Расчетная схема и нагрузки

Конструктивные схемы. Элементы конструкций

Для металлургической, машиностроительной, легкой и других отраслей промышленности возводят одноэтажные каркасные здания (рис.1,а). Конструктивной и технологической особенностью таких зданий является оборудование их транспортными средствами, мостовыми и подвесными кранами. Мостовые краны перемещаются по специальным путям, опертым на колонны; подвесные краны перемещаются по путям, подвешенным к элементам покрытия, Покрытие одноэтажного промышленного здания может быть балочным из, линейных элементов или пространственным в виде оболочек.

К элементам конструкции одноэтажного каркасного здания с балочным покрытием относятся: колонны (стройки), заделанные в фундаментах; ригели покрытия (балки, фермы, арки), опирающиеся на колонны, плиты покрытия, уложенные по ригелям; подкрановые балки; световые или аэрационные фонари. Основная конструкция каркаса - поперечная рама, образованная колоннами и ригелями.

Пространственная жесткость и устойчивость одноэтажного каркасного здания достигаются защемлением колонн в фундаментах. В поперечном направлении пространственная жесткость здания обеспечивается поперечными рамами, в продольном - продольными рамами, образованными теми же колоннами, элементами покрытия, подкрановыми балками и вертикальными связями (рис. 1,б,в).

Одноэтажные производственные здания могут быть также с плоским покрытием без фонарей. Примером может служить конструктивная схема здания, в которой длинномерные панели покрытия на пролет уложены по продольным балкам и служат ригелями поперечной рамы (рис. 2).

Компоновка здания

Колонны

Сетка колонн одноэтажных каркасных зданий с мостовыми кранами в зависимости от технологии производственного процесса может быть 12×18, 12×24, 12×30 м или 6×18, 6×24, 6×30 м. Шаг колонн принимают преимущественно 12 м; если при этом шаге используются стеновые панели длиной 6 м, то по наружным осям кроме основных колонн устанавливают промежуточные (фахверковые) колонны. При шаге колонн 12 м возможен шаг ригелей 6 м с использованием в качестве промежуточной опоры подстропильной фермы (рис.3).

Рис. 1. Одноэтажное промышленное здание с мостовыми кранами:

а - конструктивный поперечный разрез; б - расчетная схема поперечной рамы; в - расчетная схема продольной рамы

Рис.2. Одноэтажные промышленное здания с плоским покрытием:

1 - длинномерные плиты покрытия; 2 - продольные балки

Лучшие технико-экономические показатели по трудоемкости и стоимости достигаются в сборных железобетонных покрытиях при шаге колонн 12 м без подстропильных ферм.

В целях сохранения однотипности элементов покрытия колонны крайнего ряда располагают так, чтобы разбивочная ось ряда проходила на расстоянии 250 мм от наружной грани колонны (рис.4.). Колонны крайнего ряда при шаге 6 м и кранах грузоподъемностью до 30 т располагают с нулевой привязкой, совмещая ось ряда с наружной гранью колонны (рис.5, а). Колонны торцов здания смещают с поперечной разбивочной оси на 500 мм (рис.5,б). При большой протяженности в поперечном и продольном направлениях здание делят температурными швами на отдельные блоки.

Рис.3. Конструктивные схемы здания при шаге колонн:

а – 6м с подстропильными фермами; б - 12м без подстропильных ферм

Рис.4. Привязка элементов конструкций к разбивочным осям на поперечном разрезе

Продольный температурный шов выполняют, как правило, на спаренных колоннах со вставкой (рис.4, в), при этом колонны у температурного шва имеют привязку к продольным разбивочным осям 250 мм (или нулевую при 6м). Поперечный температурный шов также выполняют на спаренных колоннах, но при этом ось температурного шва совмещается с поперечной разбивочной осью, а оси колонн смещаются с разбивочной оси на 500 мм (рис.5, г).

Рис.5. Компоновочные схемы привязки к разбивочным осям колонн:

а - крайнего ряда при шаге 6 м; б - в торце здания; в - у продольного температурного шва;

г - у поперечного температурного шва

Расстояние от разбивочной оси ряда до оси подкрановой балки при мостовых кранах грузоподъемностью до 50 т принято λ=750 мм (см. рис.3). Это расстояние складывается из габаритного размера крана В, размера сечения колонны в надкрановой части и требуемого зазора С между габаритом крана и колонной. На крайней колонне λ = ( в мм ).

