Тема 4,4 Железобетонные конструкции промышленных зданий.

Железобетонный каркас одноэтажного здания состоит отдельных элементов: колонны, стропильной или подстропильной конструкции покрытия, связей. Рассмотрим элементы.

Колонны. Для зданий без мостовых кранов разработаны колонны прямоугольного сечения. С мостовыми кранами- прямоугольного сечения или двухветвевые.

Классификация: -по количеству этажей: 1,2,3,4-этажные;

-по наличию консолей: одно-, двух-, безконсольные;

-по форме поперечного сечения: прямоугольные, квадратные, круглые, многоугольные;

-по конструкции: постоянного сечения, переменного, сплошные, сквозные.

Колонны разработаны для зданий:

-без мостовых кранов высотой 3-9,6 м и высотой 10,8-14,4 м. . (серия 1,423-5);

-с мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 т. h=8.4. 9.6, 10.8 м (серия КЭ -01-49);

- с мостовыми кранами груз. до 50 т. h=10.8-18 м. (КЭ-01-52).

Колонны предназначены для применения в 1-4 географических районах по ветровой и снеговой нагрузке, в не-, слабо-, среднеагрессивной среде, в отапливаемые- без ограничения зимней температуры, неотапливаемые- до -40^оС, в сейсмических районах.

Колонны рассчитаны на вертикальные нагрузки: масса покрытия, фонарей, навесных стен, снега, подвесного транспорта, мостовых кранов, подкрановых балок и т.д, и горизонтальные: ветровые, от торможения крана, сейсмические и т.д.

В зданиях, оборудованных более двумя мостовыми кранами в пролете, по условиям безопасности обслуживающего персонала, обслуживающего краны и подкрановые пути, предусматриваются сквозные проходные галереи вдоль подкрановых путей. С этой целью применяют двухветвевые колонны с проходами размером 0,4*2 м в надкрановой части (в уровне верха подкрановой балок)

Высота колонн в зданиях с подстропильными конструкциями на 600 мм. меньше – это высота опорной части подстропильной конструкции на которую опирается стропильная конструкция.

Все серийные колонны запроектированы с отметкой обреза фундамента -0,150.

Сечение колонны определяется с помощью ключа серии в зависимости от условий эксплуатации. Высота сечение средней колонны должно быть не менее 600 мм или колонна снабжается капителью для опирания конструкций покрытия.

Длину колонн подбирают с учетом высоты цеха и глубины заделки в фундамент. Для колонн прямоугольного сечения без мостовых кранов глубина заделки 750 мм (отметка низа колонны -0,9 м); в зданиях с мостовыми кранами для колонн прямоугольного и двутаврового сечения -850мм (отметка -1,0м) и двухветвевых колонн с отметкой верха 10,8 -900мм, а с отметкой более 10,8 м-1200 (отметки -1,05 и 1,35 м)

Крепятся конструкции покрытия к колонне с помощью сварки закладных деталей оголовка колонны и покрытия. Для обеспечения шарнира в зданиях высотой до 9,6 м.у крайних колонн (реже у средних) закладная деталь выступает на 10 мм. над торцом колонны.

Стальные конструкции покрытия устанавливаются с помощью анкерных болтов с последующей сваркой.

В колоннах предусмотрены: -закладные детали для крепления наружных стен;

-сквозные монтажные отверстия;

-анкерные болты для крепления подкрановых балок;

-закладные детали для крепления верхнего пояса подкрановых балок;

-закладные детали для крепления связей;

-закладные детали у торцевых колонн для крепления приколонных стоек фахверка.

В поперечном направление устойчивость здания с железобетонным каркасом обеспечивается защемлением колонн в фундамент, жестким диском покрытия, образованным из панелей, соединяемых сваркой со стропильными конструкциями.

В продольным направлении устойчивость здания обеспечивается, кроме того, системой вертикальных связей между колоннами и в покрытии.

Фермы (сегментные, арочные раскосные и безраскосные, полигональные, с параллельными поясами, треугольные).

Сегментные раскосные фермы имеют горизонтальный нижний и ломанный верхний пояс с прямоугольными участками. Горизонтальная проекция каждого участка 3 м., сечение элементов фермы прямоугольное, ширина пояса одинаковая, высота опорной части 900 мм., величина пролета фермы составляет 18, 24 м., шаг фермы 6, 12 м. предназначены под ж/б плиты покрытия шириной 1,5, 3 м.

