2

1.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 проле-

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.

По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бескрановые, с мостовыми кранами, с подвесными кранами, с подвесными конвейерами. Выбор вида транспорта определяется массой грузов, таекториями их перемещения. Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения, быть надежной, долговечной и наиболее экономичной.

7. Пространственная многостержневая конструкция каркаса промышленного здания, воспринимающая и передающая на фундаменты все нагрузки и воздействия, при замене ее расчетными схемами расчленяется на плоские системы (поперечные рамы и продольные конструкции). Это приводит к погрешностям в определении усилий, которые при расчете стальных каркасов частично компенсируются приближенным учетом пространственной работы каркаса.

Расчетная схема поперечной рамы (рис. 12.1,а)—это многократно статически неопределимая сквозная система с жесткими узлами. Общепринято при легких фермах пренебрегать жесткостью узлов при определении усилий, считая их шарнирными (рис. 12.1,6). В дальнейшем жесткость узлов учитывается (не полностью) при определении расчетных длин стержней фермы. Определение усилий в системе (см. рис. 12.1,6) не очень сложно, но уже в самом начале требует знания моментов инерции и площадей сечений всех стержней системы. Поэтому при расчете сквозные колонны и ферма заменяются сплошными эквивалентной жесткости. Полученная расчетная схема в зависимости от конструкции сопряжения ригеля с колонной может быть с жесткими

(рис. 12.1, в) или шарнирными (рис. 12.1, г) узлами. При небольших (до 1/8) уклонах верхнего пояса ферм ригель принимается прямолинейным и располагается в уровне нижнего пояса ферм. При горизонтальных нагрузках и изгибающих моментах можно пренебречь весьма малыми углами поворота верхних узлов рамы, т.е. принять ригель бесконечно жестким (см. рис. 12.1,

(9, Е). Это приближение сокращает число неизвестных (например: при схе-

Схеме д — одно неизвестное, а при схеме в — три). Приближение не дает

Больших погрешностей, если отношение жесткости ригеля к жесткости

Стойки достаточно велико:

Таким образом, при расчете поперечных рам стальных каркасов про-

Промышленных зданий используются упрощенные расчетные схемы (см. Рис.

12.1,6—е), которые резко сокращают трудоемкость расчета и приводят

к погрешностям, практически не влияющим на результаты расчета. Однако это возможно только при расчетах определенной конструктивной формы, соответствующей системам традиционных каркасов промышленных зданий.

12. Смещения рам, входящих в систему каркаса, отличаются от смещений отдельно стоящих рам, нагруженных так же. Продольные элементы

(связи, тормозные конструкции, кровля) для загруженной рамы являются горизонтальными упругими опорами, воспринимают часть нагрузки и передают ее на соседние рамы (рис. 12.9, а, б). В результате этого горизонтальные смещения рамы становятся меньше. Смещение рамы, входящей в систему каркаса ∆пр, можно определить как долю смещения отдельной плоской рамы ∆, т. е.

Горизонтальные элементы, обеспечивающие перераспределение нагрузки, можно представить в виде балки, опорами для которой будут

Поперечные рамы (рис. 12.9, в). Балка нагружена силой Fэ, т. Е. Силой,

вызывающей такое же смещение ∆ одиночной рамы, что и заданная нагрузка F, но приложенной в уровне горизонтальных элементов. Под влиянием силы Fэ балка будет изгибаться. Опоры балки (поперечные рамы) обладают упругой податливостью. Вид изогнутой оси балки зависит от ее жесткости EIг, и при ЕIг=∞ балка не будет изгибаться, а переместится параллельно самой себе (рис. 12.9, г). Если же сила Fэ приложена не посередине длины балки, то балка при ЕIг=∞ будет не только поступательно перемещаться, но и поворачиваться (рис. 12.9,д). Жесткость балки складывается из жесткостей всех элементов, обеспечи-

Вающих пространственную работу. Существенное значение имеет конст- рукция кровли. Если кровля мало податлива, то жесткость

Балки можно считать бесконечной, т. Е. Кровлю «жесткой». Если же

кровля выполнена из мелкоразмерных элементов, то она не может воспринимать значительные горизонтальные нагрузки и передача усилий обеспечивается главным образом горизонтальными продольными связями по нижнему поясу ферм, а участие в работе кровли не учитывается. Такие предпосылки приводят к двум разным подходам при определении αпр в одно-двухпролетных каркасах.

