Компоновка конструктивной схемы Одноэтажного производственного здания

1.1. Общие положения. Состав каркаса одноэтажного производственного здания

Одноэтажные производственные здания широко применяются в про­мышленном и сельском строительстве. Выполняются они, как правило, каркасными из сборных железобетонных конструкций и во многих случаях оборудуются мостовыми и подвесными кранами значительной грузоподъ­емности, создающими большие усилия в несущих элементах здания.

Рекомендуется проектировать одноэтажные производственные здания прямоугольными в плане, с одинаковыми пролетами, без перепадов высот во избежание образования снеговых мешков. Отступления от этих реко­мендаций возможны, если они обусловлены специальными требованиями технологических процессов.

Каркас одноэтажного производственного здания представляет собой пространственную систему, состоящую из защемленных в фундаменты ко­лонн, объединенных (в пределах температурного блока) стропильными и подстропильными конструкциями, плитами покрытия, связями и т.д. или покрытием в виде оболочек. Эта пространственная система условно рас­членяется на поперечные и продольные плоские рамы, каждая из которых воспринимает горизонтальные и вертикальные нагрузки (рис. 1.1).

Поперечные рамы являются основным элементом каркаса и образуют­ся из колонн и стропильных конструкций (ригелей) или диафрагм оболочек (рис. 1.1, б). Колонны и ригели соединяются между собой при помощи за­кладных деталей, анкерных болтов и относительно небольшого количества сварных швов. Такие соединения податливы, т.е. позволяют сопрягаемым элементам взаимно поворачиваться при действии нагрузок. В расчетной схеме рамы такие сопряжения принимаются шарнирными, хотя практиче­ски способны воспринимать небольшие моменты, обычно не учитываемые в расчете. При шарнирном сопряжении достигается простота монтажа и не­зависимая унификация ригелей и колонн, поскольку приложенная к ригелю нагрузка не вызывает изгибающих моментов в колоннах. Поперечная рама воспринимает нагрузку от массы покрытия, снега, кранов, стен, ветра и обеспечивает жесткость здания в поперечном направлении.

Продольная рама (рис. 1.1, в) включает один продольный ряд колонн в пределах температурного блока, плиты покрытия или прогоны, подстропиль­ные конструкции, связи (решетчатые и в виде распорок по колоннам) и подкрановые балки, а также диафрагмы или бортовые элементы оболочек. Продольные рамы обеспечивают жесткость здания в продольном направле­нии и воспринимают нагрузки от продольного торможения кранов и от вет­ра, действующего На торец здания и на торцы фонарей. Рамы зданий в про­дольном направлении объединяются между собой поверху жестким в своей плоскости диском покрытия, образованным железобетонными плитами покрытия с замоноличенными швами.

К элементам каркаса относятся также фахверковые колонны, несущие нагрузку от стеновых панелей и воспринимаемого ими ветра. Стеновые панели могут быть навесными и самонесущими.

При разработке конструктивной части проекта одноэтажного про­мышленного здания в первую очередь решаются следующие основные во­просы:

■ выбор и компоновка конструктивной схемы;

■ статический расчет поперечной рамы;

■ конструирование и расчет плит покрытия;

■ конструирование и расчет стропильных и подстро­пильных конструкций;

■ то же колонн и фундаментов

Рис. 1.1. Конструктивная схема одноэтажного производственного здания: 1 — ко­лонна;

2 — стена; 3 — ригель рамы; 4 — покрытие; 5 — вертикальные связи по фермам;

6 — распорки; 7 — вертикальные связи по колоннам.

1.2. Компоновка конструктивной схемы здания

В задачу компоновки конструктивной схемы входят: выбор сетки ко­лонн, системы привязок и внутренних габаритов здания; компоновка по­крытия; разбивка здания на температурные блоки; компоновка поперечной рамы (выбор типа и размеров сечений колонн); выбор системы связей, обеспечивающих пространственную жесткость и т. п.

