Компоновка конструктивной схемы здания

●В задачу компоновки конструктивной схемы входят: выбор сетки колонн и внутренних габаритов здания; компоновка покрытия; разбивка здания на температурные блоки; выбор схемы связей, обеспечивающих пространственную жесткость здания, и т. п.

■ Выбор сетки колонн и внутренних габаритов здания. С целью сокращения количества типоразмеров конструкций установлены единые унифицированные сетки колонн L×B для различных объемно-планировочных решений зданий, выполняемых в железобетоне: для зданий без мостовых кранов: 12×6, 18×12, 24×12 м при высотах здания H=3,6...14,4 м через 1,2 и; для зданий с мостовыми кранами: 18×12, 24×12, 30×12 м при H=8,4...18м через 1,2м.

Сетка колонн увязывается с технологией производственного процесса и выбирается на основании технико-экономического анализа; 75% всех одноэтажных производственных зданий имеют сетку колонн 18×12 и 24×12м. Применение пролетов 18...30 м при шаге 12 м позволяет организовать технологический процесс для большинства производств при достаточно эффективном использовании полезных площадей и сократить количество монтажных единиц. Более крупная сетка оправдана, когда удорожание строительных конструкций компенсируется экономией производственных площадей или другими технологическими преимуществами (более удобное обслуживание и т. п.), например переход с сетки 24×12 на 24×24 м приводит к удорожанию строительства на 4...7% и экономии площадей на 4 %.

Если в зданиях имеется подвесной транспорт, воздуховоды, подвесные потолки и т. п., то шаг ригелей устанавливают с учетом дополнительных затрат, связанных с устройством этих конструкций. В этих случаях более экономичным может оказаться шаг ригелей 6м.

В целях обеспечения максимальной типизации элементов каркаса приняты следующие привязки к продольным и поперечным координационным (разбивочным) осям:

●колонн крайних рядов к продольным координационным осям (рис. 11.2, а, б): нулевая привязка — в зданиях без мостовых кранов (B = 6...12 м) и в зданиях с мостовыми кранами при шаге колонн В = 6м, Q≤30т, H≤16,2 м; привязка 250мм — при В = 6м, Q>30t, H > 16,2 м и во всех случаях при В≥12 м;

 

 

Рис. 11.2. Привязки колонн к координационным осям (а...в)

и определение размеров колонны по высоте (г):

1 - ось продольного ряда; 2 - стойка фахверка; 3 - ось поперечного ряда

●геометрические оси средних колонн совмещаются с продольными координационными осями;

●привязка колонн в торце здания и у температурного шва к координационной оси показана на рис. 11.2, в.

Высота здания определяется технологическими условиями и назначается исходя из заданной отметки верха кранового рельса. Остальные размеры колонны по высоте определяются согласно рис. 11.2, г:

Кроме того, полную высоту колонн Я необходимо назначать с учетом размещения типовых стеновых панелей и оконных переплетов по высоте.

При наличии железобетонных подстропильных конструкций высота верхней части колонн уменьшается на 600мм.

■ Компоновка покрытия. Плоские покрытия компонуют по двум схемам: беспрогонной и прогонной. При беспрогонной схеме плиты покрытия укладывают по ригелям поперечных рам и крепят с помощью сварки закладных деталей. Приварку каждой панели к ригелю производят в трех точках. Длину опирания продольных ребер на несущие конструкции принимают для плит пролетом 6м — не менее 80мм, 12м — не менее 100мм. Швы между плитами замоноличивают бетоном.

Такая схема сокращает трудоемкость монтажа и дает экономию бетона и арматуры. При прогонной схеме прогоны прямоугольного или таврового сечения крепят к ригелям, а по ним укладывают железобетонные плиты пролетом 1,5...3 м. Последняя схема более трудоемка и применяется редко (главным образом при реконструкции или малых объемах работ).

При решении покрытия по беспрогонной схеме возможно поперечное (рис. 11.3, а...в) и продольное (рис. 11.3, г) расположение ригелей.