Фермы запроектированы с подвесным оборудованием с грузоподъемностью до 5 т., для этого в нижнем поясе фермы предусмотрены закладные детали для крепления путей или предусмотрены стальные подвески с верхнего пояса. Кроме этого в фермах предусмотрены закладные детали для опирания на колонны, для крепления плит покрытия, для опирания стоек фонарей, крепления стеновых панелей, столбики для опирания плит покрытия

Арочные фермы разработаны для зданий со скатной и малоуклонной кровлей, с шагом ферм 6, 12 м. пролетом 18, 24 м. Фермы имеют круговое очертание верхнего пояса. Фермы для малоуклонных кровель имеют стойки для опирания плит покрытия, уклоны принимаются 3,3-5%.

Все остальное аналогично сегментным фермам, преимущество этих ферм в лучшем использование межферменного пространства для прокладки коммуникаций и т.д.

Двухскатные решетчатые балки. Разработаны пролетом 12, 18 м., устанавливаются с шагом 6 м., допускается подвесное оборудование с грузоподъемностью до 5 т. Фонари могут применяться пролетом 6 м . Высота балки на опоре 900 мм., сечение прямоугольное переменной высоты с двухскатным уклоном 1:12. для снижения массы в балках предусмотрены проемы, которые могут быть использованы для прокладки коммуникаций. Перечень закладных деталей такое же.

Балки пролетом 6, 9 м. для покрытий с плоской кровлей. Разработаны с подвесным оборудованием до 5 т., кровля плоская, возможны перепады профиля покрытия, устанавливаются на оголовки колонн или на ж/б подушки кирпичных стен. Кроме обычных закладных деталей балки имеют отверстии диаметром 50 мм с шагом 100 мм. для подвески электропроводки и осветительного оборудования. Высота балок 600, 900 мм.

Балки с параллельными поясами пролетом 12 м. применяют для кровель со скатной 1:20. и плоской кровлей, с фонарями пролетом 6 м., шаг балок 6 м. опорная часть может быть обычной- для плоских кровель и с уклоном –для скатной кровли. В этом случае колонны должны иметь разную высоту для обеспечения уклона. Высота на опоре 890 мм

Подстропильная конструкция (балка, ферма) предназначена для устройства покрытия в зданиях, где шаг крайних и средних колонн не совпадает, применяется для скатных и малоуклонных кровель. Плиты покрытия опираются на верхний пояс и специальные стойки. Длина конструкций 12 м., высота 3,3, 2,2, 1,5 м.

Маркировка состоит из букв ПФ (подстропильная ферма), цифра – номер по несущей способности и условного обозначения основной рабочей арматуры. Для ферм у торцевых стен и у температурных швов в марке после номера добавляется буква «к» (концевая, крайняя).

В фермах предусмотрены закладные детали для опирания ферм на колонны, анкерные болты для опирания на них стропильных ферм, закладные детали в среднем верхнем узле и на верхних концах приопорных стоек для опирания плит покрытия.

Подкрановые балки предназначены для опирания оборудования мостовых кранов, являясь продольными элементами каркаса, обеспечивающих дополнительную пространственную жесткость здания. Высота балок длиной 6 м -800,1000, 1200 мм, длиной 12 м.-1400,1600,2000 мм. Балки высотой 800 мм предназначены для зданий высотой 8,4 м. пролетами 18, 24 м.

Балки устанавливаются на консоли ж/б колонн. Сечение балок тавровое или двутавровое с полкой в сжатой зоне. По месту установки в здание балки подразделяются на рядовые и торцовые, которые отличаются расположением закладных деталей.

Тормозные балки устраивают в начале, середине и конце пролета. При грузоподъемности 10 т не принимают тормозные балки и фермы, при 20-30 т с одной стороны, при 50 т – с двух сторон.

Крановые пути устанавливают на прорезиненую тканевую прокладку. К колоннам балки крепят сваркой закладных деталей и анкерными болтами. После выверки болты заваривают. Рельсы с подкрановыми балками крепятся стальными лапками, расположенными через 750 мм.

Железобетонные обвязочные балки и перемычки.