Колонны каркасного здания могут быть сплошными прямоугольного сечения или сквозными двухветвевыми (рис.6).При выборе конструкции колонны следует учитывать грузоподъемность мостового крана и высоту здания. Сплошные колонны принимают при кранах грузоподъемностью до 30 т и относительно небольшой высоте здания; сквозные колонны - при кранах грузоподъемностью 30 т и больше и высоте здания более 12м. Размеры сечения колонны в надкрановой части назначают с учетом опирания ригелей непосредственно на торец колонны без устройства специальных консолей. Высоту сечения принимают: для средних колонн h₂=500 или 600 мм, для крайних колонн h₂=380 или 600 мм; ширина сечения средних и крайних колонн b=400...600 мм (большие размеры сечения колонны принимают при шаге 12 м). Размеры сечения сплошных колонн в нижней подкрановой части устанавливают преимущественно по несущей способности и из условий достаточной жесткости с тем, чтобы при горизонтальных перемещениях колонн в плоскости поперечной рамы не происходило заклинивания моста крана. По опыту эксплуатации производственных зданий с мостовыми кранами принято считать жесткость колонн достаточной, если высота сечения =(1/10...1/14) .

Рис.6. Колонны одноэтажного здания:

а – сплошного прямоугольного сечения; б - сквозные двухветвевые

Сквозные колонны имеют в нижней подкрановой части две ветви, соединенные короткими распорками-ригелями. Для средних колонн, в нижней подкрановой части допускают смещение оси ветви с оси подкрановой балки и принимают высоту всего сечения h₁=1200...1600 мм, а для крайних колонн - h₁=1000...1300 мм. При этом высота сечения ветви h=250 или 300 мм и ширина b=500 или 600 мм. Кроме того, b= (1/25...1/30)H.

Расстояние между осями распорок принимают (8...10)h. Распорки размещают так, чтобы размер от уровня пола до низа первой надземной распорки составлял не менее 1,8 м и между ветвями обеспечивался удобный проход. Нижнюю распорку располагают ниже уровня пола. Высоту сечения распорки принимают (1,5...2)h, а ширину - равной ширине сечения ветви.

Соединение двухветвевой колонны с фундаментом осуществляют в одном общем стакане или же в двух отдельных стаканах; во втором соединении объем укладываемого на монтаже бетона уменьшается (рис.7). Глубину заделки колонны в стакане фундамента принимают равной большему из двух размеров:

или .

Кроме того, глубина заделки колонны должна быть проверена из условия достаточной анкеровки Продольной рабочей арматуры. Если в одной из ветвей колонны возникает растягивающее усилие, соединение колонны с бетоном замоноличивания выполняют на шпонках.

Рис.7. Конструкции соединения двухветвевой колонны с фундаментом:

а - в одном общем стакане; б - в двух отдельных стаканах; в - при устройстве шпонок;

1 - бетон замоноличивания; 2 – колонна

Колонны обычно изготовляют в виде одного цельного элемента. Членение их на части, по высоте для уменьшения веса монтажных элементов связано с затруднениями в устройстве стыков, а потому осуществляется редко. Примеры армирования сплошных и двухветвевых колонн приведены на (рис. 8); средние колонны, испытывающие действие моментов двух знаков, армируются симметрично. Для колонн применяют бетоны классов В15...ВЗ0.

Подкрановые балки

Железобетонные предварительно напряженные подкрановые балки испытывают динамические воздействия от мостовых крапов и поэтому их применение рационально при кранах грузоподъемностью до 30 т среднего режима работы и кранах легкого режима работы. При кранах тяжелого режима работы и кранах грузоподъемностью 50 т среднего режима работы и более целесообразны стальные подкрановые балки.

Наиболее выгодна двутавровая форма поперечного сечения подкрановой балки. Развитая верхняя полка повышает жесткость балки в горизонтальном направлении, уменьшает перемещения при поперечных тормозных условиях, а также улучшает условия монтажа и эксплуатации крановых путей и крана; нижняя полка дает возможность удобно разместить напрягаемую арматуру и обеспечить прочность балки при отпуске натяжения. Расчетным на вертикальные нагрузки является тавровое сечение с верхней сжатой полкой, а на горизонтальные нагрузки - прямоугольное сечение (верхняя полка) .

Рис.8. Армирование колонн одноэтажного здания:

а – сплошного прямоугольного сечения; б - сквозные двухветвевые

Высоту сечения подкрановых балок назначают в пределах h =(1/8...1/10)1, толщину верхней полки = (1/7...1/8)h, ширину верхней полки = (1/10...1/20)l. По условиям крепления и рихтовки крановых путей принимают размер полки =500...650 мм. Типовые подкрановые балки имеют высоту сечения h = 1000 мм при пролете 6 м и h = 1400 мм при пролете 12 м (рис.10).

Сборные подкрановые балки пролетом 6 и 12 м по условиям технологичности изготовления и монтажа выполняют разрезными с монтажным стыком на колоннах.