Исследования показали, что в этом случае в работу вовлекается

5—6 рам вместе с загруженной и для определения αПр с достаточной

Точностью можно рассмотреть пятиопорную неразрезную балку на уп-

ругосмещаюшихся опорах (см. рис. 12.9, в). Реакция в опоре, соответствующей загруженной раме F_R, зависит от соотношения жесткости самой опоры и жесткости балки (связей), т. е. от высоты колонны Н, соотношения погонных жесткостей верхней и нижней частей ступенчатой колонны, шага поперечных рам b и суммарной жесткости горизонтальных элементов, перераспределяющих усилия. Отношение реакции опоры к эквивалентной силе F_R/Fэ = α может быть определено по таблице в зависимости от параметра β.

Если колонны поперечной рамы одинаковые, то d может быть вынесено за знак суммы, отношение принято при обычных конструкциях каркаса равным 0,5—0,25, а коэффициент d=l/c при шарнирном сопряжении ригеля с колонной или d=1/k при жестком.

Коэффициентом α учитывается загружение лишь одной рамы блока;

в действительности же вертикальные и горизонтальные нагрузки от крана, расположенного невыгоднейшим образом по отношению к рассматриваемой раме, одновременно воздействуют и на рамы, смежные с ней. При этом уменьшается величина упругого отпора связей, нагружается рассчитываемая рама.

Обычно достаточно учесть влияние нагрузки на две смежные рамы по отношению к средней рассматриваемой раме данного блока. Значения F'э' и Fэ'', отвечающие загружению смежных рам, можно определить исходя из соотношений нагрузок, приходящихся на среднюю раму и смежные с ней (рис. 12.9, е):

Смещение рамы с учетом пространственной работы определяется по

Формуле

13. Смещения рам, входящих в систему каркаса, отличаются от смещений отдельно стоящих рам, нагруженных так же. Продольные элементы

(связи, тормозные конструкции, кровля) для загруженной рамы являются горизонтальными упругими опорами, воспринимают часть нагрузки и передают ее на соседние рамы (рис. 12.9, а, б). В результате этого горизонтальные смещения рамы становятся меньше. Смещение рамы, входящей в систему каркаса ∆пр, можно определить как долю смещения отдельной плоской рамы ∆, т. е.

Горизонтальные элементы, обеспечивающие перераспределение нагрузки, можно представить в виде балки, опорами для которой будут

Поперечные рамы (рис. 12.9, в). Балка нагружена силой Fэ, т. Е. Силой,

вызывающей такое же смещение ∆ одиночной рамы, что и заданная нагрузка F, но приложенной в уровне горизонтальных элементов. Под влиянием силы Fэ балка будет изгибаться. Опоры балки (поперечные рамы) обладают упругой податливостью. Вид изогнутой оси балки зависит от ее жесткости EIг, и при ЕIг=∞ балка не будет изгибаться, а переместится параллельно самой себе (рис. 12.9, г). Если же сила Fэ приложена не посередине длины балки, то балка при ЕIг=∞ будет не только поступательно перемещаться, но и поворачиваться (рис. 12.9,д). Жесткость балки складывается из жесткостей всех элементов, обеспечи-

Вающих пространственную работу. Существенное значение имеет конст- рукция кровли. Если кровля мало податлива, то жесткость

Балки можно считать бесконечной, т. Е. Кровлю «жесткой». Если же

кровля выполнена из мелкоразмерных элементов, то она не может воспринимать значительные горизонтальные нагрузки и передача усилий обеспечивается главным образом горизонтальными продольными связями по нижнему поясу ферм, а участие в работе кровли не учитывается. Такие предпосылки приводят к двум разным подходам при определении αпр в одно-двухпролетных каркасах.

