Все конструктивные элементы промышленных зданий подразделяют на несущие и ограждающие. Несущие элементы воспринимают нагрузки. К ним относятся фундаменты, колонны, балки, фермы, плиты и др. Ограждающие элементы предназначены для защиты от атмосферных осадков и обеспечения необходимого температурно-влажностного режима внутри помещений. К ограждающим конструкциям относятся наружные и внутренние стены, верхняя часть покрытий, окна, двери, фонари, полы и др.
При проектировании любого объекта необходимо учитывать конкретное основание, на котором будет размещаться здание.
Основания. Бывают естественные, когда используются природные грунты в условиях естественного залегания, и искусственные, когда грунты не обладают необходимой несущей способностью и требуют предварительного усиления.
Естественным основанием называется слой грунта, лежащий под подошвой фундамента и воспринимающий на себя массу здания или сооружения со всеми действующими на него внешними нагрузками.
Основания здания и сооружения проектируют по данным инженерно-геологических и гидрологических исследований грунтов. По номенклатуре грунтов, принятой в СНиПе, различают следующие основные виды грунтов: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.
При выборе строительной плошадки, а также при реконструкции зданий и сооружений, на территории которых грунты закислованы и защелочены, обязательно определяют степень агрессивности грунтовых вод.
Искусственное основание устраивают различными способами: механическим уплотнением, закреплением грунта, заменой слабых грунтов более прочными или применением свайных оснований.
Несущую способность и химическую стойкость грунтов можно повысить путем силикатизации, цементации, битумизации и методом «электроосмоса».
При устройстве оснований для малоэтажных зданий применяют песчаные подушки, т. е. слой слабого грунта заменяют более прочным, состоящим из крупного или среднезернисто-го песка с расчетным сопротивлением 2,0—2,5 кГ/см2. Песчаную подушку укладывают слоями 15—20см, каждый слой уплотняют трамбовкой или вибрированием с поливкой водой.
По способу опускания в грунт сваи разделяются на забивные и набивные. Забивные сваи (деревянные и железобетонные) погружают в грунт в готовом виде при помощи механических копров и вибропогружателей, Набивные сваи (бетонные, железобетонные) изготавливают непосредственно в грунте.
Фундамент. Нижняя часть здания или сооружения, которая служит для передачи нагрузки на основание, называется фундаментом. Верхняя граница фундамента и границы между его отдельными уступами называются обрезами фундамента. Поверхность, с помощью которой фундамент опирается на грунт, называют подошвой фундамента. Расстояние от поверхности грунта до подошвы фундамента называют глубиной заложения.
Выбор конструктивного решения фундамента — одна из ответственных задач проектирования. Фундаменты должны соответствовать следующим требованиям:
· прочности, которая обеспечивается правильным выбором материала фундамента и его размерами;
· устойчивости, обеспечиваемой соответствующим заглублением и размерами по отношению к нагрузке на фундамент;
· долговечности, зависящей от выбора материала фундамента, который не должен подвергаться разрушению от воздействия грунтовых вод (особенно агрессивных) и должен быть достаточно морозостойким;
· экономичности, которая определяется рациональным выбором конструкции фундамента, связанной с трудоемкостью, использованием более дешевых материалов;
· индустриальности, достигаемой применением сборных конструкций с максимальным укрупнением элементов.
По характеру передачи давления на основания фундаменты промышленных зданий подразделяют на ленточные (укладываются в виде ленты), являющиеся продолжением несущей стены здания; столбчатые — в виде отдельных фундаментов или системы столбов и фундаментных балок; сплошные, укладываемые в виде плиты под всем зданием и свайные — в виде отдельных свай.
По способу производства работ фундаменты разделяют на монолитные и сборные. Монолитные фундаменты выполняют из бутобетона, бетона, железобетона, а сборные изготавливают из бетона или железобетона на заводе или строительных площадках. Применение сборных фундаментов позволяет широко использовать средства механизации.
По характеру работы фундаменты бывают жесткие, работающие только на сжатие, и гибкие, работающие на изгиб. Для устройства жестких фундаментов применяют бутобетон и бетон, а для устройства гибких — железобетон.
Глубина заложения фундаментов зависит от глубины залегания слоев грунтов, принятых за естественное основание.
Ленточные фундаменты (рис. 2.1) закладывают, как правило, под сплошные несущие стены. По форме в поперечном сечении эти фундаменты бывают прямоугольными, трапецеидальными и ступенчатыми.
