетом пространственной работы каркаса.
Таким образом, при расчете поперечных рам стальных каркасов промышленных зданий используются упрощенные расчетные схемы, которые резко сокращают трудоемкость расчета и приводят к погрешностям, практически не влияющим на результаты расчета. Однако это возможно только при расчетах определенной конструктивной формы, соответствующей системам традиционных каркасов промышленных зданий.
Действительные усилия в элементах каркаса всегда отличаются от тех, которые определены даже по "точной" расчетной схеме. Это связано, во-первых, с методами расчета, принятыми в строительной механике, а во-вторых, с идеализированными условиями опирания поперечных рам и сопряжений ее элементов.
В настоящее время в строительной механике принят расчет по недеформируемой схеме. Например, если в колонне имеется нормальная сила, то дополнительный момент, который возникает при небольшом смещении верхнего узла рамы, при определении усилий не учитывается. Имеются методы расчета систем по деформируемой схеме, при которых система канонических уравнений превращается в систему дифференциальных. Примеры использования этих методов для расчета систем, похожих на расчетные схемы поперечных рам, показали, что при нагрузках, близких к расчетным, использование недеформируемой схемы дает небольшие погрешности.
Значительно сильнее искажают характеры распределения усилий в системе и ее перемещения податливость фланцевых соединений ригеля с колонной и поворот фундаментов при нагружении рамы. Поворот фундаментов уменьшает изгибающие моменты в нижней части колонны (при шарнирном опирании колонны момент равен нулю) и увеличивают в верхней. Податливость крепления ригеля к колонне увеличивает моменты в нижней и уменьшает в верхней части колонны. Имеются методы учета этих обстоятельств действительной работы, которые используются при уточненных проверочных расчетах (особенно при решении вопросов реконструкции промышленных цехов и проектировании усиления конструкций каркаса). При расчете рам новых зданий все обстоятельства действительной ра0оты учитываются косвенно введением коэффициентов условий работы, спецификой определения усилий.
Оси стоек в расчетной схеме совпадают с центрами тяжести верхнего и нижнего сечений колонны. В ступенчатых колоннах крайних рядов центры тяжести верхней и нижней части расположены не на одной оси, и поэтому стойка рамы имеет горизонтальный уступ, равный расстоянию между геометрическими осями колонн. Заделка стоек принимается на уровне низа базы, ось ригеля совмещается с нижним поясом стропильной фермы.
Чтобы определить размер уступа колонны, е и моменты инерции сечений нижнего IН и верхнего IВ участков колонны, а также ригеля IР нужно знать их сечения, которые на данной стадии проектирования неизвестны. Поэтому при установлении расчетной схемы рамы используют данные проектирования аналогичных сооружений или делают очень упрощенный предварительный расчет рамы с подбором сечений и на основе этого устанавливают требуемые величины. Такой подход возможен потому, что, как показывают проверочные расчеты, отклонение в соотношениях моментов инерции элементов рамы до 30 % мало сказывается на расчетных усилиях в раме, и только при большей разнице расчет ее нужно проверить заново.
По опыту проектирования производственных зданий известно, что расстояние между центрами тяжести сечений верхнего и нижнего участков колонны (с несимметричным сечением нижнего участка)
Для статического расчета рамы достаточно знать только соотношения моментов инерции элементов рамы (а не их абсолютные значения). Эти соотношения обычно можно принимать в пределах
