2.4.1. Типовые промышленные здания и сооружения

Статистика ЧС показывает, что в большей степени здания и сооружения, являясь источником опасностей, являются и объектом проведения спасательных работ.

Перечень промышленных зданий и сооружений весьма значителен: одно- и многоэтажные здания; ангары; заглубленные и подземные сооружения для персонала; эстакады; мосты; резервуары и резервуарные парки; подпорные стенки; доки и причалы; трубы и пр.

Из всего многообразия зданий и сооружений рассмотрим наиболее распространенные конструкции. Знакомство с основными конструктивными решениями промышленных зданий и сооружений позволяет выявлять наиболее слабые места с точки зрения обеспечения безопасности РиС и населения, а также с точки зрения обеспечения устойчивого функционирования объектов.

Многоэтажные здания делятся на две основные группы: промышленные и гражданские. Промышленные здания строятся обычно с каркасом (рис.1). Гражданские выполняются каркасными и панельными. В зданиях с каркасом четко разграничиваются несущие и ограждающие элементы. Основные элементы каркаса – поперечные рамы, связанные в продольном направлении жесткими междуэтажными перекрытиями. Перекрытия применяются балочные и безбалочные. Многоэтажные промышленные здания строят преимущественно с полным каркасом; в гражданских зданиях возможны полный и неполный каркасы (рис.2).

Рис. 1. Здание с полным каркасом, с продольным расположением ригелей:

1‒ ригель; 2‒ колонна; 3‒ плита перекрытия; 4‒ несущая стена;

В₀ ‒ расстояние между осями колонн; Н_эт ‒ высота этажа

Рис.2. Здание с неполным каркасом, с продольным расположением ригелей:

1‒ несущая стена; 2‒ самонесущая стена; 3‒ ригель; 4‒ колонна;

5‒ плита перекрытия; В₀‒ расстояние между осями несущих стен и колонн; Н_эт ‒ высота этажа

При рамной системе все нагрузки, действующие на здание, воспринимаются рамами; при связевой; при рамно-связевой вертикальные нагрузки воспринимаются рамами, а горизонтальные – вертикальными связевыми диафрагмами и рамами, которые работают благодаря наличию жестких перекрытий (рис.3).

а ‒ рамный

б ‒ связевый

в ‒ рамно-связевый

Рис.3. Каркасы: а ‒ рамный; б ‒ связевый; в ‒ рамно-связевый:

1 ‒ вертикальная поперечная диафрагма жесткости (вне плоскости рам);

2 ‒ горизонтальная диафрагма жесткости (замоноличенное перекрытие);

3 ‒ вертикальная продольная диафрагма жесткости (в плоскости рам)

Рис.4. Здание с продольными несущими стенами:

1 ‒ несущая стена; 2 ‒ самонесущая стена; 3 ‒ плита перекрытия; L_o ‒ пролет здания; Н_эт ‒ высота этажа.

Рис.5. Здание с продольными и поперечными несущими стенами и плитами, опертыми по контуру:

В_о ‒ расстояние между осями несущих стен в поперечном направлении здания; В_о^′ ‒- расстояние между осями несущих стен в продольном направлении здания; 1 ‒ несущая стена; 2 ‒ плита перекрытия

Каркас состоит из вертикальных элементов (колонн) и горизонтальных (ригелей, несущих междуэтажные перекрытия и покрытия). Рамные каркасы имеют жесткие узлы сопряжения, связевые – шарнирное сочленение, а рамно-связевые решаются с жесткими рамными и шарнирными узлами. Вертикальные связевые диафрагмы создаются стенами лестничных клеток, поперечными и торцевыми стенами, а также продольными стенами здания (рис.4,5).

При обычной высоте здания (до 30 м) боковая жесткость многоэтажных рам по сравнению с жесткостью вертикальных связевых диафрагм сравнительно невелика; при работе здания на горизонтальные нагрузки изгибающие моменты в рамах малы, так как они почти целиком воспринимаются диафрагмами. Такие здания работают по связевой схеме.

