Пространственную систему металлических конструкций, образованную колоннами, подкрановыми балками, фермами, прогонами и связями, называют стальным каркасом. Пространственная жесткость каркаса обеспечивается укладкой подкрановых балок, прогонов, связей между поперечными рамами.
Элементы каркаса изготовляют из малоуглеродистых и высокопрочных сталей. Сопряжение элементов стального каркаса осуществляют на болтах, сварке и заклепках (при значительных динамических нагрузках).
Рис. 20. Основные типы стальных колонн:
а — сплошного постоянного сечения для зданий без мостовых кранов;
б — то же двухветвевого сечения; в — сплошного сечения для зданий,
оборудованных мостовыми кранами; г— то же, двухветвевого переменного
сечения; д — то же, раздельного типа переменного сечения
Каркасы одноэтажных промышленных зданий с пролетами 18,24, 30, 36 м и шагом колонн 6 и 12 м возводят из типовых металлических конструкций.
Стальные каркасы допускаются: при высоте одноэтажного здания более 14,4 м; при грузоподъемности кранов 50 т и более; при пролетах здания 30 м и более, а в неотапливаемых зданиях — 18 м и более; при двухъярусном расположении кранов; при высоких динамических нагрузках; при строительстве в труднодоступных районах.
Устройство стального каркаса наиболее оправдано для многих цехов металлургической промышленности (мартеновские, прокатные и др.) и в цехах тяжелого машиностроения.
Повышение коррозионной стойкости стального каркаса достигается нанесением соответствующих защитных покрытий — масляных красок, битумных лаков. С этой же целью для работы в агрессивной среде следует применять круглые, гнутые, сплошностенчатые конструктивные формы элементов, в которых отсутствуют места скопления влаги и пыли, являющиеся источником развития коррозии.
|
|
Защита стальных конструкций от чрезмерного нагрева производится облицовкой огнеупорными материалами (керамикой, бетонами) и установкой отражающих экранов при постоянном источнике теплоизоляции (на некоторых участках горячих цехов).
Применение железобетонных настилов по стальным фермам приводит к увеличению расхода металла, поэтому предпочтительно использование легких ограждающих конструкций (профилированный стальной лист, асбестоцементные изделия, эффективный утеплитель).
Типы стальных колонн. Их опирание на фундамент
В колоннах различают следующие части:
• оголовок, воспринимающий нагрузку от вышележащих конструкций;
• стержень (ствол), имеющий надкрановую и подкрановую части;
- башмак (база), передающий нагрузку на фундамент.
Стальные колонны (рис. 20) различают по следующим признакам:
- по местоположению: для крайних и средних рядов;
- по конструкции ствола: постоянного сечения, переменного (ступенчатого) сечения;
- по сечению ствола: сплошные, сквозные (из отдельных ветвей, соединенных раскосами или планками), смешанного типа (надкрановая часть сплошная, подкрановая сквозная).
Колонны постоянного сечения представляют собой прокатные сварные двутавры с консолями для опирания подкрановых балок. Их устанавливают в бескрановых или крановых зданиях высотой 8,4-9,6 м (при грузоподъемности кранов до 20 т). Привязка крайних колонн: при Н= 6—8,4 м — нулевая; при Н= 8,4—9,6 м — 250 мм.
|
|
Расстояние от уровня пола до верха подколонника 600 мм (для колонн =8,4—9,6 м), 200 мм (для колонн Н = 6—8,4 м).
Рис. 21. Стальные подкрановые балки:
а — сплошного сечения из прокатных двутавров с усилением верхних полок;
б — то же сварные; в — то же, клепаные; г — сквозного сечения;
д — крепление балок к железобетонной колонне; е — то же к стальной;
ж — крепление рельса к балке крюками; з — то же лапками;
1 — тормозная балка; 2 — крепежная планка; 3 — упорный уголок;
4 — стальная фасовка; 5 — подставка; 6 — цементно-песчаный раствор;
7 — опорное ребро; 8 — рельс; 9 — крюк; 10 — стальная лапка
Ступенчатые (двухветвевые) колонны предназначены для зданий с высотой этажа 9,6—18 м, оборудованных кранами грузоподъемностью до 125 т. Надкрановая часть колонны (шейка) выполняется из сварного двутавра, подкрановая состоит из двух ветвей, соединенных решеткой. Подкрановую часть двухветвевых колонн выполняют из прокатных швеллеров и двутавров (при высоте сечения до 400 мм), из гнутых швеллеров и двутавров сварных или прокатных (при высоте сечения 400—650 мм).
