Общая характеристика каркасов производственных зданий

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Лекции

по курсу «Металлические конструкции, включая сварку»

для студентов, обучающихся по специальности 270102 –
«Промышленное и гражданское строительство»

Часть II

Краснодар

2010.

Содержание

1 Металлические конструкции одноэтажных производственных зданий. 5

1.1 Общая характеристика каркасов производственных зданий. 5

1.2 Основные требования, предъявляемые к каркасам производственных зданий. 6

1.3 Область применения стальных и смешанных каркасов промышленных зданий. 8

1.4 Компоновка конструктивной схемы каркаса. 8

1.4.1 Размещение колонн в плане. 9

1.4.2 Компоновка поперечных рам. 11

1.4.2.1 Размеры по вертикали. 11

1.4.2.2 Размеры по горизонтали. 12

1.4.3 Особенности компоновки многопролетных рам. 13

1.4.4 Продольная компоновка каркаса. 14

1.4.4.1 Связи. 14

1.4.4.2 Фахверк. 21

1.4.5 Особые решения конструктивных схем каркасов. 21

1.4.6 Особенности расчета поперечных рам. 23

1.5 Конструкции покрытия. 24

1.5.1 Покрытия с прогоном. 24

1.5.2 Беспрогонное покрытие. 25

1.5.3 Стропильные и подстропильные фермы. 26

1.5.4 Фонари. 27

1.6 Колонны каркаса. 28

1.6.1 Типы колонн. 28

1.6.2 Расчет и конструирование стержня колонны. 29

1.6.2.1 Сплошная колонна. 29

1.6.2.2 Сквозная колонна. 39

1.7 Подкрановые конструкции. 44

1.7.1 Нагрузки на подкрановые конструкции. 45

1.7.2 Сплошные подкрановые балки. 45

1.7.3 Расчет подкрановых балок. 47

1.7.4 Крановые рельсы и их крепление к подкрановым балкам. 47

1.7.5 Крановые упоры. 48

2 Большепролетные покрытия с плоскими несущими конструкциями. 50

2.1 Область применения, основные особенности. 50

2.2 Балочные конструкции. 51

2.3 Рамные конструкции. 53

2.4 Арочные конструкции. 54

2.5 Компоновка каркасов большепролетных покрытий. 58

3 Пространственные конструкции покрытий зданий. 59

3.1 Структурные конструкции. 60

3.2 Оболочки. 62

3.2.1 Односетчатые оболочки. 62

3.2.2 Двухсетчатые оболочки. 63

3.3 Купольные покрытия. 64

3.3.1 Ребристые купола. 64

3.3.2 Ребристо-кольцевые купола. 65

3.3.3 Сетчатые купола. 66

3.4 Висячие покрытия. 67

3.4.1 Однопоясные висячие покрытия и металлические оболочки – мембраны. 70

3.4.2 Покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами (жесткими вантами). 71

3.4.3 Покрытия двухпоясными системами. 71

3.4.4 Покрытия тросовыми фермами. 72

3.4.5 Покрытия седловидными сетками. 72

3.4.6 Комбинированные висячие системы.. 73

4 Стальные каркасы многоэтажных зданий. 74

4.1 Рамные системы.. 75

4.2 Связевые системы. 75

4.3 Рамно-связевые системы.. 76

4.4 Конструкции элементов и особенности расчета стального каркаса многоэтажных зданий. 76

5 Листовые конструкции. 77

5.1 Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления. 80

5.2 Резервуары повышенного давления. 81

5.3 Газгольдеры.. 82

5.3.1.1 Мокрые газгольдеры. 82

5.3.1.2 Сухие газгольдеры.. 83

5.4 Бункера и силосы.. 83

6 Высотные сооружения. 83

6.1 Башни. 84

6.2 Мачты.. 85

6.3 Опоры ЛЭП.. 85

7 Регулирование напряжения при усилении конструкций. 86

7.1 Классификация усиления. 86

7.2 Искусственное регулирование напряжений при усилении МК.. 88

7.2.1 Примеры искусственного регулирования напряжений в конструкциях 89

7.2.1.1 Реконструкция главного здания мартеновского цеха. 89

7.2.1.2 Реконструкция действующих мартеновских цехов. 89

7.2.1.3 Усиление вызванное нарушением технологии монтажа конструкций. 89

7.2.1.4 Регулирование напряжений при усилении ферм. 90

7.2.1.5 Регулирование напряжений в соединениях элементов м/к. 90

8 Расчет усиленных конструкций по методу предельных состояний. 91

9 Предварительно обследование конструкций и определение напряжений в конструкциях, находящихся под нагрузкой. 93

9.1 Магнитометрический метод определения напряжений. 93

1 Металлические конструкции одноэтажных
производственных зданий

Компоновка поперечных рам.

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных (генеральных) габаритных размеров элементов рамы. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая ее нулевой. Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Все размеры принимают в соответствии с основными положениями по унификации.

Размеры по вертикали

Вертикальные габариты зависят от технологических условий производства.

Основные величины: h₁, h₂, H, h_в, h_н, h.

h₁– минимальная отметка головки кранового рельса, которая задается из условия необходимой высоты подъема крюка над уровнем пола.

h₂– расстояние от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия, зависящее от вертикального габарита мостового крана.

h₂= (h_к+100) +a

где h_к– вертикальный габарит крана по ГОСТ;

100мм – зазор, установленный по требованиям техники безопасности;

а = 200 400мм – размер, учитывающий прогиб конструкций покрытия (для больших пролетов – больший размер)

Окончательный размер h₂ назначают кратным 200мм.

H- высота цеха от уровня пола до низа конструкций покрытия. H принимают кратным 1,2 м при H 10,8 м и 1,8м при H >10,8м из условия соизмеримости со стандартными ограждающими конструкциями.

В отдельных случаях принимают H кратным 0,6м.

Изменение H производят за счет увеличения h₁, оставляя h₂минимально необходимым.

Размеры по горизонтали

Привязка наружной грани колонны к продольной разбивочной оси принимается:

1) b₀=0 в зданиях без мостовых кранов или с мостовыми кранами Q 300кН при B=6 м и H 8 10 м;

2) b₀=500 мм в высоких зданиях с кранами Q 750 кН, а также «ВТ» режима, если в надкрановой части колонны устраиваются проемы для прохода;

3) b₀=250 мм во всех остальных случаях.

Из условия необходимой жесткости ширину верхней части колонны принимают, как правило, b_в=2 b₀, т.е. b_в=500 мм или 1000 мм и тогда разбивочная ось располагается по середине верхней части колонны. Кроме этого, проверяется условие b_вh_в.

Чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси колонны до оси подкрановой балки должно быть

B₁+(b_в- b₀) + (60 75) мм,

где B₁- часть кранового моста, выступающего за ось подкранового пути (принимается по ГОСТ на краны);

b_в- b₀– расстояние от разбивочной оси до внутренней грани верхней части колонны;

60 75 – зазор между краном и колонной устраивается по требованиям техники безопасности, принимается по ГОСТ на краны.

Пролеты кранов имеют модуль 500 мм, поэтому размер должен быть кратным 250 мм. Исходя из этого принимают:

1) =750мм для кранов Q 500 кН при отсутствии проходов в надкрановой части колонны;

2) =1000мм для кранов Q 1250 кН, а также при наличии внутренних проходов в надкрановой части колонны;

3) ³1250мм для некоторых специальных и очень тяжелых кранов при наличии проходов вне колонны.

Сквозные проходы вдоль подкрановых путей должны предусматриваться в зданиях с тяжелым и весьма тяжелым режимом работы кранов.

Ось подкрановой ветви колонны обычно совмещена с осью подкрановой балки; в этом случае ширина нижней части колонны крайнего ряда b_н=b_о+ .

Из условия обеспечения жесткости колонны при тяжелом режиме работы кранов необходимо, чтобы b_нh.

Верхняя часть колонны обычно проектируется сплошной; нижняя часть при b_н1000 мм – сплошной; при b_н>1000 мм – сквозной.

Для легких промышленных зданий с кранами небольшой грузоподъемности иногда применяют сквозные или сплошные колонны постоянного сечения (b_н=b_в) с расположением подкрановых балок на консолях; ширина таких колонн должна быть не менее h.

Размеры пролета здания L и пролета крана L_к связаны зависимостью

L= L_к +2 .

Связи

Важными элементами стального каркаса являются связи, необходимые для:

1) обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов;

2) восприятия и передачи на фундаменты ветровых и горизонтальных крановых нагрузок;

3) обеспечения совместной работы поперечных рам при местных нагрузках (например крановых);

4) создания жесткости каркаса, обеспечивающей нормальные условия эксплуатации;

5) обеспечения условий монтажа.

Связи подразделяются на связи между колоннами и связи по покрытию (связи шатра)

Связи между колоннами.

Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам.

Связи, образующие жесткий диск, располагают посередине здания или температурного отсека, учитывая возможность перемещения колонн при температурных деформациях продольных элементов.

Если поставить связи (жесткие диски) по торцам здания, то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) возникают большие температурные усилия F_t

При длине здания или температурного блока более 120м между колоннами обычно ставят две системы связевых блоков.

Предельные размеры между вертикальными связями в метрах

Характеристика здания	От торца блока до оси ближайшей вертикальной связи.	Между осями вертикальных связей в одном блоке
Отапливаемое	90 (60)	50(40)
Неотапливаемое или горячие цехи	75 (50)	50(40)

Размеры в скобках даны для зданий, эксплуатируемых при расчетных температурах наружного воздуха t= –40° ¸ –65 °С.

Наиболее простая схема связей крестовая, она применяется при шаге колонн до 12 м. Рациональный угол наклона связей , поэтому при небольшом шаге, но большой высоте колонн устанавливают две крестовые связи по высоте нижней части колонны.

Иногда проектируют дополнительную развязку колонн распорками, если необходимо уменьшить расчетную длину колонны из плоскости рамы.

Если высота сечения ковонны мала (например, в верхней части колонны),элементы связей располагаются в одной плоскости, при больших высотах (нижняя часть колонны) – в двух плоскостях. На связевые диски передаются крутящие моменты, поэтому при расположении вертикальных связей в двух плоскостях, они соединяются горизонтальными решетчатыми связями.

По торцам здания крайние колонны соединяют между собой гибкими верхними связями. Вследствие относительно малой жесткости надкрановой части колонны, расположение верхних связей в торцовых панелях незначительно сказывается на температурных напряжениях. Верхние связи ставят также в панелях, примыкающим к температурным швам.

Связи,устанавливаемые в пределах высоты ригелей в связевом и торцовом блоках, проектируют в виде самостоятельных ферм, в остальных местах ставят распорки.

Вертикальные связи ставят по всем рядам здания, располагать их следует между одними и теми же осями. При большом шаге колонн средних рядов, а также чтобы не мешать передаче продукции из пролета в пролет проектируют связи портальной и полупортальной схем.

Вертикальные связи между колоннами воспринимают усилия от ветра W₁,и W₂ действующего на торец здания и продольного торможения кранов Т_пр.

Элементы крестовых и портальных связей работают на растяжение. Сжатые стержни вследствие большой гибкости выключаются из работы и в расчете их не учитывают. Гибкость растянутых элементов связей, расположенных ниже уровня подкрановых балок не должна превышать 200; для связей выше подкрановых балок – соответственно 300.

Связи по покрытию.

Связи по конструкциям покрытия (шатра) и связи между фермами создают общую пространственную жесткость каркаса и обеспечивают: устойчивость сжатых поясов ферм из их плоскости, перераспределение местных крановых нагрузок, приложенных к одной из рам, на соседние рамы; удобство монтажа; заданную геометрию каркаса; восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

Связи по покрытию располагают:

1) в плоскости верхних поясов стропильных ферм – продольные элементы между ними;

2) в плоскости нижних поясов стропильных ферм – поперечные и продольные связевые фермы, а также иногда и продольные растяжки между поперечными связевыми фермами;

3) вертикальные связи между стропильными фермами;

4) связи по фонарям.

Фахверк.

Система конструктивных элементов, служащих для поддержания стенового ограждения и восприятия ветровой нагрузки называется фахверком.

Фахверк устраивается для наружных стен, а также для внутренних стен и перегородок.

При самонесущих стенах, а также при панельных стенах с длинами панелей, равными шагу колонн, необходимости в конструкциях фахверка нет.

При шаге наружных колонн 12 м и стеновых панелях длиной 6м устанавливаются промежуточные фахверковые стойки.

Конструкции покрытия.

Покрытие производственного здания состоит из

· кровельных (ограждающих) конструкций

· несущих элементов (прогонов, ферм, фонарей

· связей по покрытию.

Классификация:

-по конструктивному решению: с применением продольных прогонов и без них.

-по теплотехническим свойствам: теплыми (с утеплением) в отапливаемых здениях и холодными, без утепления, для не отапливаемых зданий, а также для горячих цехов, имеющих избыточное тепловыделение.

Покрытия с прогоном.

Прогоны устанавливают на верхний пояс стропильных ферм в узлах

В качестве прогонов применяют:

-балки из прокатных швеллеров или двутавров (в том числе и перфорированных) , гнутые профили при шаге стропильных ферм до 6 м.

-сквозные конструкции при шаге стропильных ферм 12 м.

Для теплых кровель в качестве несущих элементов, укладываемых по прогонам применяют:

-стальной профилированный настил из оцинкованной листовой стали.

-мелкоразмерные асбоцементные, армоцементные, керамзитобетонные плиты

-трехслойные панели, состоящие из двух металлических листов, между которыми расположен утеплитель.

Холодные кровли выполняют из профнастила, волнистых алюминиевых, стальных, или асбоцементных листов.

В горячих цехах целесообразна кровля из плоских стальных листов.

Сплошные прогоны, расположенные на скате кровли, работают на изгиб в двух плоскостях.

Чтобы уменьшить изгибающий момент от скатной составляющей, прогоны раскрепляют тяжами из круглой стали d=18 22мм, уменьшающими расчетный пролет прогона в плоскости ската.

Тяжи ставят между всеми прогонами, за исключением конькового.. При шаге ферм 6м ставят 1 тяж, при шаге 12 м или крутом скате ставят 2 тяжа.

Изгибающий момент в плоскости ската определяется как в неразрезной двух или трех пролетной балке.