Наружные стены воспринимают горизонтальную ветровую нагрузку, работая как балки пролетом, равным высоте этажа Н_эт; и передают давление ветра железобетонным перекрытиям, которые работают как горизонтальные диафрагмы (балки) пролетом, равным расстоянию между вертикальными связевыми диафрагмами Н_эт; перекрытия передают давление вертикальным связевым диафрагмам, которые работают как вертикальные консольные балки, защемленные в фундаменте. Для строительства многоэтажных зданий используется преимущественно сборный железобетон и сборно-монолитные конструкции.

Рис.6. Здание и его элементы:

1 ‒ фундамент; 12 ‒ лестничная клетка;

2 ‒ подвал; 13 ‒ лестничный марш;

3 ‒ перекрытие надподвальное; 14 ‒ лестничная площадка;

4 ‒ перекрытие междуэтажное; 15 ‒ проем дверной;

5 ‒ перекрытие чердачное; 16 ‒ проем оконный;

6 ‒ стена наружная; 17 ‒ чердак;

7 ‒ стена внутренняя; 18 ‒ крыша;

8 ‒ стена подвала; 19 ‒кровля;

9 ‒ цоколь; 20 ‒ перегородка;

10 ‒ отмостка; 21 ‒ крыльцо входное;

11 ‒ 2-ой этаж; 22 ‒ пол

Конструктивные решения промышленных зданий

В промышленных зданиях с ригельно-балочными перекрытиями каркасы могут быть запроектированы рамного, связевого и рамно-связевого типов. Рамы каркаса располагаются поперек зданий и редко вдоль; независимо от этого их взаимный шаг унифицирован и равен 6 м . В каркасах бывает 1–4 пролета, иногда и больше; размеры пролетов унифицированы: 6, 9 и 12 м; при пролете 12 м ригели делают предварительно напряженными. Этажи имеют высоту 3,6–7,2 м с градацией размеров 0,6 и 1,2 м. Устойчивость каркасов в их плоскости обеспечивается жесткостью рамных узлов или связевыми диафрагмами.

Конструктивные решения гражданских зданий

В продольном направлении устойчивость каркасов обеспечивается вертикальными металлическими связями по колоннам и специальными панелями-распорками в составе перекрытия, располагаемыми в плоскостях колонн. Вертикальные связи устанавливаются посередине каждого деформационного блока здания в каждом ряду колонн во всех этажах. В зависимости от типа каркаса узловые сопряжения элементов рамы принимаются в виде жестких рамных узлов или шарнирного соединения, причем элементы колонн соединяются между собой всегда [9].

Многоэтажные гражданские здания выполняются каркасно-панельными и бескаркасно-панельными (рис.6). Оба типа зданий собираются из индустриальных сборных железобетонных конструкций. Каркасно-панельные здания состоят из каркаса, панелей перекрытий, перегородок и панельных стен. Гражданские здания в 12–16 этажей и более отличаются от рассмотренных выше шагом поперечных рам каркаса, который принят равным 6 м. Это позволяет осуществлять более свободную внутреннюю планировку зданий. Высота этажей в таких зданиях зависит от их назначения: для жилых зданий и гостиниц 2,5 и 2,8 м; административных зданий, лечебных учреждений, торговых предприятий, учебных заведений и т.п. – 3,3 м. Широкое распространение, особенно в жилищном строительстве, получили бескаркасные крупнопанельные здания. Благодаря отсутствию каркаса и высокой степени заводской готовности элементов уменьшается трудоемкость монтажа и стоимость таких зданий. Междуэтажные перекрытия панельных зданий выполняют из панелей несущих стен (перегородок). В настоящее время интенсивно развивается строительство панельных бескаркасных зданий высотой 12, 16 и более этажей. Конструктивное решение таких зданий имеет свою специфику и отличается от решения бескаркасных пятиэтажных зданий. Несущие элементы таких зданий – поперечные стены. Наружные стены навесные. Дальнейшим развитием крупнопанельного домостроения явилась разработка и внедрение в практику жилищного строительства объемных железобетонных элементов, которые могут быть собраны из отдельных плоских панелей в порядке укрупнительной заводской сборки или в виде объемного "стакана" или "колпака".

