Установление горизонтальных размеров

В зданиях с интенсивной работой кранов (группы режимов работы 5К – 8К) для частого осмотра и ремонта крановых путей в стенках верхних частей колонн устраиваются проходы шириной не менее 400 мм и высотой 2000 мм (рис а). Минимальные размеры проема: по ширине - 400 мм, по высоте - 2000 мм).

Привязка наружной грани колонны к оси колонны может быть нулевой, 250 мм 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 а = 500 мм принимают для относительно высоких зданий с кранами грузоподъемностью 100 т и более, а также для зданий с кранами групп режимов работы 5К - 8К. В остальных случаях а = 250 мм.

При назначении ширины сечения нижней части ступенчатой колонны необходимо учитывать, что для того, чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее

L_В ³ B1 + (h_В - a) + 75, (5)

где В₁ - размер части кранового моста, выступающей за ось рельса, принимаемый по ГОСТу на краны;

75 - зазор между краном и колонной, по требованиям безопасности принимаемый по ГОСТу на краны;

Пролеты мостовых кранов имеют модуль 500 мм, поэтому размер L_В должен быть кратным 250 мм.

Ось подкрановой ветви колонны обычно совмещают с осью подкрановой балки; ширина сечения нижней части колонны равна:

h_Н = L_В + a.

Верхнюю часть ступенчатой колонны проектируют сплошной двутаврового сечения, нижнюю часть (при ширине колонны более 1 м – сквозной.

а – с проходом в верхней части колонны; б – без прохода

Рис. Конструктивное решение верхней части ступенчатой колонны

Ширина фонаря обычно назначается 6 или 12 м.

Связи

Связи - это важные элементы стального каркаса, которые необходимы для:

· обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов;

· восприятия и передачи на фундаменты некоторых нагрузок (ветровых, горизонтальных от кранов);

· обеспечения совместной работы поперечных рам при местных нагрузках (например, крановых);

· создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации;

· обеспечения условий высококачественного и удобного монтажа.

Связи подразделяются на связи между колоннами и связи между фермами (связи шатровые).

Связи между колоннами

Система связей между колоннами предназначены для обеспечения 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. Для этого необходимы 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.) включены две колонны, подкрановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неизменяемость. Решетка чаще проектируется крестовой (рис. а), элементы которой работают на растяжение при любом направлении сил, передаваемых на диск, и треугольной (рис. б), элементы которой работают на растяжение и сжатие. Схема решетки выбирается так, чтобы ее элементы было удобно крепить к колоннам (углы между вертикалью и элементами решетки близки к 45°). При больших шагах колонн в нижней части колонны целесообразно устройство диска в виде двухшарнирной решетчатой рамы, а в верхней - использование подстропильной фермы (рис. в). Распорки и решетка при малых высотах сечения колонн (например, в верхней части) располагаются в одной плоскости, а при больших высотах (нижняя часть колонны) - в двух плоскостях. На связевые диски передаются крутящие моменты, и поэтому при расположении вертикальных связей в двух плоскостях они соединяются горизонтальными решетчатыми связями.

При размещении жестких дисков (связевых блоков) вдоль здания нужно учитывать возможность перемещений колонн при температурных деформациях продольных элементов (рис. а). Если поставить дискипо торцам здания (рис. б), то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) возникают значительные температурные усилия. Поэтому при небольшой длине здания (температурного блока) ставится вертикальная связь в одной панели (рис. а).

Рис. Схемы конструкций жестких дисков связей между колоннами

Рис. Схема температурных перемещений и усилий

Рис. Расположение связей между колоннами

а - в коротких зданиях (или температурных отсеках); б - в длинных; 1-колонны; 2 - распорки; 3 - ось температурного шва; 4 - подкрановые балки

При большой длине здания (или блока) для колонн в торцах возрастают неупругие перемещения за счет податливости креплений продольных элементов к колоннам. Расстояние от торца до диска ограничивается с целью закрепления колонн, расположенных близко к торцу, от потери устойчивости. В этих случаях вертикальные связи ставятся в двух панелях (рис. б), причем расстояния между их осями должно быть таким, чтобы температурные усилия не были очень велики. Предельные расстояния между дисками зависят от возможных перепадов температур (разных для отапливаемых и неотапливаемых зданий, строящихся в районах с разнымирасчетными зимними температурами) и установлены нормами.

По торцам здания крайние колонны иногда соединяют между собой гибкими верхними связями (рис. а). 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 (рис. б), 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.