♦ Выбор сетки колонн. Унифицированные пролеты одноэтажных зданий приняты: для зданий без мостовых кранов — 12, 18 и 24 м, а для зданий с мостовыми кранами — 18, 24, 30 м и более, кратными 6 м. Высоты помещений (от отметки чистого пола до низа несущих конструкций покрытия на опоре) принимаются для зданий без кранов в диапазоне 3,6… 14,4 м, для зданий с мостовыми кранами — 8,4… 18 м, кратно 1,2 м (для зданий про­летами 18, 24 и 30 м допускаются высоты кратные 1,8 м).

Шаг колонн рекомендуется принимать 12 м, если в здании отсутствует подвесной транспорт, воздуховоды, подвесные потолки и т.п. 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 конструкции. Все же рациональным решением считается каркас без подстропильных конструкций с шагом ригелей 12 м.

Рис. 1.2. Типы привязок к разбивочным осям

При наличии подвесного "хозяйства" более экономичным может оказаться шаг колонн 6 м.

♦ Типы привязок. В соответствии с основными положениями по унификации в целях максимальной типизации элементов каркаса принимаются следующие системы привязки колонн крайних рядов и наружных стен к продольным разбивочным осям:

— "нулевая", когда наружные грани колонн и внутренние поверхности стен совмещаются с продольными разбивочными осями, — применяется в зданиях без мостовых кранов либо в зданиях, оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью до 30 т, шаге колонн 6 м и высоте от пола до низа несущих конструкций покрытия Н₀ ≤ 16,2 м (рис. 1.2,а);

— "250 мм", когда наружные грани колонн и внутренние поверхности стен смещаются с продольных осей на 250 мм наружу, — в зданиях, оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью до 50 т включительно, при шаге колонн 6 м и высоте от пола до низа несущих конструкций покрытия Н₀ ≤ 16,2 м (рис. 1.2,б); а также во всех случаях при шаге колонн 12 м и высоте Н₀ > 8,4 м.

Колонны средних рядов (за исключением тех, которые примыкают к продольному температурному шву, и колонн в местах перепада высот пролетов одного направления) привязываются так, чтобы оси сечения надкрановои части колонн совпадали с продольными и поперечными разбивочными осями.

Геометрические оси торцовых колонн основного каркаса смещаются с поперечной разбивочной оси внутрь здания на 500 мм (рис. 1.2, в), а внутренние поверхности торцовых стен совпадают с поперечными разбивочными осями, т.е. имеют "нулевую" привязку.

Расстояние λ от продольной разбивочной оси до оси подкранового рельса принимается равным 750 мм в зданиях с мостовыми кранами грузо­подъемностью до 50 т включительно и равным 1000 мм при грузоподъем­ности кранов более 50 т, а также при необходимости устройства проходов в надкрановои части. Оно складывается из габаритного размера крана В₁ размера сечения надкрановои части колонны h₁ и требуемого зазора между краном и колонной (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Габариты мостового крана

♦ Определение высоты здания. Высота здания определяется с учетом заданной отметки верха кранового рельса Н_r и габарита крана по высоте Н_сr а также размещения типовых стеновых панелей и оконных переплетов по высоте. Остальные размеры колонны по высоте определяются согласно рис.1.4:

длина подкрановой части H₂ = H_r — h_r — h_cb + a_2; (1.1)

то же, надкрановой части Н₁ = H_cr + h_r + h_cb +а₁; (1.2)

общая длина колонны (без учета заделки в стакан фундамента) Н = Н₂ + Н₁(1.3)

где Н_сr — высота крана (по стандарту на мостовые краны);

h_cb — высота сборной железобетонной подкрановой балки, равная 1,0 м при шаге колонн 6 м и 1,4 м при шаге 12 м;

h_r — высота кранового рельса с подкладками, равная 0,15 м;

а₂ = 0,15 м — расстояние от уровня пола до обреза фундамента;

а₁ ≥ 200 мм — зазор между нижней гранью стропильной конструкции и тележкой крана.