Фундаменты

Фундаментом называется конструкция, предназначенная для передачи давления от здания и сооружения на основание. Основным материалом для фундаментов является железобетон. Применение железобетонных фундаментов вместо каменных или бетонных позволяет значительно уменьшить глубину заложения, т.к. при той же площади подошвы фундамента ( определяемой нагрузкой и сопротивлением грунта) высота фундамента может быть значительно уменьшена. Железобетонные фундаменты подразделяются:

-отдельные (под колонны);

-ленточные (под рядами колонн или под стенами);

-сплошные (в виде железобетонных плит под всем сооружением или его частью);

-свайные.

По способу возведения отдельно стоящие и ленточные фундаменты − монолитные (возводятся на месте) или сборные. Для обеспечения возведения всех подземных конструкций до начала монтажа надземных и выполнения работ нулевого цикла. Верх фундаментов располагается на 150 мм ниже уровня пола 1-го этажа. Стоимость фундамента – 4–6 % общей стоимости здания.

Стены и связи

Стены каркасных промышленных и сельскохозяйственных зданий выполняют из кирпичной кладки или из панелей.

Кирпичные самонесущие стены, передающие горизонтальные ветровые нагрузки на колонны каркаса, связывают по высоте с колоннами при помощи закладываемых в стену гибких анкеров из круглой стали диаметром 10–12 мм с шагом по высоте около 1,2 м.

Стены всех видов возводятся на фундаментных балках, укладываемых концами на фундаменты колонн. Сами фундаментные балки делаются сборными, однопролетными, таврового или трапецевидного сечения. Трапецевидное сечение удобно в том отношении, что, при изготовлении балок на стенде ранее изготовленные балки могут служить формами для последующих балок. Перед установкой фундаментные балки покрываются горячим битумом по сухой поверхности (снизу и с боков).

Стеновые панели рассчитываются на нагрузки и воздействия, в зависимости: а) от веса панели − в вертикальной плоскости в процессе эксплуатации и в горизонтальной плоскости при выемке из форм, перевозке и кантовке; б) от веса одной панели, расположенной выше рассчитываемой − в вертикальной плоскости; в) от действия ветровой нагрузки; г) от действия отсоса ветра; д) от действия ветровой нагрузки и отсоса, направленных в одну сторону, что бывает в процессе монтажа при отсутствии противоположной стены.

В поперечном направлении устойчивость создается рамными поперечниками каркаса, а в продольном – совокупной работой всех конструкций здания и связями.

Специальные железобетонные сооружения

Подпорные стены

Применяются, когда невозможно устроить естественный откос, для предотвращения сдвигов грунта; имеют такую форму, которая, обеспечивая расчетные напряжения в грунте основания и в материале стены, исключает опрокидывание стен и их скольжение. Кроме означенных − железобетонных, строятся из бетона, каменной кладки. Строятся монолитными, сборными и сборно-монолитными. Если в массивных бетонных или каменных стенах большой их вес препятствует опрокидыванию или сдвигу, то в этих же целях для железобетонных стен, являющихся тонкостенными конструкциями, используют вес засыпки грунта, находящегося на нижней плите уголковой стены. При высоте до 5–6 м делают уголковыми.

Резервуары

Применяются как емкости в различных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, но наиболее широкое применение они нашли в водопроводно-канализационном хозяйстве городов и промышленных предприятий, а также в нефтяной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности. По форме резервуары в большинстве случаев бывают в сечении круглыми или прямоугольными. Выбор формы резервуара определяется экономическими расчетами, а в ряде случаев местными или специальными условиями − рельефом местности, планом участка застройки и др. По месторасположению днища относительно уровня земли различают резервуары подземные, полуподземные (полузаглубленные) и наземные. По способу возведения монолитные, сборные и сборно-монолитные с обычным армированием или с предварительным напряжением. В зависимости от назначения резервуары могут быть без покрытия, т.е. открытыми, или с покрытием (с промежуточными опорами–колоннами или без них), закрытыми. Покрытие резервуаров выполняется в виде тонкостенных пространственных конструкций (купол, свод) в виде плоских балочных или безбалочных покрытий. Днище резервуара обычно монолитное, стенки и покрытие сборные. Сопряжение стенок с кольцевым фундаментом жесткое, осуществлено сваркой закладных изделий. Плиты при монтаже соединены сваркой арматуры, вдоль длинных сторон плит с шагом 1 м. Для удобства сварки и замоноличивания между плитами осуществляется зазор 150 мм. Одним из самых больших резервуаров в мире является цилиндрический резервуар вместимостью 275 тыс м³, построенный в 1956 г. в Южной Африке. Его диаметр 186,5 м; выс. стенок 10 м. Общая площадь, занимаемая резервуаром, 2,8 га; резервуар выполнен целиком из монолитного железобетона.

