Металлический каркас здания

Общая характеристика металлических каркасов производственных зданий и основные требования, предъявляемые к их конструкциям

Металлический каркас промышленных зданий. Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны. По числу пролетов одноэтажные здания подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты). В настоящее время строится больше многопролетных (с числом пролетов два и более) зданий.

Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепятся к каркасу здания.

Каркас, т.е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и передающий на фундаменты нагрузки от веса ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия, нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консольные краны), температурные технологические воздействия и т.п., может выполняться из железобетона, смешанным (т.е. часть конструкций — железобетонные, часть — стальные) и стальным. Выбор материала каркаса является важной технико-экономической задачей.

Многие современные производственные здания из сэндвич-панелей характеризуются большими пролетами, большой высотой помещений, большими нагрузками от мостовых кранов.

Стальной каркас промышленного здания должен полностью удовлетворять назначению сооружения, быть надежным, долговечным и наиболее экономичным.

Соответственно к металлическим конструкциям каркасных зданий предъявляются различные требования, а именно:

• эксплуатационные;
• надежности и безопасности;
• долговечности и устойчивость к агрессивным средам;
• экономические;
• архитектурные.

1. Эксплуатационные требования, требования надежности и долговечности

В промышленных зданиях по сравнению с другими наиболее существенно влияние технологии производства на конструктивную схему каркаса, и поэтому часто конструктивная форма полностью определяется габаритами и расположением оборудования, внутрицеховым транспортом, путями перемещения деталей и готовой продукции. Технологии производства различной продукции весьма разнообразны, а эксплуатационные требования почти всегда конкретны, специфичны именно для данного производства.

Однако некоторые требования являются общими для всех производств зданий из металлоконструкций:

• удобство обслуживания и ремонта производственного оборудования, что требует соответствующего расположения колонн, подкрановых путей, связей и других элементов каркасных зданий;
• нормальная эксплуатация кранового оборудования и других подъёмных механизмов, включая доступность его осмотра и ремонта;
• необходимые условия аэрации и освещения зданий;
• долговечность каркасных металлоконструкций, которая зависит в основном от степени агрессивности внутрицеховой среды;
• относительная безопасность при пожарах и взрывах.

Чрезвычайно большое влияние на работу каркаса здания оказывают краны. Являясь динамическими, многократно повторяющимися и большими по величине, крановые воздействия часто приводят к раннему износу и повреждению конструкций каркаса, особенно подкрановых балок. Поэтому при проектировании каркаса здания необходимо особо учитывать режим работы мостовых кранов, который зависит от назначения здания и производственного процесса в нем.

Режим работы кранов и тип подвеса груза учитываются при проектировании каркасов. Например, при кранах весьма тяжелого режима работы должны быть обеспечены большая поперечная и продольная жесткость каркаса, большая надежность и выносливость подкрановых балок.

В связи с этим перед началом проектирования каркасных зданий должны быть, получены исчерпывающие данные о транспортном оборудовании и подсчитано число циклов нагружения конструкций за нормативный срок их эксплуатации (цикл нагружения — изменение напряжения от нуля через максимум до нуля). За количество циклов для подкрановых конструкций можно принимать число подъемов груза за срок службы.

На работу и долговечность строительных конструкций зданий большое влияние оказывает внутрицеховая среда. Степень агрессивного воздействия внутрицеховой среды на стальные конструкции определяется скоростью коррозионного поражения незащищеной поверхности металла, мм/год. В зависимости от концентрации агрессивных газов и относительной влажности установлены четыре степени агрессивности среды для стальных конструкций: неагрессивная (скорость коррозии незащищенного металла до 0,01 мм/год), слабая (до 0,1 5 мм/год), средняя (до 0,1 мм/год) и сильная (свыше 0,1 мм/год).

