Компановка поперечных рам. Связи между колоннами. Связи по покрытию

Схемы поперечных рам

Для металлических каркасов производственных зданий основным типом являются рамы со стойкими сплошного или сквозного сечения, жестко защемленными в основании, и ригелями в виде стропильных ферм. Ригели сплошного сечения имеют некоторые преимущества по сравнению со сквозными; они менее трудоемки в изготовлении, более транспортабельны, а их меньшая строительная высота приводит к неко­торому снижению высоты стен и уменьшению объема здания. Однако они применяются реже вследствие худших по сравнению со сквозными ригелями показателей по расходу металла.

Сопряжение ригелей с колоннами может быть жестким или шар­нирным. В однопролетных рамах жесткое сопряжение целесообразно при наличии значительных горизонтальных воздействий мостовых кранов, особенно при тяжелом режиме их работы, а также в зданиях, оборудо­ванных кранами с жестким подвесом или другими специальными крана­ми, для которых характерны большие динамические воздействия.

В многопролетных рамах, которые обладают большей горизонтальной жесткостью, обычно осуществляют шарнирное сопряжение ригелей с ко­лоннами. Шарнирное сопряжение особенно целесообразно в узлах примыкания ригелей к внутренним колоннам при одинаковой высоте смеж­ных пролетов, поскольку при жестком соединении передача больших опорных моментов, возникающих в этих узлах связана со значительными конструктивными трудностями.

С течки зрения более широкого использования типовых металличе­ских для зданий с металлическим и со смешанным каркасом целесообразно более широкое внедрение шарнирного сопряжения ригеля с колоннами. Типовых ферм для рам с жестким сопряжением ригеля с колоннами разработать пока не удается из-за сложности учета рамного момента, значение которого заранее неизвестно и определяется расчетом для каждого проектируемого здания.

Рамы современных производственных зданий часто имеют довольно сложные схемы. В зависимости от назначения здания могут быть однопролетными и многопролетными; с ригелями в одном уровне и с перепа­дами по высоте.

Компоновка однопролетных рам

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных (генеральных) габаритных размеров элементов конструкций в плоскости рамы. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, при­нимая ее нулевой (рис.Х1.5). Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Все размеры принимают в соответствии с основными положениями по унификации.

Вертикальные габариты здания зависят от технологических условий производства и определяются расстоянием от уровня пола до головки кранового рельса h1 и расстоянием от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия h2. В сумме размеры h1и h2 определяют полезную высоту цеха Н.

Сначала целесообразно установить вертикальные размеры. Размер h2 диктуется высотой мостового крапа:

h2= (hк+100)+а

hк+100— габаритный размер от головки рельса до верхней точки тележки крана плюс установленный по требованиям техники безопасности зазор между этой точной и строительными конструкциями, равный 100 мм;

а —размер, учитывающий прогиб конструкций покрытия (ферм, связей), принимаемый равным 200-400 мм, в зависимости от размера пролета (для больших пролетов большие размер).

Габаритные размеры мостовых кранов даются в соответствующих стандартах и заводских каталогах

Окончательный размер h2 принимают обычно кратным 200 мм.

Далее устанавливают высоту цеха от уровня пола до низа стропиль­ных ферм:

H= h2+ h1

где h1— наименьшая отметка головки кранового рельса, которая задается по условиям технологического процесса (обусловливается высотой подъема крюка крана над уров­нем пола).

Размер H в соответствии с “Основными положениями по унификации” принимается кратным 1,2 м до высоты 10.8 м, а при большей высоте — кратным 1.8 м (8,4; 9.6; 10,8; 12.6; 14,4; 16.2; 18 м) из условия соизмери­мости со стандартными ограждающими конструкциями. Если приходит­ся несколько увеличивать высоту цеха, то надо изменить отметку голов­ки рельса (полезную высоту цеха), а размер h2 оставить минимально необходимым. В отдельных случаях при соответствующем обосновании размер Н принимают кратным 0,6 м.