При поперечном расположении ригелей покрытие может быть запроектировано без подстроительных конструкций (рис. 11.3, а) (ригели укладываются только по колоннам с шагом 6 или 12м), с подстропильными конструкциями (рис. 11.3, б) (ригели с шагом 6 м укладывают по подстропильным балкам или фермам, имеющим пролет 12...18 м) и по комбинированной схеме (рис. 11.3, в), при которой крайние колонны имеют шаг 6м и являются опорами для ригелей, средние колонны устанавливают через 12м и имеют поверху подстропильные конструкции для опирания ригелей.

В зданиях с мостовыми кранами и бескрановых зданиях без подвесных потолков экономически целесообразно применять покрытия без подстропильных конструкций с шагом ригелей (пролетом плит покрытия) 12м. Покрытия с подстропильными конструкциями при шаге колонн 12м применяют главным образом при наличии подвесного транспорта или подвесных потолков, а также во всех случаях при шаге колонн 18м.

Рис. 11.3. Варианты компоновки покрытия (размеры в м):

1 — плиты покрытия; 2 — стропильные конструкции; 3 — подстропильные конструкции; 4 — продольные стропильные конструкции; 5 — плиты покрытия «на пролет»

 

При продольном расположении стропильных конструкций их укладывают на колонны по продольным осям, а плиты покрытия размером 3×18 или 3×24 м — поперек пролета. Трудоемкость монтажа покрытий такого типа примерно на 20 % ниже, чем при поперечном расположении ригелей.

Тип стропильных конструкций можно выбирать, руководствуясь следующими рекомендациями: а) стропильные балки применяют при пролетах до 18 м включительно, а в отдельных случаях и при пролете 24 м; б) стропильные фермы — при пролетах 18...24 м и допускаются при пролете 30 м; в) стропильные арки — при пролетах 30...36 м и более.

■ Разбивка здания на температурные блоки. Вследствие больших размеров промышленных зданий в плане и непрерывности покрытия, представляющего единую жесткую плиту, изменения температуры наружного воздуха вызывают заметные деформации (удлинения и укорочения) поперечных и продольных ригелей, подкрановых балок и т. п. Усадка бетона приводит к аналогичным деформациям укорочения элементов. Эти деформации приводят к возникновению значительных дополнительных усилий в колоннах (рис. 11.4), которые могут вызвать образование чрезмерных трещин и разрушение части элементов.

Рис. 11.4. Схема деформаций продольной рамы от

температурных и усадочных воздействий

 

Для уменьшения такого рода усилий в конструкциях предусматривают температурно-усадочные швы, устраиваемые на спаренных колоннах с доведением шва до верха фундамента (см. рис. 11.2, в).

Если расстояние между швами не превышает определенных значений, а ригели покрытия относятся к 3-й категории по трещиностойкости, то расчет на температурные воздействия может не производиться. В этом случае максимально допустимое расстояние l_tb между швами составляет в отапливаемых одноэтажных промышленных зданиях из сборного железобетона 72м, в неотапливаемых — 48м. В ряде случаев оказывается целесообразным рассчитывать каркас на температурные воздействия и увеличивать l_tb. Это дает экономию за счет уменьшения числа поперечных рам.

Температурные Δ_t и усадочные Δ_sh деформации в пределах блока вычисляются по формулам

где α_bt — коэффициент линейной температурной деформации бетона, равный 1·10^-51/град; α_sh — коэффициент линейной усадки бетона, равный 15·10^-5; Δt^o — максимальный расчетный перепад температуры.

Усилия в конструкциях, вызванные указанными деформациями, определяют методами строительной механики.

В тех случаях, когда здание возводится на площадке с разнородными грунтами, а также, когда его части имеют различную высоту и т. п. и возможно их неравномерное вертикальное смещение, устраивают осадочные швы. Ими разрезают здание, включая и фундаменты, чтобы обеспечить частям здания независимую осадку. Осадочные швы обычно совмещают с температурно-усадочными.