2. Экономические факторы

К экономическим факторам относятся прежде всего затраты, связанные с возведением сооружения, включающие стоимость материалов, изготовления, перевозки и монтажа каркасных металлоконструкций. Необходимо, учитывать эффект, получаемый от сокращения времени строительства и более раннего начала производства продукции, а также расходы, связанные с поддержанием сооружения в состоянии, обеспечивающем условия его нормальной эксплуатации в течение всего срока службы.

Типизация конструкций относится как к конструктивным схемам здания в целом, так и к их отдельным элементам.

Первоначальный процесс типизации конструктивных элементов определяется сведением к обоснованному минимуму размеров основных параметров здания (пролетов, шагов колонн, высот). Это достигается унификацией габаритных схем зданий. Затем разрабатываются схемы типовых конструктивных элементов (колонн, стропильных и подстропильных ферм, подкрановых балок, связей, вспомогательных конструкций). Конечным этапом типизации является разработка рабочих чертежей сортамента типовых конструктивных элементов, из которых собирают каркас здания.

Основной предпосылкой типизации является принцип модульности, т.е. соизмеримости размеров элементов, кратности их определенной величине, называемой модулем:

• уменьшение числа монтажных элементов;
• снижение до минимума объема укрупнительной сборки на строительной площадке благодаря укрупнению отправочных элементов;
• транспортабельность элементов конструкции;
• упрощение монтажных сопряжений элементов;
• необходимую жесткость элементов при транспортировании и монтаже металлического каркаса;
• сокращение времени проектирования.

Унификация объемно-планировочных и конструктивных решений позволяет резко сократить число типоразмеров конструктивных элементов каркасов зданий и открывает возможность разработки типовых конструкций для многократного применения.

В настоящее время для производственных зданий общего назначения разработаны чертежи типовых колонн, ферм, подкрановых балок, фонарей, вспомогательных конструкций.

Снижение стоимости монтажа каркасных зданий из металлоконструкций достигается использованием конвейерной сборки, при которой отдельные элементы каркаса на специальной площадке собираются в жесткие пространственные блоки, целиком устанавливаемые в проектное положение. Блочный метод монтажа наиболее целесообразен для зданий большой площади, и при проектировании каркасов таких зданий должна быть учтена возможность его использования. Это требует некоторых изменений в конструкциях по сравнению с конструкциями каркаса при поэлементном монтаже каркасных зданий.

Состав каркаса металлоконструкции и его конструктивные схемы

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируются так, что несущая способность (включая жесткость) поперек здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль -продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями.

Поперечные рамы каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых сечений). Продольные элементы каркаса — это подкрановые конструкции, подстропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или ребра стальных кровельных панелей).

Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого фахверка (а иногда и продольного), площадок, лестниц и других элементов здания.

Конструктивные схемы каркасов достаточно многообразны. В каркасах с одинаковыми шагами колонн по всем рядам наиболее простая конструктивная схема — это поперечные рамы, на которые опираются подкрановые конструкции, а также панели покрытия или прогоны. Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение эксплуатационных требований в большинстве машиностроительных цехов, в которых оборудование удобно размещается при относительно небольших шагах колонн по внутренним рядам (6–12 м).

В цехах, где по средним рядам шаг колонн должен быть больше, чем по крайнему ряду, устанавливаются подстропильные фермы, на которые опираются ригели рам. При кранах большой грузоподъемности и с большим расстоянием между колоннами часто оказывается целесообразным совместить функции подстропильных ферм и подкрановых конструкций и предусмотреть по среднему ряду подкраново-подстропильную ферму, на верхний пояс которой опирается кровля, а на нижний — краны.

Размещение колонн в плане

Проектирование каркаса производственного здания начинают с выбора конструктивной схемы и ее компоновки. Исходным материалом является технологическое задание, в котором даются расположение и габариты агрегатов и оборудования цеха, количество кранов, их грузоподъемность и режим работы. Технологическое задание содержит данные о районе строительства, условиях эксплуатации цеха (освещенность, температурно-влажностный режим и т.п.).