Наиболее распространенными ленточными фундаментами являются фундаменты из сборных бетонных и железобетонных блоков-подушек заводского изготовления, что дает ряд преимуществ: снижаются трудовые затраты, облегчаются монтажные работы в зимнее время. Такие фундаменты состоят из унифицированных фундаментных плит и стеновых прямоугольных блоков различного размера.
Отдельно стоящие фундаменты под колонны применяют двух типов: из одного блока и составные, собираемых из двух или более блоков.
Рис. 2.1. Ленточные фундаменты:
1 — стеновые бетонные блоки; 2— фундаментная железобетонная плита
Для колонн, несущих сравнительно небольшие нагрузки (80—100т) применяют башмаки стаканного типа (рис. 2.2). При нагрузках на колонну более 100т обычно применяют составные сборные фундаменты из нескольких блоков или плит либо монолитные фундаменты. Основным недостатком составных сборных фундаментов, выполненных из железобетона, являет повышенный расход стали по сравнению с монолитными.
Монолитные фундаменты обычно делают ступенчатыми. В зависимости от величины действующей нагрузки фундаменты могут иметь одну, две или три ступени. Размер высоты ступени принимается от 300 до 600 мм в зависимости от размера фундамента в плане.
Фундаменты под тяжелые опоры применяют для зданий с большими прлетами и большой высотой, а также для зданий с крановыми нагрузками в (50-500т).
Свайные фундаменты (рис. 2.2.1) закладывают под колонны промышленных зданий. Они состоят из забивных или набивных свай, поверх которых укладывают ростверк или железобетонный башмак со стаканом для заделки колонн.
Железобетонные фундаментные балки (рис. 2.2.2) имеют трапециевидное или тавровое сечение. Ихразмер зависит от величины шага колонн.
Железобетонные фундаментные балки при шаге колонн 6м в зависимости от размеров подколенников и способов опоры имеют длину от 5950 до 4300мм.
Фундаменты под машины (рис. 2.3) выполняются следующих типов: массивные; рамные (преимущественно для турбомашин), состоящие из ряда поперечных рам, опирающихся на общую плиту и связанных сверху балками или плитой; ступенчатые, монолитные или сборные в виде ряда поперечных или двух продольных стен, связанных между собой ригелями или стенками; фундаменты в виде сплошной монолитной железобетонной или бетонной плиты. Фундаменты под машины и оборудование кроме их массы воспринимают сотрясения и удары, вызываемые работой машин. Эти сотрясения или колебания передаются на грунт и могут вызвать неравномерную осадку фундамента, а также явиться причиной деформации и нарушения структуры грунта основания. Колебание фундамента под машинами может также обусловить колебания фундаментов близлежащих зданий.
|
Рис. 2.2. Сборные железобетонные фундаменты под колонны:
а- стаканного типа для зданий высотой до 12м; б- для двухветвевых колонн отдельно под каждую ветвь (здание большой высоты); в — для двухветвевых колонн — общий; г — облегченный тип оболочки
Рис. 2.2.1. Свайные фундаменты:
а —сваи стойки; 6— висячие сваи; 1 —ростверк; 2— колонна
Фундаменты под машины, установки и оборудование обычно проектируют бетонными или железобетонными; монолитными, сборно-монолитными или сборными.
В массовом промышленном строительстве применяют преимущественно конструктивную схему с полным каркасом. Она является типовой, и обеспечивает экономичные решения проблем строительства одноэтажных промышленных зданий с полной унификацией сборных элементов.
Одноэтажные промышленные здания по производственной пяошади в общем объеме промышленного строительства занимают более 80 %. Они, как правило, экономичнее многоэтажных, потому что при их возведении расход стали сокращается на 25%, а бетона на 4%, поэтому им отдается предпочтение.
Полный железобетонный каркас одноэтажного здания, как правило, состоит из защемленных внизу колонн и шарнирно связанных с ним балок, ферм и плит покрытия. Каркасы одноэтажных промышленных зданий выполняют из сборного железобетона или стали. Имеется опыт использования полимерных и синтетических материалов.
В статическом отношении сборные каркасы представляют собой совокупность поперечных и продольных рам. Поперечные рамы воспринимают нагрузки от атмосферных осадков (снега, ветра), действующих на продольные стены здания, а также от массы (веса) наружных стен. Продольные рамы обеспечивают устойчивость поперечных рам и воспринимают ветровые нагрузки и динамические воздействия от торможения подъемно-транспортных устройств.
Унифицированные типовые конструкции из сборных железобетонных каркасов изготавливают заводским способом в соответствии с номенклатурой индустриальных изделий.