Максимальные напряжения в прогоне от совместного действия изгиба в двух плоскостях

Прочность прогонов разрешается проверять с учетом развития пластических деформаций

Если кровельный настил крепится к прогонам жестко и образует сплошное полотнище, то скатная составляющая будет восприниматься самим полотнищем кровли. В этом случае необходимость в тяжах отпадает, и прогоны можно рассчитывать только на нагрузку q_x. Общую устойчивость прогонов не проверяют. Прогиб прогонов проверяют от нормативной нагрузки только в плоскости его большей жесткости. Он не должен превышать 1/200 пролета.

При шаге ферм 12 м применение сплошных прогонов увеличивает расход стали. В этом случае применяют сквозные прогоны.

Сквозные прогоны рассчитывают как фермы с соответствующей системой решетки.

Беспрогонное покрытие.

Беспрогонное покрытие решается с помощью крупноразмерных панелей или плит, укладываемых непосредственно на фермы. Продольные ребра плит опираются в узлы верхнего пояса и привариваются по 3 углам.

Для беспрогонного покрытия применяются:

-крупнопанельные унифицированные железобетонные плиты шириной 1,5 и 3м и длинной 6 и 12м.Недостатком крупногабаритных ж/б плит является их большой собственный вес.

-металлические панели с применением гнутых профилей, профилированного настила, алюминия, легких утеплителей шириной 1,5 и 3 м и длинной 6 и 12 м. Вес таких панелей в 4-5 раз меньше железобетонных. По сравнению с кровлей по прогонам металлические панели более индустриальны.

Для холодных кровель крупноразмерные панели применяются чаще, поскольку их конструкция довольно проста.

Фонари.

В зависимости от назначения фонари производственных зданий подразделяются на светоаэрационные и аэрационные.

Для пролета здания до 18м принимаются ширина фонаря 6м, для больших пролетов – 12м.

Поперечная конструкция фонаря состоит /из стоек, воспринимающих вертикальную нагрузку от покрытия и снега, и раскосов, служащих для обеспечения геометрической неизменяемости фонаря и восприятия ветровых нагрузок.

Рассчитывают фонари на нагрузки от покрытия, снеговую и ветровую по упрощенной схеме в предположении шарнирности всех узлов. Раскосы фонарей рассчитывают только на растяжение,

Колонны каркаса.

Типы колонн.

Стальные колонны могут быть трех типов: постоянного по высоте сечения, примененного по высоте сечения – ступенчатые и раздельные.

В колоннах постоянно по высоте сечения нагрузка от мостовых кранов передается на стержень колонн через консоли на которые опираются подкрановые балки.

Стержень колонны может быть сплошного или сквозного сечения. Достоинство колонн постоянного сечения (особенно сплошных) – их конструктивная простота и небольшая трудоемкость изготовления.

Эти колонны применимы при сравнительно небольших крановых нагрузках (Q до 150-200кН) и незначительной высоте цеха (h до 8-10м).

При кранах большой грузоподъемности выгоднее переходить на ступенчатые колонны, которые для одноэтажных производственных зданий являются основным типом колонн.

Подкрановая балка в этом случае опирается на уступ нижнего участка колонны и располагается на оси ее ветви, называемой подкрановой ветвью. Верхнюю часть колонны (надкрановую часть) проектируют сплошного сечения, нижнюю часть колонны (подкрановую часть) при ширине до 1 м включительно – сплошного, при большей ширине – сквозного сечения. В зданиях с кранами «особого» режима работы необходимо осматривать и ремонтировать подкрановые пути без остановки мостовых кранов. Поэтому колонны таких цехов или делают с уширенной нижней частью, чтобы иметь габарит прохода между краном и внутренней гранью верхней части колонны, или для прохода устраивают проем в верхней части колонны.

В раздельных колоннах подкрановую стойку проектируют из одного прокатного или сварного двутавра, связанного с шатровой колонной гибкими горизонтальными планками толщиной t=10 12мм.

Благодаря этому стойка работает только на осевую силу с расчетной длинной из плоскости рамы, равной расстоянию от низа башмака до низа подкрановой балки, и в плоскости рамы, равной расстоянию между планками.

Раздельные колонны применяют редко, они рациональны при низком расположении кранов большой грузоподъемности и удобны при расширении цеха.

Сплошная колонна.

Для колонн с небольшими усилиями, а также в случаях, когда изгибающий момент может действовать как в одну, так и в другую сторону применяют симметричные сечения из:

а) прокатного двутавра типа Ш или Б;

б) двутавра составного сечения.

При больших усилиях с односторонним моментом проектируют несимметричные сечения различного вида.

Расчет стержня колонны производится в такой последовательности:

1.6.2.1.1 Определяют расчетную длину колонны для верхней и нижней частей отдельно:

В плоскости рамы

l_x1= l₁расчетная длина нижней части;

l_x2= l₂расчетная длина верхней части,

где l₁ и l₂ – геометрические длины соответственно нижней и верхней частей колонны;

и – коэффициенты приведения расчетной длины, определяемые по СНиП или таблицам в учебнике.

Из плоскости рамы

l_y1=l₁ расчетная длина нижней части колонны

l_y₂=l₂– h_п.б. расчетная длина верхней части

где h_п.б.– высота подкрановой балки.

Компоновка сечения

По требуемой площади А_тр подбирают из сортамента широкополочный двутавр типа Ш или Б, или компонуют составное сечение из трех листов.

При составном сечении применяют для поясов листы ; для стенки .

Наиболее выгодным по расходу стали является тонкостенное сечение. Минимальная толщина листов ограничивается условиями местной устойчивости.

При компоновке сечения ориентировочная ширина полки может быть определена из условия

где l₂ – геометрическая длина верхней части колонны.

Ориентировочно толщина полки может быть определена из соотношения:

Ориентировочно толщина стенки может быть определена по формуле:

, .

Округлив полученные значения толщин стенки и поясов до целых значений в милиметрах, а ширину полки до значений, кратных 10 мм, определяют площадь полученного сечения.

Скомпонованное сечение должно удовлетворять требованиям, обеспечивающим местную устойчивость стенки и поясов (полок).

Устойчивость стенки обеспечивается, если её условная гибкость не превышает предельных значений

при , (4.2)

при ,

где условная гибкость стержня колонны

Толщина стенки из условия местной устойчивости получается довольно большой, что делает сечение неэкономичным, особенно при высоте сечения 700 мм и более.

В ряде случаев целесообразно уменьшить толщину стенки, приняв (t_w=6,8,10,12мм) и обеспечить ее устойчивость постановкой продольных ребер жесткости, расположенных с одной или с двух сторон стенки. Продольные ребра включаются в расчетное сечение колонны. Постановка продольных ребер увеличивает трудоемкость изготовления колонны и целесообразна только при большой ее ширине (более 1000мм).

Поскольку переход стенки в критическое состояние не ведет к потере несущей способности колонны, нормы проектирования допускают использование закритической работы стенки. В этом случае неустойчивую часть стенки «а» считают выключившейся из работы и расчетное сечение колонны включают два крайних участка стенки шириной по .

Исключение части стенки из расчетного сечения учитывается только при определении площади сечения А; все остальные геометрические характеристики определяются для целого сечения.

Устойчивость полок двутаврового сечения обеспечивается если

Обозначения смотреть рисунок раздела 2 ч. I.

Для других типов сечений указаны в нормах проектирования.

1.6.2.1.2.3 Определяют геометрические характеристики принятого сечения: A; I_x; I_y; W_x; i_x; i_y.

Требуемая площадь сечения

Определяется из комбинации с максимальным по абсолютному значению моментом

;

где N – максимальное из усилий N₁ и N₂;

– коэффициент снижения расчетного сопротивления при внецентренном сжатии; определяется по таблицам в зависимости от условной гибкости и приведенного эксцентриситета ;

;

l_x1 – расчетная длина нижней части колонны;

– коэффициент влияния формы сечения, определяемый по таблице.

; ; ;

P= -характеристика распределения материалов;

K= .

Затем определяем площадь полок

; ,

где .

Чаще всего стремятся к тому, чтобы А₁ А_2.

Компоновка сечения, проверка подобранного сечения и его корректировка, выполняются так же, как и для верхней части колонны.

1.6.2.1.4 Соединение верхней части колонны с нижней (траверса).

В ступенчатых колоннах подкрановые балки опираются на уступ колонны. Для передачи усилий от верхней части колонны и подкрановых балок на нижнюю часть в месте уступа устраивают траверсу.

Высоту траверсы принимают равной ширины нижней части колонны

h_тр=(0,5 0,8)b_н.

Усилие D_max через плиту толщиной 16 20 мм передается на стенку траверсы.

Стенка траверсы работает на сжатие и проверяется по формуле:

где l_см=b_о.р.+2t_п.л. – длина сминаемой поверхности;

b_о.р.– ширина опорного ребра подкрановой балки;

t_тр, t_пл– толщина стенки траверсы и плиты.

В запас прочности допустимо считать, что усилия M и N от верхней части колонны передаются только через полки верхней части колонны. Тогда усилие в полках колонны

где M и N – из расчета рамы.

Требуемая длина шва крепления вертикального ребра (полки верхней части колонны) к стенке траверсы (Ш1), исходя из условия приварки 4 швами, равна

Из условия равнопрочности полки верхней части колонны и шва крепления длину шва l_ш1 можно также определить и по предельному усилию в полке

N_п=A_fR_y,

где A_f – площадь полки верхней части колонны.

База колонны.

База является опорной частью колонны и предназначена для передачи усилий с колонны на фундамент.

Для сплошных колонн применяются общие базы.

Двустенчатая база с общими траверсами.

Двустенчатая база с раздельными траверсами

Для передачи момента на фундамент база внецентренно сжатой колонны развивается в плоскости действия момента, центр плиты обычно совмещается с центром тяжести колонны.

Если момент одного знака по абсолютному значению значительно больше момента другого знака, возможна конструкция базы с плитой, смещенной в сторону действия большего момента.

Под плитой в бетоне фундамента возникают нормальные напряжения , определяемые по формулам внецентренного сжатия:

;

где А_пл – площадь плиты;

W_пл – момент сопротивления плиты;

B, L – ширина и длина плиты.

При большом значении изгибающего момента под плитой возникают растягивающие напряжения. Поскольку плита на фундаменте лежит свободно, то для восприятия возможного растяжения устанавливают анкерные болты, которые являются расчетными элементами.

Ширина плиты «В» принимается на 100-200 мм шире сечения колонны. Из условия прочности бетона фундамента на сжатие ( ) из вышеприведенной формулы можно определить длину плиты

Данный расчет базы колонны аналогичен расчету базы центрально сжатой колонны.

Усилие в анкерных болтах определяют в предположении, что бетон не работает на растяжение сила F_а, соответствующая растянутой зоне эпюры напряжений, полностью воспринимаются анкерными болтами (см. рисунок).

Исходя из уравнения равновесия сил относительно центра тяжести сжатой зоны бетона M-Na-F_ay =0, усилие в анкерных болтах (с одной стороны базы) определяется по формуле

Требуемая площадь сечения одного анкерного болта

где а, y – см. по рисунку;

n – число анкерных болтов с одной стороны базы;

– расчетное сопротивление анкерного болта.

При проектировании базы следует учитывать способ установки колонны на фундамент (установка колонны на подкладки с последующей выверкой или «безвыверочный» метод).

Сквозная колонна.

Нижняя часть (подкрановая) решетчатой (сквозной) колонны состоит из двух ветвей – наружной (шатровой) и внутренней (подкрановой), связанных между собой соединительной решеткой в двух плоскостях (по граням ветвей).

Для колонны средних рядов проектируют обычно симметричного сечения с ветвями из прокатных профилей (двутавр типа Ш) или составного сечения.

Нижняя (решетчатая) часть колонны работает как ферма с параллельными поясами. От действующих в колонне расчетных усилий N и M в ее ветвях возникают только продольные усилия. Поперечную силу Q воспринимает решетка. Несущая способность колонны может быть исчерпана в результате потери устойчивости какой – либо ветви (в плоскости или из плоскости рамы) или в результате потери устойчивости колонны в целом (в предположении, что она работает как единый, сквозной стержень).

Расчет базы колонны.

Для сквозных колонн, как правило, проектируют раздельные базы (под каждую ветвь своя база). Ветви сквозной колонны работают на продольные осевые силы, поэтому их базы рассчитывают и конструируют как базы центрально – сжатых колонн.

Центр плиты совмещают с центром тяжести ветви, в противном случае в ветви колонны появляется, дополнительны момент.

Базу каждой ветви рассчитывают на свою комбинацию M и N, дающую наибольшие усилия сжатия в ветви в нижнем сечении колонны.

Усилия, передающиеся на базы, определяются по формулам

; .

При большом изгибающем моменте и небольшой продольной силе в одной из ветвей может возникнуть растягивающее усилие.

Это усилие воспринимается анкерными болтами и определяется по формуле

; .

Анкерные болты размещают по осям ветвей.

ГЛАВА 15

ПОДКРАНОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Общие сведения

Характеристика подкрановых конструкций. Подкрановые конструкции служат для передвижения кранов и воспринимают и передают на каркас здания нагрузки от подъемно-транспортного оборудования. Основным видом такого оборудования являются мостовые опорные и подвесные краны.

Комплекс подкрановых конструкций под мостовые опорные краны (рис.15.1) состоит из подкрановых балок или ферм 1, воспринимающих вертикальные нагрузки от кранов, тормозных балок (ферм) 2, воспринимающих поперечные горизонтальные воздействия, узлов крепления подкрановых конструкций, передающих крановые воздействия на колонны, крановых рельсов 3 с элементами их крепления и связей 4, обеспечивающих жесткость и неизменяемость подкрановых конструкций и упоров.

Рис. 15.1. Схема подкрановых конструкций:

а – схема нагрузок от мостового крана; б – состав подкрановых конструкций по среднему ряду; 1 – подкрановая балка; 2 – тормозная конструкция; 3 – рельс с креплениями; 4 – связи

Основные несущие элементы подкрановых конструкций – подкрановые балки – могут иметь различную конструктивную форму. Наиболее часто применяются сплошные подкрановые балки, как разрезные (рис. 15.2,а), так и неразрезные (рис. 15.2,б).

Рис. 15.2. Типы подкрановых конструкций:

а – разрезные балки; б – неразрезные балки

Подвесные краны (кран-балки) имею, как правило, небольшую грузоподъемность (до 5 т) и перемещаются по путям, прикрепляемым к конструкциям покрытия или перекрытия. Катки крана перемещаются непосредственно по нижним поясам балок путей (рис.15.3).