Таблица - Предельные размеры между вертикальными связями, м


Характеристика здания	От торца блока до оси ближайшей вертикальной связи	Между осями вертикальных связей в одном блоке
Отапливаемое Неотапливаемое и горячие цехи	90 (60) 75 (50)	60 (50) 50 (40)

Примечание. Размеры в скобках даны для зданий, эксплуатируемых при расчетных зимних температурах наружного воздуха от —40 до —65 ⁰С.

Вертикальные связи между колоннами ставят по всем рядам колонн здания; располагать их следует между одними и теми же осями.

При проектировании связей по средним рядам колонн в подкрановой части следует иметь в виду, что довольно часто по условиям технологии необходимо иметь свободное пространство между колоннами. В этих случаях конструируют портальные связи (рис. в).

Связи, устанавливаемые в пределах высоты ригелей в связевом блоке и торцовых шагах, проектируют в виде самостоятельных ферм (монтажного элемента), в остальных местах ставят распорки.

Особое внимание следует уделять компоновке связей между колоннами в горячих цехах при применении неразрезных подкрановых балок или большом внутреннем шаге колонн, несущих мощные продольные конструкции (например, подкраново-подстропильные фермы). В этих случаях полностью отсутствует узловая податливость продольных конструкций, система связей становится близкой к рамной и ее температурные деформации стеснены. Обследования и экспериментальные исследования работы таких цехов показывают, что, несмотря на выполнение требований норм проектирования, в элементах каркаса (колоннах и подкрановых балках) возникают большие дополнительные напряжения, а иногда наблюдается и разрушение связей.

Поэтому в горячих цехах с неразрезными подкрановыми балками или тяжелыми подкраново-подстропильными фермами целесообразно предусматривать специальные конструктивные мероприятия (например, уменьшение длины температурных блоков).

Связи, кроме условных поперечных сил, возникающих при потере устойчивости колонн из плоскости поперечных рам, воспринимают также усилия от ветра, направленного на торец здания, и от продольных воздействий мостовых кранов.

Ветровая нагрузка на торец здания воспринимается стойками торцевого фахверка и частично передается на связи по нижнему поясу ферм. Связи шатра передают ветровую 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.

Рис. Связи между колоннами и расчетные схемы колонн из плоскости рам

Рис. Работа связей между колоннами при воздействии

а - ветровой нагрузки на торец здания; б - мостовых кранов

Рис. Связи между фермами

а - по верхним поясам ферм; б - по нижним поясам ферм; в - вертикальные; 1 - распорка в коньке; 2 - поперечные связевые фермы; 3 - продольная связевая ферма; 4 - растяжка по нижнему поясу; 5 - вертикальные связи

Рис. Связи между фонарями

Элементы верхнего пояса стропильных ферм сжаты, поэтому необходимо обеспечить их устойчивость из плоскости ферм. Ребра кровельных плит и прогоны могут рассматриваться как опоры, препятствующие смещению верхних узлов из плоскости фермы при условии, что они закреплены от продольных перемещений связями,

Для закрепления плит и прогонов от продольных смещений устраиваются поперечные связи по верхним поясам ферм, которые целесообразно располагать в торцах цеха с тем, чтобы они (вместе с поперечными горизонтальными связями по нижним поясам ферм и вертикальными связями) обеспечивали пространственную жесткость покрытия. При большой длине здания или температурного блока (более 144 м) устанавливаются дополнительные поперечные связевые фермы. Это уменьшает поперечные перемещения поясов ферм, возникающие вследствие податливости связей.

Необходимо обращать особое внимание на завязку узлов ферм в пределах фонаря, где нет кровельного настила. Здесь для раскрепления узлов верхнего пояса ферм из их плоскости предусматриваются распорки, причем такие распорки в коньковом узле фермы обязательны. Распорки прикрепляются к торцовым связям в плоскости верхних поясов ферм. В процессе монтажа (до установки плит покрытия или прогонов) гибкость верхнего пояса из плоскости фермы не должна быть более 220. Если коньковая распорка не обеспечивает этого условия, между ней и распоркой в плоскости колонн ставится дополнительная распорка. Связи по верхнему поясу фонаря проектируются аналогично.

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 (Н₀ >18 м), в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью ³ 10 т, с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы при любой грузоподъемности обязательна система связей по нижним поясам ферм.

