Конструктивные схемы каркасов

Содержание темы.

 

2.1. Структура содержания темы.

 

2.2. Изложение тематического содержания МК-2-8: Конструктивные решения каркасов.

 

2.2.1. Конструктивные схемы каркасов.

2.2.2. Работа каркаса

2.2.3. Конструктивные решения поперечных рам.

2.2.4. Рамы с решетчатым ригелем

 

Конструктивные решения каркасов.

Конструктивные схемы каркасов.

 

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируются так, что несущая способность и жесткость поперек здания обеспечивается поперечными рамами (8.1), а вдоль — продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями.

Поперечные рамы (см. рис. 8.1) каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых элементов).

 

8.1. Поперечная рама Поперечная рама – это основная несущая конструкция каркаса, которая состоит из ригелей и колонн. Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируются так, что несущая способность и жесткость поперек здания обеспечивается поперечными рамами.

 

8.2. Продольные элементы каркаса Продольные элементы каркаса — это подкрановые конструкции, подстропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны, ребра стальных кровельных панелей и другие элементы, которые помимо своих несущих функций обеспечивают: 1. Соединение поперечных рам в продольном направлении. 2. Передачу продольных нагрузок. 3. Закрепление колонн рам из плоскости.

 

Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого (а иногда и продольного) фахверка, площадок, лестниц и других элементов здания.

 

Конструктивные схемы каркасов достаточно многообразны. В каркасах с одинаковым шагом колонн по всем рядам наиболее простая конструктивная схема — это поперечные рамы, на которые опираются подкрановые конструкции, а также панели покрытия или прогоны (рис. 8.1, а, б). Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение эксплуатационных требований в большинстве машиностроительных цехов, в которых оборудование удобно размещается при относительно небольшом шаге колонн по внутренним рядам (6—12 м). Технологии производств, размещенных во многих цехах металлургического производства (прокатные цехи, цехи раздевания слитков и т.д.), также позволяют использовать эту схему. Такая схема удобна для бесфонарных зданий и зданий с продольными фонарями.

 

При необходимости освещения с помощью поперечных фонарей их конструкции также могут быть использованы для опирания панелей покрытия (рис. 8.1, я, в). При необходимости больших шагов колонн по всем рядам можно использовать схему с продольным фонарем, несущим часть нагрузки от покрытия (рис. 8.1, г). На конструкции фонаря опираются прогоны, расположенные параллельно фермам. Для опирания другого конца прогонов между колоннами устраивается подстропильная ферма. В случаях повышенных требований по освещенности помещений иногда используются каркасы с шедовым покрытием (рис. 8.1, д), в которых на ригели рам опираются конструкции поперечных фонарей, а на них — прогоны или панели покрытия.

 

При больших пролетах и шагах колонн эффективно применяются каркасы с пространственным ригелем (рис. 8.1, е). Ригель рамы выполняется в виде коробчатого сквозного сечения с консолями, на которые опираются конструкции фонаря.

 

При относительно небольших пролетах используются сплошные рамные каркасы (рис. 8.1, ж).

 

В цехах, где по средним рядам шаг колонн должен быть больше, чем по крайнему ряду, устанавливаются подстропильные фермы, на которые опираются ригели рам. При кранах большой грузоподъемности и с большим расстоянием между колоннами часто оказывается целесообразным совместить функции подстропильных ферм и подкрановых конструкций и предусмотреть по среднему ряду подкраново-подстропильную ферму (рис. 8.1, б, разрез 2—2), на верхний пояс которой опирается кровля, а на нижний — краны.

 

 

Рис. 8.1. Конструктивные схемы каркасов:

а — план каркаса; б и в — схемы поперечных рам; г — план и поперечные рамы каркаса с продольным фонарем; д — то же, с шедовым покрытием; е — схемы каркаса с пространственным ригелем; ж — поперечные рамы сплошностенчатого сечения; 1 — панели покрытия; 2 — фонарь; 3 — ферма.