Башмаки стальных колонн крепят к анкерным болтам, заделанным в железобетонный фундамент. Опирание осуществляют через слой цементно-песчаного раствора или бетона на мелком заполнителе. Конструкция башмака зависит от сечения колонны, характера нагрузки (центральная, внецентренная). Башмаки колонн сплошных и решетчатых (при небольшом расстоянии между ветвями) имеют общую базу. В зависимости от высоты траверсы нижний торец колонны располагают на отметке 0,6—0,9 м. Заглубленную часть колонны для защиты от коррозии бетонируют.
|
|
Подкрановые балки
Двутавровые балки пролетом 6 и 12 м применяют в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью до 200 т. Сечение балок симметричное или асимметричное (с уширенным верхним поясом), вертикальная стенка сплошная, усиленная двусторонними ребрами, расположенными через 1,5 м. Высота подкрановых балок 600—2050 мм, их изготовляют из прокатного металла и сварными (рис. 21).
По статической работе подкрановые балки делят на разрезные, имеющие по всей длине постоянное сечение и стыкуемые на опорах; неразрезные, компонуемые из различных сечений, со стыками, расположенными в четвертях пролета.
Тормозные балки и фермы (рис. 22) обеспечивают устойчивость подкрановых балок и воспринимают тормозные усилия мостовых кранов. Их закрепляют к поясам подкрановых балок и сверху приваривают стальной рифленый лист, используемый для прохода вдоль подкрановых путей. При шаге колонн 6 м верхние пояса подкрановых балок связывают тормозными балками только в связевых шагах колонн. При шаге колонн 12 м при устройстве проходов при кранах грузоподъемностью более 75 т по всей длине подкрановых балок устраивают тормозные фермы.
Крановые пути для кранов грузоподъемностью до 20 т устраивают из железнодорожных рельсов, закрепленных крюками или планками с вертикальными ребрами.
Для кранов грузоподъемностью более 20 т укладывают рельсы от КР-50 до КР-140, закрепляемые болтами с прижимными лапками. Концевые опоры приваривают к подкрановой балке и снабжают брусчатым амортизатором.
Балки опирают на колонны через опорные торцовые ребра и крепят к ним болтами и планками. Между собой балки соединяют болтами, пропускаемыми через опорные ребра. Балки изготовляются средние и крайние. Крайние балки устанавливаются у температурных швов и в торцах пролетов, у этих балок одна из опор отодвинута на 500 мм.
При опирании балок на железобетонные колонны под балки устанавливают специальные подставки (рис. 21, д).
Рис. 22. Тормозные элементы подкрановых балок:
а — тормозная балка, соединяющая подкрановые конструкции
на средних колоннах; б — тормозная ферма, соединяющая подкрановые
конструкции на средних колоннах; в — тормозная балка для крайних колонн;
г — тормозная ферма для крайних колонн;
1 — двутавровые подкрановые балки; 2 — стальной рифленый лист,
усиленный снизу ребрами из уголков; 3 — решетка из уголков; 4 — швеллер;
5 — вертикальная решетка тормозной фермы; 6 — стальные уголки,
поддерживающие раскосы тормозной балки
Рис. 23. Схемы стальных стропильных и подстропильных ферм:
а — с параллельными поясами для плоских покрытий;
б — треугольная для неутепленных покрытий; в — подстропильная
с параллельными поясами; г— подстропильная треугольная
Стропильные и подстропильные фермы покрытий
Стальные типовые фермы пролетом 18—36 м применяют в плоских и скатных покрытиях. Их изготовляют из углеродистых и низколегированных сталей.