Окончательно полную высоту колонны Н необходимо назначать так, чтобы отметка верха колонны была бы кратной 0,6 м.

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

Рис. 1.4. К компоновке поперечной рамы

♦ Компоновка покрытия. Покрытие одноэтажного здания может выполняться беспрогонным (преимущественно) и по прогонам. При беспро­гонной схеме крупноразмерные плиты покрытия укладываются непосред­ственно по ригелям поперечных рам и привариваются к ним не менее чем в трех углах. Глубина опирания продольных ребер плит покрытия проле­том 6 м — не менее 80 мм, пролетом 12 м — не менее 100 мм. Сварку за­кладных деталей стыкуемых конструкций делают по всей длине этих деталей, а швы между плитами замоноличивают. В этом случае образуется же­сткий в своей плоскости горизонтальный диск, обеспечивающий простран­ственную работу каркаса здания в целом.

Расположение ригелей (ферм, балок, арок) при беспрогонной схеме покрытия может быть поперечным (рис. 1.5, а, б, в) или продольным (рис 1.5, г).

При поперечном расположении ригелей возможны три варианта ре­шения конструктивной схемы покрытия:

1 — шаг всех колонн и ригелей совпадает (6 или 12 м), подстропильные конструкции отсутствуют (рис. 1.5, а);

2 — шаг колонн всех рядов 12…18 м, а шаг ригелей 6 м; последние ук­ладываются по подстропильным конструкциям (фермам или балкам) проле­том 12…18 м (рис. 1.5, б);

3 — шаг колонн крайних рядов 6 м, средних -12 м, шаг ригелей 6 м; по средним рядам колонн в продольном направлении укладываются под­стропильные конструкции для опирания ригелей (рис. 1.5, в).

Рис. 1.5. Варианты балочных схем покрытий: 1 — плиты покрытия;

2 — стропильные конструкции; 3 — подстропильные конструкции;

4 — продольные стропильные конст­рукции;

5 — крупноразмерные плиты покрытия "на пролет"

При продольном расположении ригелей их укладывают на колонны в продольном направлении, а плиты покрытия размером "на пролет" (т.е. 3 x 18 или 3 x 24 м) — поперек пролета (рис. 1.5, г).

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

♦ Разбивка здания на температурные блоки. При большой протя­женности в поперечном и продольном направлениях здание делят темпера­турными швами на отдельные блоки. Температурные швы обычно совме­щают с усадочными и называют температурно-усадочными. Основное их назначение — уменьшить дополнительные усилия в колоннах от вынужден­ных перемещений продольных и поперечных элементов здания вследствие изменения температуры наружного воздуха и усадки бетона.

Наибольшие расстояния между температурно-усадочными швами при расчетных зимних температурах наружного воздуха выше минус 40° С, назначаемые без расчета (для конструкций с ненапрягаемой арматурой и предварительно напряженных, к трещиностойкости которых предъявляют­ся требования 3-й категории), для одноэтажных каркасных зданий из сбор­ного железобетона не должны превышать 72 м для отапливаемых зданий.

Поперечные температурно-усадочные швы выполняют на спарен­ных колоннах, геометрические оси которых смещаются с разбивочной оси (расположенной по середине шва) на 500 мм в каждую сторону (рис. 1.2, г), или на размер больший, но кратный 250 мм; шов доводится до верха фун­дамента.

Продольный температурно-усадочный шов также выполняется на спаренных колоннах со вставкой (рис. 1.2, д, е). Размеры вставки зависят от привязки колонн к продольным разбивочным осям и принимаются равными 500…1500 мм, кратно 250мм.

Привязка колонн в продольном температурном шве к продольным осям выполняется по следующим правилам:

— если шаг колонн крайних и средних рядов одинаковый (подстро­пильные конструкции отсутствуют), то колонны привязываются к продоль­ным осям аналогично привязке колонн крайних рядов (см. рис. 1.2, д);

— при шаге колонн крайних рядов 6 м, а средних — 12 м, т. е. при на­личии подстропильных конструкций, расстояние между продольными разбивочными осями и гранями колонн, обращенными в сторону температур­ного шва, принимается кратным 250 мм.