Далее устанавливают размеры верхней части колонны и нижней части

Высота верхней частя колонны

где hпб—высота подкрановой балки, которая предварительно принимается 1/8—1/10

Высота рельса определяется по таблице и зависимости от его марки или hр=200 мм

Окончательно уточняют после расчета крановой балки.

Размер нижней части колонны

где (600.„1000) мм - обычно принимаемое заглубление опорной плиты башмака ко­лонки ниже нулевой отметки пола.

Общая длинна колонны рамы от низа башмака до низа ригеля

Высота колонны у опоры ригеля hоп зависит от принятой конструк­ции стропильных ферм и равна их высоте на опоре.

В типовых стропильных фермах под рулонную кровлю с уклоном 1=1,5% hоп =3l50 (по граням поясных уголков.

Если на здании есть светоаэрационные или аэрационные фонари, вы­соту их hф определяют светотехническим или теплотехническим расче­том в соответствии с требованиями унификации; уклон кровли фонарей обычно принимают таким же, как и для кровли здания

После этого устанавливают основные размеры по горизонтали.

Привязка наружной грани колонны к оси колонны bo может быть нулевой (bo =0) или иметь размер 250 или 500 мм. Нулевую привязку принимают в зданиях без мостовых кранов, а также в невысоких зда­ниях (при шаге колонн б м), оборудованных кранами грузоподъемно­стью до 30 т включительно.

Привязку размером bo=500 мм принимают для очень высоких зда­ний с кранами грузоподъемностью 75 т и более, а также для зданий с кранами «особого» режима работы, если в верхней части колонны уст­раиваются проемы для прохода. В остальных случаях bo =250 мм.

Ширина верхней части колонны из условия необходимой жесткости не должна быть меньше bв>=1/12 hв. Очень часто ширину колонны bв, принимают равной 500 или 1000 мм, тогда ось колонны располагается посередине верхней части колонны.

В каркасах зданий с кранами «особого» режима работы безопас­ность сквозного прохода вдоль подкрановых путей (для их обслуживания) может быть обеспечена устройством проемов в стенке верхней части колонн (рис.Х1.6,а), либо свободным пространством между внутренней гранью колонны и концом кранового моста (рис.Х1.6,б). В первом случае ширина верхней части колонны должна быть при­мерно 1000 мм, так как наименьшие размеры проема для прохода уста­новлены в 400 мм по ширине и 1800 мм по высоте.

Чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колону, расстоя­ние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее

где В1— часть кранового моста, выступающая за ось рельса, принимаемая по ГОСТ на краны;

bв, b0 — расстояние от оси дo внутренней грани верхней части колонны;

(60... 75) мм — зазор между краном и колонной, по требованиям безопасности принимаемый по ГОСТ на краны.

При устройстве прохода вне колонны размер включает еще 450 мм (400 мм габарит прохода и - 50 мм на ограждение). Пролеты кранов имеют модуль 500 мм, поэтому размер должен быть кратным 250 мм. Исходя из этого принимают:

=750 мм - для кранов грузоподъемностью до 50 т включительно при отсутствии проходов в надкрановой части колонны;

= 1000 мм - для кранов грузоподъемностью более 50 т при отсут­ствии проходов и для кранов грузоподъемностью до 125 т при наличии внутренних проходов:

=1250 мм - (или более) для некоторых специальных и очень тя­желых кранов, а также при наличии прохода вне колонны.

Ширину нижней части колонны bн назначают в зависимости от гру­зоподъемности кранов и высоты здания. Ось подкрановой ветви колон­ны обычно совмещают с осью подкрановой балки; в этом случае шири­на нижней части колонны

Из условия обеспечения жесткости цеха в поперечном направлении ширину нижней части колонны bн назначают не менее 1/20 в обычных промышленных зданиях и 1/15 в зданиях с кранами «особого» режима работы.

Верхнюю часть колонны обычно проектируют сплошной, двутаврово­го сечения; нижнюю часть принимают сплошной при ширине до 1 м включительно, а при большей ширине ее экономичнее делать сквозной.

