Конструктивные решения цеха
Конструктивные решения зданий зависят от требований, предъявляемых производством (степень агрессивности внутрицеховой среды, огнестойкость и др.), а также от района строительства (климатические условия, нагрузки, наличие соответствующих материалов и конструкций и т.д.). Они тесно связаны с объемно-планировочными решениями зданий.
Проектируемое производственное здание должно быть каркасного типа.Каркас одно- и многоэтажных промышленных зданий состоит из поперечных рам, образованных колоннами и несущими конструкциями покрытия (балки, фермы, арки и др.), и продольных элементов: фундаментных, подкрановых и обвязочных балок, подстропильных конструкций, плит покрытия и перекрытия и связей. Если несущие конструкции покрытий выполнены в виде пространственных систем – сводов, куполов, оболочек и др., то они одновременно являются продольными и поперечными элементами каркаса.
Конструктивная система несущего остова здания, форма и размеры конструктивных элементов зависят от применяемых для строительства материалов [3, 6, 8].
Выбор материалов для конструкций зданий определяется предъявляемыми к ним требованиями прочности, экономичности, долговечности, удобства возведения, стойкости к эксплуатационным воздействиям и воздействиям атмосферной среды. При выборе материалов необходимо учитывать также размеры пролетов и шаг колонн, высоту зданий, величину и характер действующих на каркас нагрузок.
Каркасы промышленных зданий монтируют в основном из сборных железобетонных конструкций, стали и реже из монолитного железобетона, древесины.
Основным материалом несущих конструкций одноэтажных промышленных зданий в настоящее время служит железобетон. Это один из наиболее долговечных и стойких материалов для несущих конструкций; он хорошо сопротивляется действию огня и коррозии. С течением времени его прочность не только не уменьшается, но даже возрастает. Железобетонные конструкции дороже металлических, однако для их изготовления требуется меньше капиталовложений в производство, чем для металлических конструкций. В условиях эксплуатации железобетонные конструкции выгоднее металлических, поскольку железобетон устойчивее против коррозии, обычно не требует защитной отделки и окраски, вызывающей значительные ежегодные затраты. Лишь в отдельных случаях при очень агрессивной среде железобетонные конструкции приходится защищать пленками или окраской.
При выборе каркаса из стальных элементов необходимо учитывать величину пролетов, режим работы кранов, величину нагрузок от кранов и покрытия и другие факторы. Стальные конструкции элементов каркаса применяют главным образом в цехах заводов, в которых используют краны тяжелого и непрерывного режима работы. При этом необходимо широко применять легкие конструкции массового изготовления. Разработаны трубчатые фермы пролетом 24, 30 и 36 м, а также колонны с применением труб и широкополочных двутавров.
Цельнометаллические конструкции для каркаса одноэтажных зданий применяют главным образом при строительстве зданий металлургической промышленности или, например, заводов тяжелого машиностроения, где железобетон нецелесообразен из-за специфических условий работы конструкций: здесь велики крановые нагрузки, неравномерны интенсивные тепловые воздействия на конструкции лучистого тепла от печей или расплавленного металла.
Несущий металлический каркас целесообразен также при большой высоте одноэтажных зданий, превышающей 15–18 м. В этих условиях затруднителен монтаж железобетонных колонн, а возведение их из монолитного железобетона неэкономично из-за потребности большого расхода леса на подмости и опалубку.
При больших размерах пролетов (свыше 24 м) обычно применяются металлические конструкции покрытий. Они в этом случае легче и дешевле железобетонных и хорошо сочетаются с железобетонными колоннами, образуя смешанную каркасную систему.
Кроме того, стальные конструкции широко используются в виде отдельных элементов зданий с железобетонным несущим каркасом: в подкрановых балках, монорельсах, подвесных крановых путях, площадках под технологическое оборудование, пожарных и служебных лестницах, огнестойких дверях и воротах, оконных и фонарных переплетах, а также в виде элементов связей для создания пространственной жесткости зданий.
Деревянные несущие конструкции дешевы и просты в изготовлении, но недолговечны, так как подвержены возгоранию и гниению. Поэтому они применяются только в небольших подсобных зданиях, в производственных зданиях для сельского хозяйства. Деревянные несущие конструкции также эффективно используются в сборно-разборных зданиях, применяемых при производстве строительных работ на вновь осваиваемых территориях, при строительстве временных сооружений.