После выбора конструктивной схемы одновременно с компоновкой решаются принципиальные вопросы архитектурно-строительной части проекта (определяются ограждающие конструкции, назначается расположение оконных, воротных проемов и т.п.).

При компоновке конструктивной схемы каркаса решаются вопросы размещения колонн здания в плане, устанавливаются внутренние габариты здания, назначаются и взаимоувязываются размеры основных конструктивных элементов каркаса.

Размещение колонн в плане принимают с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов. Оно должно быть увязано с габаритами технологического оборудования, его расположением и направлением грузопотоков. Размеры фундаментов под колонны увязывают с расположением и габаритами подземных сооружений (фундаментов под рабочие агрегаты, боровов, коллекторов и т.п.). Колонны размещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы, т.е. в многопролетных цехах колонны разных рядов устанавливаются по одной оси.

Согласно требованиям унификации промышленных зданий, расстояния между колоннами поперек здания (размеры пролетов) назначаются в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6 м (иногда 3 м); для производственных зданий l=18, 24, 30, 36 м и более. Расстояния между колоннами в продольном направлении (шаг колонн) также принимают кратными 6 м. Шаг колонн однопролетных зданий, а также шаг крайних (наружных) колонн многопролетных зданий обычно не зависит от расположения технологического оборудования и его принимают равным 6 или 12 м. Вопрос о назначении шага колонн крайних рядов (6 или 12 м) для каждого конкретного случая решается сравнением вариантов. Как правило, для зданий больших пролетов (l > 30 м) и значительной высоты (H > 14 м) с кранами большой грузоподъемности (Q > 50 т) оказывается выгоднее шаг 12 м и, наоборот, для зданий с меньшими параметрами экономичнее оказывается шаг колонн 6 м. У торцов зданий колонны обычно смещаются с модульной сетки на 500 мм для возможности использования типовых ограждающих плит и панелей с номинальной длиной 6 или 12 м. Смещение колонн с разбивочных осей имеет и недостатки, поскольку у торца здания продольные элементы стального каркаса получаются меньшей длины, что приводит к увеличению типоразмеров конструкций.

В многопролетных зданиях шаг внутренних колонн исходя из технологических требований (например, передача продукции из пролета в пролет) часто принимается увеличенным, но кратным шагу наружных колонн.

При больших размерах здания в. плане в элементах каркаса могут возникать большие дополнительные напряжения от изменения температуры. Поэтому в необходимых случаях здание разрезают, на отдельные блоки поперечными и продольными температурными швами. Нормами проектирования установлены предельные размеры температурных блоков, при которых влияние климатических температурных воздействий можно не учитывать (табл. 11.1).

Наиболее распространенный способ устройства поперечных температурных швов при монтаже металлического каркаса заключается в том, что в месте разрезки здания ставят две поперечные рамы (не связанные между собой какими-либо продольными элементами), колонны которых смещают с оси на 500 мм в каждую сторону, подобно тому как это делают у торца здания.

Продольные температурные швы решают либо расчленением много-пролетной рамы на две (или более) самостоятельные, что связано с установкой дополнительных колонн, либо с подвижным в поперечном направлении опиранием одного или обоих ригелей за колонну с помощью катков или другого устройства. В первом решении предусматривается дополнительная разбивочная ось на расстоянии 1000 или 1500 мм от основной. Иногда в зданиях, имеющих ширину, превышающую предельные размеры для температурных блоков, продольную разрезку не делают, предпочитая некоторое утяжеление рам, необходимое по расчету на температурные воздействия.

В некоторых случаях планировка здания, обусловленная технологическим процессом, требует, чтобы продольные ряды колонн двух пролетов цеха располагались во взаимно перпендикулярных направлениях.

Таблица 11.1. Предельные размеры, м, температурных блоков зданий

При этом также возникает необходимость в дополнительной разбивочной оси. Расстояние между осью продольного ряда колонн одного отсека и осью торца примыкающего к нему другого отсека, принимается равным 1000 мм, а колонны смещаются с оси внутрь на 500 мм.