Рис. 15.3. Подвесное подъемно-транспортное оборудование:

а - тельфер; б – двухопорный кран; в – трехопорный кран; г – опирание катков на балку;

Рис. 15.4. Типы путей подвесных кранов:

а – прокатный двутавр; б – составной двутавр с ездовой полкой из тавра; в – составной двутавр с ездовой полкой из износостойкого тавра; г – перфорированная балка; д – схема путей с подвесками; 1 – подвеска; 2 - распорка

Для ремонта оборудования и для вспомогательных операций здания оборудуются тельферами, перемещающимися по монорельсовым путям из прокатных двутавров. При необходимости обслуживания узких зон помещения вдоль колонн в зданиях устанавливают подвижные консольные краны (рис.15.5).

Рис. 15.5. Схема путей консольного крана

Нагрузки. Нагрузки от крана передаются на подкрановую конструкцию через колеса (катки) крана, расположенные на концевой балке кранового моста. В зависимости от грузоподъемности крана с каждой стороны моста могут быть два, четыре и более катка (рис.15.6, а,б).

Рис. 15.6. Схемы нагрузок от мостовых кранов:

а, б – четырех- и восьмиколесного; в – двух сближенных четырех колесных

Подкрановые конструкции рассчитывают, как правило, на нагрузки от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности (рис.15.6, в) с тележками приближенными к одному из рядов колонн, т.е. в положении, при котором на подкрановые конструкции действуют наибольшие вертикальные силы. Одновременно к балке прикладываются и максимальные поперечные горизонтальные усилия.

Расчетные значения вертикальных и горизонтальных сил определяют по формулам:

;

, где

k – коэффициент динамичности, учитывающий ударный характер нагрузки при движении крана по неровностям пути и на стыках рельсов и принимаемый по таблице 15.1 в зависимости от режима работы крана и пролета подкрановых балок;

– коэффициент надежности по нагрузке;

максимальное усилие на катке крана (принимают по стандартам на краны);

определяют по формуле:

Таблица 15.1

Значения коэффициента динамичности

Режим работы кранов	Шаг колонн	k₁	k₂
1К-5К 6К-7К 8К	Независимо от В ≤12 >12 ≤12 >12	1,0 1,1 1,0 1,2 1,1	1,0 1,0 1,0 1,1 1,1

Проверку жесткости подкрановых балок выполняют на нагрузку от одного крана с коэффициентом надежности по нагрузке и без учета коэффициента динамичности.

Тормозные балки, используемые как площадки для обслуживания и ремонта крановых путей, рассчитывают на временную нагрузку, принимаемую по техническому заданию (обычно 1,5кН/м²).

Собственную массу подкрановых конструкций принимают по справочным данным.

Особенности действительной работы подкрановых конструкций. Работа подкрановых конструкций в условиях эксплуатации весьма сложна и существенно отличается от работы обычных балочных конструкций, что обусловлено спецификой нагрузок, характером их приложения и сложностью взаимодействия кранов с подкрановыми конструкциями.

Сосредоточенная вертикальная крановая нагрузка, достигающая больших значений (до 600-800кН), прикладывается в любой точке по длине балки и приводит к появлению в стенке сложного напряженного состояния при высоком уровне напряжений.

Вследствие внецентренного приложения вертикальной нагрузки (при случайных смещениях рельса с оси подкрановой балки) и поперечных горизонтальных сил, приложенных в уровне головки рельса, на верхний пояс балки действует дополнительный крутящий момент, вызывающий изгиб стенки. Вертикальные и боковые воздействия кранов носят динамический характер и часто сопровождаются рывками и ударами. Этому способствуют неровности кранового пути и перепады в стыках рельсов. Всё это приводит к появлению в подкрановых конструкциях повреждений в виде усталостных трещин, расстройства соединений и ослабления узлов и нарушает нормальную эксплуатацию.

Основными повреждениями подкрановых балок являются трещины в верхнем поясном шве и околошовной зоне, повреждения швов крепления тормозных конструкций к подкрановым балкам, повреждения элементов узлов крепления балок к колоннам. Преждевременному появлению повреждений способствуют дефекты изготовления и монтажа конструкций: низкое качество сварки, неточный монтаж, смещения рельса с оси подкрановой балки и т.д.

В наиболее тяжелых условиях работают подкрановые конструкции в зданиях, где эксплуатируются краны особого режима работы. Они отличаются высоким уровнем силовых воздействий и большим числом циклов загружения (2∙10⁶ циклов в год и более).

Нормы проектирования относят подкрановые конструкции к первой группе конструкций и регламентируют ряд специфических требований, которые необходимо учитывать при их проектировании. К мероприятиям, повышающим долговечность подкрановых конструкций, относятся: 1) разработка конструктивных решений, отвечающих действительным условиям работы подкрановых конструкций; 2) максимальное снижение концентрации напряжений; 3) использование сталей, обладающих повышенной вибрационной прочностью; 4) повышение качества изготовления и монтажа; 5) обеспечение постоянного надзора за состоянием подкрановых конструкций и своевременное устранение повреждений.

Сплошные подкрановые балки

Конструктивные решения. Типы сечений подкрановых балок зависят от нагрузки, пролета и режима работы кранов. При пролете 6м и кранах грузоподъемностью до 50т обычного режима работы применяют прокатные двутавры, усиленные для восприятия горизонтальных сил листом или уголками (рис.15.7, а), либо сварные двутавры несимметричного сечения (рис.15.7, б). Для больших пролетов и грузоподъемностей кранов применяют сварные двутавровые балки с горизонтальной тормозной конструкцией (рис.15.7, в). При кранах грузоподъемностью до 50т рациональны балки составного сечения из широкополочных тавров с тонкой стенкой-вставкой (рис.15.7, г). Такое решение на 20-30% снижает трудоемкость изготовления, а при использовании тонких стенок-вставок позволяет получить экономию стали до 3-4%.

Рис. 15.7. Типы сечений сплошных подкрановых балок

а – подкрановые двутавры; б – несимметричный составной двутавр; в – симметричный составной двутавр с тормозной конструкцией; г – составное сечение с поясами из тавров; д – двутавр с усиленным верхним поясом; е – двустенчатое сечение; ж – сечение со сменной верхней частью; з – клепаное сечение

Для снижения расхода стали сварные балки иногда проектируют из двух марок стали, стенку – из низкоуглеродистой, пояса – из низколегированной.

Высокая интенсивность работы кранов особого режима часто приводит к появлению повреждений в верхней зоне стенки подкрановых балок. В таких балках для снижения уровня местных напряжений в стенке, возникающих от внецентренного приложения крановой нагрузки, целесообразно увеличить крутильную жесткость верхнего пояса путем постановки вертикальных или наклонных элементов (ламелей) (рис.15.7, д) или использовать двустенчатые сечения (рис.15.7, е). Применение под краны особого режима работы балок из широкополочных тавров (рис.15.7, г) также позволяет повысить их долговечность, поскольку в этом случае сварной шов, являющийся концентратором напряжений и источником остаточных сварочных напряжений, переносится в менее напряженную зону стенки.

Повышенной долговечностью отличается также решение подкрановых балок со сменной верхней частью из широкополочного двутавра, прикрепляемой на высокопрочных болтах, разработанное в Новосибирском инженерно-строительном институте (рис.15.7, ж).

Рис. 15.8. Тормозные балки

а, б и в – по крайним рядам; г и д – по средним рядам; 1 – листовой шарнир; 2 – ребро жесткости; 3 – вспомогательная ферма; 4 – связевая ферма

При пролете балок до 12м и кранах режимов работы 1К – 6К грузоподъемностью до 50т для восприятия горизонтальных поперечных сил достаточно развить сечение верхнего пояса (рис.15.7, а, б). При больших пролетах балок и для кранов грузоподъемностью 50т и больше устанавливают специальные тормозные конструкции – тормозные балки со стенкой из рифленого листа толщиной 6 – 8 мм (рис.15.8, а).

Для крайних рядов поясами тормозной балки являются верхний пояс подкрановой балки и окаймляющий швеллер или пояс вспомогательной фермы. При пролете балок 12м наружный пояс крепится к стойке фахверка. Для того чтобы горизонтальные смещения балок не передавались на стену здания, это крепление выполняется с помощью листового шарнира (рис.15.8, а). По средним рядам поясами тормозной балки являются верхние пояса балок смежных пролетов (рис.15.8, г, д).

Расчет подкрановых балок. Расчет подкрановых балок во многом аналогичен расчету обычных балок. Однако он имеет особенности, обусловленные подвижной нагрузкой, вызывающей большие местные напряжения под катками крана, воздействием не только вертикальных, но и горизонтальных сил, динамичностью нагрузки и многократностью её приложения.

Рис. 15.9. Расчетные схемы к определению расчетных усилий в разрезных подкрановых балках:

а – наибольший изгибающий момент; б – наибольшая поперечная сила

Расчетные усилия. Наибольшие изгибающие моменты и поперечные силы в подкрановых балках находят от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности. Так как нагрузка подвижная, то сначала нужно найти такое её положение, при котором расчетные усилия в балке будут наибольшими.

Наибольший изгибающий момент в разрезной балке от заданной системы сил возникает тогда, когда равнодействующая всех сил, находящихся на балке, и ближайшая к ней сила равноудалены от середины пролета балки (рис.15.9, а); при этом наибольший изгибающий момент M_max будет находиться под силой, ближайшей к середине пролета балки (правило Винклера).

Поскольку сечение с наибольшим моментом расположено близко к середине пролета балки, значение M_max можно определить, пользуясь линией влияния момента в середине пролета. Погрешность не превышает 1 – 2%.

Наибольшая поперечная сила Q_max в разрезной балке будет при таком положении нагрузки, когда одна из сил находится непосредственно у опоры, а остальные расположены как можно ближе к этой же опоре (рис.15.9, б).

Расчетные значения изгибающего момента и поперечной силы от вертикальной нагрузки определяют по формулам:

;

, где – коэффициент сочетания; – ординаты линий влияния момента и поперечной силы; значения коэффициента , учитывающего влияние массы балки.

Расчетный изгибающий момент М_у и поперечную силу Q_y от горизонтальной поперечной нагрузки находят при том же положении кранов:

;

Проверка прочности подкрановых балок. Под действием вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок подкрановая балка и тормозная конструкция работают как единый тонкостенный стержень на косой изгиб с кручением (рис.15.10, а).

Так как линия действия усилий проходит вблизи центра изгиба, влияние кручения невелико, поэтому при расчете балок условно принимается, что вертикальная нагрузка воспринимается только сечением подкрановой балки (без учета тормозной конструкции), а горизонтальная – только тормозной балкой, в состав которой входят верхний пояс подкрановой балки, тормозной лист и окаймляющий его элемент (или верхний пояс смежной подкрановой балки). Таким образом, верхний пояс балки работает как на вертикальную, так и на горизонтальную нагрузку, и максимальные напряжения в точке А (рис.15.10, б) можно определить по формуле:

;

соответственно в нижнем поясе

;

, где – момент сопротивления верхнего пояса; – то же, нижнего пояса; – момент сопротивления тормозной балки для крайней точки верхнего пояса (точка А).

Рис. 15.10. Расчетные схемы подкрановых балок:

а – сечение балки и эпюра нормальных напряжений в тонкостенном стержне; б – эпюра напряжений в условной расчетной схеме

Касательные напряжения в стенке подкрановых балок определяют так же, как и в обычных балках.

Рис. 15.11. Местные напряжения в стенке подкрановых балок под колесом крана: а – в сварной балке

Действующая на балку сосредоточенная нагрузка от колеса крана распределяется рельсом и поясом на некоторый участок стенки, и в ней возникают местные нормальные напряжения (рис.15.11). Действительная эпюра распределения этих напряжений (пунктирная линия) заменяется равновеликой (сплошная линия) из условия равенства и максимальных значений. Прочность стенки на действие максимальных местных напряжений проверяют по формуле:

, где F_k – расчетная нагрузка на колесе крана без учета динамичности; – коэффициент увеличения нагрузки на колесе, учитывающий возможное перераспределение усилий между колесами и динамический характер нагрузки, принимается равным: 1,6 – при кранах режима 8К с жестким подвесом груза; 1,4 – при кранах 8К с гибким подвесом груза; 1,3 – при кранах 7К; 1,1 – при прочих кранах; t_w – толщина стенки; - условная (расчетная) длина распределения усилия , зависит от жесткости пояса, рельса и сопряжения пояса со стенкой и определяется по формуле:

, где – коэффициент, учитывающий степень податливости сопряжения пояса и стенки; для сварных балок 3,25 , для клепаных 3,75; – сумма собственных моментов инерции пояса и кранового рельса или общий момент инерции в случае приварки рельса швами, обеспечивающими совместную работу рельса и пояса.

Стенку сварной подкрановой балки следует проверить также на совместное действие нормальных, касательных и местных напряжений на уровне верхних поясных швов по формуле:

, где – коэффициент, равный 1,15 при расчете разрезных балок и 1,3 – при расчете сечений на опорах неразрезных балок.

Расчет на выносливость выполняют для подкрановых балок при числе циклов загружения на нагрузку от одного крана с пониженным нормативным значением. В разрезных подкрановых балках из сталей обычной или повышенной прочности при коэффициенте асимметрии цикла усталостная прочность сечения, как правило, обеспечена.

Расчет на выносливость выполняют по формуле:

, где – напряжения в поясе от вертикальной крановой нагрузки; – коэффициент, учитывающий число циклов загружения; R_v – расчетное сопротивление усталости, принимаемое в зависимости от временного сопротивления стали и конструктивного решения; – коэффициент, зависящий от вида напряженного состояния и коэффициента асимметрии ρ.

Значения R_v, и определяют по СНиП.

Проверка прогиба подкрановых балок. Производится по правилам строительной механики или приближенным способом от одного крана без учета коэффициента динамичности. С достаточной точностью прогиб разрезных подкрановых балок может быть определен по формуле:

, где – изгибающий момент в балке от нагрузки одного крана с =1,0.

Предельно допустимый прогиб подкрановых балок установлен из условия обеспечения нормальной эксплуатации кранов и зависит от режима их работы. Для режимов работы 1К–6К [f]=(1/400)l, 7К– (1/500)l, 8К– (1/600)l.

Общую устойчивость подкрановых балок проверяют так же, как обычных балок. При наличии тормозных конструкций общая устойчивость балки, как правило, обеспечена и не требует проверки.