 

■ Обеспечение пространственной жесткости каркаса. Пространственной жесткостью здания или сооружения называют его способность сопротивляться воздействию горизонтальных нагрузок. Обеспечение пространственной жесткости имеет важное значение, поскольку чрезмерные перемещения каркаса могут привести к нарушению нор­мальной эксплуатации здания (работы кранов и т. п.).

●Пространственная жесткость каркаса одноэтажного промышленного здания в поперечном направлении обеспечивается расчетом и конструкцией поперечной рамы. Это объясняется тем, что специальные связи в этом случае установлены быть не могут, так как они препятствовали бы технологическому процессу. Поэтому основными факторами, обеспечивающими поперечную пространственную жесткость, являются защемление колонн в фундаментах и достаточная изгибная жесткость колонн.

●Пространственную жесткость здания в продольном направлении обеспечивать подобным образом нецелесообразно. Выгоднее уменьшить ширину сечения колонн, экономя бетон, а для обеспечения пространственной жесткости использовать вертикальные связи из стального проката (см. рис. 11.1, в), устанавливаемые по продоль­ным рядам колонн в серединах температурных блоков (для снижения температурных усилий в колоннах). Такие связи, как правило, не препятствуют технологическому процессу. Они устраиваются на высоту от пола до низа подкрановых балок и привариваются к закладным деталям колонн. По конструкции вертикальные связи по колоннам бывают крестовые (одноярусные и двухъярусные) и портальные, устраиваемые обычно по внутренним рядам колонн. При такой конструкции необходимость в расчете продольной рамы отпадает, производится лишь расчет связей на действие ветровой нагрузки на торец здания и усилий продольного торможения мостовых кранов. В бескрановых зданиях небольшой высоты (H<9,6 м) продольные связи не устанавливают.

●Помимо обеспечения пространственной жесткости здания в целом должна быть обеспечена пространственная жесткость его отдельных элементов (покрытия, фахверка и т. п.). Действующая на торец здания горизонтальная ветровая нагрузка передается со стеновых панелей через стойки фахверка на плиты покрытия (рис. 11.5, а). Сопряжение между плитами покрытия и колон­нами осуществляется через ригели, обладающие малой жесткостью из своей плоскости.

Рис. 11.5. Воздействие горизонтальных нагрузок на продольную раму и покрытие здания: 1 — стойки торцового фахверка; 2 — сварные швы

 

Поэтому при отсутствии связей горизонтальная сила, приложенная к покрытию, может вызвать чрезмерные перемещения ригелей (рис. 11.5, б). Кроме того, сила продольного торможения крана может вызвать деформации отдельной колонны (рис. 11.5, в). Для исключения этих явлений в торцах температурных блоков между колоннами устраивают вертикальные связевые фермы (из стальных уголков), обеспечивающие передачу усилия с покрытия на колонны. Поверху колонны связываются распорками (железобетонными или из уголков, см. рис. 11.1, в). При небольшой высоте h (до 800мм) ригелей на опорах и наличии жесткого опорного ребра допускается вертикальные связевые фермы не устанавливать, однако в этом случае сварные швы в сопряжении ригеля с колонной должны рассчитываться на момент M = Wh (рис. 11.5, г).

Наряду с обеспечением устойчивости ригелей в целом из плоскости необходимо обеспечить устойчивость их сжатых поясов. При беспрогонной системе покрытия и отсутствии фонаря устойчивость верхних поясов обеспечивается плитами покрытия, приваренными к ригелям с последующим замоноличиванием швов. Таким путем достигается образование жесткого диска, и необходимость в дополнительных связях в плоскости покрытия отпадает. При наличии фонарей сжатый пояс ригеля имеет свободную длину, равную ширине фонаря. Для исключения потери его устойчивости из плоскости по коньку устраивают распорки.

При достаточно больших высотах и пролетах здания на уровне низа стропильных конструкций или на уровне крановых путей устраивают горизонтальные связи в виде ферм из стальных уголков (см. рис. 11.1,а, в). Эти связи являются дополнительными опорами для стоек фахверка по высоте и передают ветровую нагрузку на продольные ряды основных колонн.