Наибольшее смещение рамы при жесткой кровле будет, если сила Fэ от крановой нагрузки приложена к крайней раме каркаса (см. рис. 12.9,д). Учитывая, что крайняя рама загружена меньше, чем остальные, коэффициент αпр определяется для второй рамы от края температурного блока (рис. 12.10). Если силу Fэ заменить силой, равной по величине, но приложенной посередине блока, и моментом М, равным Fэ α₂/2, то отпоры при поступательном перемещении F'_R будут равны Fэ/n (n— число рам в блоке), а отпоры от поворота F'_R1 можно определить из уравнения равновесия

Суммарный упругий отпор второй рамы от поступательного смещения и поворота с учетом загружения соседних рам силами Fэ1 и Fэ3 будет равен:

С небольшой погрешностью влияние загружения соседних рам можно учесть так же, как и в случае отсутствия жесткой кровли, т. Е. Определять αпр по формуле

14. При расчете рам на вертикальные нагрузки, непосредственно приложенные к ригелю (постоянная, снеговая), нельзя пренебрегать упругими деформациями ригеля, т.к. это может привести к существенным ошибкам в значениях расчетных усилий в колоннах. Сквозной ригель заменяется условным сплошным с эквивалентной жесткостью, момент инерции которого можно определить приближенно по формуле

При симметричных однопролетных рамах с симметричными нагрузками горизонтальное смещение верхних узлов ∆ равно нулю и единственное неизвестное при жестком сопряжении ригеля с колонной — угол поворота верхнего узла рамы φ. Если расстояние между осями верхней и нижней части колонны е≥0,5 hв, то нужно учесть возникающие вследствие этого дополнитель-

Ные моменты. При шарнирном сопряжении ригеля с колоннами ригель рассчитывают как обычную ферму, свободно лежащую на опорах. Моменты

Возникают только в колоннах вследствие несовпадения осей верхней и нижней частей колонны и эксцентриситета приложения опорной реакции

фермы.

15. За основную систему при расчете рамы методом перемещений принимается рама, которая условно закрепляется от бокового смещения (см. рис. 12,18, а). И при шарнирном, и при жестком сопряжении ригеля с колонной в однопролетном здании (и в многопролетных с ригелями на одном уровне) одно неизвестное ∆

(Смещение верхнего узла). При вычислении грузового члена канонического уравнения r1р (по формуле ) для ветровой нагрузки нужно учесть силы Fв и f'в, передающиеся непосредственно на

Условную опору. В расчете на нагрузки, приложенные не ко всем рамам (крановые моменты, поперечные воздействия кранов), учитывается

пространственная работа (αпр≠1), а в расчете на нагрузки, действующие на все рамы (ветровая, температурные воздействия), пространственная работа не учитывается (αпр=1).

20. В каркасах одноэтажных производственных зданий применяются стальные колонны трех типов: постоянного по высоте сечения, переменного по высоте сечения — ступенчатые и в виде двух стоек, нежестко связанных между собой, — раздельные.

В колоннах постоянного по высоте сечения (рис. 14.1, а) нагрузка от мостовых кранов передается на стержень колонны через консоли, на которые опираются подкрановые балки. Стержень колонны может быть сплошного или сквозного сечения. Большое достоинство колонн постоянного сечения (особенно сплошных) — их конструктивная простота, обеспечивающая небольшую трудоемкость изготовления. Эти колонны применяют при сравнительно небольшой грузоподъемности кранов (Q до 15—20 т) и незначительной высоте цеха (Н до 8—10 м).

При кранах большой грузоподъемности выгоднее переходить на ступенчатые колонны (рис. 14.1, б, в, г), которые для одноэтажных производственных зданий являются основным типом колонн. Подкрановая балка в этом случае опирается на уступ нижнего участка колонны и располагается по оси подкрановой ветви.

В зданиях с кранами, расположенными в два яруса, колонны могут иметь три участка с разными сечениями по высоте (двухступенчатые колонны), дополнительные консоли и т. Д. (рис. 14.1, г).

При кранах особого режима работы либо делают проем в верхней части колонны (при ее ширине не менее 1 м), либо устраивают проход между краном и внутренней гранью верхней части колонны (рис. 14.1, в). Генеральные размеры колонн устанавливаются при компоновке поперечной рамы.