Рис.10. Конструкция предварительно напряженной подкрановой балки пролетом 12 м: а - общий вид; б - армирование напрягаемой проволочной арматурой; в – то же стержневой арматурой

Система связей

Назначение связей. Система вертикальных и горизонтальных связей имеет следующие назначения: обеспечить жесткость покрытия в целом; придать устойчивость сжатым поясам ригелей поперечных рам; воспринимать ветровые нагрузки, действующие на торец здания; воспринимать тормозные усилия от мостовых кранов. Система связей работает совместно с основными элементами каркаса и повышает пространственную жесткость здания.

Вертикальные связи. При действии горизонтальных нагрузок в продольном направлении здания (ветер на торец, торможение кранов и т. д.) усилия воспринимаются продольной рамой, ригелем которой является покрытие. Сопряжение между плитами покрытия и колоннами осуществляется через балки или фермы, обладающие малой жесткостью из своей плоскости. Поэтому при отсутствии связей горизонтальная сила, приложенная к покрытию, может привести к значительным деформациям ригелей из их плоскости (рис.11, а), а приложенная к одной из колонн - вызвать ее существенную деформацию без передачи нагрузки на остальные колонны (рис.11, б). Систему вертикальных связей по линии колонн здания предусматривают для того, чтобы создать жесткое, геометрически изменяемое в продольном направлении покрытие.

Рис. 11. Схема деформаций каркаса здания от горизонтальных нагрузок и расчетные схемы: а – деформации ригелей из плоскости; б - деформация колонны; в - к определению момента, передающегося на стальные опорные листы ригеля; г – расчетная схема колонн торцовой стены; 1 – опирание колонны на покрытие; 2 – опирание колонны на покрытие на горизонтальную связевую ферму

Вертикальные связевые фермы из стальных уголков устанавливают в крайних пролетах блока между колоннами и связывают железобетонными распорками или распорками из стальных уголков по верху колонн (рис.12, а). Решетка вертикальных связевых ферм для восприятия горизонтальных сил, действующих слева или справа, проектируется как крестовая система. При небольшой высоте ригеля на опоре (до 800 мм) и наличии опорного ребра, способного воспринять горизонтальную силу, продольные связи выполняют только в виде распорок по верху колонн. В этом случае стальные опорные листы ригеля должны быть соединены сваркой с закладным листом колонны, рассчитанной на момент и опорное давление F (см. рис.12, в). Вертикальные связи между колоннами из стальных уголков устанавливают в каждом продольном ряду в середине температурного блока. Эти связи приваривают к стальным закладным деталям колонн.

Горизонтальные связи по нижнему поясу ригелей.Ветровая нагрузка, действующая на торец здания, вызывает изгиб колонн торцовой стены. Для уменьшения расчетного пролета этих колонн покрытия используют как горизонтальную опору (см. рис.11,г). В зданиях большой высоты и со значительными пролетами рационально создать горизонтальную опору для торцевой стены и в уровне нижнего пояса ригеля устройством горизонтальной связевой фермы (рис.12,б). Такая дополнительная опора возможна также в виде горизонтальной фермы в уровне верха, подкрановых балок. Горизонтальные связи по нижнему поясу выполняют из стальных уголков, образующих вместе с нижним поясом крайнего ригеля связевую ферму с крестовой решеткой. Опорное давление горизонтальной связевой фермы передается через вертикальные связи на все колонны температурного блока и дальше на фундаменты и грунты основания.

Рис.12. Схемы связей покрытия:а - вертикальные связи; б – горизонтальные связи по нижнему поясу; в – то же по верхнему поясу; г – связи фонаря; 1 – вертикальные связи фермы; 2 – распорка по верху колонн; 3 – вертикальные связи; 4 – ригель поперечной рамы; 5 – распорка по оси верхнего пояса фермы; 6 – плоскость остекления фонаря; 7 – фермы фонаря

Горизонтальные связи по верхнему поясу ригелей.Устойчивость сжатого пояса ригеля поперечной рамы из своей плоскости обеспечивается плитами покрытия, приваренными закладными деталями к ригелям. При наличии фонарей расчетная длина сжатого пояса ригеля из плоскости равна ширине фонаря. Чтобы уменьшить расчетный пролет сжатого пояса ригеля, по оси фонаря устанавливают распорки, которые в крайних пролетах температурного блока прикрепляют к горизонтальным фермам из стальных уголков (рис.12, в). Если же фонарь не доходит до торца температурного блока, то горизонтальную связевую ферму по верхнему поясу ригелей, не делают, так как железобетонные панели покрытия за пределами фонаря сами образуют жесткую диафрагму. В этом случае распорки прикрепляют к элементам покрытия крайнего пролета.

Связи по фонарям. Фонарные фермы объединяют в жесткий пространственный блок устройством системы стальных связей: вертикальных - в плоскости остекления и горизонтальных - в плоскости покрытия фонаря (рис.12, г).