Для легких промышленных зданий с кранами небольшой грузоподъ­емности иногда применяют сквозные или сплошные колонны постоянно­го сечения с расположением подкрановых балок на консолях; ширина таких колонн не должна быть менее 1/25 .

Размеры пролета здания L и пролета крана Lк связаны зависи­мостью

где — расстояние между осью колонки и осью подкрановой балки

Рациональным компоновочным решением для высоких и небольших по длине зданий является конструктивная схема каркаса с несмещающимися в поперечном направлении верхними концами колонн. В таких зданиях проектируют жесткий торцовый фахверк, развязанный диаго­нальными связями (рис.Х1,7) и развитую систему горизонтальных свя­зей по нижним поясам стропильных ферм. Верхние концы колонны опи­рают на продольные связевые фермы по нижним поясам стропильных ферм, которые в свою очередь опирают на жесткие торцы здания. Вслед­ствие большой жесткости горизонтальных связей и торцов смешения верхних концов колонн незначительны и ими можно пренебречь. Расчётная схема на рис.Х1.7,б

Компоновка много пролетных рам

При проектировании многопролетных рам большое значение имеет компоновка их поперечного профиля.

Для достижения максимальной типизации конструкций каркаса же­лательно, чтобы все пролеты многопролетной поперечной рамы были равными и имели одинаковую высоту. В этом случае основным реше­нием могут быть покрытия с продольными фонарями, размешенными в коньковой части пролета (рис. Х1.8,а).

Примеры схем поперечных рам

Многопролётных зданий

 

По условиям технологии производства не всегда удобны одинаковые пролеты, тогда нужно стремиться, чтобы число их размеров было наи­меньшим (рис. Х1.8,б,г).

Применение во всех пролетах однотипных стропильных ферм отвеча­ет требованиями унификации. Одинаковая высота опорных стоек ферм различных пролетов позволяет унифицировать конструкцию сопряжений ферм с колонками и с ограждающими элементами кровли (рис. Х1.8,б).

Проектирование отдельных пролетов с различной полезной высотой в многопролетных зданиях вызывается разнохарактерными условиями производства. В многопролетных зданиях с большими производствен­ными тепло- и газовыделениями рациональны перепады по высоте (при достаточном их размере). Требования освещенности заставляют в от­дельных случаях использовать перепады высот смежных пролетов для устройства дополнительного бокового освещения.

При компоновке конструктивной схемы многопролетных рам с раз­личной полезной высотой пролетов приходится решать вопрос о при­менении в этих пролетах односкатных или двускатных покрытий. Для малых боковых пролетов самыми простыми являются односкатные по­крытия (рис. Х1.8,ж). Для больших боковых пролетов при возможно­сти устройства внутреннего водостока целесообразны двускатные фермы (рис. Х1.8,е). В случае невозможности устройства внутреннего водосто­ка применяют односкатные покрытия, которые могут быть решены либо с фермами, имеющими параллельные пояса, либо с фермами, имеющими перелом в среднем узле нижнего пояса и одинаковую высоту на обеих опорах (рис. Х1.8,в).

В последнее время широко применяются здания с плоской кровлей (уклон верхнего пояса i=0,015) (рис. Х1.8,д); их проектируют с естест­венным освещением (фонарные) и с искусственным (бесфонарные).

Мощные технологические агрегаты, особенно в металлургической промышленности, требуют иногда устройства в цехе тяжелых рабочих площадок, по которым двигаются железнодорожные составы, этажного расположения оборудования, повышенной аэрации, что вы­нуждает проектировать попе­речную раму цеха сложного профиля (рис. Х1.8,з).

Определение компоновоч­ных размеров для крайних ря­дов многопролетных рам про­изводится точно так же, как для однопролетных. Если в различных пролетах здания одной высоты краны имеют разную грузоподъемность, то размер h2 (надкрановый габарит (рис. Х1.9) при­нимают по наибольшему кра­ну. В этом случае при одина­ковых отметках верха подкра­новых балок будет обеспечен габарит для кранов во всех пролетах.