Обвязочные балки служат для опирания кирпичных и мелкоблочных стен в местах перепада высот смежных пролетов, а также для повышения прочности и устойчивости высоких самонесущих стен. В последнем случае расстояние между балками по высоте определяются расчетом в зависимости от высоты, толщины и материала стены, наличия в стене проемов и их размеров. Обычно обвязочные балки устанавливают над оконными проемами, и они служат тогда непрерывной перемычкой. Обвязочные балки имеют длину 5950 мм, высоту сечения 585 мм и ширину 200,250,380 мм. Балки укладывают на стальные столики-консоли со скрытым ребром жесткости и крепят к колоннам с помощью стальных планок, привариваемых к закладным элементам.

Железобетонные перемычки применяют для перекрытий отдельных проемов в стенах из кирпича и мелких блоков. Длина 3500 и 5000 мм (для проемов 3,0 и 4,5 м), ширина сечения 200,250,380,510 мм и высота 290 мм.

Арки применяются при перекрытиях 40 м. и более. Конструктивно делятся на 2-х. 3-х и безшарнирные. В шарнирных выполняются затяжки для восприятия распорных усилий. Очертания арок различное, в зависимости от воспринимаемых усилий (коробчатые,тавровые, крестообразные, прямоугольные). Наиболее трудоемкие при монтаже безшарнирные, т.к. они требуют мощных опор, на которые и будут передаваться нагрузки. По способу изготовления арки могут быть сборные и монолитные. Располагаются с шагом 12 м.

Ж/б рамы. Состоят из стоек, ригелей жестко связанных между собой. Очертания прямоугольное, криволинейное, ломанное.

Торцовые и продольные фахверки. Фахверки служат для опирания и крепления элементов самонесущих и навесных стен и восприятия ветровой нагрузки. Продольный фахверк устраивается при шаге крайних колонн 12 м. и длине панелей 6 м. Внутренняя грань панели имеет зазор к грани колонны 30 мм.

Фахверковые колонны жестко заделываются в фундамент и шарнирно к элементам покрытия. Шарнирное соединение должно обеспечивать передачу ветровых нагрузок на каркас здания и устранять вертикальные воздействия покрытия на колонны фахверка.

При высоте помещений до 4,2 м фахверковые колонны проектируют из стальных профилей, при большей высоте – железобетонные. Длину торцевых железобетонных фахверков принимают на 100-500 мм меньше основных колонн, чтобы образовать необходимый зазор между их верхом и нижним поясом стропильных конструкций. На высоту покрытия фахверковые колонны наращивают стальными подставками двутаврового сечения, а на высоту парапета – уголками.

Колонны изготавливаются полностью ж/б или ж/б с верхней металлической стойкой. Сечение фахверка прямоугольное или квадратное.

Связи. Различают вертикальные и горизонтальные. Выполняют следующую роль:

1. для обеспечения геометрической неизменяемости здания в целом и отдельных его элементов;

2. для восприятия ветровых нагрузок;

3. для восприятия крановых нагрузок;

4. для удобства монтажа;

5. перераспределения нагрузок.

Вертикальные связи:

- Между колоннами представляют собой систему распорок из уголков, стержневой арматуры, швеллеров, полосовой стали и т.д. Различают крестовые (при шаге колонн 6 м). и портальные (при шаге колонн 12 и 18 м) связи. Устанавливаются в каждом продольном ряду в середине температурного блока, в пределах температурного блока должно быть не менее одного при высоте помещения в бескрановых здания более 10,8 м., крановых- при любой

В коротких зданиях можно устанавливать в торцах здания, обеспечивая кратчайший путь передачи на фундамент ветровую нагрузку, но лишив здание свободы температурных перемещений. В длинных зданиях температурные перемещения сильно влияют на устойчивость, поэтому связевые блоки устанавливают в середине здания, обеспечив свободу перемещений.

Подкрановые балки, ригеля стенового фахверка, балки перекрытия и т.д. играют роль распорки, с помощью которых происходит передача усилий, кроме того, они уменьшают расчетную длину колонны из плоскости рамы, если проверка устойчивости не выполняется.

Вертикальные и горизонтальные связи между фермами.