Расчетная схема и нагрузки

Поперечные рамы

Ригели поперечных рам по своей конструкции могут быть сплошными или сквозными, а соединение их со стойками - жесткое или шарнирное. Выбор очертания и формы сечения ригеля, его конструкции и характера соединения со стойками зависит от размера перекрываемого пролета, вида кровли, принятой технологии изготовления и монтажа.

Жесткое соединение ригелей и колонн рамы приводит к уменьшению изгибающих моментов. Однако при этом не достигается независимая типизация ригелей и колонн рамы, так как нагрузка, приложенная к колонне, вызывает изгибающие моменты и в ригеле, а нагрузка, приложенная к ригелю, вызывает изгибающие моменты и в колоннах (рис.13, а). При шарнирном соединении возможна независимая типизация ригелей и колонн, так как в этом случае нагрузки, приложенные к одному из элементов, не вызывают изгибающих моментов в другом (рис.13, б). Шарнирное соединение ригелей с колоннами упрощает их форму и конструкцию стыка, отвечает требованиям массового заводского производства. В результате конструкции одноэтажных рам с шарнирными узлами как более экономичные приняты в качестве типовых.

При пролетах до 18 м в качестве ригелей применяют предварительно напряженные балки; при пролетах 24, 30 м - фермы.

Рис.13. К выбору рациональной конструкции поперечной рамы эпюры моментов:

а - при жестком соединении ригеля с колонной; б - при шарнирном соединении

Поперечная рама одноэтажного каркасного здания испытывает действие постоянных нагрузок от веса покрытия и различных временных нагрузок от снега, вертикального и горизонтального давления мостовых кранов, положительного и отрицательного давления ветра и др. (рис.14, а).

В расчетной схеме рамы соединение ригеля с колонной считают шарнирным, а соединение колонны с фундаментами - жестким. Длину колонн принимают равной расстоянию от верха фундамента до низа ригеля. Цель расчета поперечной рамы - определить усилия в колоннах от расчетных нагрузок и подобрать их сечения а также определить боковой прогиб верха рамы от нормальной ветровой нагрузки. Предъявленный прогиб, установленный нормами, составляет:

=Н/200 при Н = 15 м; =H/300 при Н =30 м, где Н - длина колонны от верха фундамента до низа стропильной конструкции - ригеля рамы.

Постоянная нагрузка от веса покрытия передается на колонну как вертикальное опорное давление ригеля F. Эту нагрузку подсчитывают по соответствующей грузовой площади. Вертикальная нагрузка приложена по оси опоры ригеля и передается на колонну при привязке наружной грани колонны к разбивочной оси на 250 мм с эксцентриситетом:

в верхней надкрановой части е=0,25/2=0,125 м (при нулевой привязке е=0);

в нижней подкрановой части [при нулевой привязке ];

нагрузка F приложена с моментом, равным М = Ре.

Временную нагрузку от снега устанавливают в соответствии с географичёским районом строительства и профилем покрытия. Она передается на колонну так же, как вертикальное опорное давление ригеля Р, и подсчитывается по той же грузовой площади, что и нагрузка от веса покрытия.

Временную нагрузку от мостовых кранов определяют от двух мостовых кранов, работающих в сближенном положении. Коэффициент надежности для определения расчетных значений вертикальной и горизонтальной нагрузок от мостовых кранов = 1,1.

Вертикальную нагрузку на колонну вычисляют по линиям влияния опорной реакции подкрановой балки, наибольшая ордината которой на опоре равна единице. Одну сосредоточенную силу от колеса моста прикладывают на опоре, остальные силы располагают в зависимости от стандартного расстояния между колесами крана (рис.14, б). Максимальное давление на колонну

(1)

при этом давление на колонну на противоположной стороне

(2)

Вертикальное давление от кранов передается через подкрановые балки на подкрановую часть колонны с эксцентриситетом, равным для крайней колонны (при нулевой привязке ), для средней колонны (рис.14, в).

Рис.14. Расчетно-конструктивная схема поперечной рамы;

а – нагрузка действующая па поперечную раму; б – к определению вертикальной нагрузки от мостового крана на колонну; в - к определению моментов от крановой нагрузки на колонну

Соответствующие моменты от крановой нагрузки

; (3)

Горизонтальная нагрузка на колонну от торможения двух мостовых кранов, находящихся в сближенном положении, передается через подкрановую балку по тем же линиям влияния, что и вертикальное давление:

; (4)

Временную ветровую нагрузку принимают в зависимости от географического района и высоты здания, устанавливая ее значение на 1 поверхности стен и фонаря. С наветренной стороны действует положительное давление, с подветренной - отрицательное. Стеновые панели передают ветровое давление на колонны в виде распределенной нагрузки p=wa, где а - шаг колонн. Неравномерную по высоте здания ветровую нагрузку приводят к равномерно распределенной, Эквивалентной по моменту в заделке консоли.