Горизонтальные силы от мостовых кранов воздействуют в поперечном направлении на одну плоскую раму или две-три смежные. Связи обеспечивают совместную работу системы плоских рам, вследствие чего поперечные деформации каркаса от действия сосредоточенной силы значительно уменьшаются. Жесткость этих связей должна быть достаточной для того, чтобы вовлечь в работу соседние рамы, и их ширина обычно назначается равной длине первой панели нижнего пояса фермы.

Прилегающие к опорам панели нижнего пояса ферм, особенно при жестком сопряжении ригеля с колонной, могут быть сжатыми, и в этом случае продольные связи обеспечивают устойчивость нижнего пояса из плоскости ферм.

Поперечные связи закрепляют продольные, а в торцах здания они необходимы и для восприятия ветровой нагрузки, направленной на торец здания.

Рис. Схемы систем связей по покрытию

Вертикальные связи вместе с поперечными связевыми фермами по верхним и нижним поясам обеспечивают создание жестких пространственных блоков у торцов здания. К этим блокам распорками и растяжками привязывают промежуточные фермы.

Определение нагрузок, действующих на раму

На поперечную раму цеха действуют постоянные нагрузки - от веса ограждающих и несущих конструкций здания, временные - технологические (от мостовых кранов, подвесного транспорта, рабочих площадок и т.п.), а также атмосферные (воздействие снега, ветра). В некоторых случаях приходится учитывать особые нагрузки, вызываемые сейсмическими воздействиями, просадкой опор, аварийными нарушениями технологического процесса и др.

Постоянные нагрузки

Постоянные нагрузки на ригель рамы обычно принимают равномерно распределенными по длине ригеля.

Величину расчетной постоянной нагрузки на 1 м² покрытия g_кр удобно определять в табличной форме.

В распределенную поверхностную нагрузку включаются нагрузки от всех слоев кровли, конструкций фермы, фонаря, связей с соответствующими коэффициентами перегрузки. Линейная распределенная нагрузка на ригель собирается с площади A₁ (рис. 12.5).

Рис. Расчетные схемы рам при расчете на постоянные нагрузки

1—подстропильная ферма; 2—стропильные фермы; 3—колонны

При подсчете линейной нагрузки на ригель q_n (рис. а, б) нужно спроектировать g_кр на горизонтальную поверхность (рис. в) и собрать с ширины, равной шагу стропильных ферм b_f. Таким образом,

. (1)

При шарнирном сопряжении ригеля с колонной нужно учесть вне-центренность опирания фермы на колонну, из-за которой возникает сосредоточенный момент, равный произведению опорной реакции фермы на эксцентриситет e_f. При наличии подстропильных ферм на колонны передаются еще сосредоточенные силы F_пф, равные опорным реакциям подстропильных ферм. Сила F_пф равна весу покрытия на площади А₂.

Остальные постоянные нагрузки собирают в сосредоточенные силы, условно приложенные к низу подкрановой и надкрановой части колонны по оси сечения. Сила F₁ включает в себя собственный вес нижней части колонны и нагрузку от стен на участке от низа рамы до уступа колонны (если стена не самонесущая); аналогично сила F₂ включает в себя вес верхней части колонны и вес подвесных стен выше уступа; силы F₁_c и F₂_c равны весу нижней и верхней частей средней колонны. При этом моменты, возникающие от веса стен, в расчете не учитываются.

Собственная масса конструктивных элементов стальных каркасов производственных зданий может быть ориентировочно определена по табл., составленной на основе анализа запроектированных зданий.

Таблица. Расход стали на производственные здания общего назначения

Грузоподъемность мостовых кранов, т	Расход стали, кг/м² здания
шатер	колонны	подкрановые балки	всего
До 100	30—45	25—60	20—60	80—150
125—250	30—45	55—90	40—100	140—250
Двухъярусное расположение кранов	30—45	80—100	70—160	220—300

Собственный вес подкрановых балок (и полезная нагрузка на тормозных площадках) обычно условно учитываются при подсчете временных нагрузок от мостовых кранов.

Временные нагрузки

Нагрузки от мостовых кранов. При движении колеса мостового крана на крановый рельс передаются силы трех направлений (рис. а).

