По конструктивной схеме промышленные здания подразделяют на каркасные, бескаркасные и с неполным каркасом. Одноэтажные здания СТОА средней вместимости являются зданиями каркасного типа или с неполным каркасом. В каркасных зданиях все вертикальные и горизонтальные нагрузки воспринимаются элементами каркаса, а стены выполняют роль ограждения. В зданиях с неполным каркасом пристенные колонны отсутствуют, а наружные стены выполняют несущие и ограждающие функции.
На выбор конструкций и материалов для производственного здания влияют следующие факторы: назначение и срок эксплуатации здания, определяющие требования по огнестойкости и долговечности; условия эксплуатации здания (внешняя и внутренняя среда); требования унификации строительства; местные возможности изготовления и монтажа конструкций; экономические соображения; архитектурно-композиционные требования, а также учитывают возможность расширения предприятия. Соответственно, выбирают наиболее целесообразный тип конструкций, характеризующийся сеткой опор
Анализ размещения рабочих постов СТОА при применении различных сеток колонн показал, что наиболее рациональный пролёт для станций равен 18 м при шаге 12 м, так как в этом случае возможно больше возможности маневрирования.
Материалами для каркасов одноэтажных зданий СТОА служат сборный железобетон и сталь, реже кирпич. Железобетонные конструкции обладают высокой долговечностью, несгораемостью, незначительными деформациями. Недостатками железобетонных конструкций являются их большой вес, зависимость возведения от сезона при монолитном железобетоне, сложность работ по усилению конструкций, значительная стоимость перестройки и разборки.
|
|
Стальные конструкции обладают относительно малым весом при большой несущей способности, высокой индустриальностью и малой трудоёмкостью монтажа. К недостаткам стальных конструкций относятся подверженность коррозии и снижение несущей способности под воздействием высокой температуры.
Основной объём (85%) металлических конструкций приходится на одноэтажные промышленные здания площадью до 1000 м2, бескрановые или с подвесным крановым оборудованием грузоподъёмностью до 5 т, т.к. это обусловлено максимальной экономичностью конструктивного решения для данных производственных зданий.
Железобетонный каркас
Каркас одноэтажного промышленного здания состоит из фундаментов и фундаментных балок, колонн, подкрановых и обвязочных балок, стропильных конструкций покрытия, связей. В рамках данного учебного пособия рассматриваются только те элементы каркаса, которые влияют особенностью своего конструктивного решения на архитектурно-композиционное решение здания, интерьер помещений.
Колонны из железобетона в зданиях СТОА могут применяться прямоугольного сечения различной высоты. При высоте помещения (от отметки 0,000 и до верха конструкций перекрытия) от 3,6 до 7,2 м применяются колонны размером в поперечном сечении 400×400 мм, при высоте помещений от 4,8 до 9,6 м сечением 500×500 и 500×600 мм
Помимо основных колонн в зданиях предусматривают фахверковые колонны, устанавливаемые в торцах здания и между основными колоннами крайних продольных рядов при шаге 12 м и длине стеновых панелей 6 м.
|
|
Фахверковые колонны изготавливают железобетонными, а при высоте помещений до 4,2 м – из стальных прокатных профилей. /1, 5, 13/
Стальной каркас
Стальной каркас применяют в зданиях с укрупнённой сеткой колонн, с большой высотой, при требованиях ускоренного строительства. Стальной каркас одноэтажного промышленного здания включает в себя комплекс следующих конструктивных элементов: колонны, стропильные и подстропильные фермы, подкрановые балки, прогоны, элементы фахверка и связи. Элементы связаны между собой и образуют пространственную геометрически неизменяемую систему.
Поперечные рамы, состоящие из шарнирно или жёстко связанных между собой колонн и ригелей, являются основными несущими конструкциями здания, воспринимающими вертикальные и горизонтальные нагрузки.
Защита стальных конструкций от чрезмерного нагрева производится облицовкой огнеупорными материалами (керамикой, бетонами и т.п.) и
установкой отражательных экранов при постоянном или временном источнике теплоизлучения (на некоторых участках ТР).
Стальные колонны выпускают постоянного по высоте сечения и переменно-ступенчатые. Различают колонны сплошные и сквозные.