Проверка местной устойчивости элементов подкрановых балок. Местная устойчивость элементов подкрановой балки проверяется так же, как и обычных балок. Устойчивость поясного листа обеспечивается отношением свеса сжатого пояса к его толщине. Наибольшее отношение свеса к толщине принимается без учета пластических деформаций по формуле:

Устойчивость стенки подкрановой балки проверяется с учетом местных нормальных напряжений по формуле:

, где , – краевое сжимающее и среднее касательное напряжения в стенке; – определяется по формуле; , , – критические напряжения; =1,0 – коэффициент условий работы.

Ребра жесткости, обеспечивающие местную устойчивость стенки, должны иметь ширину не менее 90 мм. Двусторонние ребра жесткости согласно нормам не должны привариваться к нижним поясам балок. Торцы ребер следует плотно пригнать к верхнему поясу, при этом в балках под краны особого режима работы торцы ребер необходимо строгать.

Подбор сечения подкрановых балок. Подбор сечения подкрановых балок выполняют в том же порядке, что и обычных балок. Из условия общей прочности определяют требуемый момент сопротивления. Влияние горизонтальных поперечных нагрузок на напряжение в верхнем поясе подкрановых балок можно учесть коэффициентом β, тогда формула примет вид:

Значение коэффициента β определяют из выражения

Ширину сечения тормозной конструкции h_т при компоновке рамы принимают примерно равной h_н; высоту балки задают в пределах (1/8 – 1/10)l (большие значения принимают при большей грузоподъемности крана).

Вычисляем требуемый момент сопротивления:

Оптимальную высоту балки и толщину стенки устанавливают аналогично расчету простых балок.

При определении минимальной высоты необходимо учесть, что жесткость подкрановых балок проверяется на нагрузку от одного крана, поэтому предварительно (по линии влияния или по правилу Винклера) находят максимальный момент от загружения балки одним краном M_x при коэффициенте =1,0.

Из условия полного использования материала балки при загружении расчетной нагрузкой h_min определяют по формуле:

, где [ f/ l ] – максимальный регламентируемый нормами прогиб подкрановых конструкций.

Окончательную высоту балки устанавливают с учетом ширины листов (с припуском для строжки кромок) или в целях унификации конструкций принимают кратной 100мм. Определив требуемую площадь полки, назначают её размеры из условий местной устойчивости при упругой работе и возможности размещения рельса с креплениями.

После компоновки проводят все проверки принятого сечения.

Крановые упоры.

В торцах здания на подкрановых балках устанавливают упоры, которые ограничивают рабочую зону крана.

Энергия удара движущегося крана настолько велика, что запроектировать упор, ударившись о который, кран бы остановился и упор остался неповрежденным, очень трудно.

Поэтому устанавливают концевые выключатели и систему автоблокировки, обеспечивающие отключение и торможение крана у торцов здания. Упор рассчитывают как консоль на условную силу удара.

2 Большепролетные покрытия
с плоскими несущими конструкциями

Балочные конструкции

Балочные большепролетные конструкции применяют в случаях, когда опоры не могут воспринять распорных усилий.

Балочные системы при больших пролетах тяжелее рамных или арочных, но проще в изготовлении и монтаже.

Балочные системы применяют преимущественно в общественных зданиях – театрах, концертных залах, спортивных сооружениях.

Основными несущими элементами балочных систем применяемых при пролетах 50-70 м и более являются фермы; сплошные балки при больших пролетах невыгодны по затрате металла.

Основными достоинствами балочных конструкций является четкость работы, отсутствие распорных усилий и нечувствительность к осадкам опор. Главный недостаток – сравнительно большой расход стали и большая высота, вызванные большими пролетными моментами и требованиями жесткости.

Рис. 1, 2, 3

Из этих условий балочные большепролетные конструкции применяют обычно при пролетах до 90м. Несущие фермы больших пролетов могут иметь различное очертание поясов и системы решеток (рис. 1, 2, 3).

Сечения стержней большепролетных ферм с усилиями в стержнях свыше 4000-5000 кН обычно принимают составными из сварных двутавров или прокатных профилей.

Большая высота ферм не позволяет перевозить их по железной дороге в виде собранных отправочных элементов, поэтому они поступают на монтаж россыпью и укрупняются на месте.

Элементы соединяют сваркой или высокопрочными болтами. Применять болты повышенной точности и заклепки не следует из-за большой трудоемкости.

Рассчитывают большепролетные фермы и подбирают их сечения аналогично легким фермам промышленных зданий.

Вследствие больших опорных реакций возникает необходимость передачи их строго по оси узла фермы, в противном случае могут возникнуть значительные дополнительные напряжения.

Четкая передача опорной реакции может быть достигнута посредством тангенциальной (рис.4) или специальной балансирной опоры (рис. 5).

При пролетах 60-90м становится существенным взаимное смещение опор из-за прогиба фермы и ее температурных деформаций. В этом случае одна из опор может быть катковой (рис.6), допускающей свободные горизонтальные перемещения.

Если фермы устанавливаются на высокие гибкие колонны, то даже при пролетах до 90м обе опоры могут быть неподвижными из-за податливости верхних частей колонн.

Большепролетные балочные системы могут состоять из трехгранных ферм с предварительным напряжением, удобных в изготовлении, транспортировке и монтаже (рис.7).

Включение в совместную работу на сжатие ж/б плиты, уложенной по верхним поясам фермы, использование трубчатых стержней и предварительного напряжения делают такие фермы экономичными по затрате металла.

Рис. 7

Рациональной системой для пролетов 40-60 м является объемно-блочная предварительно напряженная конструкция, в которой несущая конструкция совмещена с ограждающей (рис. 8).

Рис. 8

Конструкция состоит из объемных блоков, включающих две вертикальные фермы высотой 2,5 м, расставленные на расстоянии 3 м и соединенные по верхним и нижним поясам стальными листами δ=16 мм. Балка собирается из отдельных блоков длиной 10-12 м.

Стальные листы включаются в расчетные сечения верхнего и нижнего поясов ферм.

Чтобы тонкий лист мог работать на сжатие, в нем создается предварительное растягивающее напряжение по величине большей сжимающего напряжения от нагрузки.

Рамные конструкции

Рамы, перекрывающие большие пролеты, могут быть двухшарнирные и бесшарнирные.

Бесшарнирные рамы более жестки, экономичнее по расходу металла и удобнее в монтаже; однако они требуют более массивные фундаменты с плотными основаниями для них и более чувствительны к температурным воздействиям и неравномерным осадкам опор.

Рамные конструкции по сравнению с балочными более экономичны по затрате металла и более жестки, благодаря чему высота ригеля рамы имеет меньшую высоту, чем высота балочных ферм.

Рамные конструкции применяются для пролетов до 150м. При дальнейшем увеличении пролетов они становятся неэкономичными.

В большепролетных покрытиях применяются как сплошные, так и сквозные рамы.

Сплошные рамы применяются редко при небольших пролетах (50-60 м), их преимущества: меньшая трудоемкость, транспортабельность и возможность уменьшения высоты помещения.

Наиболее часто применяются рамы с шарнирным опиранием. Высоту ригеля рам рекомендуется принимать равной: при сквозных фермах 1/12-1/18 пролета, при сплошных ригелях 1/20 – 1/30 пролета.

Рамы рассчитывают методами строительной механики. В целях упрощения расчета легкие сквозные рамы можно приводить к эквивалентным им сплошным рамам.

Тяжелые сквозные рамы (типа тяжелых ферм) должны рассчитываться как решетчатые системы с учетом деформации всех стержней решетки.

При больших пролетах (более 50 м) и невысоких жестких стойках необходимо производить расчет рам на температурные воздействия.

Ригели и стойки сплошных рам имеют сплошные двутавровые сечения; их несущая способность проверяется по формулам для внецентренно сжатых стержней.

В целях упрощения расчета решетчатых рам их распор допускается определять как для сплошной рамы.

Рекомендуется следующий порядок расчета большепролетных рам:

1. приближенным расчетом устанавливают предварительные сечения поясов рамы;

2. определяют моменты инерции сечений ригеля и стоек по приближенным формулам;

3. рассчитывают раму методами строительной механики; расчетную схему рамы следует принимать по геометрическим осям;

4. определив опорные реакции, находят расчетные усилия во всех стержнях, по которым окончательно подбирают их сечения.

Типы сечений, конструкция узлов и соединения рамных ферм такие же, как и для тяжелых ферм балочных конструкций.

Уменьшение изгибающего момента в ригеле рамы можно получить путем передачи веса стены или покрытия пристроек, примыкающих к главному пролету, на внешний узел стойки рамы.

Другим искусственным приемом разгрузки ригеля является смещение в двухшарнирной раме опорных шарниров с оси стойки внутрь. В этом случае вертикальные опорные реакции создают дополнительные моменты, разгружающие ригель.

Арочные конструкции

Арки применяются в павильонах, крытых рынках, ангарах, спортивных залах и т.п.

По затрате металла арки оказываются значительно выгоднее, чем балочные и рамные системы. Кроме того арки просты в изготовлении и монтаже.

Двухшарнирные арки (рис.1) могут легко деформироваться вследствие свободного поворота в шарнирах, и, благодаря этому, в них не возникает существенное увеличение напряжений от температурных воздействий и осадок опор.

Трехшарнирные арки (рис.2) не имеют особых преимуществ по сравнению с двухшарнирными, поскольку их статическая определимость при достаточной деформативности арочных конструкций существенного значения не имеет.

Наличие ключевого шарнира усложняет конструкцию арок и устройство кровельного покрытия.

Бесшарнирные арки (рис. 3) имеют наиболее благоприятное распределение изгибающих моментов по пролету и поэтому оказываются самыми легкими; однако они требуют массивных опор и их приходится рассчитывать на температурные воздействия.

При наличии затяжки опоры воспринимают (в основном) вертикальные нагрузки и поэтому получаются более легкими.

Затяжка может одновременно использоваться для устройства подвесного потолка и для создания предварительного напряжения в арках.

Очертание арок выбирается близким к линии давления. При симметричной, равномерно распределенной по хорде арки нагрузке (в пологих арках ) наиболее выгодным является очертание арки по квадратной параболе. Параболу часто заменяют дугой окружности, что в пологих арках не приводит к существенному изменению усилий, но значительно упрощается проектирование и изготовление арок, поскольку при постоянной кривизне дуги достигается наибольшая стандартизация конструктивных элементов и узлов арки.

Для высоких арок с большим собственным весом целесообразно принимать очертание по цепной линии (катеноиду), Однако в высоких арках большие усилия вызывает ветровая нагрузка, которая может действовать с обеих сторон и давать две резко расходящиеся линии давления. В этом случае очертание арки целесообразно принимать по середине между двумя крайними линиями давления.

В многопролетных арках распоры смежных пролетов в значительной мере уравновешиваются, и средние опоры работают на изгиб только от односторонней временной вертикальной и ветровой нагрузок.

Двухшарнирные сплошные арки проектируют чаще всего с параллельными поясами (рис. 4)

Сквозные арки делают или с параллельными поясами или, при большой высоте арки, с переломом наружного пояса, который над опорами имеет вертикальные участки (Рис. 5) Около опор пояса арок сближаются и заканчиваются опорным устройством – шарниром.

Высоту сечения сплошных арок назначают в пределах (1/50÷1/80) пролета, сквозных – в пределах (1/30÷1/60) пролета. Возможность применения в арках небольшой высоты сечения объясняется малой величиной изгибающих моментов.

Сплошные арки проектируются сварными с сечением в виде широкополочного двутавра (как и в сплошных рамах), в пологих арках продольные силы велики, поэтому стенку поперечного сечения арки можно назначать большей толщины, чем в раме.

Сквозные арки проектируются аналогично легким фермам. Пояса их компонуются из двух уголков или из двух легких швеллеров.

При больших усилиях применяются двухстенчатые сечения. Если кривая давления не выходит за пределы высоты сечения, то оба пояса оказываются сжатыми и тогда особое внимание необходимо обратить на обеспечение устойчивости. Сечения элементов, поскольку поперечная сила мала, подбирают по гибкости из уголков или из небольших швеллеров. Криволинейное очертание сплошных арок усложняет их изготовление.

Сквозные арки в целях упрощения изготовления могут иметь ломаное очертание. В арках применяется также предварительное напряжение или регулирование усилий.

Одним из приемов рационального распределения усилий является принудительное смещение опорных узлов наружу после установки арки на опоры. При этом в нижнем поясе и раскосах арки возникает растягивающие напряжения, которые могут быть достаточными для погашения сжимающих напряжений от внешней нагрузки. В этом случае нижний пояс и решетка арки могут быть выполнены из стальных канатов, а верхний пояс – жестким.

Наиболее сложными конструктивными узлами в арках, так же как и в рамах, являются опорные и ключевые шарниры.

Опорные шарниры могут быть трех типов: плиточные, пятниковые и балансирные.

Плиточные шарниры имеют наиболее простую конструкцию. Применяются они при сравнительно небольших опорных давлениях и преимущественно при вертикальном положении примыкающей к шарниру части арки.

Пятниковые шарниры имеют специальное опорное гнездо – пятник, в который вставляется закругленная опорная часть арки. Пятник делают литым или сварным из листовой стали.

Балансирные шарниры применяют в тяжелых арках. Конструкция шарнира состоит из верхнего и нижнего балансиров, в гнезда которых укладывают плотно пригнанную цилиндрическую цапфу. Арку крепят к верхнему балансиру через плиту, которую приваривают к контуру опорного сечения арки и притягивают болтами к балансиру. Торцы опорных сечений арки обычно фрезеруют.

Для восприятия отрицательных реакций от действия ветра может появиться необходимость крепления легких и высоких арок к опорам анкерными болтами. Анкерные болты следует располагать по оси арки, чтобы они не мешали свободному повороту конструкции в опорных шарнирах, закрепляют анкеры в консолях, приваренных к стенке арки (см. плиточный шарнир).

В ключе арки также могут быть применены плиточные или балансирные шарниры (рис.7а, б), которые проектируются аналогично опорным. В ключе легких арок могут применяться листовые (рис.7в) или болтовые (рис.7г) шарниры.

Арочные конструкции рассчитывают на вертикальные (собственный вес, снег) и ветровые нагрузки. Температурные воздействия для арок обычно несущественны. Вертикальные нагрузки относят к основным сочетаниям нагрузок, ветровые и температурные воздействия – к дополнительным, величина которых при определении расчетного усилия принимается с коэффициентом сочетания n_c = 0,9.