Каркасы промышленных зданий подразделяются на железобетонные и стальные. В 60% случаях строятся одноэтажные промышленные здания с металлическим каркасом. Это объясняется более низкой стоимостью, простотой монтажа и распределению нагрузок, если на предприятии используется кран-балка. Самый распространенный шаг колонн 12, 18, 24 и 36 метров.

Стальные колонны одноэтажного здания имеют постоянное или переменное сечение. При высоте здания до 9,6 м и грузоподъемном оборудовании не более 20 тонн применяются колонны постоянного сечения. Колонны сплошного сечения применяются в каркасах производственных зданий, если они работают на центральное сжатие. Для сплошных колонн применяют широкополочный прокатный или сплошной двутавр, для сквозных колонн, помимо двутавра, — швеллера и уголки.

Устойчивость каркасов промышленных зданий достигается системой вертикальных и горизонтальных связей. Они привариваются к закладным частям колонн.

В качестве несущих конструкций перекрытия применяются каркасов промышленных зданий применяются стропильные железобетонные и стальные фермы, вантовые конструкции, железобетонные балки перекрытия, деревянные конструкции и гибридные варианты.

Основные свойства и работа материалов, применяемых в строительных металлических конструкциях

• Стали и алюминиевые сплавы
• Работа стали под нагрузкой

Основы металлических конструкций

• Основные положения расчета металлических конструкций

Основы расчета металлических конструкций

• Работа под нагрузкой и расчет элементов конструкций

Сортамент

• Характеристика основных профилей сортамента
• Сортамент

Сварные соединения

• Виды сварки и их характеристика
• Виды сварных соединений, классификация швов и их характеристика
• Работа и расчет сварных соединений
• Особенности сварки конструкций из алюминиевых сплавов

Болтовые и заклепочные соединения

• Виды и общая характеристика соединений
• Работа и расчет болтовых соединений

Балки и балочные конструкции

• Общая характеристика балочных конструкций
• Прокатные балки
• Компановка и подбор сечения составных балок
• Проверка прочности прогибов и устойчивости составных балок
• Проектирование конструкций составных балок
• Пути совершенствования балочных конструкций

Колонны и стержни, работающие на центральное сжатие

• Общая характеристика
• Сплошные колонны
• Сквозные колонны
• Выбор расчетной схемы и типа колонны
• Подбор сечения и конструктивное оформление стержня колонны
• Базы колонн
• Оголовки колонн и сопряжение балок

Фермы

• Системы ферм и область их применения в строительных конструкциях
• Компановка конструкций ферм
• Расчет и действительная работа ферм
• Расчетная длина сжатых стержней и предельная гибкость
• Типы сечений стержней ферм
• Подбор сечений стержней легких ферм
• Подбор сечений стержней тяжелых ферм
• Конструкции легких ферм
• Предварительно напряженные фермы

Основные вопросы проектирования конструкций каркаса производственных зданий

• Общая характеристика каркасов производственных зданий и основные требования, предъявляемые к ним
• Состав каркаса и его конструктивные схемы

Компановка конструктивной схемы каркаса

• Размещение колонн в плане
• Компановка поперечных рам
• Связи
• Фахверк и конструкции заполнения проемов

Особенности расчета поперечных рам

• Действительная работа каркаса под нагрузкой и приближенный расчет поперечных рам
• Нагрузки, действующие на раму

Конструкции покрытия

• Конструкция кровли
• Прогоны
• Стропильные и подстропильные фермы
• Фонари

Колонны

• Типы колонн
• Расчет и конструирование стержня колонны
• Узлы колонн

Подкрановые конструкции

• Общие сведения
• Сплошные подкрановые балки
• Решетчатые подкрановые балки

Поэтапное строительство торговых центров, цены на услуги и примеры работ здесь.