Вертикальная сила F_k зависит от веса крана, веса груза на крюке крана, положения тележки на крановом мосту. Сила F_k динамическая, так как из-за ударов колеса о рельс, рывков при подъеме груза возникают вертикальные инерционные силы, суммирующиеся со статической составляющей. У мостовых кранов не менее четырех колес, и, следовательно, опирание крана на рельсы статически неопределимо. При движении крана происходит перераспределение вертикальных сил между колесами, движущимися по рельсу с одной сторону крана. Динамические воздействия колес крана, а также перераспределение усилий между колесами с одной стороны крана учитываются при расчете подкрановых балок, а при расчете рам вертикальная составляющая считается квазистатической и одинаковой для всех колес с одной стороны крана (небольшая разница может быть за счет смещения центра тяжести механизмов передвижения и кабины). Наибольшее вертикальное нормативное усилие F_kmax определяется при крайнем положении тележки крана на мосту с грузом на крюке крана, масса которого равна грузоподъемности крана Q (рис. б). F_kmaxуказана в стандартах на краны или в паспортах кранов.

Горизонтальная сила Т_к, расположенная в плоскости поперечной рамы, возникает из-за перекосов крана, торможения тележки, распирающего воздействия колес при движении по рельсам, расстояние между которыми несколько меньше пролета крана и т. п. Нормативное значение силы Т_kⁿ, передаваемой на поперечную раму, определяется по формулам:

для кранов с гибким подвесом груза

;

то же, с жестким подвесом груза

где Q — номинальная грузоподъемность крана, т; G_t - вес тележки, кН; п_o — число колес с одной стороны крана.

Сила Т может быть направлена внутрь пролета или из пролета и приложена к любому ряду колонн.

Продольная сила F_kn возникает от трения колес о рельс и от сил торможения крана. Нормативная сила, направленная вдоль пути, принимается равной 0,1 нормативной вертикальной нагрузки на тормозные колеca крана рассматриваемой стороны крана (обычно половина колес с каждой стороны крана - тормозные).

Для крановой нагрузки установлен коэффициент надежности по нагрузке γ_f = 1,1.

Вертикальная нагрузка на подкрановые балки и колонны определяется от двух наиболее неблагоприятных по воздействию кранов (при любом числе кранов на одном ярусе пролета). В многопролетных цехах в одном створе рассматривается воздействие не более четырех кранов (по 2 в разных пролетах). Горизонтальная нагрузка учитывается не более чем от двух кранов, расположенных на одних путях или в разных пролетах. Эти условности связаны с тем, что вероятность совпадения нормативных нагрузок от нескольких кранов очень мала. Вероятность

Рис. К определению нагрузок на раму от мостовых кранов

1 — подкрановые балки; 2 — колонны; 3 — тележка крана; 4 — крановый мост; 5 — груз

зависит от того, насколько часто краны поднимают большие грузы, масса которых близка к грузоподъемности, и поэтому связана с режимом работы кранов. Разная вероятность совпадения нормативных нагрузок от разных кранов учитывается в расчете введением коэффициента сочетаний ψ.

Расчетное усилие D_max, передаваемое на колонну колесами крана, можно определить по линии влияния опорных реакций (л.в.Д) подкрановых балок (рис. в): при наиневыгоднейшем расположении кранов на балках

где γ_f, ψ - коэффициенты надежности по нагрузке и сочетаний;

F_kmax- нормативное вертикальное усилие колеса; у - ордината линии влияния;

G_n - нормативный вес подкрановых конструкций (условно включаемый во временную нагрузку);

g_n - полезная нормативная нагрузка на тормозной площадке (1,5 кН/м²);

b_t - ширина тормозной площадки;

b - шаг колонн.

На другой ряд колонны также будут передаваться усилия, но значительно меньшие (рис. б). Силу D_min можно определить, если заменить в формуле F_kmax на F_k^’, т. е. на нормативные усилия, передаваемые колесами другой стороной крана, кН:

где Q - грузоподъемность крана, т;

Q_k - масса крана с тележкой, кН;

n_o - число колес с одной стороны крана.

Силы D_max, D_minприложены по оси подкрановой балки и поэтому не только сжимают нижнюю часть колоны, но и передают на нее изгибающие моменты (рис. г):

, ,

где е_k - расстояние от оси подкрановой балки до оси, проходящей через центр тяжести нижней части колонны.

Расчетная горизонтальная сила Т, передаваемая подкрановыми балками на колонну от сил T_k, определяется при том же положении мостовых кранов, т. е.

Эта сила приложена к раме в уровне верха подкрановой балки (рис. г).

Снеговая нагрузка

Расчетная линейная нагрузка на ригель рамы от снега q_sn определяется по формуле

где S₀ – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м²горизонтальной поверхности земли, зависящий от района строительства и определяемый по СНиП;

μ - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый по СНиП;

b_f - шаг ферм;

γ_f - коэффициент надежности по нагрузке.