Стены
К наружным стенам промышленных зданий предъявляют следующие требования: сохранение температурно-влажностного режима помещений, прочность и устойчивость; огнестойкость и долговечность; индустриальность возведения; соответствие эстетическим требованиям; экономичность, небольшой вес, возможность использования местных строительных материалов.
|
|
Выбор материала стен в большой степени зависит от температурно-влажностного режима помещений и климатических условий района строительства.
Стены промышленных зданий подразделяются на ненесущие (навесные), самонесущие и несущие.
Навесные стены выполняют, в основном, ограждающие функции и свой вес передают на колонны каркаса.
Навесная конструкция стен в промышленных зданиях имеет преимущественное распространение. Выполняют из асбестоцементных и металлических листов и панелей.
Самонесущие стены несут собственный вес в пределах полной высоты здания. Выполняют из железобетонных панелей.
Несущие стены применяют в зданиях бескаркасных и с неполным каркасом из кирпича, блоков, монолитного железобетона. Являясь одновременно несущей и ограждающей конструкцией, несущие стены воспринимают вес покрытия, ветровые и снеговые нагрузки. Кирпичные стены промышленных зданий в силу большой протяжённости укрепляют пилястрами, либо выполняют криволинейного или ломаного очертания в плане.
Покрытия
В системе конструкций промышленного здания покрытие занимает ответственное место. Оно определяет долговечность, характер внутреннего пространства, архитектурный облик здания.
По конструктивной схеме покрытия подразделяют на плоскостные и пространственные. Плоскостные покрытия, применяемые, в том числе, и в зданиях СТОА, являются наиболее универсальными и простыми в возведении и надёжными в эксплуатации. Несущие и ограждающие конструкции работают независимо друг от друга.
Особенностью пространственных покрытий является совмещение в них функций несущих и ограждающих конструкций. Все элементы пространственной системы работают как единое целое. Пространственные покрытия, имея криволинейную поверхность рациональной геометрической формы, обладают высокой жёсткостью и наиболее целесообразны в зданиях с пролётами свыше 30 м. Сложны по конструкции и трудоёмки при монтаже.
По профилю поперечного сечения покрытия подразделяют на одно–, двух– и многоскатные, плоские, шедовые и криволинейные.
Односкатные покрытия применяют редко (в однопролётных зданиях шириной до 12 м). Двухскатные покрытия применяют в однопролётных зданиях любой ширины.
Многоскатные покрытия применяют в многопролётных зданиях, причём каждый пролёт перекрывают двухскатным покрытием.
Плоские перекрытия применяют для зданий многих отраслей промышленности, в том числе и для обслуживания автомобилей.
Здания не должны иметь светоаэрационных фонарей.
При использовании плоских покрытий создаются условия для устройства асфальтовой и водонаполненной кровель.
Шедовые покрытия состоят из целого ряда ориентированных на север вертикальных или наклонных остеклённых поверхностей. Шедовые покрытия исключают попадание в помещения прямых солнечных лучей, целесообразны в зданиях, предназначенных для производств, требующих хорошего равномерного естественного освещения.
Криволинейные покрытия получили широкое распространение в строительстве зданий с пространственными и висячими системами, позволяющими перекрывать большие пролёты.
Плоскостные покрытия
Выбор типа и материала несущих конструкций покрытия производят с учётом района строительства, ширины пролётов, величины и характера нагрузок на покрытие, системы размещаемых под покрытием коммуникаций типа кровли и др. Несущие конструкции плоскостных покрытий выполняют из железобетона, металла и комбинированные.
В плоскостных покрытиях обычно применяют следующие типы несущих конструкций – балки, фермы, арки и рамы.
Железобетонные балки применяют для устройства покрытий в промышленных зданиях при пролётах 6, 9, 12 и 18 м. Железобетонные балки могут быть односкатными, двухскатными и с параллельными поясами.
Односкатные балки опирают на железобетонные колонны разной высоты, которая кратна модулю 600 мм.
Железобетонные фермы применяют для перекрытия пролётов 18, 24 и 30 м, их устраивают с шагом 6 и 12 м.