Колонны. Вертикальные несущие элементы каркаса промышленных зданий называют колоннами, они бывают железобетонные и металлические.
Железобетонные колонны одноэтажных промышленных зданий бывают прямоугольного, квадратного, круглого сечения и двухветвевые (рис. 2.4). По расположению в здании колонны разделяются на крайние и средние. Сборные железобетонные колонны прямоугольного сечения 400х400мм применяют в одноэтажных зданиях высотой до 9,6м, не оборудованных мостовыми кранами. Колонны крайних рядов изготавливают без консолей, а средних рядов для создания необходимой площадки опирання ферм или балок — с двумя консолями.
В зданиях высотой от 8,4 до 10,8м, оборудованных мостовыми кранами грузоподъмностью от 10 до 20т, применяют колонны прямоугольного сечения 400x600 мм с консолями. Сечение колонн ниже консолей, поддерживающих подкрановую балку, делают больших размеров, чем сечения надкрановой части, которая несет значительно меньшую нагрузку. В консолях колонн и выше для крепления подкрановых балок предусматривают стальные закладные детали. Двухветвевые сборные железобетонные колонны, состоящие из двух ветвей сечением не менее 200x400 мм, соединенных распорками, применяют в одноэтажных зданиях высотой от 10,8 до 18,0м, оборудованных краном грузоподъемностью от 10 до 50т.
Железобетонные колонны армируют сварными пространственными каркасами, которые образуются из плоски; каркасов путем приварки поперечны: стержней.
Стальные колонны целесообразно применять в одноэтажных зданиях при высоте до низа ферм более 14,4м или при шаге колонн свыше 12,0м и в труднодоступных местах строительства. Их делают преимущественно сварными из одной, двух и более двутавровых или швеллерных профилей, уголков и листовой стали (рис. 2.5). Сечение стержня колонн бывает сплошным или сквозным (решетчатым).
Рис. 2.2.2. Железобетонные фундаментные балки с деталями их укладки:
а — тавровая; б — трапециевидная; в, г, д — детали фундаментов крайнего ряда колонн: 1 — железобетоннаяпанель; 2— колонна; 3; 4 — фундаментная балка; 5 - фундамент стаканного типа - ступенчатый фундамент.
Рис. 2.3. Фундаменты под машины:
а— рамный; б —массивный; в —с амортизаторами; г — подвесной; д — на общей плите: 1 — машина; 2— фундамент машины; 3 —фундаментная плита; 4 —рама фундамента; 5 — виброгасители (песок, шлак); 6 —амортизаторы; 7— железобетонная коробка
При нагрузке на колонну по центру применяют сплошные сечения, а при смещении от центра — сплошные и сквозные.
Шаг крайних колонн выбирают обычно в соответствии с длиной стеновых панелей или принимают 12м, шаг колонн средних рядов — в соответствии с требованиями технологического процесса.
База колонны служит для увеличения площади ее опирання и сопряжения с фундаментом. Для колонн сплошного сечения базы устраивают из стальной плиты, усиленной ребрами, для сквозных колонн — раздельные базы для каждой ветви, Заглубление колонн в зависимости от высоты базы принимается от 0,6 до 1,0м.
Фахверк (или дополнительный каркас) располагают в плоскости продольных и торцевых стен. Он необходим для восприятия массы стенового заполнения., оконных переплетов, ветровых нагрузок и передачи их на основной каркас. Обычно фахверк состоит из ригелей и стоек. Их количество и местоположение определяется шагом колонн, высотой здания, конструкцией стенового заполнения, характером и величиной нагрузок. При шаге колонн более 6м в фахверк вводят дополнительные стойки с собственными фундаментами.
Рис. 2.4. Основные типы железобетонных колонн для одноэтажных зданий:
а — прямоугольного сечения, без консолей и с консолями; б — двухвственые
Перекрытия. Элементы каркаса, соединяющие между собой поперечные рамы, называются перекрытиями. По характеру расположения они бывают горизонтальными: и вертикальными. Роль горизонтальных связей выполняют плиты покрытия. После сварки опорных закладных деталей и заделки швов покрытие приобретает качество «сплошного диска», повышающего пространственную жесткость здания. Устойчивость строительных балок и ферм (в торцах фонарных проемов) обеспечивается горизонтальными крестовыми связями, установленными на уровне верхнего пояса. В последующих пролетах (под фонарями) устанавливают стальные распорки. Подкрановые балки предназначены для установки рельсов, по которым передвигаются мостовые краны. Соединение подкрановых балок с колоннами придает каркасу здания дополнительную пространственную жесткость.