 

Расчет поперечной рамы

 

●Целью статического расчета поперечной рамы является определение усилий и перемещений в ее элементах. Прежде всего устанавливают расчетную схему сооружения, значения нагрузок и места их приложения.

Поперечная рама состоит из колонн, защемленных в фундаментах, и шарнирно опирающихся на них ригелей. Рамы температурного блока связаны между собой покрытием. Сборные железобетонные плиты покрытия, соединенные сваркой закладных деталей и заливкой швов, представляют жесткую в своей плоскости диафрагму, обеспечивающую совместную работу поперечных рам. Если нагрузка приложена одновременно ко всем рамам блока (ветер, масса конструкций, снег), то рамы находятся в одинаковых условиях и расчет каждой из них может производиться независимо. Если же внешняя нагрузка приложена к одной или нескольким рамам (крановая), то незагруженные рамы будут оказывать сопротивление указанному воздействию. В этом случае нужно учитывать пространственную работу каркаса.

Поперечные рамы одноэтажных зданий рассчитывают на воздействие: постоянных нагрузок — массы покрытия, навесных стен, собственной массы каркаса и т. п.; временных нагрузок (длительных и кратковременных). К длительным относятся нагрузки от массы стационарного оборудования, одного мостового крана с коэффициентом 0,6 и часть снеговой нагрузки. Кратковременными считают ветровую, нагрузку от двух сближенных кранов, часть снеговой и т. п.

В необходимых случаях при расчете рам следует учитывать также особые воздействия: сейсмические; воздействия, вызванные авариями технологического оборудования; просадкой грунтового основания и т. п. Расчет рамы выполняют на основные и особые сочетания нагрузок [2].

■ Нагрузки на поперечную раму.

●Постоянная нагрузка от массы покрытия передается на колонну как вертикальное опорное давление ригеля и для крайней колонны составляет

где g — расчетная нагрузка от массы кровли и плит покрытия, кН/м²; G — нагрузка от массы ригеля (принимают по справочным данным).

Постоянная нагрузка для средней колонны составит 2N_g.

Исследованиями установлено, что это давление приложено на расстоянии трети длины опоры от внутренней ее грани (рис. 11.6, а, б). Расстояние от N_g до продольной координационной оси может быть принято 175мм (внутрь здания).

Рис. 11.6. К определению эксцентриситетов

передачи нагрузки от покрытия на колонну

 

Эксцентриситет приложения этой нагрузки в верхней части колонны при нулевой привязке будет (рис. 11.6, a) e₁ = 175—h_t/2, при привязке 250мм (рис. 11.6, б) — e₁ = 175 + 250—h_t/2, в нижней подкрановой части — е₂=(h_b—h_t)/2 (рис. 11.6, б). Очевидно, в этих сечениях возникнут моменты M=N_ge₁ и M = Ne₂.

Продольная сила от навесных стеновых панелей N_wp передается на колонну в местах опирания панелей-перемычек с эксцентриситетом, равным полусумме толщины стены и высоты сечения колонны.

●Расчетная снеговая нагрузка на покрытие

где s₀ — нормативный вес снегового покрова, устанавливаемый в соответствии с нормами в зависимости от географического района (территория СССР делится на шесть районов, для I района s₀ = 0,5 кН/м²; для VI s₀ = 2,5 кН/м²); γ_f — коэффициент надежности по нагрузке в зависимости от отношения g_n/s₀ принимают γ_f = 1.4...1,6; μ — коэффициент, зависящий от профиля кровли.

Согласно нормам различают снеговую нагрузку с полным и пониженным нормативными значениями (см. гл. 2). При этом нагрузка с пониженным нормативным значением рассматривается как длительная, с полным — как кратковременная.

Для I и II районов вся снеговая нагрузка считается кратковременной. Эксцентриситеты приложения снеговой нагрузки на колонну принимаются так же, как и для нагрузки от собственной массы.