а – сегментная; б – арочная; в – треугольная; г – полигональная; д – то же, с пониженным нижним поясом; е – с параллельными поясами
Железобетонные фермы покрытий
Применение 18-метровых ферм целесообразно в том случае, когда в пределах покрытия необходимо разместить коммуникационные трубопроводы и вентиляционные каналы или использовать межферменное пространство для устройства технических этажей.
Железобетонные арки целесообразно применять при больших пролётах (40 м и более).
Опорами арок могут быть колонны здания или специальные фундаменты. При больших пролётах арки, как правило, опирают непосредственно на фундаменты.
В практике строительства применяют преимущественно арки из сборных элементов, которые собирают из блоков.
Железобетонные рамы устраивают однопролётными и многопролётными, монолитными и сборными.
Рамы представляют собой стержневую конструкцию, геометрическую неизменяемость которой обеспечивают жёсткие соединения элементов рамы в узлах. Очертание ригелей в раме может быть прямолинейным, ломаным или криволинейным. Стойки рам могут выступать из плоскости стен в наружную сторону, что придаёт зданию своеобразное архитектурное решение которых совмещены несущие и ограждающие функции. Пространственные покрытия выполняют из плоскостных элементов, монолитно связанных между собой и работающих как единое целое. Материалами для них служат металл и железобетон (монолитный, сборный и сборно-монолитный). Экономичны в расходе строительных материалов, повышенная жёсткость и прочность.
К пространственным конструкциям покрытий относятся: оболочки, складки, купола, своды и висячие системы.
Оболочки представляют собой пространственные тонкостенные конструкции с криволинейными поверхностями.
Применяют несколько типов оболочек. Простейшими из них являются цилиндрические оболочки, применяемые при пролётах 24 – 48 м. Оболочка состоит из тонкой изогнутой по цилиндрической поверхности плиты, усиленной бортовыми элементами. Её опирают по торцам на диафрагмы, поддерживаемые колоннами. Различают оболочки короткие и длинные. Оболочка считается короткой при соотношении ширины к пролёту < 1, если ≥ 1, то оболочку называют длинной образующие потолок. В зоне чердака располагают воздуховоды, светильники, электросеть.
Из цилиндрических оболочек, располагая их наклонно, создают так называемые шедовые покрытия, которые могут иметь зубчатый или пилообразный поперечный профиль. Их пролёт принимают до 48 м при шаге или длине волны 12 м. Разновидность шедовых покрытий – коноиды. Поверхность коноида получают путём движения прямой образующей, передвигающейся параллельно самой себе по двум направляющим, одна из которых прямая линия, а другая – кривая любого очертания. Чаще всего за кривую направляющую принимают дугу круга или параболу. В торцах коноида устраивают диафрагмы жёсткости в виде ригеля, имеющего криволинейное очертание. Оболочки коноида обычно имеют пролёты до 12 м с длиной волны до 90 м, при этом скорлупу выполняют толщиной до 100 мм. Диафрагмы жёсткости в оболочках шедового типа могут быть в виде железобетонных арок с затяжками, а иногда в виде стальных ферм Уоррена
Заполнение диафрагмы остеклёнными переплётами или стеклоблоками позволяет обеспечить освещённость производственных помещений.
Пологие оболочки (двоякой положительной кривизны) устраивают в зданиях с квадратной и прямоугольной сеткой колонн. Для сеток колонн 18×18 – 36×36 м разработаны типовые решения с унифицированными конструктивными элементами.
Оболочка состоит из сборных элементов и опирается на контурные фермы, арки или стены. Оболочки выполняют из типовых плит размером 3×3 м и 3×6 м. По контуру оболочки укладывают плиты с утолщёнными бортовыми рёбрами. В случае необходимости в плитах могут быть устроены отверстия для светоаэрационных фонарей.
Оболочки в виде гиперболического параболоида (двоякой отрицательной кривизны) позволяют получить покрытия, обладающие рядом преимуществ по сравнению с оболочками других типов. У них шире архитектурные возможности, меньший объём, занимаемый оболочкой по отношению к перекрываемой площади, устойчивость формы при действии вертикальной нагрузки.
Оболочками в виде гиперболического параболоида можно перекрывать производственные здания как с прямоугольной сеткой колонн 18×6 м, 24×6 м, так и с квадратной 18×18 м, 24×24 м, 30×30 м, 42×42 м и более. Оболочки по контуру опираются на фермы.
Оболочки отрицательной кривизны имеют достаточно хорошие технико-экономические показатели по расходу материала. К недостаткам следует отнести большие трудовые затраты при изготовлении плит и монтаже оболочки.
Складчатого типа конструкции для устройства покрытий промышленных зданий применяют редко. Для промышленных зданий с пролётами 18–36 м и шаге колонн 12 м разработана сборная железобетонная складка, собираемая из плоских элементов.
Складки из плоских элементов более индустриальны по сравнению с цилиндрическими оболочками.
Складка состоит из бортовых балок, арок-диафрагм и трёх типов ребристых плит).
Купола применяют для устройства покрытий над промышленными зданиями или сооружениями, имеющими круглую форму в плане. Они могут быть из сборных железобетонных элементов и монолитными. Первые – с ребристой структурой, вторые – с гладкой.
Сборные железобетонные купола имеют радиальную или радиально-кольцевую разрезку поверхности на сборные элементы.
Наряду со сплошными железобетонными устраивают сетчатые купола, которые собирают из решётчатых прямоугольных, ромбовидных или шестиугольных панелей. По расходу материалов купола экономичнее других типов оболочек. Купольное покрытие состоит из оболочки и нижнего опорного кольца. При наличии центрального проёма устраивают также верхнее кольцо, окаймляющее проём
Своды применяют для устройства покрытий зданий при пролётах до 100 м и более. Для таких больших пролётов тонкостенные своды являются одним из рациональных конструктивных решений. Отличительная особенность этой конструкции – наличие распора, который передаётся на опоры или воспринимается затяжками. Своды могут опираться на вертикальные несущие конструкции (колонны, стены) или непосредственно на фундаменты.
Наибольшее распространение получили бочарные и волнистые своды, сборные элементы которых имеют криволинейное или складчатое поперечное сечение.
В настоящее время находят применение своды, образованные путём блокирования арок, выполненных из прямолинейных армоцементных элементов складчатого поперечного сечения шириной 3 м. Разработанные типовые решения для пролётов 18 – 60 м обеспечивают максимальную сборность конструкции покрытия, использование минимального числа типоразмеров элементов, простоту монтажа. Покрытия допускают возможность устройства верхнего естественного освещения, аэрации и подвески транспортного оборудования.
Арки опирают либо на подстропильные конструкции, укладываемые на колонны, либо на фундаментные балки, укладываемые по столбчатым фундаментам.
Висячие покрытия за последние годы находят всё большее распространение, особенно при строительстве промышленных зданий с большими пролётами, в том числе и автотранспортных предприятий.
Основное достоинство висячего покрытия – его несущая конструкция – ванты (стальные тросы) – работает только на растяжение, благодаря чему сечение вантов подбирают исключительно из условий прочности.
Висячие конструкции просты в монтаже, их можно применять при любой конфигурации плана здания, они имеют небольшую строительную высоту, транспортабельны.
Недостатками висячих конструкций следует считать сложность устройства опорных конструкций для восприятия распора (особенно при прямоугольной форме плана), а также сложность обеспечения общей пространственной жёсткости системы.
По конструктивной схеме покрытия могут быть висячими или подвесными, плоскими или пространственными, однопролётными или многопролётными.
В промышленном строительстве наибольшее распространение получили висячие вантовые конструкции шатрового или вогнутого типа, которые устраивают над зданиями, как с круглым, так и с прямоугольным очертанием плана. Шатровое покрытие над круглым в плане зданием состоит из радиально расположенных вант, одним концом прикреплённых к стальному кольцу, установленному на центральной колонне, другим концом прикреплённых к железобетонному кольцу, идущему по периметру здания и расположенному ниже первого конца радиальных вант. Разность отметок концов радиальных вант обеспечивает необходимый уклон кровли.
Возможен вариант устройства покрытия и без центральной колонны. В этом случае центральное стальное кольцо располагают ниже опорного и сток воды с кровли осуществляют непосредственно внутрь, по внутреннему водостоку.
Последнее время для зданий промышленного типа применяют висячие конструкции пролётом до 200 м. Примером висячей системы на прямоугольном плане может быть покрытие гаража пролётом 78 м в г. Красноярске.