1. горизонтальные поперечные связи по нижним поясам ферм размещаются в торцах температурного блока при шаге колонн крайнего и среднего ряда 12 м. При длине блока более 144 м. дополнительно устраивают в середине блока. Образуются путем объединения нижних поясов 2-х соседних стропильных ферм с помощью решетки. В результате они выполняют совместно функции: воспринимают от стоек торцового фахверка ветровую нагрузку и передают ее на связи между колоннами и далее на фундамент, а также предотвращают перемещения вертикальных связей и растяжки между нижними поясами ферм. Распорки между нижними поясами ферм- закрепляют эти пояса от смещения, тем самым сокращая расчетную длину из плоскости фермы, уменьшает вибрации нижних поясов ферм.

2. горизонтальные продольные связи по нижним поясам ферм служат опорами для верхних концов стоек продольного фахверка; при действии крановых нагрузок вовлекают в работу соседние рамы, уменьшая поперечные деформации и избегая заклинивания мостовых кранов. Эти связи обязательны в однопролетных зданиях большой высоты, с тяжелыми мостовыми кранами, при наличии продольного фахверка. Распорки обеспечивают проектное положение ферм в процессе монтажа, ограничивают гибкость ферм из их плоскости. Роль распорок выполняют прогоны, которые закреплены от смещения.

3. горизонтальные поперечные связи по верхним поясам ферм по конструкциям и схемам размещения аналогичны связям по нижним поясам. Служат от смещения распорок по верхним поясам ферм. От них можно отказаться, если между соседними стропильными фермами блока установить вертикальные связи и через них обеспечит крепление распорок к поперечным связям по нижним поясам ферм.

При наличии жесткого диска покрытия из панелей или проф. настила распорки между фермами и поперечные связи по верхним поясам ферм нужны только на период монтажа. При шаге 12 м. между фермами связевого блока устанавливают вертикальные связи, к которым прикрепляют дополнительный пояс поперечной связевой фермы по нижним поясам.

4. вертикальные связи между опорами ферм или балок ставят только в зданиях с плоской кровлей, причем в зданиях без подстропильных конструкций размещаются в каждом ряду колонн, а с подстропильными конструкциями – только в крайних рядах колонн при шаге 6 м. Ставят не чаще, чем через один шаг. При длине температурного блока 60-72 м на каждый ряд колонн их должно быть не более 5 при шаге 6 м и не более 3 при шаге 12 м. при наличии этих связей по верху колонн ставят распорки.

Деформационные швы промышленных зданий.

Для ограничения усилий, возникающих в конструкциях от перепада температуры, неравномерной осадки, здание делится на отсеки деформационными швами. Размеры отсеков зависят от материала каркаса, климатического района, теплового режима здания и определяются специальным расчетом.

Наибольшие расстояния между температурными швами, допускаемые без расчета при наружной температуре не ниже -40⁰

Конструкции каркаса	Отапливаемые здания	Неотапливаемые здания	Открытые сооружения
	Расстояние между температурными швами, м
Сборные железобетонные Смешанные Монолитные, сборно-монолитные из тяжелого бетона То же, из легкого бетона Стальные	60 60 50 40 230	40 40 30 25 200	40 40 30 25 130

Конструктивно поперечные деформационные швы решаются на 2-х колоннах, смещенных с оси шва на 0,5 м. внутрь каждого отсека.

Продольные швы на 2-х колоннах со вставкой, размер вставки между осями 0,5; 1,0; 1,5 м., минимальный размер в свету 0,5 м.

Перепады по высоте совмещают с деформационными швами.

Температурные швы продолжаются на конструкциях пола (дополнительный шов), в покрытии без разрыва сплошности в виде дугообразной формы, в стенах.

Многоэтажный сборный ж/б каркас обычно проектируются в каркасном варианте с полным сборным каркасом с самонесущими или навесными стенами. Сборные конструкции перекрытия применяют 2-х типов: балочные и безбалочные. Ж/б каркас проектируется по схемам: рамной или связевой.

Наиболее распространенные размеры: пролет до 9 м., сетка колонн 6*6, 6*12, 6*9, (6+3+6)*6, (9+3+9) *6, высоты этажей 3-7,2 м., количество этажей не более 6.

Каркасы с балочными перекрытиями конструируются в поперечном направлении по рамной схеме, в продольном по рамной или связевой схемам.

В первом случае жесткость каркаса в продольной направлении обеспечивается однопролетными продольными рамами, располагаемыми по крайним осям или дополнительно по нескольким промежуточным осям каждого температурного блока здания. Однопролетную раму образуют две соседние колонны и продольный ригель, соединяемые сваркой выпусков арматуры и закладных деталей с последующим замоноличиванием стыков.