 

Работа каркаса

 

При формировании схемы каркаса необходимо стремиться:

– к рациональному размещению металла за счет его концентрации в меньшем числе элементов;

– обеспечению кратчайшего пути силового потока от мест приложения нагрузки до фундамента;

– совмещению в одном элементе разных функций;

– выбору оптимальной конструктивной формы элемента и учету других факторов, повышающих эффективность конструкций.

Пространственный каркас здания формируют путем объединения плоских поперечных рам в единую систему с помощью продольных элементов (прогонов покрытия, ригелей фахверка, подкрановых балок) и связей.

 

Рис. 8.2. Фрагмент размещения стропильных (СФ) и подстропильных (ПСФ) ферм

 

При одинаковом шаге по наружным и внутренним рядам колонн четко просматривается передача нагрузки от покрытия, стеновых ограждений, кранового оборудования на поперечную раму и далее через нее на фундаменты. Здесь поперечные рамы работают как бы независимо друг от друга, что позволяет перейти от расчета пространственного каркаса здания к расчету плоской рамы. Для восприятия ветровых, температурных, крановых тормозных и других нагрузок, действующих вдоль здания, предусматривают систему связей.

 

Несколько сложнее просматривается путь силового потока и переход от пространственного каркаса к плоской раме при неодинаковом шаге колонн по разным рядам (рис. 8.2). Здесь следует выделять не отдельную раму, а ячейку здания (расчетный блок (8.3)) с шириной, равной полусумме смежных шагов по ряду с наибольшим шагом колонн. В состав такого блока будут включены основная рама ОР и соседние с ней вспомогательные рамы ВР, опирающиеся на подстропильные конструкции. Расчетные блоки приводят к плоской расчетной схеме суммированием жесткостей колонн по каждому ряду в пределах расчетного блока и с учетом всех нагрузок, действующих в пределах блока

 

8.3. Расчетный блок Расчетный блок – рассматриваемая при расчете поперечной рамы часть здания с шириной, равной полусумме смежных шагов по ряду с наибольшим шагом колонн. В состав такого блока будут включены основная рама и соседние с ней вспомогательные рамы, опирающиеся на подстропильные конструкции. Расчетные блоки приводят к плоской расчетной схеме суммированием жесткостей колонн по каждому ряду в пределах расчетного блока и с учетом всех нагрузок, действующих в пределах блока.

 

2.2.3. Конструктивные решения поперечных рам.

 

Конструктивные и компоновочные схемы производственных зданий тесно связаны с подъемно-транспортным оборудованием, которое предназначено для обслуживания технологического процесса. По этому признаку мы будем подразделять здания на бескрановые, с подвесными кранами, с мостовыми опорными кранами.

Возможные конструктивные схемы поперечных рам для названных типов зданий приведены на рис. 8.2.

Бескрановые здания (8.4) (рис. 8.2, а) наиболее просты. Вследствие отсутствия крановых нагрузок при прочих одинаковых условиях расчетные усилия в элементах таких зданий и их металлоемкость будут существенно меньше, чем в других типах.

Рис. 8.2. Схемы поперечных рам

 

8.4. Бескрановые здания (блок 4) Бескрановые здания – эта здания, которые не имеют кранового оборудования, непосредственно опирающегося на колонны или ригеля. Вследствие отсутствия крановых нагрузок при прочих одинаковых условиях расчетные усилия в элементах таких зданий и их металлоемкость будут существенно меньше, чем в других типах.

 

В зданиях с подвесными кранами (рис. 8.2, б) усложнен в конструктивном отношении ригель, что связано с необходимостью создания специальных узлов для подвески подкрановых путей.

Здания с мостовыми опорными кранами в свою очередь будем подразделять по типу колонн на здания с раздельными колоннами, с колоннами постоянного сечения и со ступенчатыми колоннами.