♦ Выбор типа и назначение размеров сечений колонн. В одно­этажных производственных зданиях применяются сборные железобетонные колонны сплошные прямоугольного сечения и сквозные двухветвевые (рис. 1.6). При выборе типа колонн можно придерживаться следующих рекомен­даций:

— сплошные колонны применяют в зданиях с пролетами до 24 м, высотой Н < 16,2 м, шаге 6…12 м и при грузоподъемности кранов до 30т;

— сквозные (двухветвевые) колонны целесообразно применять при грузо­подъемности кранов более 50 т, пролетах более 24 м, высоте Н ≥ 16,2 м и шаге 12 м, а также в случаях, когда высота сечения подкрановой части ко­лонны h₂ превышает 1 м.

В бескрановых цехах обычно применяют колонны постоянного сече­ния.

Рис. 1.6. Типы колонн одноэтажных промышленных зданий

Высота (мм) сечения надкрановой части крайних колонн назначается из условия размещения кранового оборудования:

при "нулевой" привязке

h₁ ≤ 750 – B₁ — 70; (1.4)

при привязке "250"

h₁ ≤ 1000 – B₁ – 70, (1.4а)

где В₁ — расстояние от оси кранового рельса до края моста крана;

70 — горизонтальный зазор между гранью колонны и габаритом кра­на, необходимый по условиям эксплуатации крана.

В типовых колоннах крайних рядов высота сечения надкрановой части в соответствии с вышеприведенными условиями составляет h₁ = 380 или 600 мм.

Высоту сечения надкрановой части средних колонн назначают с уче­том опирания двух ригелей непосредственно на торец колонны без устрой­ства специальных консолей; обычно h₁ = 500 или 600мм.

Высота сечения подкрановой части сплошных колонн h₂ из условий прочности и пространственной жесткости рамы принимается не менее (1/10…1/14)Н₂ кратно 100мм.

Ширину сечения колонн b из условия изготовления принимают по­стоянной по всей длине: не менее 400 мм при шаге колонн 6 м, не менее 500 мм при шаге 12 м и не менее 1/25Н.

Общая высота сечения подкрановой части сквозных колонн прини­мается h₂ = 1000…1300мм для крайних и h₂ = 1200…1800 мм для средних ко­лонн. Высота сечения h_br ветви таких колонн (в плоскости поперечной рамы) принимается в пределах 200…350 мм кратно 50 мм, а ширина b = 500 или 600 мм. Расстояние между осями распорок обычно составляет 1800 – 2400 мм высоту сечения распорок, кроме верхней, принимают равной 400 мм.

♦ Обеспечение пространственной жесткости каркаса. Простран­ственную жесткость каркаса, т.е. его способность сопротивляться воздейст­вию горизонтальных нагрузок, обеспечивают защемленные в фундаментах колонны, жесткий диск покрытия и система стальных связей (вертикальных и горизонтальных).

В поперечном направлении вертикальные связи не могут быть уста­новлены, так как они препятствовали бы технологическому процессу. По­этому пространственную жесткость каркаса в поперечном направлении обеспечивают колонны (по расчету) и диск покрытия, распределяющий ме­стные горизонтальные нагрузки между колоннами.

В продольном направлении общую устойчивость каркаса в целом обеспечивают вертикальные крестовые или портальные металлические свя­зи по колоннам. В зданиях с мостовыми кранами такие связи устраиваются всегда и размещаются в одном шаге каждого ряда колонн посредине темпе­ратурного блока на высоту от пола до низа подкрановых балок (рис. 1.7, поз. 6). Эти связи рассчитываются на действие ветровых нагрузок, прило­женных к торцовым стенам, и продольных тормозных нагрузок от мосто­вых кранов. В бескрановых зданиях небольшой высоты (Н < 9,6 м) связи по колоннам могут не устанавливаться.