●Расчетную ветровую нагрузку принимают нормально приложенной к поверхности сооружения

где w₀ — нормативное значение ветрового давления, принимаемое в зависимости от географического района (всего семь районов); для I района w₀ = 0,23 кН/м₂, для VII района w₀ = 0,85 кН/м²; k — коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте (при 5≤H≤10м k=1; при H=20м k=1,25; при H=40 м k=1,5) и тип местности (открытая, закрытая); с — аэродинамический коэффициент, принимаемый по нормам, для вертикальных поверхностей с = 0,8 при положитель­ном давлении (напоре); с=0,4...0,6 при отрицательном давлении (отсосе); γ_f — коэффициент надежности по нагрузке, γ_f = 1,4.

Ветровая нагрузка на колонны, передающаяся со стеновых панелей, считается распределенной wB, а передающаяся на часть здания выше колонн — приводится к сосредоточенной силе W, приложенной в уровне верха колонн.

● Нагрузки от мостовых кранов. Мостовой кран состоит из моста, имеющего, как правило, четыре колеса (по два с каждой стороны), тележки на четырех колесах, подъемного оборудования (включающего груз Q) (рис. 11.7, а) и сообщает каркасу здания вертикальные и горизонтальные нагрузки. Максимальное давление на колесо крана P_max,n возникает при крайнем положении тележки с полным грузом; при этом на колесо крана с противоположной стороны действует нагрузка P_min,n; давление Р_mах,n, а также вес моста Q_c,g и тележки Q_c (приводятся в справочной литературе [24]). Очевидно,

Расчетную вертикальную нагрузку на крайнюю колонну вычисляют от двух максимально сближенных кранов по линиям влияния опорных реакций подкрановых балок F (рис. 11.7, б) с коэффициентом сочетаний 0,85 (для групп режимов работы кранов 1K — 6K)

где Σу — максимально возможная сумма ординат линии влияния опорного давления, взятых под колесами кранов; максимальное значение Σу будет получено при расположении одного из колес на опоре (рис. 11.7, 6); G_c,b — нагрузка от массы подкрановой балки; γ_f — коэффициент надежности по нагрузке, γ_f=1,1. Нагрузку на среднюю колонну вычисляют аналогично, но от четырех кранов с коэффициентом сочетаний 0,7.

Рис. 11.7. К определению крановых нагрузок на колонну

 

Вертикальное давление F передается через подкрановые балки на подкрановую часть колонны крайнего ряда с эксцентриситетом е₃=λ—0,5h_b при нулевой привязке; е₃=λ+0,25—0,5h_b, при привязке «250», для средних колонн е₃=λ.

Для кранов грузоподъемностью до 50 т включительно λ=0,75 м, при Q>50 т λ = 1,0 м (см. рис. 11.2, б, г).

При торможении кранов могут возникать продольные и поперечные тормозные усилия. Горизонтальная поперечная нагрузка, вызываемая торможением тележки крана с грузом, принимается: при гибком подвесе груза T_tr,n=(Q+Q_c)/20; при жестком подвесе T_tr,n = (Q + Q_c)/10. Эта сила передается на один путь и распределяется поровну между двумя колесами крана.

Расчетная горизонтальная сила на колонну определяется от действия двух кранов по линиям влияния:

Продольная горизонтальная нагрузка, направленная вдоль кранового пути, вызываемая торможением моста, передается на весь ряд колонн температурного блока

где 0,1—коэффициент трения.

Эта сила воспринимается вертикальными связями по колоннам.

■ Порядок статического расчета поперечной рамы [13], [16]. Расчет рамы может выполняться одним из методов строительной механики. Учитывая, что в большинстве одноэтажных промышленных зданий ригели проектируют на одном уровне по высоте, а жесткость их в своей плоскости значительно выше жесткости колонн и может быть принята равной EI=∞, расчет рам наиболее просто производится методом перемещений. В этом случае основную систему получим введением связи, препятствующей горизонтальному смещению (рис. 11.8, а). В основной системе все стойки защемлены в фундаментах и имеют шарнирную опору на верхнем конце.

Рис. 11.8. Расчетные схемы поперечных рам

 

Определение усилий в раме производится в такой последовательности:

●Задаются размерами сечений колонн (см. § 11.11) и определяют их жесткости как для бетонных сечений в предположении упругой работы материала.