В раздельных колоннах (рис. 14.2) подкрановая стойка и шатровая ветвь связаны гибкими в вертикальной плоскости горизонтальными планками. Благодаря этому подкрановая стойка воспринимает только вертикальное усилие от кранов, а шатровая работает в системе поперечной рамы и воспринимает все прочие нагрузки, в том числе горизонтальную поперечную силу от кранов. Колонны раздельного типа рациональны при низком расположении кранов большой грузоподъемности и при реконструкции цехов.

.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. Такая

схема удобна для бесфонарных зданий и для зданий с продольными фонарями.

При необходимости освещения с помощью поперечных фонарей их

конструкции также могут быть использованы для опирания панелей

покрытия. При необходимости больших шагов колонн по всем рядам можно

использовать схему с продольным фонарем, несущим часть нагрузки от

покрытия. На конструкции фонаря опираются прогоны, расположенные

параллельно фермам. Для опирания другого конца прогонов между колоннами

устраивается подстропильная ферма. В случаях повышенных требований по

освещенности помещений иногда используются каркасы с шедовым покрытием,

в которых на ригели рам опираются конструкции поперечных фонарей, а на

них — прогоны или панели покрытия. При больших пролетах и шагах колонн

эффективно применяются каркасы с пространственным ригелем. Ригель рамы

выполняется в виде коробчатого сквозного сечения с консолями, на которые

опираются конструкции фонаря. При относительно небольших пролетах

используются сплошные рамные каркасы для одно- и многопролетных зданий

с пролетами 12—24 м, высотой помещения 5—8 м без мостовых кранов и с

кранами грузоподъемностью до 20 т, с фонарями и без. Эти каркасы

выполняются в виде бесшарнирных систем, трехшарнирных, трехшарнирных

с затяжкой. Мостовые краны опираются на консоли или устанавливаются на

легкие крановые эстакады.

В цехах, где по средним рядам шаг колонн должен быть больше, чем

по крайнему ряду, устанавливаются подстропильные фермы, на которые

опираются ригели рам (см. рис. 10.3, а, разрез 2—2). При кранах большой

грузоподъемности и с большим расстоянием между колоннами часто оказы-

вается целесообразным совместить функции подстропильных ферм и

подкрановых конструкций и предусмотреть по среднему ряду подкраново-

подстропильную ферму (см. рис. 10.3,6, разрез 2— 2), на верхний пояс которой

опирается кровля, а на нижний — краны.

Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений

(жесткое, шарнирное) ригеля с колонной. При жестком сопряжении (рис. 10.4, а)

конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечивает передачу моментов

и в расчетной схеме принимается жесткий узел. При жестком сопряжении

горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на

раму с шарнирным сопряжением. Большая жесткость необходима в цехах с

мостовыми кранами, работающими весьма интенсивно. Жесткое сопряжение

можно рекомендовать главным образом для однопролетных каркасов

большой высоты при кранах ВТ и Т режимов работы с числом циклов

загружения крановой нагрузкой 2Х106 и более. В остальных однопро-

однопролетных каркасах более целесообразно шарнирное сопряжение (рис.

10.4,6).

В многопролетных цехах горизонтальные нагрузки на одну раму вос-

принимаются несколькими (а не двумя, как в однопролетных) колоннами, и

поэтому даже в цехах большой высоты часто оказывается возможным

использовать шарнирное сопряжение. В многопролетных цехах с пролетами

разной высоты возможны решения, при которых часть узлов проектируется

жесткими, а часть — шарнирными (рис. 10.4, в).

Опирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструируется

жесткими (см. рис. 10.2, 10.3, 10.4, а—в), но возможно решение,

при котором только часть колонн сопрягается с фундаментом жестко,

а часть — шарнирно (рис. 10.4,г). Такое решение часто оказывается эконо-

мически выгодным при больших тепловыделениях во время эксплуатации

здания.

Каркасы промышленных зданий изредка проектируются в виде ви-

висячих конструкций, складок, оболочек, структур.