Во втором случае жесткость в продольном направление обеспечивают вертикальные связи портального типа, устанавливаемые в середине температурного блока в каждом продольном ряду или через 1-2 ряда. Ветровые нагрузки, действующие на торцовые стены здания, передаются на рамы или связи через жесткие диафрагмы- диски перекрытий.

Предпочтение отдают рамной схеме, которые вследствие способности каждой рамы работать независимо, позволяют делать в перекрытиях любое количество отверстий.

Балочный каркас состоит из фундаментов, фундаментных балок, колонн, ригелей, плит перекрытий и связей. Отметка верха фундамента также -0,15.

Стыки колонн должны выполнятся на высоте 600-1000 мм выше перекрытий. Колонны сечением 400*400, 400*600 мм. для опирания ригелей предусмотрены консоли, а для стыкования с опорной арматурой ригелей выпуски арматуры.

Каркасы с балочными перекрытиями изготавливаются в 2-х вариантах: с опиранием плит на полки ригеля (высота перекрытия 900 мм, включая 100 мм пол) и с опиранием поверху прямоугольных ригелей (высота 1300 мм, применяется при сетке колонн 6*6 м и высоте этажа 4,8 м и более) (рис.).

Ригеля проектируются 2-х типов одинаковой высоты 800 мм: для опирания плит в пределах высоты ригеля на его полки и для опирания непосредственно верх ригеля. Размеры плит 1,5*6м., доборные 0,75*6 м., 1,5*5,55м., 1,5*5,05 м.- для укладки у торцов и деформационных швов.

Сопряжение ригеля с колонной может быть консольным и бесконсольным (рис).

Конструкции верхних этажей, имеющие пролеты 12,18,24 м и оборудованные кранами, не отличаются от одноэтажных зданий (сопряжение ригеля с колонной шарнирное).

Каркасы с безбалочными перекрытиями имеют меньшую высоту, уменьшая объем здания, упрощают прокладку трубопроводов под плоским потолком, создают лучшие условия для вентилирования пространства.

Каркас состоит из фундаментов, фундаментных балок, колонны, высотой на один этаж, с капителью и плит надколонных и пролетных сплошного сечения, связей. Пролетные плиты имеют выпуски арматуры с каждой стороны, надколонные- отверстие для пропуска колонны.

Пространственная жесткость и устойчивость таких зданий обеспечивается рядом мероприятий:

-качественным соединением элементов между собой: плит перекрытия с ригелем и между собой, ригелем с колонной и т.д.;

- использование в здание распорок, диафрагм жесткости, ядер жесткости.

Многоэтажный монолитный каркас, рамный в обоих направлениях, придают зданиям большую жесткость и устойчивость. Они позволяют строить здания разнообразных архитектурных форм. Многоэтажные здания с монолитным каркасом наиболее целесообразны в южных районах при большей продолжительности теплого времени года, а также в случае неунифицированных сеток колонн. Основные схемы каркасов монолитных зданий:

1. каркасы с поперечными рамами и продольными второстепенными балками.

2. с продольными главными и поперечными второстепенными;

3. с балками, расположенными по колоннам в обоих направлениях и опертыми по контурами плитами;

4. с безбалочными перекрытиями.

Первая схема обладает большей поперечной жесткостью, но высокие ригеля загромождают потолок, затеняют и ведут к застою воздуха. Четвертая менее жестка, но при ней можно получить наименьшую высоту этажа при заданной высоте помещения (разница до 0,5 м)

Разновидности конструкций зданий с использованием монолитно-сборных элементов:

-здания с монолитным ядром жесткости и сборными несущими каркасными конструкциями. В монолитном ядре располагаются лифты, лестницы, сан-тех. коммуникации и предназначается для обеспечения пространственной жесткости и восприятия горизонтальных нагрузок. Окружающие ядро каркасные конструкции воспринимают только вертикальные нагрузки.

-здания с монолитным стволом и консольными платформами. В несколько уровней от ствола отходят монолитные плиты, несущие этажи, смонтированные из типовых панелей.

-этажерная конструкция здания: несущий каркас с платформами, образующая этажи, помещения, которые монтируются из сборных изделий.