Существенной нагрузкой для арочных конструкций является давление ветра. Ветровая нагрузка для арочных покрытий, не имеющих стен, принимается по упрощенной схеме.

Расчетный коэффициент обтекания имеет положительное значение только в первой четверти дуги арки с наветренной стороны; в средней части дуги коэффициент обтекания имеет max по абсолютной величине отрицательное значение (отсос) и в последней четверти величина его резко падает, сохраняя отрицательное значение.

Ветровое давление считается приложенным нормально к поверхности арочного покрытия. Отрицательные ветровые усилия в высоких арках при малом собственном весе арки могут вызвать отрицательные опорные реакции.

На величину ветрового давления существенное влияние оказывают открытые проемы. При открытых торцах арочных покрытий ветер направленный параллельно торцам, обтекает сооружение с двух сторон, и внутри образуется вакуум, увеличивающий положительное давление на арки и уменьшающий отсос.

Для покрытий, торцы которых могут быть открытыми (навесы, вокзальные перекрытия и т.п.) необходимо учитывать возможные комбинации трех видов ветровых нагрузок:

1) бокового или торцового давления ветра на сооружение;

2) вакуума, создаваемого вследствие отсоса воздуха из-под арочного покрытия;

3) действия ветра внутри сооружения, который попадает под покрытие через широкие проемы и создает отрицательное давление.

Последние два вида нагрузок не нормированы и устанавливаются специальными техническими условиями для данного сооружения или на основе аэродинамических испытаний на моделях.

Конструкции арочных покрытий при расчете расчленяют на отдельные элементы (арки, прогоны и т.п.) и рассчитывают методами строительной механики (определяют M , Q , N).

Сечения стержней сквозных арок подбирают так же, как сечения стержней ферм. Арка как криволинейный сжатый брус требует проверки устойчивости.

Структурные конструкции.

В современном строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, называемые структурными конструкциями или просто структурами (модули).

Структурные конструкции чаще применяются в виде плоских покрытий большепролетных общественных и производственных зданий; реже они применяются в криволинейных покрытиях (сводах, куполах и т.п.).

Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрестных ферм (рис.9)

Количество пересекающихся в одном узле ферм, а также их вертикальное или наклонное положение дают разнообразное структурные построения. В каждой структуре можно выделить свой многократно повторяющийся объемный элемент, называемый кристаллом (рис.10).

Структуры, образованные из перекрестных ферм, идущих в трех направлениях (рис.9а), имеют статически неизменяемые кристаллы, могут работать на кручение и поэтому являются наиболее жесткими. Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях (рис.9б) имеют статически изменяемые кристаллы, они не работают на кручение и поэтому менее жестки.

Структуру из ферм, идущих в двух направлениях, можно усилить диагоналями в угловых зонах (рис.9в)

Не усложняя систему можно увеличить жесткость конструкции, включив в совместную работу со структурой кровельный настил (металлический и ж/б).

Структурные плоские покрытия обладают рядом достоинств, определяющих область их рационального применения.

Благодаря большой пространственной жесткости структурными конструкциями можно перекрывать пролеты более 50 м при небольшой строительной высоте 1/15÷1/20 пролета, что позволяет получить выразительное архитектурное решение.

Регулярность строения конструкции позволяет собирать из одних стандартных элементов покрытия разных пролетов и конфигураций в плане.

Частая сетка узлов дает возможность осуществлять крепление подвесного транспорта в любой точке и изменять при необходимости направление его движения. Многосвязность системы повышает степень ее надежности при внезапных местных разрушениях.

К недостаткам структурных систем относится повышенная трудоемкость их изготовления и сборки. Этот недостаток частично компенсируются однородностью операции при изготовлении и сборке, что создает условия для поточного производства стандартных конструктивных элементов.

Системы могут быть как однопролетные, так и неразрезные многопролетные, с опиранием на стены, фермы или на отдельно стоящие колонны с развитыми капителями, в виде безбалочных перекрытий или подвешенные к вантовой системе.

Оптимальный угол наклона раскосов из условия минимального веса структуры равен 45°, практически этот угол принимается в пределах 35-50°. Применение в структурах низколегированных и высокопрочных сталей становится рациональным при пролетах более 40 м, применение стержней трубчатого сечения может дать до 25 % экономии стали по сравнению со стержнями из прокатного профиля. Структурная конструкция представляет собой многократно статически неопределенную систему, точный расчет которой сложен.

В общем случае можно применить упрощенный подход, рассматривая конструкцию как ортотропную (одинаковые свойства в одном направлении) пластинку с упругими характеристиками и граничными условиями, соответствующими стержневой конструкции. При такой расчетной схеме учитываются действия как изгибающих так крутящих моментов.

В практике проектирования структуры чаще рассчитывают как изотропные плиты или как системы перекрестных ферм (при квадратных ячейках сеток поясов) без учета крутящих моментов. Величины моментов и поперечных сил определяют по таблицам для расчета плит.

Получив из расчета плиты величины расчетных значений М_пл и Q _пл переходят к расчетным усилиям стержня по соответствующим формулам. Прогибы также вычисляют по таблицам для изотропных и перекрестных ферм. Этот метод расчета дает запас прочности. Наиболее эффективно структуры работают на сосредоточенные нагрузки.

Оболочки

Односетчатые оболочки.

Односетчатые оболочки, перекрывающие прямоугольное в плане здание, проектируются в виде цилиндрической поверхности, по которой расположены стержни, образующие сетки различной системы.

Наиболее проста сетка ромбического рисунка (рис.11б), не имеющая продольных элементов, что не обеспечивает необходимой жесткости конструкции в продольном направлении. Такая конструкция работает как свод в поперечном направлении (с пролетом В), передавая нагрузку на продольные стены (вдоль стороны L).

Распор свода должен восприниматься стенами или затяжками, соединяющими обвязки свода, укладываемые на стену. Стержни изготавливаются из прокатных или штампованных профилей, труб, а в тяжелых сводах стержни выполняются в виде сквозных прутковых прогонов или фермочек небольшой высоты (1/80÷1/120) пролета В.

При расчете свода вырезается полоса шириной в одну ячейку «а», для которой определяют значения изгибающих моментов и нормальных сил.

Жесткость конструкции при наличии в сетках продольных элементов увеличивается (рис.11в). Конструкция может работать как оболочка пролетом L. Опорами оболочки могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовой диафрагмой (рис.11а). Чтобы увеличить жесткость оболочки, крайние свободные грани усиливают вертикальными и горизонтальными бортовыми элементами.

Наиболее жесткими с минимальной металлоемкостью являются сетки с продольными и поперечными стержнями (ребрами), а решетка направлена к ним под углом 45° (рис.11д). Наличие поперечных ребер даже с небольшим моментом инерции уменьшает деформацию поперечного контура, перераспределяя изгибающие моменты и выравнивая эпюру нормальных напряжений по всему поперечному сечению.

Конструкции оболочек отличаются от сводов тем, что собираются из отдельных плоских ферм, соединяемых на монтаже вдоль продольных элементов (ребер) болтами.

Односетчатыми оболочками можно перекрывать пролеты до 90м.

Оболочки без поперечных ребер рассчитывают как безмоментные складки. При наличии поперечных ребер, обеспечивающих жесткость контура, расчет производится по моментной теории. Если нагрузка расположена в поперечном направлении симметрично, то жесткую оболочку, особенно укрепленную бортовыми элементами, можно рассчитывать как балку, опертую на торцовые диафрагмы.

При расчете сквозных сетчатых оболочек сквозные стержни (ребра) заменяют для упрощения сплошными пластинками. Толщина пластинки должна быть эквивалентной стержневой системе по работе на сдвиг (при действии сдвигающих усилий) или на растяжение и сжатие (при действии осевых усилий). Приведенная толщина эквивалентной сплошной пластинки зависит от типа решетки.

Двухсетчатые оболочки

Конструктивные схемы двухсетчатых оболочек аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит-структур.

Как и в структурах, двухсетчатые оболочки образуются системами перекрестных ферм, связанных по верхним и нижним поясам дополнительными связями – решеткой.

По верхнему поясу решетка (в плоскости сетки) может быть заменена кровельным металлическим настилом, прикрепленным к поясам ферм. В оболочках основная роль в восприятии усилий принадлежит криволинейным сетчатым плоскостям, соединяющая их решетка мало участвует в передаче усилий, но придает конструкции большую жесткость.

По сравнению с односетчатыми оболочками двухсетчатые обладают большей жесткостью и несущей способностью, поскольку в них верхняя и нижняя сетчатые системы работают как обычные оболочки, то есть распределяют внутренние усилия в двух направлениях, передают значительную долю нагрузки непосредственно на опоры, разгружая соединяющую решетку. Жесткость продольных ферм (поясов и решетки) существенно увеличивает эффект продольной передачи усилий; жесткость поперечных ферм существенно уменьшает деформативность контура поперечного сечения оболочки. Двухсетчатыми оболочками перекрывают пролеты до 700м. Они чаще проектируются в виде цилиндрической поверхности, опирающейся на продольные стены (свод) или на металлические колонны. Наивыгоднейшее распределение усилий в оболочке получается при равенстве пролета и длины оболочки B = L (рис.11а). По торцам оболочки опираются на жестки диафрагмы – стены, фермы, арки с затяжками и т.п.

Двухсетчатые оболочки по характеру своей работы аналогичны трехслойной оболочке, у которой заполнителем служит решетка.

При расчете оболочки стержневую сетчатую поверхность приводят к эквивалентной сплошной оболочке, устанавливают модуль сдвига среднего слоя, эквивалентного по жесткости соединительной решетке.

При расчете тонких оболочек ( ) деформации сдвига среднего слоя пренебрегают; оболочку рассчитывают как однослойную, сплошную с приведенной толщиной и модулем упругости.

Более толстые оболочки ( ) также могут рассматриваться как сплошные, только их цилиндрическая жесткость определяется с учетом деформации решетки.

Переход от расчетных погонных усилий в эквивалентной сплошной оболочке к усилиям в отдельных стержнях двухсетчатой оболочки осуществляется по соответствующим формулам.

Купольные покрытия.

Конструкции куполов бывают трех видов: ребристые, ребристо-кольцевые, сетчатые.

3.3.1 Ребристые купола.

Конструкции ребристых куполов состоят из плоских или пространственных ребер, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами. Верхние пояса ребер образуют поверхность купола, обычно сферическую. Ребра купола могут быть сквозными (в виде легких ферм) или сплошного сечения. Сплошные ребра тяжелее сквозных, но более просты в изготовлении. В вершине купола располагается кольцо, к которому примыкают ребра купола. Кольцо проектируется жестким; оно работает на изгиб с кручением, поскольку пара ребер, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных кольцом, рассматривается как единая арочная конструкция. При шарнирном креплении ребер к кольцу и небольшом его диаметре можно считать, что ребра работают как трехшарнирные арки.

Иногда при частом расположении ребер или по архитектурным соображениям кольцо получается больших размеров. Тогда с целью повышения устойчивости и жесткости кольцо раскрепляют внутренними распорками.

Ребристые купола являются распорной системой. Распор может быть воспринят конструкцией стен или специальным опорным кольцом. Опорное кольцо служит затяжкой ребер и рассчитывается на тангенциальные составляющие их реакции. Опорное кольцо может быть изогнуто по окружности, а также в виде многоугольника с жесткими или шарнирными соединениями в углах. На основание кольцо укладывается свободно и должно быть закреплено только от горизонтального смещения при действии ветровой нагрузки. Между ребрами укладываются кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Кольцевые прогоны обеспечивают общую устойчивость ребер купола из их плоскости, уменьшая расчетную длину ребер. Для обеспечения общей жесткости купола в плоскости кровли между ребрами устанавливают связи.

При расчете на вертикальную, симметричную относительно вертикальной оси купола нагрузку, купол разделяется на отдельные плоские арки, каждая из которых воспринимает нагрузку с приходящейся на нее грузовой площади. Если распор купола воспринимается опорным кольцом, то оно может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары ребер. Площадь сечения условной затяжки принимается такой, чтобы ее упругие деформации были равны упругим деформациям кольца в диаметральном направлении от горизонтальных реакций всех ребер.

При расчете купола на горизонтальную ветровую или несимметричную вертикальную нагрузку купол также разделяется на арки.

Купол разбивается на 4 квадранта: в первом и третьем квадрантах равнодействующая ветрового давления действует в одном направлении и вызывает горизонтальное смещение. Во втором и четвертом квадрантах ветер действует в противоположных направлениях и горизонтальных смещений купола не вызывает.

Наибольшее смещение получает расчетная арка, составленная из ребер, расположенных в плоскости равнодействующей ветрового давления в 1 и 3 квадрантах. Все арки, расположенные в 1 и 3 квадрантах, рассматривают как одну эквивалентную арку, считая ее для упрощения расчетов трехшарнирной.

Ребристо-кольцевые купола.

В ребристо-кольцевых куполах кольцевые прогоны связываются с ребрами в одну жесткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб, но воспринимают растягивающие кольцевые усилия, а при жестких сопряжениях с ребрами – и изгибающие моменты от жесткости узлов.

Сечения купола, находящиеся в плоскостях кольцевых прогонов, не имеют свободных горизонтальных перемещений, поскольку они связаны между собой жесткими кольцами. При ребристо-кольцевой конструкции купола вес ребер уменьшается за счет работы кольцевых прогонов. Наиболее простое конструктивное решение получается при ребрах и кольцевых прогонах из прокатных профилей. В этом случае сопряжение ребер с прогонами можно конструировать по типу жестких сопряжений в балочных системах.

Кольцевые прогоны в ребристо-кольцевом куполе работают так же, как опорное кольцо в ребристом куполе, и могут быть заменены условными затяжками. При симметричной относительно оси купола нагрузке расчет купола можно вести, разделяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых прогонов.

Сетчатые купола

Если от ребристого и ребристо-кольцевого купола идти дальше по линии увеличения связности системы, то можно получить сетчатые купола.

В сетчатых куполах между ребрами и кольцами располагаются раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола и стержни работают только на осевые силы, что уменьшает вес ребер и колец.