При высоте опорных частей ригелей более 800 мм, например в зда­ниях с плоской кровлей, между ними устанавливают вертикальные свя­зи-фермы, располагаемые в крайних ячейках температурного блока, а повер­ху каждого продольного ряда колонн — стальные распорки (рис. 1.7, поз. 4, 5). Связи-фермы имеют номинальную длину 6 либо 12 м и высоту, равную высоте ригеля на опоре. Необходимость устройства таких связей обуслов­лена тем, что горизонтальная сила от ветровой и крановой нагрузок, при­ложенная к покрытию, может вызвать деформацию ригелей поперечных рам (стропильных балок или ферм) из плоскости. Следовательно, назначе­ние этих связей-ферм и распорок — передать продольные горизонтальные усилия с диска покрытия на колонны и, в конечном счете, на вертикальные связи по колоннам.

Рис. 1.7. Виды связей в одноэтажных промышленных зданиях: 1 — колонна; 2 — ри­гель;

3 — диск покрытия; 4 — вертикальные связи-фермы; 5 — распорки;

6 — верти­кальные связи по колоннам

При высоте опорных узлов ригелей покрытия не более 900 мм и нали­чии жесткого опорного ребра вертикальные связевые фермы и распорки до­пускается не ставить, однако в этом случае сварные швы в сопряжении ри­геля с колонной должны быть расчетными.

В высоких зданиях (Н ≥ 18 м) с большими пролетами горизонтальные нагрузки на диск покрытия (от ветра в торец здания) достигают значительных величин, поскольку диск покрытия представляет горизонтальную опору для торцевой стены, воспринимающей ветровую нагрузку. Это может вызвать расстройство креплений плит покрытия к стропильным конструкциям. Уменьшить горизонтальную силу на диск покрытия можно путем устройства дополнительной опоры для торцевой стены. Такая опора устраивается у тор­цевых стен в уровне нижнего пояса стропильных балок или ферм в виде го­ризонтальных связей, служащих дополнительными опорами для колонн фах­верка. Эти связи выполняют в виде горизонтальной фермы с крестовой ре­шеткой из стальных уголков, поясами которой служат нижние пояса двух смежных стропильных балок или ферм. При необходимости горизонтальная связевая ферма может быть установлена и в уровне подкрановых путей (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Горизонтальные связи: 1 — торцевая стена; 2 — фахверковая колонна;

3 — горизонтальные связи; 4 — колонна; 5 — вертикальные связи по колоннам;

6 — подкра­новые балки; 7 — распорки; 8 — ригель; 9 — диск покрытия

Устойчивость сжатых поясов ригелей из плоскости при беспрогон­ной системе покрытия и отсутствии фонаря обеспечивается плитами по­крытия, приваренными к ригелям с последующим замоноличиванием швов. Таким путем достигается образование жесткого диска, и необходимость по­становки дополнительных связей в плоскости покрытия отпадает.

В зданиях со светоаэрационными фонарями сжатый пояс ригеля имеет свободную длину, равную ширине фонаря, поэтому необходимо предотвратить возможную потерю устойчивости из плоскости сжатого пояса ригеля в пределах ширины фонаря. Это обеспечивается постановкой стальных распорок 4 по оси фонаря (рис. 1.9), которые крепят к горизонтальным крестовым связям 3 устанавливаемых в уровне верхнего пояса ригеля в пределах ширины фонаря по концам температурного блока (рис. 1.9). Если же фонарь не дохо­дит до конца температурного блока, то горизонтальные связи по верхнему поясу ригеля не ставятся и достаточно одних распорок.

Жесткость фонарей в продольном направлении обеспечивается вер­тикальными стальными связями 5 (рис. 1.9, сеч. I-I).

Рис. 1.9. Схема связей покрытия при наличии фонаря: 1 — ригель покрытия;

2 — светоаэрационный фонарь; 3 — горизонтальные крестовые связи;

4 — распорки по оси фонаря; 5 — вертикальные связи в плоскости остекления фонаря

А. И. Заикин “ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОДНОЭТАЖНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ”