Рамные конструкции выполняются из стали, древесины и железобетона. При проектировании рам необходимо обеспечить технологичность при изготовлении, возведении и транспортировании к месту монтажа. Система плоских рам, объединенных в пространственную конструкцию, называется каркасом.
Стальные рамы
Учитывая достаточно высокую стоимость стали, рамы стремятся делать максимально облегченными. Применение стальных рам зачастую оправдано при больших пролетах перекрываемых помещений (рис. 10.2), например цеха по сборке самолетов, выставочные павильоны и т.п.
Рис. 10.2. Стальные рамы: а) сквозная стальная рама; б) легкая стальная рама;
1 — стойка; 2 — ригель; 3 — фундамент; 4 — швеллер;
5 — гофрированная стенка (лист t = 4 мм)
Стальные рамы применяют также в качестве каркаса для цехов с большими крановыми нагрузками, тяжелыми режимами работы, в высотных зданиях. Применение стальных рам в качестве каркаса высотных зданий позволяет значительно снизить массу каркаса по сравнению с каркасом из железобетона.
Деревянные рамы
Рамы из древесины выполняются главным образом клееными из досок или из досок и фанеры (клеефанерными), но последние менее технологичны и недостаточно огнестойки. Деревянные рамы применяют для перекрытия как теплых, так и неотапливаемых помещений. Такие рамы из-за своей легкости и простоты монтажа широко распространены в сельскохозяйственном строительстве, из них выполняют каркасы складов, гаражей и других построек. Деревянные рамы перекрывают пролеты от 12 до 30 м, но возможно их применять и для пролетов до 60 м, они устанавливаются с шагом от 3 до 6 м, в виде исключения допускается шаг до 10 м (рис. 10.3).
Рис. 10.3. Клееные деревянные рамы: а) из гнутых полурам; б) из полурам с прямолинейными элементами;
1 — полурама; 2 — фундамент
Железобетонные рамы
Железобетонные рамы могут выполняться монолитными и сборными. Наибольшее распространение получили сборные железобетонные рамы, которые являются частью каркасов производственных и гражданских зданий.
Каркасы одноэтажных производственных зданий при расчете разбиваются на поперечные и продольные рамы. Поперечная рама является основным элементом каркаса, она состоит из колонн (обычно жестко защемленных в фундаменте), ригелей (шарнирно или жестко соединенных с колоннами), плит покрытия (перекрытия). В качестве ригелей покрытия могут использоваться односкатные и двускатные балки, стропильные фермы, арки. Поперечная рама обеспечивает жесткость здания в поперечном направлении, воспринимает вертикальные нагрузки: от покрытия соответственно постоянные и снеговые (Fq, Fs), нагрузки от навесных стен (q), крановые нагрузки (Dmin, Z>max) и горизонтальные нагрузки, действующие в поперечном направлении: ветровые нагрузки (р, W), силы торможения крановой тележки с грузом (Г) (рис. 10.4).
Рис. 10.4. Поперечная рама одноэтажного производственного здания: а) конструктивная схема; б) расчетная схема рамы;
1 — колонны; 2 — стропильная балка; 3 — плита покрытия; 4 — стеновая панель; 5 — фундамент; 6 — мостовой кран с крановой тележкой
Продольная рама, в отличие от поперечной, включает один ряд колонн и продольные конструкции: вертикальные связи, распорки по колоннам, конструкции покрытия, подкрановые балки. Продольная рама обеспечивает жесткость здания в продольном направлении и воспринимает горизонтальные нагрузки от продольного торможения кранов (Г) и ветра (р, W), действующего на торец здания. Система связей обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении (рис. 10.5).
Рис. 10.5. Продольная рама:
а) конструктивная схема; б) расчетная схема продольной рамы;
1 — колонна; 2 — плита покрытия; 3 — подкрановая балка; 4 — распорки; 5 — вертикальные связи
Рамы и каркасы многоэтажных зданий. Устойчивость многоэтажных рам, перераспределение нагрузок между элементами рамы зависят от принятой конструктивной схемы каркаса. Различают три конструктивные схемы каркаса многоэтажных зданий: рамная, связевая и рамно-связевая.
Рамная схема. При рамной схеме каркаса здания устойчивость обеспечивается за счет создания жестких узлов сопряжения ригелей с колоннами и защемления колонн в фундаментах (рис. 10.6).
Рис. 10.Б. Рамная схема каркаса: а) конструктивная схема; б) расчетная схема;
1 — неразрезанный ригель; 2 — колонна; 3 — фундамент
Такая многоэтажная рама способна воспринимать вертикальные и горизонтальные нагрузки, но обладает относительно небольшой жесткостью, в результате чего она используется для небольших по высоте зданий. Применение рамной схемы еще сдерживается тем, что в элементах рамы возникают усилия, при которых затруднительно унифицировать элементы рамы. Так, например, в ригелях, находящихся на разных этажах, возникают разные по величине изгибающие моменты, и с точки зрения экономичности необходимо выполнять ригели различных сечений или различного армирования.
Связевая схема. В связевой схеме сопряжение ригелей с колоннами шарнирное, жесткость здания обеспечивается за счет создания системы вертикальных связей между колоннами (рис. 10.7) (связи обычно выполняются из стальных прокатных элементов: прокатных уголков, швеллеров).
Рис. 10.7. Схемы стальных связей многоэтажного здания
Часто вместо связей используются диафрагмы жесткости, которые представляют собой железобетонные стенки, соединенные с примыкающими к ним колоннами каркаса. Диафрагмы жесткости имеют собственный фундамент (рис. 10.8, а). При расчете связевого каркаса считается, что вертикальные нагрузки воспринимаются рамой, в которой узлы сопряжения ригелей с колоннами выполняются шарнирными, а горизонтальные нагрузки полностью воспринимаются связями или диафрагмами жесткости. При такой схеме здания ригели работают как обычные балки на двух опорах, что позволяет выполнять их одинаковыми независимо от этажа.
Рис. 10.8. Связевой каркас здания: а) план здания, разрез; б) расчетная схема при расчете на вертикальную нагрузку; в) расчетная схема при расчете на горизонтальную нагрузку;
1 — колонна; 2 — фундамент; 3 — разрезной (однопролетный) ригель;
4 — плиты перекрытия; 5 — диафрагмы жесткости
Рамно-связевая схема представляет собой комбинацию первых двух схем, а именно: при такой схеме колонны жестко закреплены в перекрытиях, а ригели также жестко соединены с колоннами, и вместе с тем имеются диафрагмы жесткости или связи.
В результате такой конструкции и с учетом того, что перекрытия рассматриваются в виде жестких дисков, способных перераспределять нагрузки между колоннами каркаса и диафрагмами жесткости (связями), обеспечивается совместная работа каркаса и диафрагм жесткости (связей). Вертикальные нагрузки воспринимаются каркасом, а горизонтальные нагрузки распределяются между каркасом и диафрагмами жесткости пропорционально их жесткостям. Чем больше жесткость элемента, тем большую часть горизонтальной нагрузки он воспринимает. Подобные схемы каркаса можно применять для высотных зданий.