Обычная система сетчатого купола состоит из радиальных ребер, кольцевых прогонов и диагональных связей, поставленных в каждом четырехугольнике, ограниченном двумя ребрами и двумя прогонами, то есть представляет собой многогранник, образованный из ребер и кольцевых прогонов. Многогранники сетчатых куполов могут быть разнообразными. Распространены звездчатые купола, все грани которых являются треугольниками, а также геодезические системы куполов, несущие элементы которых являются ребрами многоугольника, вписанного в сферу. В геодезических куполах достигается наибольшая однотипность стержней и узлов, что дает большие производственные преимущества.

Купол может быть однослойным и двухслойным. В двухслойных геодезических куполах, аналогично структурам, узлы сопряжения стержней размещаются на поверхности двух концентрически расположенных сфер, разность радиусов которых определяет конструктивную высоту поверхности купола. Двухслойная конструкция купола обладает большой жесткостью и несущей способностью и может перекрывать пролеты в несколько сотен метров.

Стержни сетчатых куполов чаще изготавливают из труб. В несущую систему куполов может быть включена ограждающая конструкция из штампованных алюминиевых или стальных листов.

Сетчатые купола рассчитывают по безмоментной теории, как сплошные осесимметричные оболочки.

Висячие покрытия

Висячими называются покрытия, в которых главная несущая пролетная конструкция работает на растяжение. Она может быть образована из стальных стержней, канатов, прокатных профилей. Возникающие в ее элементах растягивающие усилия условно называют тяжением нитей, а их горизонтальную составляющую – распором.

Висячие покрытия в последнее время нашли широкое применение в спортивных и выставочных сооружениях, гаражах, крытых рынках, городских залах общего назначения, некоторых производственных зданиях и других сооружениях. Этому способствует ряд преимуществ висячих покрытий перед традиционными конструктивными формами покрытий, к которым следует отнести:

1) Работу несущих конструкций на растяжение, что позволяет более полно использовать материал, поскольку несущая способность таких конструкций определяется прочностью, а не устойчивостью. Это особенно важно при применении высокопрочных материалов, для которых висячие покрытия являются наиболее перспективными областями применения.

С увеличением пролета преимущество висячей конструктивной формы покрытия повышаются, что подтверждается практикой мостостроения; уже существуют мосты пролетом 1000 м и более.

2) Большое разнообразие архитектурных форм висячих покрытий позволяет применять их для зданий самого различного назначения – от покрытий небольших коровников и теплиц до покрытия крупных общественных зданий.

3) Транспортабельность элементов висячих покрытий (канатов в бухтах, металлических оболочек в рулонах) и почти полное отсутствие вспомогательных подмостей при монтаже делают их достаточно индустриальными.

4) малый собственный вес несущей конструкции и ее повышенная деформативность делают ее сейсмостойкой, поскольку резко уменьшается сейсмический импульс на конструкцию.

Висячие конструкции имеют и недостатки, от удачного преодоления часто зависит эффективность применения системы в целом.

1) Висячие системы – системы распорные; для восприятия распора необходима специальная опорная конструкция, стоимость которой составляет значительную часть стоимости всего покрытия. Желание уменьшить стоимость опорной конструкции повышением эффективности ее работы приводит к преимущественному использованию покрытий круглой, овальной и других прямоугольных форм плана, которые плохо согласуются с современной планировкой производственных зданий; в этом одна из причин недостаточно широкого применения висячих покрытий для производственных зданий.

2) Повышенная деформативность. Она обуславливается, во-первых, повышенными упругими деформациями применяемых высокопрочных материалов и особенно канатов, в которых нормальные напряжения больше, а модуль упругости меньше, чем в обычной конструкционной стали. Таким образом, относительное удлинение элементов конструкции оказывается значительно большим, чем в традиционных конструкциях. Во-вторых, геометрической изменяемостью большинства систем висячих покрытий, в которых при нагружении их нагрузкой, отличающейся по своему характеру распределения от ранее действовавшей, появляются кинематические перемещения, вызванные изменением формы равновесия системы (для нити – изменение формы веревочной кривой) и сопровождающиеся изменением ее напряженного состояния; в-третьих, горизонтальной деформацией опор, их податливостью в распорных висячих системах. Повышенная деформативность висячих покрытий затрудняет герметизацию кровли, применение висячих покрытий в зданиях с крановым оборудованием, приводит в некоторых случаях к аэродинамической неустойчивости покрытий и усложняет их расчет.

Для уменьшения деформативности покрытия применяют специальные мероприятия, стабилизирующие его.

3) Трудность водоотвода с покрытия.

Конструктивная форма висячих покрытий весьма разнообразна. По характерным особенностям работы несущей конструкции большинство из них можно разделить на несколько групп:

1. однопоясные висячие покрытия и металлические оболочки – мембраны;

2. покрытия двухпоясными системами;

3. покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами;

4. покрытия тросовыми фермами;

5. покрытия седловидными сетками;

6. комбинированные висячие системы.

Каждая из этих групп имеет свои положительные и отрицательные особенности. Действующие на висячие покрытия нагрузки подразделяются на постоянные и временные – длительно действующие и кратковременные. К постоянным нагрузкам относится вес несущих и ограждающих конструкций покрытия. К временным длительно действующим нагрузкам относят вес подвесного потолка, вентиляционного и осветительного оборудования, которое часто подвешивается к несущей конструкции покрытия.

Главными кратковременными нагрузками являются ветровая и снеговая.

Расчетное значение ветровой нагрузки принимается в виде произведение коэффициента надежности по нагрузке, скоростного напора q_o, коэффициента K, учитывающего изменения скоростного напора по высоте и аэродинамического коэффициента С. В действующем СНиП нет указаний по определению аэродинамических коэффициентов для большинства форм висячих покрытий. В процессе реального проектирования их обычно определяют экспериментально продувкой модели в аэродинамической трубе. Значение этих коэффициентов зависит от многих параметров здания, что затрудняет их обобщенную рекомендацию. Данные продувок показывают, что ветер на подавляющей части поверхности большинства покрытий оказывает отрицательное давление – отсос.

В легких покрытиях, особенно при недостаточном закреплении его краев, неравномерное давление ветра вызывает большие деформации покрытия и даже явление аэродинамической неустойчивости покрытия, то есть его вибрацию или полное вывертывание покрытия. В этих случаях необходима специальная стабилизирующая конструкция, предохраняющая покрытие от этого явления.

Для покрытий, собственный вес которых (вместе с подвесными потолками и технологическим оборудованием) составляет 1,5÷2 кН/м² и края которых по всему периметру закреплены, явление аэродинамической неустойчивости не угрожает, и они не нуждаются в какой-либо дополнительной стабилизации, а проверка покрытия на действие ветра становится необязательной.

Снеговая нагрузка на покрытие обычно просматривается в нескольких вариантах: в виде равномерно распределенной по покрытию и несколько вариантов неравномерного распределения, учитывающего возможный передув снега ветром, частичную очистку покрытия от снега и др.

Расчет несущих конструкций висячих покрытий проводится для определения прочности сооружения и для определения его деформативности. Нерастяжимая нить может иметь только кинематические перемещения и изменяет форму очертания в зависимости от вида и расположения нагрузки. Упругие деформации (удлинение и провис), могут быть только в упругой нити. При упругой деформации увеличивается стрелка провиса нити, а вместе с тем уменьшается усилие в ней, непосредственно зависящее от величины стрелки. Таким образом, при увеличении нагрузки (и стрелки) усилие нити возрастает нелинейно. Следовательно расчет нити не отвечает правилам линейной строительной механики. Расчет нити без учета упругих деформаций дает завышенные значения усилий в нити, что идет в запас прочности. Влияние упругих деформаций на усилие нити зависит от отношения , - стрелка провиса нити, - ее приращение от действия нагрузки. Оно существенно только при малых стрелках и при составляет около 10 %.

Влияние упругих деформаций на точность определения перемещений нити (прогибов) большое и должно учитываться уже при отношении < . Пологая гибкая нить является основой большинства висячих систем. Нелинейность работы висячих систем, особенно при неравновесных нагрузках (вызывающих кинематические перемещения) часто вынуждает делать расчет три раза: первоначально приближенно вручную для ориентировочного выбора сечений, затем уточнено с учетом нелинейности работы и взаимного влияния отдельных частей системы, обычно на ЭВМ, с последующей корректировкой первоначально заданных сечений и, наконец, последний, контрольный расчет на ЭВМ для окончательной проверки несущей способности всех элементов и деформативности системы.

Покрытия тросовыми фермами.

Дальнейшим развитием двухпоясных систем является превращение их в тросовые фермы, где растяжки в каждой панели заменены наклонными гибкими раскосами, пересекающимися с поясами в узлах фермы и превращающими систему в геометрически неизменяемую.

В тросовых фермах есть растянутые и сжатые элементы и для обеспечения работы на сжатие гибких раскосов они должны быть подвергнуты предварительному растяжению. Тросовые фермы как системы геометрически неизменяемые более жестки, чем обычные двухпоясные системы (особенно при действии неравновесных нагрузок), а потому их более целесообразно применять при легких кровлях и больших временных нагрузках.

Предварительное напряжение тросовых ферм удобно осуществлять натяжением раскосов винтовыми стяжками.

Тросовые фермы как системы рассчитывают общепринятыми методами строительной механики, применяемыми при расчете статически неопределимых стержневых систем. Ферму рассчитывают на внешние нагрузки и единичные усилия предварительного напряжения. Усилия от предварительного напряжения во всех элементах фермы должны быть растягивающими, что достигается соответствующим подбором геометрии системы.

3.4.5 Покрытия седловидными сетками

Покрытия напряженными седловидными сетками являются одной из наиболее распространенных ферм висячих покрытий, применяемых как в капитальных сооружениях, так и во временных покрытиях – навесах. Основная несущая конструкция – седловидная сетка, состоящая из несущих нитей, имеющих провис вниз, и перпендикулярных стабилизирующих нитей, имеющих выгиб вверх. Эта система является мгновенно-жесткой, поскольку поверхность сетки имеет отрицательную гауссову кривизну. Таким образом, несущая конструкция является внутренне стабилизированной, способной воспринимать нагрузки противоположных направлений, например собственный вес покрытия, вес снега, и отрицательное давление ветра (отсос) и позволяет применять любую конструкцию кровли: от жестких утепленных щитов до тканевых или пленочных покрытий. Эта универсальность покрытий, а также возможное разнообразие плана покрытия привели к широкому их распространению.

Рамные системы

Рамная система состоит из жестко соединенных колонн и ригелей, образующих плоские и пространственные рамы, объединенные перекрытиями.

В обычной рамной системе (рис. а) колонны регулярно расположены по всему плану здания с шагом 6-9 м. Пространственная жесткость и эффективность работы рамной системы существенно повышается при размещении колонн только по контуру здания с образованием внешней пространственной рамы (рис. б).

Преимущества системы с внешней пространственной состоит в повышении ее общей изгибной жесткости, потому что при распределении колонн по контуру увеличивается момент инерции горизонтального сечения каркаса. Система отличается высокой жесткостью при кручении. Эта система имеет и другие названия: рамная оболочка, рамная труба. Секционно-рамная система (рис. в), структура которой в плане напоминает обычную рамную систему, а составляющие ее плоские рамы решены как грани системы с внешней рамой и имеют часто расположенные колонны (шаг колонн меньше размера секции в плане). Жесткость этой системы по сравнению с предыдущей повышается благодаря дополнительному сопротивлению внутренних рам.

По такой системе построено здание высотой 442м (109 этажей) США.

Связевые системы.

Связевая система состоит из связевой конструкции, колонн и шарнирно присоединенных к ним ригелями.

Основные связевые системы:

1) с диафрагмами;

2) с внутренним стволом;

3) с внешним стволом.

Диафрагмы могут быть решены в виде плоских ферм, стенок жесткости (обычно ж/б), тяжелых рам.

Внутренний ствол может иметь открытое или замкнутое поперечное сечение. Возможно решение ствола в виде стальной пространственной фермы или жесткой рамы.

Внешний ствол, охватывающий все здание, наиболее эффективен с точки зрения обеспечения жесткости системы и восприятия горизонтальных нагрузок.

Рамно-связевые системы

Основные рамно-связевые системы аналогичны по своей схеме связевым, но отличаются от них рамным соединением колонн и ригелей, не входящих в связевую конструкцию.

4.4 Конструкции элементов и особенности расчета
стального каркаса многоэтажных зданий

При небольшой свободной длине колонн (в пределах этажа 3-4м) и большой площади сечения (нагрузка в нижних этажах достигает нескольких десятков тысяч кН, коэффициенты продольного изгиба получаются близкими к единице. Поэтому в колоннах применяют двутавровые сварные сечения с толстыми полками и стенками (δ = 40–60мм), а также сплошные квадратные и прямоугольные сечения. В ряде высотных зданий применены колонны из пакета толстых листов (40–60 мм), соединенных продольными связующими швами. В колоннах с небольшими усилиями (4000–5000 кН) применяют сечения из двух уголков (рис.1) и из 4-х (рис.2) уголков усиленных внутренним листом.

Колонны стыкуются по высоте через 2 этажа. Для удобства монтажа стыки размещают на 0,5-1м выше уровня междуэтажных перекрытий. Стыки проектируются с фрезеровкой торцов.

Базы колонн, как и стыки, проектируют с фрезерованными торцами с опиранием на строганую плиту толщиной до 200 мм.

Балки перекрытия проектируются двутаврового сечения – прокатные или сварные. Сопряжение балок с колоннами может быть шарнирным и жестким. При шарнирном сопряжении балки передают на колонны только вертикальные реакции; при жестком сопряжении – вертикальные реакции и момент.

Связи контролируют как фермы, у которых поясами служат колонны, стойками балки перекрытий, и дополнительно ставят раскосы.

Стальной каркас многоэтажных зданий рассчитывают на несущую способность и жесткость. Несущую способность проверяют при совместном действии вертикальных и горизонтальных нагрузок; жесткость проверяют при действии горизонтальных нагрузок – ветра.

При статическом расчете сложная пространственная система каркаса расчленяется на отдельные плоские системы.

Горизонтальную нагрузку воспринимают рамы, расположенные по всем рядам колонн (рамная система), или отдельные связи (связевая система). При рамной системе каркаса вся ветровая нагрузка распределяется между рамами пропорционально их жесткостям. Ввиду большой степени статической неопределимости рам многоэтажных зданий усилия в них находят приближенными методами. Распространен расчет, при котором рама принимается как статически определимая в результате размещения шарниров посередине пролета балки и посередине высоты колонн в пределах каждого этажа.

Ветровая нагрузка на отдельно стоящие вертикальные связи распределяется пропорционально их жесткостям. Если связи поставлены несимметрично, то необходимо учитывать дополнительные воздействия на них, получаемые от закручивания системы. После определения величин нагрузок, действующих на связи, они рассчитываются как вертикальные фермы обычными методами статики.

Листовые конструкции

Листовые конструкции представляют собой различные сооружения типа оболочек, несущей основой которых являются плоские или изогнутые металлические листы (пластинки и оболочки). Они применяются для хранения, перегрузки, транспортировки, технологической переработки жидкостей, газов и сыпучих материалов. Листовые конструкции широко применяются во всех областях промышленности и составляют по массе около 20 % всех применяемых М/К.

Листовые конструкции классифицируются по назначению:

1. резервуары для хранения жидкостей (нефти, нефтепродуктов, кислот, сжиженных газов и пр.);

2. газгольдеры для хранения и выравнивания состава газов;

3. бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов (руды, угля, цемента, песка и т.п.);

4. листовые конструкции доменных цехов (кожухи доменных печей, воздухонагреватели, пылеулавливатели и др.);

5. листовые конструкции специальных технологических установок (химических и нефтеперерабатывающих заводов);

6. трубопроводы большого диаметра для транспортировки воды и газов.

Элементами, образующими листовую конструкцию, являются плоские металлические листы – пластинки или изогнутые листы – оболочки. Работа и расчет пластинок и оболочек зависят от их геометрических параметров.

Работа и расчет плоских пластинок зависят от отношения , где l – пролет пластинки или наименьший размер в плане при опирании пластинки по контуру, t – ее толщина.

Пластинки малого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают только на изгиб. Напряжениями от распора пренебрегают, если

Пластинки большого прогиба имеют отношение . Такие пластинки работают на совместное действие изгиба и растяжения. У них .

Гибкие пластинки (мембраны) имеют отношение и работают как гибкие нити только на растяжение от распора.

Поверхность оболочек образуется изгибом листов по заданному радиусу кривизны. Оболочки, изогнутые в одном направлении с постоянным радиусом кривизны, называются цилиндрическими; если этот радиус изменяется вдоль оси вращения по линейному закону, получается коническая оболочка. Если оболочка образована изгибом листа во взаимно перпендикулярных направлениях, получается сферическая оболочка.

Работа и расчет оболочек зависят от отношения ее радиуса кривизны к толщине .

Тонкие оболочки листовых конструкций имеют отношение .

Равновесие элемента тонкой оболочки при определенных условиях соблюдается при наличии только осевых сил без изгиба (безмоментная теория расчета).

К таким условиям относятся:

1. сплошные осесимметричные нагрузки без резких изменений интенсивности;

2. участок оболочки должен быть сплошным, достаточно удаленным от так называемых краевых линий, препятствующих или искажающих плавность деформаций оболочки.

Такие линии образуются ребрами жесткости, днищами, резкими изменениями толщины, острыми перегибами.

Деформация оболочки в этих местах стеснена, на некотором участке происходит местный изгиб, которым нельзя пренебречь.

Возникновение изгибающих моментов у краевых линий называется краевым эффектом.

Напряжение для некоторых оболочек простейших форм:

1. Шаровая оболочка ,

где P – внутреннее давление;

r –радиус сферы; t – толщина оболочки;

2. Цилиндрическая оболочка ;

Оболочки, как правило, испытывают двухосное напряженное состояние. Проверка их прочности производится по приведенным напряжениям

при этом должны соблюдаться условия ;

При равномерном внутреннем давлении и получаются растягивающими.

При равномерном внешнем давлении или внутреннем вакууме напряжения определяются по тем же формулам, однако будут другого знака, сжимающими. В этом случае оболочка может потерять устойчивость.

Проверка оболочек на устойчивость заключается в том, чтобы расчетные напряжения в оболочке от нагрузки не превышали критических которые зависят от вида оболочки, отношения , напряженного состояния и материала.

Газгольдеры

Газгольдеры – это сооружения в виде сосудов, предназначенных для хранения, выравнивания состава и перемешивания различных газов.

В зависимости от внутреннего давления газгольдеры подразделяются на:

1. газгольдеры низкого давления с избыточным давлением до 5 кН/м²;

2. газгольдеры высокого давления с избыточным давлением до 3000 кН/м² и более.

Существуют газгольдеры постоянного давления и газгольдеры постоянного объема.

В процессе наполнения или опорожнения в первых изменяется объем, а давление остается все время постоянным; объем вторых газгольдеров постоянный, но изменяется давление газа.

Газгольдеры низкого давления имеют переменный объем и делятся на две группы:

1. мокрые газгольдеры с вертикальными направляющими и винтовыми направляющими;

2. сухие газгольдеры с поршнем и гибкой секцией.

Наиболее распространены мокрые газгольдеры.

Мокрые газгольдеры.

В газгольдерах этой группы для уплотнения подвижных соединений используется вода.

Конструкция газгольдера состоит из неподвижного вертикального резервуара, наполненного водой, в котором находится подвижное звено – опрокинутый стакан – колокол.

В газгольдерах больших объемов (10 000 м³ и более) между резервуаром и колоколом размещаются подвижные звенья – телескопы.

Газ подается под колокол и своим давлением поднимает его, а вода, находящаяся в карманах – желобах, расположенных по периметру колокола и телескопа, является гидравлическим затвором, препятствующим выходу газа наружу.

Газгольдер с одним колоколом называется однозвеньевым, если добавляется телескоп, то двухзвеньевым и т.д.

Мокрые газгольдеры с вертикальными направляющими называются так потому, что движение колокола и телескопов происходит по вертикальным направляющим, расположенных снаружи газгольдера.

В мокрых газгольдерах с винтовыми направляющими подъем и опускание колокола и телескопов производится по направляющим в виде винтовой линии – подобно движению винта в гайке.

Винтовые направляющие расположены по внешней поверхности газгольдера под углом 45^о. Под давлением газа колокол как бы ввинчивается в направляющих.

Сухие газгольдеры

– поршневого типа

Представляют собой вертикальный резервуар, внутри которого находится поршень со скользящим затвором на консистентной смазке, препятствующей просачиванию газа.

– с гибкой секцией

5.4 Бункера и силосы

Бункерами и силосами называют емкости для хранения и перегрузки сыпучих материалов. Силосы имеют высокую цилиндрическую часть.

Высотные сооружения

Высотными называют сооружения, высота которых намного превышает их размеры в поперечном сечении. К ним относятся опоры антенных сооружений связи (радио и телевидение), опоры воздушных линий электропередач (ЛЭП), вытяжные башни, дымовые трубы, осветительные метеорологические вышки, маяки, водонапорные башни, силосы и т.п.

По конструктивной схеме все высотные сооружения разделяются на два основных вида – башни и мачты.

6.1 Башни

Башнями называют свободно стоящие сооружения, жестко закрепленные в основании и работающие как консоль (вертикальная консольная балка).

Нагрузки, действующие на башню: собственный вес конструкции, оборудования, ветер, гололед.

Нагрузка от собственного веса и оборудования вызывает относительно небольшие напряжения (20–25 % расчетных), за исключением группы башен, например водонапорных, поддерживающих резервуар с водой, вышек с подъемниками и т.п.

Доминирующей нагрузкой является ветровая. Величина ветровой нагрузки зависит не только от скоростного напора, но и от формы и габаритов самой башни и ее отдельных элементов. Ветровая нагрузка определяется как сумма ее статической и динамической составляющей.

Кроме того, башни, проверяемые на резонанс от действия ветра, следует проверять расчетом на выносливость.

Для башен с периодом собственных колебаний меньше 0,25 сек. динамическая составляющая, вызываемая пульсацией скоростного напора ветра, не учитывается.

Расчетные усилия в элементах башни определяют как в консольном внецентренно-сжатом стержне под действием перечисленных нагрузок.

Башни в большинстве случаев проектируют решетчатыми, в виде пространственных ферм трех или четырехгранного, реже многогранного очертания. С увеличением числа граней расход металла возрастает.

В целях обеспечения устойчивости и более равномерного распределения усилий в поясах башни проектируют уширенными книзу в соответствии с возрастанием изгибающих моментов от вершины к основанию.

Ширина башни у основания составляет высоты. С увеличением ширины башни уменьшаются усилия в поясах от моментов, что снижает расход металла на пояса, но приводит к дополнительному расходу материала на решетку и диафрагмы.

Ширину верхней части башни стремятся свести к минимуму, поскольку это способствует уменьшению нагрузки от ветра.

В верхней части башни целесообразно применять треугольную и раскосную системы решетки; при большой ширине грани ромбическую или полураскосную.

Существенную экономию стали можно получить при применении крестовой решетки с гибкими предварительно напряженными раскосами.

При небольшой ширине ствола башни его проектируют сплошностенным.

6.2 Мачты

Мачты представляют собой высокие тонкоствольные конструкции, расчлененные оттяжками и работающие как балки на упругих опорах. Мачты экономичнее башен по расходу металла, но требуют большей площади для установки.

Нагрузки, действующие на ствол мачты: собственный вес конструкции, оборудования, ветер, гололед, вертикальная составляющая тяжения оттяжек.

Расчетные усилия в элементах ствола мачты определяют как во внецентренно сжатом стержне на упругих опорах, роль которых выполняют оттяжки.

Доминирующими нагрузками для мачт являются ветровые и гололедные. Ветровая нагрузка определяется как сумма ее статической и динамической составляющей.

Для мачт, так же, как и для башен, с периодом собственных колебаний меньше 0,25 с динамическая составляющая, вызываемая пульсацией скоростного напора ветра, не учитывается.

Ствол мачты проектируют постоянного по высоте сквозного или сплошного сечения в плане сквозных мачт с тремя или четырьмя углами соответственно с тремя или четырьмя оттяжками. Стволы сплошных мачт проектируют из труб.

Оттяжки проектируются из стальных канатов, закрепляя их к бетонным якорям. Оттяжки разных ярусов размещаются или параллельно друг другу или сводятся в одну точку. В первом случае усилия в оттяжках меньше, и меньше вертикальная составляющая на ствол, но зато каждой оттяжке необходим анкерный якорь и большая площадь для установки мачты. Для обеспечения поперечной жесткости мачты наименьший угол наклона оттяжки принимается 30^о. Крепление ствола мачты к фундаменту – шарнирное.

Опоры ЛЭП

Опоры ЛЭП предназначены для поддержания токонесущих проводов линий электропередачи. Расстояние между опорами принимается от 200м до 2,5км.

Опоры ЛЭП разделяются на линейные (промежуточные), устанавливаемые на прямолинейном участке трассы без преград, и специальные (анкерные), расположенные в углах трассы (угловые), у переходов через водные препятствия и другие преграды (переходные).

По форме опоры разделяются на одноствольные, несущие провода на консолях, и портальные (двуствольные или четырехствольные), несущие провода на поперечном портале.

Линейные опоры воспринимают относительно небольшие продольные усилия и для них применяют одноствольные и плоские двуствольные портальные опоры.

На специальные опоры действуют большие дополнительные усилия от угловой составляющей тяжения проводов, разности тяжения у переходов и т.д., поэтому их делают четырехствольными с подкосами или оттяжками.

Для опор ЛЭП характерна работа на кручение при одностороннем обрыве проводов. Проектирование опор ЛЭП ведется с учетом специальных технических требований.

Опоры ЛЭП имеют высоту до 40м, специальные переходные опоры у широких рек достигают высоты более 200м.

Сечения поясов и раскосов промежуточных опор обычно принимают из одиночных уголков. Опора разбивается на транспортабельные секции с монтажными соединениями на сварке или болтах. Алюминиевые опоры ЛЭП в 2-2,5 раза легче стальных. Их рационально применять в труднодоступных местах.

Классификация усиления

Усиление есть совокупность мероприятий направленных на повышение несущей способности конструкции или ее элементов. Конструкции, подлежащие усилению, могут находиться в напряженном состоянии, предварительно разгруженном, и в демонтированном. Регулирование напряжений при усилении по существу, сводится к вопросу о способах включения в работу элементов усиления.

Иногда это происходит автоматически, например: при усилении разгруженных и демонтированных конструкций. Чаше же элементы усиления включаются в работу после того, как им дано дополнительное натяжение или произведено искусственное регулирование напряжений в усиливаемой конструкции, устанавливаемых элементах или тех и других одновременно (усиление конструкций под нагрузкой).

Усиление конструкций под нагрузкой представляет собой один из частных случаев применения предварительного напряжения в конструкциях.

«Специальные мероприятия» имеют такое же большое значение, как и основные способы усиления. К ряду специальных мероприятий относятся: выявление неучтенных запасов прочности и разгрузка или уменьшение действующей на конструкцию нагрузки.

Пять способов непосредственного усиления совместно с двумя отнесенными к разряду «специальных мероприятий» решают задачу усиления конструкций.

Способами общего усиления конструкций являются усиления за счет изменения конструктивной схемы и установки дополнительных связей пространственной жесткости.

К способам местного усиления могут быть отнесены: установка дополнительных ребер, диафрагм, распорок, увеличение сечений отдельных элементов, усиление соединений.

Наиболее интересным с инженерной точки зрения является способ усиления путем изменения конструктивной схемы. Характерен он тем, что исключает шаблон в выборке приемов, почти всегда дает хорошие экономичные решения. Проектировщик должен совершенно отчетливо представлять себе «игру сил», чтобы предусмотреть наиболее выгодные перераспределения усилий и напряжений в конструкциях.

Примеры искусственного регулирования напряжений в конструкциях

Предварительно обследование конструкций и определение напряжений в конструкциях, находящихся под нагрузкой.

Сооружения (конструкции), в которых предполагается производить усиление и регулирование напряжений, должны быть предварительно осмотрены в натуре и выполнен их проверочных расчет.

В результате перерасчета может оказаться, что в силу имеющихся больших запасов прочности или недоучета других факторов, улучшающих работу конструкций и идущих в запас прочности, отпадает необходимость в регулировании напряжений или, наоборот, возникает необходимость еще и в дополнительном усилении отдельных элементов конструкции или их прикреплении.

Кроме осмотра конструкций и их перерасчета следует лабораторным путем определить механические характеристики материала, из которого выполнена конструкция, и, если конструкции старые, то проверить материал на свариваемость.