Компоновочные размеры средних колонн h1 h2и h для зданий без перепада высот (рис. Х1.9,а) принимаются та­кими же, как и для крайних.

Заглубление средних колонн ниже уровня пола принимается одина­ковым с крайними (в пределах 600—1000 мм). Ширину верхней части средней колонны bв, принимают чаще всего такой же, как и для край­ней колонны. Ширина нижней части bн=2 (рис. XI.9,а).

СВЯЗИ

Важными элементами стального каркаса промышленного здания являются системы связей. Связи необходимы для:

1) обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса к устойчивости его сжатых элементов;

2) восприятия ветровых нагрузок и инерционных воздействий кра­нов;

3) создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечений нор­мальных условий эксплуатации в течение всего периода службы соору­жения;

4) обеспечения условий высококачественного и удобного монтажа элементов сооружения.

Надлежащая компоновка связей обеспечивает совместную про­странственную работу конструкций каркаса, что имеет большое значе­ние для повышения жесткости сооружения и экономии материала. Свя­зи, предназначенные для восприятия определенных силовых воздейст­вий (ветер, тормозные силы), должны обеспечивать последовательное доведение усилий от места приложения нагрузки до фундаментов опор здания; путь передачи усилий должен быть кратчайшим.

Лучше применять плиты шириной 3 м, так как при этом обеспечива­ется узловая передача нагрузки при типовых размерах панелей ферм. При плитах шириной 1,5 м верхний пояс фермы работает на местный изгиб или нужно устанавливать дополнительные шпренгели (что утяже­ляет и усложняет стропильную ферму).

Примеры конструкций холодных кровельных панелей.

а - стальной с ребрами из прокатных профилей

б- из гнутого листа

в- с применением алюминиевых волнистых листов

 

Стремление облегчать теплую крупнопанельную кровлю требует по­исков других конструктивных решений панелей с применением гнутых профилей, алюминия, легких утеплителей.

Взаимное соединение щитов поперек стока воды производится взакрой, вдоль стока— стоячим фальцем. Пространство между панелями заполняют изоляционным пластиком. Расход алюминия на такие панели составляет 10.5 кг/м2, пенопласта—6.5 кг/м2. Следует отметить, что ра­циональные конструкции утепленных панелей пока недостаточно разра­ботаны, а имеющиеся сложны и дороги и поэтому применяются только при специальном обосновании (например, в отдаленных и труднодоступ­ных районах).

Для холодных кровель крупноразмерные панели применяются чаще, так как конструкция их получается достаточно простой.

Связи по покрытию

Связи по конструкциям покрытия (шатра) здания ставят для обес­печения пространственной жесткости каркаса, устойчивости покрытия в целом и его элементов. Связи по покрытию располагают (рис. Х1.14):

1) в плоскости верхних поясов стропильных ферм — поперечные связевые фермы и продольные элементы между ними;

2) в плоскости нижних поясов стропильных ферм — поперечные и продольные связевые фермы, в также иногда продольные растяжки между поперечными связевыми фермами;

3) между стропильными фермами — вертикальные связи;

4) по фонарям.

Связи по верхним поясам ферм состоят из поперечных связевых ферм и продольных элементов между ними (рис. Х1.14,а).

Элементы верхнего пояса стропильных ферм сжаты, а потому необ­ходимо обеспечить их устойчивость при продольном изгибе 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, расположенными в плоскости кровли. Такие связи наиболее целесооб­разно располагать в торцах цеха с тем, чтобы вместе с поперечными го­ризонтальными связями, расположенными по нижним поясам ферм, и вертикальными связями обеспечить пространственную жесткость покры­тия. Это важно для обеспечения неизменяемости конструкций покрытия

в процессе монтажа, особенно для работы каркаса при действии ветра в направлении вдоль здания. При большой длине здания или темпера­турного блока целесообразны дополнительные промежуточные попереч­ные связевые фермы, с тем чтобы расстояние между ними не было более 60 м. Такие связи увеличивают пространственную жесткость покрытия в целом и, кроме того, уменьшают поперечные перемещения поясов ферм, возникающие вследствие податливости связей

Связи по покрытию.

