Стальные каркасы одноэтажных зданий. Основы проектирования стальных ферм.
Производственные здания возводятся для обслуживания конкретного технологического процесса и выпуска соответствующей продукции. Если элементы продукции имеют небольшой вес, их перемещение в процессе изготовления может организовываться по вертикали. В этом случае производственные здания могут быть многоэтажными, это позволяет существенно уменьшить площадь застройки. Если же элементы продукции имеют большой вес (тонны), их перемещение в процессе изготовления организуется по горизонтали. В этом случае необходимы одноэтажные производственные здания.
Все здания состоят из ограждающих и несущих элементов. В отдельных случаях возможно совмещение этих функций в одном элементе. Ограждающие элементы защищают технологический процесс от климатических воздействий, дают возможность выпускать продукцию независимо от погоды и места расположения производственного здания. Несущие элементы воспринимают нагрузки от атмосферных воздействий, технологического, подъемно-транспортного оборудования, выпускаемой продукции, сырья и т. д. и через фундаменты передают их на основание. Комплекс несущих элементов, воспринимающих все возможные в конкретных условиях действующие нагрузки на фундаменты, называется каркасом.
По числу пролетов одноэтажные здания и соответственно их каркасы бывают однопролетными 1a и многопролетными 1б
1а 1 б
В однопролетных зданиях легче решаются вопросы естественного освещения и вентиляции, но увеличивается периметр наружных стен, и соответственно растут теплопотери в холодное время года. Технологическая линия выпуска продукции вытягивается в длину, организация изготовления полуфабрикатов в одном пролете затрудняется, усложняются пути их подачи в основной процесс. В многопролетных зданиях затруднен отвод дождевых и талых вод, естественное освещение и вентиляция, но удобно размещать в параллельных пролетах сопутствующие производства, сокращается периметр наружных стен и теплопотери. Для улучшения естественного освещения и вентиляции внутренних пролетов в многопролетных зданиях над стропильными фермами устраивают фонари (рис 2, а) или пролеты здания делают разновысокими (рис.2, б).
Для улучшения освещения средних пролетов можно покрытие или его участки делать светопрозрачными.
В настоящее время чаще применяются многопролетные (с двумя или более пролетами) производственные здания.
По виду обслуживающего производственный процесс подъемно-транспортного оборудования каркасы зданий делятся на бескрановые, здания с мостовыми и подвесными кранами. Перемещения относительно небольших грузов по стабильному пути может осуществляться напольными или подвесным конвейерами. В каркасах, не несущих нагрузок от подъемно-транспортного оборудования, перемещение продукции может осуществляться козловыми кранами или другим перемещающимся по полу подъемно-транспортным оборудованием. Но в этом случае значительная часть площади здания исключается из технологического процесса.
Наиболее универсальным подъемно-транспортным оборудованием производственных зданий являются мостовые краны (рис..3). Они перемещаются по крановым рельсам, уложенным на подкрановые балки. Последние уложены на консоли или уступы колонн каркаса или на колонны подкрановой эстакады на высоте нескольких метров от пола. Мостовые краны могут доставить груз в любую точку обслуживаемой площади. Грузоподъемность их может быть до 1200 тонн.
Подвесные краны (кран-балки) перемещаются по двум или трем двутаврам типа M (рис.4, б), подвешенным к стропильным фермам. Это делает стропильные фермы более тяжелыми. Подвесные краны имеют грузоподъемность до 30 тонн и обслуживают площадь, как и мостовые.
Вспомогательным подъемно-транспортным оборудованием является монорельс с перемещающимся по нему тельфером (рис..4). Он обслуживает линию, грузоподъемность его до 5 тонн и управлять им можно с пола, для этого имеется дистанционный пульт.
Для обслуживания узких зон помещений вдоль стен иногда применяются консольные краны. Для их работы требуется три балки, одна из них воспринимает вертикальную нагрузку, две другие – горизонтальную (пару сил от момента в консоли).
Схемы поперечных рам зданий с подвесными кранами: а – с монорельсом и тельфером; б – с подвесным двухопорным краном; в – схема подвески тельфера к монорельсу и крана к балкам путей
Каркасы производственных зданий в целом чаще всего являются рамно-связевыми системами. Устойчивость их в поперечном направлении обеспечивается рамами – конструкциями с жесткими узлами, состоящими из основных колонн и ригелей – поперечных несущих элементов каркаса. Соединение колонн с фундаментами в поперечном направлении обычно делается жестким, что удобнее в процессе монтажа. Жесткое соединение ригелей с колоннами уменьшает деформации рам от поперечных нагрузок, но сложнее по конструкции. Жесткое сопряжение ригелей с колоннами не следует применять, если возможны неравномерные просадки основания. В многопролетных каркасах поперечные деформации меньше, чем в однопролетных, так как в работу на местные поперечные нагрузки (от кранов) вовлекается большее количество колонн.
В продольном направлении основные колонны каркаса обычно в фундаментах закрепляются шарнирно. Устойчивость каркаса в продольном направлении обеспечивается связями и продольными элементами каркаса. Продольными элементами каркасов являются подкрановые балки, подстропильные фермы, распорки связей, настил. Сами связи, работая на растяжение или сжатие, обеспечивают неподвижность в продольном направлении (закрепляют) отдельных точек рам. Распорки закрепляют эти же точки в соседних рамах.
Другим назначением связей являются обеспечение удобства монтажа, создание жестких блоков для восприятия местных (крановых) нагрузок, закрепление в проектном положении элементов конструкций.