Стропильные фермы с параллельными поясами (рис. 23) предназначены для устройства плоской кровли из железобетонных плит или стального профилированного настила. Шаг ферм 6, 12 м.
Элементы фермы изготовляют из уголков, широкополочныхтав-ров, соединяемых в узлах электросваркой или высокопрочными болтами. Верхний и нижний пояса фермы имеют уклон 1,5%, что компенсирует провисание конструкции в процессе эксплуатации. При креплении путей подвесных кранов фермы усиливают дополнительными подвесками. У опор ферм на колонны устанавливают опорные стойки двутаврового сечения, поэтому длина ферм, поставляемых заводом-изготовителем, будет на 400 мм меньше за счет укорочения крайних панелей поясов ферм.
В крайних рядах наружная линия стойки служит продолжением наружной грани колонны, что обеспечивает крепление наружных стен к каркасу по всей высоте.
Фермы шарнирно опирают на колонны. При шаге колонн крайних рядов 6 м, а средних 12 м и более возникает необходимость установки подстропильных ферм.
Решетка ферм определяется целесообразным распределением усилий между раскосами и стойками. При этом расстояние между углами ферм принимают обычно по верхнему поясу 3 м, по нижнему — 6 м. В фермах пролетом 24, 30, 36 м для удобства устройства монтажного стыка посредине пролета появляется дополнительный вертикальный элемент.
Рис. 24. Установка связей в покрытии (шатре) стального каркаса:
а — в уровне верхнего пояса стропильных ферм; б — в уровне нижнего пояса
стропильных ферм; в — продольный разрез (шатра) в коньке;
г — продольный разрез (шатра) по опорам стропильных ферм;
1 — фермы; 2 — горизонтальные связи; 3 — вертикальные связи
в виде фермы с параллельными поясами; 4 — распорки (в коньковых
узлах фермы); 5 — поперечная связевая ферма (в середине
температурного блока); 6 — продольная связевая ферма;
7 — растяжки (в уровне нижнего пояса фермы)
Связи в стальном каркасе
Конструктивные элементы (связи), установленные между стропильными фермами и колоннами, обеспечивают пространственную жесткость каркаса (рис. 24, 25). Вертикальные связи:
между стальными колоннами разделяют на основные и верхние. Основные располагают по высоте подкрановой части колонны в середине температурного блока в каждом ряду колонн. Верхние вертикальные связи (в надкрановой части колонн) располагают по границе температурного блока и в местах расположения вертикальных связей между фермами покрытия; между стропильными фермами закрепляют вертикальные крестовые связи или фермочки с параллельными поясами. Их располагают между опорами ферм по краям и в середине пролета. Горизонтальные связи: • горизонтальные связи по нижним поясам ферм располагают поперек и вдоль пролетов, поперечные — у торцов и температурных швов. Если температурный блок 120—150 м и краны большой грузоподъемности, то промежуточные связевые фермы устраивают через 60 м. Продольные горизонтальные связи устраивают по крайним панелям нижних поясов стропильных ферм. В однопролетных — вдоль обоих рядов колонн, в многопролетных — вдоль крайних и через ряд вдоль средних. Если примыкают два пролета, разных по высоте, продольные связи располагают с обеих сторон колонн; горизонтальные связи по верхнему поясу ферм устанавливают в торцах и у температурного шва. Если длина блоков больше 96 м, то через 42—60 м ставят промежуточные связевые фермы. Распорки устанавливают на участках покрытия под фонарями в коньковых узлах ферм.
Узлы стального каркаса
Опирание подкрановых балок на консоли (рис. 26) или выступы колонн осуществляется нижней строганой кромкой опорных ребер, которые соединяются между собой болтами. Верхнюю часть балок закрепляют стальными планками, приваренными к колоннам.
Сопряжение стропильных ферм с колоннами выполняют шарнирным (рис. 27). К надопорной стойке, закрепленной на оголовке колонны, прикрепляют болтами верхний и нижний пояса ферм.
Сопряжение подстропильных ферм на оголовке колонны. Нижний пояс фермы примыкает к надопорной стойке из сварного двутавра и крепится к ней болтами.
