Пространственная многостержневая конструкция каркаса промышленного здания, воспринимающая и передающая на фундаменты все нагрузки и воздействия, при замене ее расчетными схемами расчленяется на плоские системы (поперечные рамы и продольные конструкции). Это приводит к погрешностям в определении усилий, которые при расчете стальных каркасов частично компенсируются приближенным учетом пространственной работы каркаса.
Таким образом, при расчете поперечных рам стальных каркасов промышленных зданий используются упрощенные расчетные схемы, которые резко сокращают трудоемкость расчета и приводят к погрешностям, практически не влияющим на результаты расчета. Однако это возможно только при расчетах определенной конструктивной формы, соответствующей системам традиционных каркасов промышленных зданий.
Действительные усилия в элементах каркаса всегда отличаются от тех, которые определены даже по "точной" расчетной схеме. Это связано, во-первых, с методами расчета, принятыми в строительной механике, а во-вторых, с идеализированными условиями опирания поперечных рам и сопряжений ее элементов.
В настоящее время в строительной механике принят расчет по недеформируемой схеме. Например, если в колонне имеется нормальная сила, то дополнительный момент, который возникает при небольшом смещении верхнего узла рамы, при определении усилий не учитывается. Имеются методы расчета систем по деформируемой схеме, при которых система канонических уравнений превращается в систему дифференциальных. Примеры использования этих методов для расчета систем, похожих на расчетные схемы поперечных рам, показали, что при нагрузках, близких к расчетным, использование недеформируемой схемы дает небольшие погрешности.
Значительно сильнее искажают характеры распределения усилий в системе и ее перемещения податливость фланцевых соединений ригеля с колонной и поворот фундаментов при нагружении рамы. Поворот фундаментов уменьшает изгибающие моменты в нижней части колонны (при шарнирном опирании колонны момент равен нулю) и увеличивают в верхней. Податливость крепления ригеля к колонне увеличивает моменты в нижней и уменьшает в верхней части колонны. Имеются методы учета этих обстоятельств действительной работы, которые используются при уточненных проверочных расчетах (особенно при решении вопросов реконструкции промышленных цехов и проектировании усиления конструкций каркаса). При расчете рам новых зданий все обстоятельства действительной ра0оты учитываются косвенно введением коэффициентов условий работы, спецификой определения усилий.
Оси стоек в расчетной схеме совпадают с центрами тяжести верхнего и нижнего сечений колонны. В ступенчатых колоннах крайних рядов центры тяжести верхней и нижней части расположены не на одной оси, и поэтому стойка рамы имеет горизонтальный уступ, равный расстоянию между геометрическими осями колонн. Заделка стоек принимается на уровне низа базы, ось ригеля совмещается с нижним поясом стропильной фермы.
Чтобы определить размер уступа колонны, е и моменты инерции сечений нижнего IН и верхнего IВ участков колонны, а также ригеля IР нужно знать их сечения, которые на данной стадии проектирования неизвестны. Поэтому при установлении расчетной схемы рамы используют данные проектирования аналогичных сооружений или делают очень упрощенный предварительный расчет рамы с подбором сечений и на основе этого устанавливают требуемые величины. Такой подход возможен потому, что, как показывают проверочные расчеты, отклонение в соотношениях моментов инерции элементов рамы до 30 % мало сказывается на расчетных усилиях в раме, и только при большей разнице расчет ее нужно проверить заново.
По опыту проектирования производственных зданий известно, что расстояние между центрами тяжести сечений верхнего и нижнего участков колонны (с несимметричным сечением нижнего участка)
Поперечные рамы промышленных зданий рассчитываются на следующие нагрузки:
собственный вес кровли и конструкций покрытия;
вес снега;
вес стен (при оттирании стен на каркас);
вертикальное давление от кранов;
давление ветра на стены и фонари здания.
Первые четыре вида нагрузок относятся к основным воздействиям, ветровая нагрузка является дополнительным воздействием.
Собственный вес кровли и конструкций покрытия вместе со снегом передается на колонну в виде опорного давления фермы Рф, которое приложено к верхней части колонны с эксцентриситетом. Кроме того, на верхнюю часть колонны также эксцентрично опирается часть стены, нагрузка от которой передается через элементы стенового каркаса в виде отдельных сосредоточенных сил Рс.
Расчетное вертикальное давление кранов на одну колонну определяется загружением соответствующей линии влияния нагрузкой от давлений колес крана Р, принимаемых по стандартам на краны. Как уже указывалось выше, расчет обычно ведется на два крана; при этом определяют максимальное и минимальное давления на колонну
где n = 1,3 — коэффициент перегрузки крановых нагрузок;
Рмакс — максимальное давление на колесо крана (по ГОСТ);
Pмин — минимальное давление на колесо крана, определяемое по формуле
Q — грузоподъемность крана;
G — полный вес крана с тележкой;
nк — полное число колес крана;
у — ординаты линии влияния.
Для определения воздействия поперечного торможения кранов на раму сперва вычисляют силу, приложенную к каждому колесу крана:
где g — вес тележки крана;
n1 — число колес каждого крана на одной стороне.
Суммарное воздействие сил торможения на раму определяется так же, как и для вертикального давления и по той же линии влияния:
Сила поперечного торможения Т передается только на одну из колонн рамы.
Продольная тормозная сила, передающаяся на вертикальные связи между колоннами, определяется по формуле
где nт — число тормозных колес на одной балке (обычно равное половине общего числа колес на балке).
Ветровая нагрузка принимается в соответствии со СНиП (П-Б.1, § 4); причем предполагается, что она действует как равномерно распределенная нагрузка
где q0 — скоростной напор, по СНиП;
k — аэродинамический коэффициент;
b — шаг рам;
n = 1,2 — коэффициент перегрузки.
Ветровую нагрузку, действующую на фонарь и на часть стены в пределах высоты ригеля, передают на раму в виде сосредоточенной силы Рв, приложенной на уровне нижнего пояса ригеля. Эта сила равна Рв = kq0nbhʹ.