Балки покрытий (рис. 2.6) применяют в пролетах длиной 6, 9, 12 и 18м. В зависимости от конфигурации верхнего пояса балки бывают: односкатные таврового сечения; односкатные двутаврового сечения; двускатные для пролетов 12—18м; решетчатые прямоугольного сечения с отверстиями для пропуска трубопроводов и с параллельными поясами для зданий с плоской, кровлей.
Фермы в массовом промышленном строительстве одноэтажных зданий применяют в пролетах длиной 18, 24, 30м, а также подстропильные фермы, но другой конструкции (рис. 2.7, е).
Рис. 2.6. Железобетонные балки покрытий:
а — односкатные таврового сечения; б— односкагные двутаврового сечения; в —двускатные (для пролетов 6—9м); г —двускатные (для продетое 12—18м); д — решетчатые (для пролетов 12—18м); е — с параллельными поясами: 1 —опорный стальной лист; 2 — закладные детали
Рис. 2.7. Железобетонные фермы покрытия;
a -— сегментная; б — арочная бескаркасная; в~ арочная
для плоских покрытий; г —с параллельными поясами;
д — трапецеидальная; е — подстропильная
Стропильные фермы (рис. 2.7) в зависимости от конфигурации верхнего пояса бывают с параллельными поясами (постоянной высоты), криволинейные (арочные), сегментные и треугольные. В зависимости от материала фермы могут быть сборные железобетонные, металлические или деревянные. Наиболее индустриальными к долговечными являются сборные железобетонные фермы.
Раскосные сегментные фермы предназначены для скатных и фонарных покрытий. Сечения верхнего и нижнего пояса — фермы прямоугольные (рис. 2.7, а).
Бескаркасные арочные фермы используют при устройстве скатных покрытий (рис. 2.7, б), а с выступающими из верхнего пояса «рожками» —для плоских покрытий (рис. 2.17, в).
Фермы с параллельными поясами из железобетона марки M400, 500 предназначены для плоских бесфонарных покрытий (рис. 2.17, г).
Подстропильные фермы укладывают вдоль продольного ряда колонн при шаге 12 или 18м (рис. 2.7, д). Стойки на концах фермы служат опорами для укладки крайних плит покрытия. Для зданий с плоской кровлей применяют
В одноэтажных промышленных зданиях температурные и осадочные швы проходят в парных колоннах, опирающихся на общие или раздельные фундаменты.
Колонны средних рядов, за исключением примыкающих к продольному температурному шву и устанавливаемых в местах перепада высот пролетов одного направления, располагают так, чтобы оси сечения надкрановой части колонн совпадали с продольными и поперечными разбивочными осями.
Продольные температурные швы в зданиях с железобетонным каркасом располагают, как правило, на двух колоннах со вставкой, размер которой зависит от величины привязки колонн и равен 500, 1000 и 1500мм. При этом шаг колонн должен быть равен шагу колонн по средним рядам.
Поперечные температурные швы делают также на парных колоннах. Ось температурного шва совмещают с поперечной разбивочной осью, а геометрические оси парных колонн — с разбивочной осью на величину, равную размеру привязки торцевых колонн основного каркаса. Над колоннами устанавливают парные фермы или балки, на которые укладывают концы панелей покрытия.
Стремление к универсальности и гибкости строительных решений при возведении промышленных зданий, к свободному размещению оборудования с перспективой изменении технологических процессов и беспрепятственной замены устаревшего оборудования новым, к размещению различных производств в одинаковых зданиях приводит к укрупнению сетки колонн. При увеличении пролета многоэтажных зданий до 18—24м строительная высота междуэтажных перекрытий достигает 2,5—3 м, что позволяет использовать это пространство для устройства технического этажа или размещения подсобных помещений.
Для удобства расположения помещений в межферменных этажах в качестве несущих конструкций покрытия и перекрытий применяют железобетонные безраскосные фермы с параллельными поясами. В зданиях с одним межферменным этажом по фермам укладывают ребристые плиты покрытия размером Зх12м. Перекрытия монтируют из пустотелых панелей размером 1,2 х 6м, размещаемых по прогонам длиной 12м. Последние крепят в узлах нижних поясов ферм.
В зданиях с несколькими межферменными этажами покрытия и междуэтажные перекрытия, опирающиеся на верхние пояса ферм, собирают из ребристых плит длиной 6м, а перекрытия, опирающиеся на нижние пояса ферм, из пустотелых панелей, укладываемых на полки поясов.