а- по верхним поясам ферм

б- по нижним поясам ферм

в- вертикальные связи между фермами

 

Чтобы обеспечить устойчивость верхнего пояса ферм, 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 специальные распорки, причем такие распорки в коньковом узле фермы обязательны. Эти рас­порки прикрепляют 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. Поэтому если коньковая распорка не обеспечивает этого условия, меж­ду ней и распоркой в плоскости колонн ставят дополнительную рас­порку.

Система связей по нижним поясам ферм состоит из попереч­ных и продольных связевых ферм (рис. Х1.14,б).

В зданиях с кранами легкого и среднего режима работы и неболь­шой грузоподъемности продольные связевые фермы иногда не ставят, ограничиваясь только поперечными сетевыми фермами.

В зданиях с мостовыми кранами особенно важно обеспечить надлежащую горизонтальную жесткость каркаса поперек и вдоль здания. При работе мостовых кранов возникают инерционные усилия, вызывающие поперечные и продольные деформации каркаса цеха. Если поперечная жесткость каркаса недостаточна, краны при движении могут заклини­ваться и как следствие этого нарушится нормальная их эксплуатация. Чрезмерные колебания каркаса создают неблагоприятные условия для работы персонала, а также для сохранности стеновых ограждений и кровли.

Горизонтальные инерционные силы от мостовых кранов приложены на уровне рельсов подкрановых балок, и их воздействие в поперечном направлении является обычно сосредоточенным по отношению к одной плоской раме или к двум смежным. Связи обеспечивают совместную ра­боту системы плоских рам, вслед­ствие чего поперечные деформации каркаса от действия сосредоточен­ной силы значительно уменьшают­ся (рис. Х1.15).

Поскольку основное значение имеет уменьшение поперечных сме­шений колонн в уровне приложения инерционных сил, т. е. в уровне верхних поясов подкрановых балок, наиболее эффективной будет систе­ма взаимной завязки колонн цеха при расположении связей возможно ближе к верху подкрановых балок. Этим и вызывается применяемое в практике проектирования располо­жение горизонтальных продольных связей в плоскости нижних поясов стропильных ферм. Кроме того, при наличии в плоскости верхних поя­сов ферм жесткого диска из кровельных плит более податливые упругие продольные связевые фермы в случае расположения их в той же пло­скости (т. е. верхних поясов ферм) были бы малоэффективными.

Следует помнить, что эти связи закрепляют опорные панели нижне­го пояса ригеля поперечной рамы, что является целесообразным, так как в этих панелях могут возникнуть сжимающие усилия.

Поперечные связевые фермы располагают у торцов здания, они не­обходимы для восприятия ветровой нагрузки, передаваемой стойками торцового фахверка. Стойки фахверка передают ветровую нагрузку в узлы поперечной горизонтальной торцовой фермы, поясами которой слу­жат нижние пояса торцовой и смежной с ней стропильных ферм (рис. Х1.15). Поперечные связи вместе с продольными образуют замк­нутую систему, расположенную по контуру здания и обеспечивающую его пространственную жесткость. В плоскости нижних поясов целесооб­разно также устраивать промежуточные поперечные связи, расположен­ные в тех же панелях, что и поперечные связи, по верхним поясам ферм (рис. Х1.14).

Чтобы увеличить пространственную жесткость каркаса, продольные связи должны иметь достаточно большую ширину, чтобы вовлечь в работу возможно большее число поперечных рам.

Из конструктивных соображений наиболее удобно ширину продоль­ной связевой фермы принимать равной опорной панели нижнего пояса стропильной фермы; если имеются подстропильные фермы, то пояс под­стропильных ферм используется как пояс горизонтальной связевой фермы.