●Верхним концам колонн дают смещение Δ=1 и находят реакцию В_Δ в основной системе от этого смещения (табл. 11.1):

Выражение (11.9) учитывает переменное сечение колонны; при постоянном сечении I_t=I_b=I получают известную из сопротивления материалов формулу для реакции В_Δ консольной балки на единичное смещение ее конца В_Δ = 3E_bI/H³.

Находят сумму реакций всех колонн от смещения Δ

где n — число колонн.

●Определяют реакции В_i в стойках (переменного сечения) в основной системе от внешних нагрузок (N_g, N_s, М_cr, T_tr, w) по формулам, приведенным в табл. 11.1.

Для каждого i-гo вида загружения находят реакцию R_1pi, равную сумме реакций во всех стойках,

●Для рассматриваемых загружений составляют канонические уравнения, выражающие равенство нулю усилий введенной горизонтальной связи (поскольку в действительности эта связь отсутствует):

и находят значения Δ_i (здесь c_sp — коэффициент, учитывающий пространственную работу каркаса при действии крановой нагрузки, в зависимости от шага колонн и длины температурного блока c_sp = 3,4...4,6 [13]. Значение c_sp тем больше, чем меньше шаг колонн и больше длина температурного блока. При действии остальных нагрузок c_sp=1).

●Для каждой стойки при соответствующем виде загружения вычисляют упругую реакцию

Расчеты показывают, что в зданиях одинаковой высоты с пролетами, отличающимися не более чем на 6м, усилия в колоннах от собственной массы покрытия и снега, распределенные равномерно, могут определяться без учета смещения рамы, т.е. Δ = 0. Такое же упрощение может быть сделано при расчете на крановую нагрузку поперечных рам без перепадов высоты с числом пролетов не менее двух при Q≤30 т и не менее трех при Q≤50 т.

 

Таблица 11.1.

Реакции в стойках основной системы при расчетах поперечной рамы

одноэтажного промышленного здания* [13]

Схема загружения	Спорная реакция

где А_br — площадь сечения ветви; n — число панелей (распорок) двух-ветвевой части колонны; с — расстояние между осями ветвей; а — высота верхней (надкрановой) части колонны H_t; H — высота колонны; I_br — момент инерции сечения ветви; I_t — момент инерции сечения верхней части колонны. Формулы справедливы для расчета поперечных рам с двухветвевыми колоннами. В случае сплошных колонн во всех формулах следует положить k₁ = 0, а момент инерции I_b определять как для сплошного сечения.

 

●Определяют изгибающие моменты М, продольные N и поперечные Q силы в каждой колонне как в консольной балке от действия опорной реакции B_ei и внешних нагрузок. Эпюры усилий строят для каждого вида нагрузок, действующих на раму. Для расчета колонн необходимо знать усилия как минимум в трех сечениях: над крановой консолью, под крановой консолью, в основании колонны. Далее составляют таблицы М, N, Q и в указанных сечениях колонны устанавливают расчетные (основные или особые) сочетания усилий.

Согласно нормам основное сочетание нагрузок может включать: а) постоянную, временные длительные и одну кратковременную, вводимую с коэффициентом сочетаний, равным 1, или б) постоянную, временные длительные, а также две и более кратковременные нагрузки, умноженные на коэффициент сочетаний 0,9.

Для подбора арматуры обычно оказывается достаточным составить лишь несколько наиболее невыгодных сочетаний, определяющих следующие значения усилий М и N; 1) наибольший положительный момент M_max и соответствующая продольная сила N; 2) наибольший по абсолютной величине отрицательный момент М_min и соответствующая N; 3) наибольшая продольная сила N_max и соответствующий М. В каждом из этих сочетаний определяется также поперечная сила Q.

Рамы, имеющие перепады высоты покрытий, следует рассчитывать как системы с несколькими неизвестными (рис. 11.8,б). Однако при B₁/B₂≥5 в качестве расчетной схемы может быть принята однопролетная рама. Нагрузки с пристройки передаются на основную раму в виде горизонтальных и вертикальных реакций (рис. 11.8, е).