При проверочном расчете предварительно напряженных конструкций необходимо опытным путем определить усилие не только по величине, но и по знаку, поскольку в предварительно напряженных конструкциях не всегда справедливо обычное представление о сжатых или растянутых стержнях, известное из классической теории сооружений.

Особое значение при регулировании напряжений в предварительно напряженных конструкциях придается выявлению действительной величины предварительного напряжения в конструкции, находящейся под нагрузкой.

Не всегда бывает известно не только степень предварительного напряжения, полученная конструкцией при ее изготовлении, но и последовательность выполнения монтажа.

При обследовании конструкции в натуре в отдельных случаях целесообразно испытать их пробной нагрузкой.

Если временная нагрузка мала, по сравнению с постоянной, и не может вызвать больших дополнительных напряжений и деформаций, испытание пробной нагрузкой не проводят.

Для определения в каком-либо элементе конструкции или части сооружения фактических напряжений применяют различные методы.

9.1 Магнитометрический метод определения напряжений.

В настоящее время для оценки напряженного состояния арматуры в ж/б конструкциях разработан магнитометрический способ, который может быть использован и в м/к.

Этот метод позволяет определять напряжения в существующих конструкциях без их разрушения (высверливания, выпиливания).

Сущность метода заключается в следующем.

Магнитные свойства металла меняются в зависимости от степени его напряженного состояния. Одна магнитная головка аппаратуры устанавливается на исследуемый напряженный элемент конструкции, а вторая на эталонный образец. Затем эталонный образец растягивается до тех пор пока показания от первой и второй головок не будут одинаковыми. Зная растягивающую силу эталонного образца и площадь его поперечного сечения. Можно вычислить напряжение в эталонном образце, а следовательно и в исследуемом элементе конструкции.

Лекции

по курсу «Металлические конструкции, включая сварку»

для студентов, обучающихся по специальности 270102 –
«Промышленное и гражданское строительство»

Часть II

Краснодар

2010.

Содержание

1 Металлические конструкции одноэтажных производственных зданий. 5

1.1 Общая характеристика каркасов производственных зданий. 5

1.2 Основные требования, предъявляемые к каркасам производственных зданий. 6

1.3 Область применения стальных и смешанных каркасов промышленных зданий. 8

1.4 Компоновка конструктивной схемы каркаса. 8

1.4.1 Размещение колонн в плане. 9

1.4.2 Компоновка поперечных рам. 11

1.4.2.1 Размеры по вертикали. 11

1.4.2.2 Размеры по горизонтали. 12

1.4.3 Особенности компоновки многопролетных рам. 13

1.4.4 Продольная компоновка каркаса. 14

1.4.4.1 Связи. 14

1.4.4.2 Фахверк. 21

1.4.5 Особые решения конструктивных схем каркасов. 21

1.4.6 Особенности расчета поперечных рам. 23

1.5 Конструкции покрытия. 24

1.5.1 Покрытия с прогоном. 24

1.5.2 Беспрогонное покрытие. 25

1.5.3 Стропильные и подстропильные фермы. 26

1.5.4 Фонари. 27

1.6 Колонны каркаса. 28

1.6.1 Типы колонн. 28

1.6.2 Расчет и конструирование стержня колонны. 29

1.6.2.1 Сплошная колонна. 29

1.6.2.2 Сквозная колонна. 39

1.7 Подкрановые конструкции. 44

1.7.1 Нагрузки на подкрановые конструкции. 45

1.7.2 Сплошные подкрановые балки. 45

1.7.3 Расчет подкрановых балок. 47

1.7.4 Крановые рельсы и их крепление к подкрановым балкам. 47

1.7.5 Крановые упоры. 48

2 Большепролетные покрытия с плоскими несущими конструкциями. 50

2.1 Область применения, основные особенности. 50

2.2 Балочные конструкции. 51

2.3 Рамные конструкции. 53

2.4 Арочные конструкции. 54

2.5 Компоновка каркасов большепролетных покрытий. 58

3 Пространственные конструкции покрытий зданий. 59

3.1 Структурные конструкции. 60

3.2 Оболочки. 62

3.2.1 Односетчатые оболочки. 62

3.2.2 Двухсетчатые оболочки. 63

3.3 Купольные покрытия. 64

3.3.1 Ребристые купола. 64

3.3.2 Ребристо-кольцевые купола. 65

3.3.3 Сетчатые купола. 66

3.4 Висячие покрытия. 67

3.4.1 Однопоясные висячие покрытия и металлические оболочки – мембраны. 70

3.4.2 Покрытия растянутыми изгибно-жесткими элементами (жесткими вантами). 71

3.4.3 Покрытия двухпоясными системами. 71

3.4.4 Покрытия тросовыми фермами. 72

3.4.5 Покрытия седловидными сетками. 72

3.4.6 Комбинированные висячие системы.. 73

4 Стальные каркасы многоэтажных зданий. 74

4.1 Рамные системы.. 75

4.2 Связевые системы. 75

4.3 Рамно-связевые системы.. 76

4.4 Конструкции элементов и особенности расчета стального каркаса многоэтажных зданий. 76

5 Листовые конструкции. 77

5.1 Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления. 80

5.2 Резервуары повышенного давления. 81

5.3 Газгольдеры.. 82

5.3.1.1 Мокрые газгольдеры. 82

5.3.1.2 Сухие газгольдеры.. 83

5.4 Бункера и силосы.. 83

6 Высотные сооружения. 83

6.1 Башни. 84

6.2 Мачты.. 85

6.3 Опоры ЛЭП.. 85

7 Регулирование напряжения при усилении конструкций. 86

7.1 Классификация усиления. 86

7.2 Искусственное регулирование напряжений при усилении МК.. 88

7.2.1 Примеры искусственного регулирования напряжений в конструкциях 89

7.2.1.1 Реконструкция главного здания мартеновского цеха. 89

7.2.1.2 Реконструкция действующих мартеновских цехов. 89

7.2.1.3 Усиление вызванное нарушением технологии монтажа конструкций. 89

7.2.1.4 Регулирование напряжений при усилении ферм. 90

7.2.1.5 Регулирование напряжений в соединениях элементов м/к. 90

8 Расчет усиленных конструкций по методу предельных состояний. 91

9.1 Магнитометрический метод определения напряжений. 93

1 Металлические конструкции одноэтажных
производственных зданий

Общая характеристика каркасов производственных зданий

Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны.

По числу пролетов одноэтажное здание подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты).

По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бескрановые, с мостовыми кранами, с подвесными кранами, с подвесными конвейерами.

Комплекс несущих конструкций, воспринимающий и передающий на фундаменты нагрузки от массы ограждающих конструкций здания (кровля, стеновые панели, переплеты остекления и т.п.), атмосферные нагрузки (снег, ветер), нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консольные краны), от технологического оборудования, называется каркасом здания.

Наряду с полностью стальными или железобетонными каркасами применяются смешанныекаркасы производственных зданий, в которых отдельные конструкции (чаще всего конструкции покрытия и подкрановые балки) выполняются из стали, а колонны – из сборного ж/б.

Основу каркаса составляют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко защемленных в фундаменте, и ригелей (стропильных ферм), жестко или шарнирно соединенных с колоннами. Расстояние между осями колонн в поперечном направлении здания называется пролетом. Расстояние между рамами называется шагом рам.

Рисунок 1.1 – Конструктивная схема стального каркаса двух пролетного производственного здания. 1 – колонны, 2 – стропильные фермы, 3 – подкрановые балки,
4 – светоаэрационные фонари, 5-связи по колоннам

В продольном направлении на рамы опираются подкрановые балки, элементы покрытия и фонари.

Жесткость и устойчивость каркаса и его отдельных элементов обеспечивается системой связей: вертикальными связями по колоннам, воспринимающими продольные усилия от действия ветра на торец здания и сил продольного торможения кранов; горизонтальными и вертикальными связями по шатру здания, обеспечивающими устойчивость конструкции покрытия.

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируют так, что несущая способность (включая жесткость ) поперек здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль – продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями.

Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого фахверка (а иногда и продольного, площадок, лестниц и других элементов здания).

1.2 Основные требования, предъявляемые
к каркасам производственных зданий.

Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения, обеспечивать надежность и долговечность, и в то же время быть наиболее экономичной. Можно выделить некоторые общие для всех производств требования:

· Удобство обслуживания и ремонта производственного оборудования;

· Нормальная эксплуатация кранового оборудования, доступность его осмотра и ремонта;

· Необходимые условия аэрации и освещения зданий;

· Долговечность конструкций, в основном зависящая от степени агрессивности внутрицеховой среды;

· Безопасность при пожарах и взрывах.

А.Краны. Большое влияние на работу каркаса оказывают воздействия кранов. Являясь динамическими, многократно повторяющимися и большими по величине, крановые воздействия часто приводят к раннему износу и повреждению конструкций каркаса, особенно подкрановых балок.

Поэтому при проектировании каркаса здания особенное внимание должно уделяться учету эксплуатационного режима работы мостовых кранов, который зависит от назначения здания и производственного процесса в нем.

Мостовые краны могут иметь ручной (при малой грузоподъемности) и электрический привод. Режим работы кранов определяется интенсивностью и условиями их работы. Интенсивность оценивается рядом показателей (общим числом циклов работы, коэффициентом нагружения, числом включений механизма в час) и не зависит от грузоподъемности. Условия работы характеризуются типом транспортируемых грузов (расплавленный металл, шлак. Ядовитые, взрывчатые вещества и другие опасные грузы). По правилам Госгортехнадзора и ГОСТа на грузоподъемные краны (ГОСТ 25546-82) различают четыре режима и восемь режимных групп работы кранов:

К кранам легкого режима работы (Л) относятся краны режимных групп 1К-3К (в том числе краны, имеющие ручной привод). Они имеют большие перерывы в работе и редко поднимают грузы предельной величины. Это крюковые краны, предназначенные для монтажа оборудования и выполнения ремонтных работ.

К кранам среднего режима работы (С) относятся краны режимных групп 4К, 5К, 6К, характеризуются более интенсивной работой. Это крюковые краны в основном механических и сборочных цехов со среднесерийным производством, а также краны ремонтно-механических предприятий.

К кранам тяжелого режима работы (Т) относятся краны режимной группы 7К, работающие еще более интенсивно, поднимая грузы, близкие к предельным. Сюда относятся крюковые краны цехов с крупносерийной продукцией, а также литейные, ковочные и завалочные.

Краны весьма тяжелого режима работы (ВТ, режимная група 8К) характеризуются интенсивной круглосуточной работой с грузами предельной величины. К этой группе кранов относятся также специальные краны с повышенными динамическими воздействиями. К кранам весьма тяжелого режима работы относятся преимущественно мостовые краны металлургических цехов, грейферные, магнитные с жесткой и гибкой траверсой, магнитно-грейферные, магнитные краны шихтовых, скрапных и копровых отделений, литейные и т.п.

Б. Внутрицеховая среда. На работу строительных конструкций зданий большое влияние оказывает внутрицеховая среда, степень агрессивного воздействия которой определяется скоростью коррозионного поражения поверхности металла в мм /год:

– слабая (до 0,05 мм/год);

– средняя (до 0,1 мм/год);

– сильная (свыше 0,1мм/год).

При проектировании МК зданий со средней и сильной степенью агрессивного воздействия среды следует применять гладкие, открытые элементы, легкодоступные для очистки и окраски.

В. Тепловые воздействия. При проектировании металлических конструкций зданий с высоким тепловым воздействием, предусматривается специальная защита конструкций от чрезмерного нагревания. При длительном воздействии лучистой или конвекционной теплоты, или при кратковременном непосредственном воздействии огня или брызг расплавленного металла, применяются подвесные металлические экраны, футеровки из кирпича или жаропрочного бетона.

При проектировании зданий, эксплуатируемых в условиях низких температур (t = - 40 ¸ - 60 °C) вследствие возможности хрупкого разрушения стали необходимо применять соответствующие классы стали. Конструкции рассчитывают только по упругой стадии работы, предусматривают дополнительные связи по покрытию, уменьшают размеры температурных блоков, предусматривают мероприятия, уменьшающие концентрацию напряжений.

Г. Экономический фактор. К экономическим факторам относятся прежде всего затраты, связанные с возведением сооружения, изготовления, перевозки и монтажа конструкций. Необходимо учитывать эффект, получаемый от сокращения времени строительства и более раннего начала выпуска продукции, а также расходы, связанные с поддержанием сооружения в состоянии, обеспечивающем условия его нормальной эксплуатации в течение всего срока службы. Эти факторы очень сложны, часто противоречат один другому. При проектировании конструкции здания все это должно учитываться; Необходимо найти оптимальное технико-экономическое решение, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям.

1.3 Область применения стальных и смешанных
каркасов промышленных зданий.

Область применения стальных каркасов с учетом дефицита стали регламентируется «'Техническими правилами по экономичному расходованию основных строительных материалов». По этим правилам в одноэтажных промышленных зданиях допускается применение стального каркаса в следующих случаях:

1) При высоте здания от пола до низа стропильной фермы равной или большей 18м.

2) При кранах Q 500 кН, а при кранах весьма тяжелого режима работы (Вт) – при любой грузоподъемности.

3) При строительстве в труднодоступных районах (горы, пустыни, тайга и.т.п.) и в районах, где нет базы по изготовлению железобетонных конструкций.

Смешанные каркасы, то есть состоящие из ж/б колонн и стальных стропильных и подстропильных допускается применять в следующих случаях:

1) при пролете не менее 30 м.

2) при подвесном транспорте Q 50кН, а также при конвейерном транспорте.

3) при тяжелых условиях эксплуатации (динамические нагрузки или нагрев конструкций до t>100 °C).

4) при расчетной сейсмичности 9 баллов, и пролете не менее 18 м; при расчетной сейсмичности 8 баллов и пролете не менее 24 м.

5) при пролете не менее 24 м в неотапливаемых зданиях с легкой кровлей.

6) при пролете менее 24 м в зданиях с подвесным транспортом с Q 20 кН.

7) в многопролетных неотапливаемых зданиях с рулонной кровлей при пролете 18 м.

В ж/б каркасах часть элементов (фонари, связи, ригели фахверка) допускается выполнять из стали, а подкрановые балки почти во всех случаях проектируются стальными за исключением балок пролетами 6 и 12 м под краном легкого и среднего режимов работы Q 300кН.

Дата: 2018-11-18, просмотров: 3233.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