Если в опорных панелях нижнего пояса ригеля рамы возможно по­явление сжимающих усилий, этот пояс должен быть закреплен в боковом направлении с таким расчетом, чтобы в пределах сжатой части (у опор), гибкость его не превышала 120. Чтобы избежать вибрации нижнего пояса вследствие динамического воздействия мостовых кранов, следует ограничивать гибкость растянутой части нижнего пояса из пло­скости рамы: для зданий с тяжелым режимом работы - величиной 250. для прочих зданий - 100.

Стропильные фермы обладают незначительной боковой жесткостью, а потому процесс монтажа без их предварительного взаимного раскреп­ления недопустим. Поэтому необходимо устраивать особые верти­кальные связи между фермами, располагающиеся в плоско­сти вертикальных стоек стропильных ферм (рис. Х1.14,в);

Для удобства крепления элементов связей эти стойки часто проектируют кресто­вого сечения (из двух уголков).

При опирании опорного нижнего узла стропильных ферм на оголо­вок колонны (железобетонной или стальной) сверху вертикальные свя­зи необходимо располагать также по опорным стойкам ферм.

Вертикальные связи в направлении вдоль цеха размешают между поперечными связевыми фермами связей по верхним и нижним поясам, чем обеспечивается создание жестких пространственных блоков у тор­цов здания. К этим блокам распорками и растяжками привязывают про­межуточные фермы.

В зданиях с подвесным транспортом вертикальные связи способст­вуют перераспределению между фермами крановой нагрузки, прило­женной непосредственно к конструкциям покрытия. В этих случая, и особенно когда к стропильным фермам подвешены электрические кран-балки значительной грузоподъемности (например, в крупных сбороч­ных цехах), целесообразно вертикальные связи между фермами распо­лагать в плоскостях подвески непрерывно по всей длине здания.

В многопролетных производственных зданиях продольные связевые фермы также располагают у крайних колонн. Чтобы увеличить жест­кость каркаса, ставят дополнительные продольные фермы: в зданиях с кранами «особого» режима работы примерно через 60 м. в обычных зда­ниях примерно через 90 м (рис. Х1.16,а). В зданиях, имеющих перепады по высоте, продольные связевые формы иногда ставят и вдоль этих пе­репадов (рис. Х1.16,б). Поперечные связи по верхним и нижним поясам, и вертикальные связи между фермами устанавливают так же, как и в однопролетных зданиях.

Фонари в здании тоже развязываются горизонтальными связями в уровне верхних поясов фонарей и вертикальными связями (рис. Х1.17).

Конструктивная схема связей зависит главным образом от шага стропильных ферм. Для горизонтальных связей при шаге ферм 6 м ши­роко применяют крестовую решетку, раскосы которой работают только на растяжение (рис. Х1.18,а). При этом получается довольно экономич­ное решение, так как сечение раскосов подбирается исходя из предель­ной гибкости для растянутых элементов.

Связи по верхним поясам ферм

 

Связи по нижним поясам ферм

 

 

В последнее время преимущественно применяются связевые фермы с треугольной решеткой (рис. Х1.18,б). Здесь раскосы работают и на растяжение и на сжатие, поэто­му их сечение определяется предельной гибкостью для сжатых элемен­тов; проектируют их из труб либо гнутых профилей. При таком решении связи получаются несколько тяжелее, однако ускоряется и упрощается их монтаж. При шаге стропильных ферм 12 м также могут быть приме­нены горизонтальные связевые фермы с крестовой решеткой. Однако в этом случае диагональные элементы, даже работающие только на растяжение, получаются слишком тяжелыми и их проектируют опирая по середине на сжатые стойки связевых ферм (рис. Х1.18,в). Более рас­пространенным решением связевых ферм являются системы с треуголь­ной решеткой и раскосами, работающими на сжатие, вписывающимися в квадрат со стороной 6 м (рис. Х1.8,г,д). Раскосы опираются в этом случае на продольные элементы длиной 12 м, служащие поясами связе­вых ферм.

Вертикальные связи между фермами и фонарями лучше всего делать в виде отдельных транспортабельных ферм, что возможно, если их вы­сота будет менее 3900 мм.