Рис. 25. Связи в шатре стального каркаса:
1 — колонны; 2 — связи по нижнему поясу ферм;
3 _ связи по верхнему поясу ферм; 4 — распорки;
5 _ вертикальные связи в плоскости конька
Рис. 26. Крепление Рис. 27. Сопряжение
подкрановых балок: стропильных ферм с колонной:
а - к крайней колонне; а - на опоре; б - в пролете
б — к средней колонне; 1 — консоль колонны;
2 — подкрановая балка; 3 — крепежные планки
Сопряжение стропильной фермы с подстропильной осуществляют на опорном столике нижнего пояса (рис. 28).
Смешанные каркасы
Каркас, у которого сжатые и изгибаемые элементы выполнены из различного материала, называют смешанным. Для одноэтажных промышленных зданий целесообразны каркасы следующих видов: колонны — железобетонные, подкрановые балки, несущие конструкции покрытия — стальные; колонны — железобетонные, несущие конструкции покрытия — деревянные; колонны — металлические, конструкции покрытия —деревянные.
За счет рациональной работы элементов каркаса: железобетонных на сжатие, металлических и деревянных на изгиб — снижается материалоемкость здания. Уменьшение массы покрытия позволяет сократить размеры сечения колонн и подошвы фундаментов.
Рис. 28. Сопряжение стальных стропильных и подстропильных ферм:
а — схема установки ферм; б — сопряжение ферм на оголовке колонн;
е — сопряжение ферм в пролете;
1 — колонна; 2 — надопорная стойка; 3 — стропильные фермы;
4 — покрытие; 5 — подстропильная ферма; 6 — столик для опирания
стропильной фермы; 7 — нижний узел стропильной фермы; 8 — нижний узел
подстропильной фермы; 9 — верхние узлы стропильных ферм
Наиболее распространены каркасы с несущими элементами покрытия из металла. Металлические фермы устанавливают на железобетонные колонны через опорную плиту. Смонтированные конструкции закрепляют анкерными болтами, заделанными в оголовке колонны.
Здания из легких металлических конструкций
Несущие конструкции, прочность которых повышена благодаря применению высоких марок металла или эффективных профилей, а ограждающие элементы выполнены из тонколистового металла с эффективным утеплителем, называют легкими.
Из легких металлических конструкций возводят одноэтажные промышленные здания пролетом 18 и 24 м. Шаг колонн в крайних рядах 6 и 12 м, в средних —12 м.
Получили распространение здания со структурным покрытием из прокатных профилей или труб (рис. 29). Колонны в таких зданиях — из прокатных или сварных двутавров, из труб диаметром
Рис. 29. Здания со структурными покрытиями из труб
или прокатных профилей:
1 — колонны; 2 — подкрановые балки; 3 — пространственная структура
(из труб или прокатных профилей); 4 — покрытие из стального настила;
5 — зенитные фонари; 6 — прогоны покрытия;
7 _ панели из металлических листов с эффективным утеплителем;
8 _ окно; 9 — цоколь; 10 — стойка стенового фахверка;
11 — ригели стенового фахверка
325-530 мм. Подкрановые балки двутавровые сварные. Покрытие — пространственная структура, собранная из прокатных уголков или труб. Элементы структуры соединяются в узлах с помощью высокопрочных болтов, сварки, полусфер с внутренней резьбой. Фермы из круглых труб разработаны для устройства по ним легкого покрытия из стального профилированного листа.
Подстропильные конструкции для ферм из круглых труб при шаге колонн 12 м имеют треугольное очертание. Пояса их выполнены из круглых труб, а стойки из усиленного местами прокатного двутавра.
Прогоны выполняют из прокатных швеллеров высотой сечения 200-250 мм в зависимости от расчетной нагрузки. В необходимых случаях, особенно в ендовах, прогоны могут применяться усиленные или состоять из двух швеллеров. При шаге ферм 12 м прогоны устраивают решетчатого типа. Они имеют треугольную форму, верхний пояс — из парных прокатных швеллеров, а решетки — из одиночных холодногнутых.
Здания из легких металлических конструкций предназначены для предприятий машиностроения, легкой, пищевой и деревообрабатывающей промышленности.