Каркас одноэтажных промышленных зданий состоит из поперечных рам, образованных колоннами и несущими конструкциями покрытия (балки, фермы, арки и др.), и продольных элементов: фундаментных, подкрановых и обвязочных балок, подстропильных конструкций, плит покрытия и связей. Если несущие конструкции покрытий выполнены в виде пространственных систем – сводов, куполов, оболочек, складов и других, то они одновременно являются продольными и поперечными элементами каркаса [6, 8].
Элементы каркаса подвергаются силовым и несиловым воздействиям. Силовые воздействия возникают от постоянных и временных нагрузок. В связи с этим элементы каркаса должны отвечать требованиям прочности и устойчивости.
При несиловых воздействиях внешней и внутренней среды в виде положительных и отрицательных температур, тепловых ударов, жидкой и парообразной влаги, воздуха и содержащихся в воздухе химических веществ элементы каркаса должны отвечать требованиям долговечности.
Восприятие ветровых нагрузок, действующих вдоль зданий, осуществляется системой продольных связей, устанавливаемых в каждом ряду колонн примерно в середине температурного блока.
Поперечная жесткость каркаса обеспечивается жесткостью заделки колонн в стакан фундаментов.
Совместная пространственная работа конструкций зданий обеспечивается созданием в их верхней части жесткой диафрагмы из плит покрытия, стыки между которыми для этой цели замоноличиваются цементным раствором, а сами плиты привариваются к основным несущим конструкциям.
Сетки колонн одноэтажных промышленных зданий принимаются, как правило, кратными 6 м (60 М). Наиболее распространенные размеры пролетов одноэтажных зданий без мостовых кранов 12, 18 и 24 м, а для зданий, оборудованных мостовыми кранами, − 18, 24, 30 м и более, кратные 6 м.
Стеновые ограждения проектируются самонесущими или навесными. Материалом стен могут служить железобетон в виде панелей различных конструкций, металл в виде стеновых панелей с эффективным утеплителем типа «сэндвич», естественные и искусственные камни и др.
Конструкции современных стеновых «сэндвич-панелей» и панелей для покрытия промышленных зданий представлены на рисунке 5.1.
Покрытие, играющее важную роль в архитектуре одноэтажных производственных зданий, может проектироваться из плоскостных, пространственных или смешанных конструкций.
При применении сборных железобетонных стропильных конструкций для покрытий одноэтажных зданий, в которых не требуется устройство верхней разветвленной сети коммуникаций, рекомендуется при пролетах L ≤ 18 м применять железобетонные балки. При наличии разветвленной сети коммуникаций значительных габаритов, располагаемых в межферменном пространстве, а также при больших нагрузках на несущие конструкции от покрытия и подвесного транспорта рекомендуется применять железобетонные или стальные фермы.
При 12-метровом шаге колонн стропильные конструкции покрытия могут быть расположены как с шагом 12 м, так и с шагом 6 м; в последнем случае в состав каркаса вводят подстропильные конструкции. Первая схема характерна для зданий с мостовыми кранами, вторая – для зданий с подвесным транспортом или подвесным потолком.
Пути мостовых кранов должны проектироваться с учетом условий их обслуживания. Осмотр и ремонт крановых путей в обычных условиях (при малой напряженности работы мостовых кранов) выполняются с тормозных устройств или подкрановых балок в перерывах работы крана.
Рисунок 5.1 – Конструкция «сэндвич-панелей»
В пролетах промышленных зданий, оборудованных мостовыми кранами весьма тяжелого режима работы (независимо от их числа) или кранами тяжелого и среднего режимов работы (при числе их в пролете более двух) либо круглосуточной непрерывной работе, должен быть обеспечен безопасный проход людей вдоль крановых путей и во время работы мостовых кранов. Для этого поверх тормозных устройств делают настил, огражденный со стороны крана перилами. В этих случаях конструкция колонн и их привязки к разбивочным осям должны обеспечивать возможность прохода (при работе крана) между гранью колонны и концом крана (или через проем в колонне). Проход должен иметь ширину не менее 400 и высоту не менее 1800 мм.
Пути мостовых кранов должны быть оборудованы лестницами, расположенными не реже чем через 200 м, и посадочными площадками для кранов. При большой высоте здания лестницу делают из нескольких маршей с промежуточными площадками.