Покрытие представляет собой предварительно напряжённую железобетонную оболочку, работающую на растяжение. На систему, из параллельно расположенных гибких вант, уложены сборные железобетонные плиты.
В здании автобусных мастерских пролётом 50 м в Германии применено двухпоясное висячее покрытие. Висячие фермы, имеющие шаг 5,4 м, состоят из несущих и натяжных элементов. Между фермами подвешена сетка из стальных стержней, по которой уложены асбестоцементные настилы, утеплитель и рулонная кровля.
В вантовом покрытии здания прямоугольного очертания пролётом 96 м помимо вант, работающих на растяжение, могут быть предусмотрены железобетонные балки жёсткости, имеющие небольшую высоту подъёма. Балки подвешивают к вантам и одновременно опирают на треугольные стойки. По балкам укладывают железобетонные панели размером 3×12 м.
Вантовое покрытие большепролётного здания с пролётами 60+12+60 состоит из железобетонной этажерки шириной 12 м, криволинейных балок длиной 60 м и панелей размером 3×12 м.
В верхней части этажерок, используемых для размещения административно-бытовых помещений, колонны образуют треугольники, к которым на канатах подвешивают балки. Такая вантовая система называется консольной.
Вынос несущих элементов вантовых покрытий из помещения за пределы кровли в рассмотренных выше примерах позволяет свободно развивать высоту пролётной конструкции, не увеличивая объёма помещения. Ритм выносных конструкций на фасад здания поможет придать ему большую пластику и архитектурную выразительность.
Оконные проёмы и фонари
Для достижения необходимой освещённости и аэрации, остеклённые поверхности наружных стен промышленных зданий делают значительно больших размеров, чем гражданских зданий. Их размеры определяют в соответствии с расчётом и в целях унификации переплётов назначают кратными по ширине 0,5 м и по высоте 0,6 м. Световые проёмы в стенах могут быть в виде отдельных окон, ленточные (одна или несколько лент по высоте стены) и сплошные.
Проёмы в виде отдельных небольших окон характерны для складских помещений. Если необходимо иметь хорошее естественное освещение на большую глубину помещений, предусматривают ленточное или сплошное остекление. Нижнюю грань оконных проёмов рекомендуется располагать на возможно большем расстоянии от пола, что позволяет размещать вдоль стен оборудование производственных помещений. Заполнение оконных проёмов промышленных зданий могут быть с деревянными, стальными, железобетонными переплётами, из стеклоблоков, стеклопакетов или светопрозрачных изделий на основе полимеров (стеклопластик), профильное стекло.
В промышленных зданиях, имеющих большую ширину, не всегда возможно обеспечить нормативную естественную освещённость за счёт бокового света через светопроёмы в наружных стенах. В покрытии таких зданий предусматривают специальные проёмы, называемые световыми фонарями. Наряду с освещением световые фонари служат целям воздухообмена в помещениях, в этом случае их называют светоаэрационными.
Применение того или иного типа фонаря зависит от требований к среде производственных помещений промышленных зданий. Фонари, как правило, располагают вдоль пролётов здания.
По форме фонари подразделяют на двусторонние, односторонние (шеды) и зенитные. Двусторонние и односторонние фонари могут иметь вертикальное и наклонное остекление. В связи с этим, поперечный профиль фонаря может быть прямоугольным, трапецеидальным, зубчатым и пилообразным. Если фонарь имеет прямоугольный, куполообразный, трапецеидальный или очерчённый по сложной кривой профиль со светопрозрачными поверхностями, его называют зенитным.
Современные системы верхнего освещения, выполняемые в виде зенитных фонарей, светопрозрачных панелей покрытий, более экономичны по сравнению с традиционными типами световых фонарей, имеют более высокую светоактивность, большую свободу размещения на покрытии здания и меньшую степень снежных заносов. Зенитные фонари устраивают преимущественно на плоских покрытиях, но они могут быть также размещены на покрытиях скатных и криволинейных.
Размеры конструктивных схем фонарей унифицированы и согласованы с основными габаритами здания. Для 12– и 18–метровых пролётов принимают фонари шириной 6 м, для пролётов 24, 30, 36 м – 12 м. Длина фонарей должна быть не более 84 м. Фонарь не доводят до торцевых стен на 6 м.