Бункера и силосы

Бункерами называют самозагружающиеся хранилища, преимущественно для сыпучих материалов (угля, руды, извести, цемента, песка, щебня и т.п.), загрузка которых производится сверху, а разгрузка – снизу или сбоку. Бункера предназначены для кратковременного хранения материалов, которые имеют небольшой объем и небольшую глубину. Линия обрушения призмы сыпучего материала в бункерах не пересекает противоположной стенки. Наибольшее распространение бункера получили в горно-рудной, угольной, химической промышленности и в промышленности строительных материалов. Конструкция, форма и размеры бункеров зависят от многих факторов: компоновка сооружения, требуемый запас материалов, способов загрузки и выгрузки; типа несущих конструкций; физические свойства хранимых материалов (крупность, плотность, угол естественного откоса). Чаще всего бункера квадратные или прямоугольные. Они могут располагаться вплотную в сечении, образуя многоячейковые бункера. Нередко возводятся бункера, имеющие в плане форму вытянутого прямоугольника. Торцевые и промежуточные стенки вертикальные, а днище имеет вид лотка. Такие бункера называют лотковыми или складчатыми. Для лучшего вытекания сыпучего материала лоток имеет специальные откосы, из тощего бетона. Чтобы защитить стенки бункера от истирания, их облицовывают стальными листами, чугунными плитками или плитами каменного литья. Если хранимый материал оказывает вредное химическое воздействие на бетон, то внутренние поверхности бункера покрывают защитными футеровками. Чтобы в бункер не попадали крупные куски материала, могущие повредить его при загрузке, над бункером устанавливают стальные решетки. Поверху бункера имеют железобетонное перекрытие с отверстием для загрузки или окаймляются балками. Бункера основываются на колоннах, расположенных в углах ячейки (шириной 6–8 м; высота до 9–12 м). Железобетонные бункера по способу выполнения бывают монолитными, сборными и сборно-монолитными. Расчет бункеров представляет значительную трудность, несмотря на допускаемые упрощения.

Силосы служат хранилищами сухих сыпучих материалов, но отличаются от бункеров большей высотой при сравнительно малой площади. Поэтому линия призмы обрушения сыпучего материала в силосах всегда пересекает противоположную стену. Силосы строят в большинстве случаев круглыми в плане. При небольших объемах отдельных силосов (банок) применяются и квадратные в плане (до 10 м² более). За рубежом встречаются силосы 6- и 8-угольные. Наиболее простым и распространенным расположением круглых силосов является шахматное или рядовое. Загружают силосы сверху механическим или пневматическим способом. Разгружают через разгрузочные отверстия (течки), устраиваемые в днищах: самотеком, механически и пневматически. Высота силосных корпусов выбирается в зависимости от технологического процесса и сопротивления грунта. Диаметры силосов (банок) 6–24 м и зависят от свойств хранимых материалов: для зерна − 6 м; для цемента − 12, 15, 18 м; для угля − 12, 24 м; для кальцинированной соды − 18–24 м. В корпусах с круглыми в сечении силосами не устраивают ни температурных, ни осадочных швов (при длине до 150 м) благодаря эластичности круглых тонкостенных ячеек в продольном направлении и весьма большой пространственной жесткости их в вертикальном направлении. По технологическим условиям длина силосного корпуса не должна превышать 80 м. Длина корпусов с прямоугольными в сечении силосами и длина надсилосной галереи назначаются по общим правилам проектирования; конструкция днища связана с выбором разгрузочного оборудования и в значительной мере зависит от свойств хранимого материала. Силосные корпуса бывают с подсилосным помещением (подвалом) и без него.