Коэффициент надежности по нагрузке для снеговой нагрузки следует принимать равным 1,4.

Коэффициенты μ следует принимать по СНиП.

Рис. Значения μ для зданий с продольным фонарем

; ; , но не более:

4,0 – для ферм и балок при нормативном значении веса покрытия 1,5 кПа и менее;

2,5 - для ферм и балок при нормативном значении веса покрытия свыше 1,5 кПа;

2,0 – для железобетонных плит покрытий пролетом 6 м и менее и для стального профилированного настила;

2,5 – для железобетонных плит пролетом 6 м, также для прогонов независимо от пролета;

b₁ = h_L, но не более b.

При определении нагрузки у торца фонаря для зоны В значение коэффициента μ в обоих вариантах следует принимать равным 1,0.

Примечания: 1. Схемы вариантов 1, 2 следует также применять для двускатных и сводчатых покрытий двух-трехпролетных зданий с фонарями в середине зданий.

2. Влияние ветроотбойных щитов на распределение снеговой нагрузки возле фонарей не учитывать.

3. Для плоских скатов при b > 48 м следует учитывать местную повышенную нагрузку у фонаря, как у перепадов.

Ветровая нагрузка

В связи с тем что скорость ветра достаточно резко меняется, эта нагрузка воздействует динамически, но в низких широких зданиях не появляются колебания от ветра и для них рассматривается только статическая составляющая, связанная с разницей давлений внутри помещения и снаружи у стеновых (или кровельных) ограждений. Для высоких и узких зданий (высота более 36 м, отношение высоты к пролету более 1,5) учитывается динамическое воздействие ветра.

Давление ветра на высоте 10 м над поверхностью земли в открытой местности, называемое нормативным значением ветрового давления Wo, зависит от района строительства. Ветровая нагрузка меняется по высоте, но в нормах принято, что до высоты 10 м от поверхности земли ветровое давление не меняется. Увеличение ветрового давления при большей высоте учитывается коэффициентами k, разными при разной высоте и при разных защищенностях от ветра проектируемого здания.

Рис. Схема ветровой нагрузки на раму:

1 - колонна; 2 - стойка фахверка

За зданием (по направлению ветра) возникает зона пониженного давления и появляются поверхностная нагрузка Wo^* (отсос), направленная так же, как и нагрузка Wo. Условия обтекания ветром учитываются аэродинамическими коэффициентами с, указанными в главе СНиП по нагрузкам и воздействиям.

Таким образом, расчетная линейная ветровая нагрузка, передаваемая на стойку рамы в какой-то точке по высоте при отсутствии продольного фахверка, определяется по формуле

где Wo - нормативный скоростной напор ветра, принимаемый по СНиП 11-6-74;

k - коэффициент, учитывающий высоту и защищенность от ветра другими строениями;

с - аэродинамический коэффициент, зависящий от расположения и конфигурации поверхности. Для вертикальных стен с=0,8 с наветренной стороны и с=0,6 для отсоса;

γ_f - коэффициент надежности по нагрузке, который для зданий равен 1,2;

В - ширина расчетного блока.

В однопролетных зданиях с одинаковым шагом колонн по всем рядам ширина В равна шагу рам.

Схема изменения ветровой нагрузки по высоте для однопролетного здания показана на рис. 12.8, г. Для удобства расчета фактическую линейную нагрузку (в виде ломаной прямой) можно заменить эквивалентной Wэ, равномерно распределенной по всей высоте. Если принять, что моменты в заделке консоли, равной по длине высоте рамы от эквивалентной и фактической нагрузки, равны, то эквивалентные нагрузки активного давления и отсоса определяются по формулам:

W_э = W₀₍₁₀₎·α,

где W₀₍₁₀₎ - расчетная ветровая нагрузка на высоте 10 м;

α - коэффициент (при H ≤ 10 м - 1; 15 м - 1,04; 20 м - 1,1; 25 м - 1,17; 30 м - 1,23; 35 м - 1,29).

Ветровая нагрузка, действующая на участке от низа ригеля до наиболее высокой точки здания, заменяется сосредоточенной силой, приложенной в уровне низа ригеля рамы. Величина этой силы от активного давления F_W и отсоса F_W^* показана на рис. г (заштрихованная часть площади эпюры):

, .

Расчетная схема рамы однопролетного здания при действии ветровой нагрузки показана на рис. д. Направление ветра может быть как в одну, так и в другую сторону.