На рис. 8.2, в использованы раздельные колонны, которые состоят из двух рядом стоящих стоек (шатровой и подкрановой), соединенных по высоте горизонтальными планками. Вертикальные крановые нагрузки передаются на подкрановые стойки, поэтому шатровая ветвь не испытывает их влияния, воспринимая лишь горизонтальные усилия от торможения крановой тележки. Основное преимущество такой схемы — сравнительная простота переоборудования колонн путем замены подкрановых стоек при техническом перевооружении и реконструкции зданий.

На рис. 8.2, г колонны решены в виде стержня постоянного сечения по всей высоте колонны. Для опирания подкрановых балок и передачи вертикальной крановой нагрузки на колонну используют консоли. Такую схему можно применять при небольшой грузоподъемности кранов (до 20 т).

На рис. 8.2, д принято принципиально иное конструктивное решение колонны, позволяющее воспринимать нагрузки от мостовых кранов большой грузоподъемности. Колонна ступенчато-переменного сечения разделена на надкрановую и подкрановую части. Сечения подкрановых частей таких колонн более развиты по размерам и отличаются многообразием форм.

 

Большое влияние на конструктивное решение здания оказывает режим работы мостовых кранов. По интенсивности работы мостовые краны (ГОСТ 25546-82) подразделяют на 8 групп режимов работы 1К...8К. Группы режимов устанавливают в зависимости от общего числа циклов работы крана за весь срок его службы и коэффициента нагружения k_pl

 

k_pl = ∑(Q_i/Q)3·c_i/c_t

 

где Q_i — груз, перемещаемый с числом циклов c_i;

Q — паспортная грузоподъемность крана;

c_t — общее число циклов нагружения

 

Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений (жесткое, шарнирное) ригеля с колонной. При жестком сопряжении (рис. 8.3, а) конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечивает передачу моментов, в расчетной схеме принимается жесткий узел. При жестком сопряжении горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на раму с шарнирным сопряжением.

 

Рис. 8.3. Конструктивные схемы каркасов при большом шаге колонн средних рядов:

а — с опиранием на подстропильную ферму; б — с применением подкраново-подстропильной фермы (8.5); 1 — колонна; 2— стропильная ферма; 3 — подстропильная ферма

8.5. Подкраново-подстропильная ферма Подкраново-подстропильная ферма – это сложная конструкция, которая используются при больших шагах колонн по среднему ряду. Такая конструкция является объединением подстропильной фермы и коробчатых подкрановых балок, имеющая большую жесткость на кручение.

 

Большая жесткость необходима в цехах с мостовыми кранами, работающими весьма интенсивно. В этих цехах горизонтальные перемещения колонн могут препятствовать нормальной эксплуатации мостовых кранов. Однако жесткое сопряжение препятствует типизации ферм, на которые в этом случае передаются значительные опорные моменты, разные для рам с разными параметрами. Поэтому жесткое сопряжение можно рекомендовать главным образом для однопролетных каркасов большой высоты при кранах ВТ и Т режимов работы (см. рис. 8.4, а). В остальных однопролетных каркасах более целесообразно шарнирное сопряжение (рис. 8.4, б).

Рис. 8.4. Виды сопряжения ригеля с колонной и расчетные схемы поперечных рам:

а — при жестком сопряжении ригеля с колоннами; б — то же, при шарнирном сопряжении; в — комбинированное соединение; г — при наличии мощной промежуточной колонны

 

В многопролетных цехах горизонтальные нагрузки на одну раму воспринимаются несколькими (а не двумя, как в однопролетных) колоннами, поэтому даже в цехах большой высоты часто оказывается возможным использовать шарнирное сопряжение.

В многопролетных цехах с пролетами разной высоты возможны решения, при которых часть узлов проектируется жесткими, а часть — шарнирными (рис. 8.4, в).

Опирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструируется жестким (см. рис. 8.3, 8.4, а—в), но возможно решение, при котором только часть колонн сопрягается с фундаментом жестко, а часть — шарнирно (рис. 8.4, г). Такое решение часто оказывается экономически выгодным при больших тепловыделениях во время эксплуатации здания.

Подкрановые конструкции в большинстве случаев опираются на колонны каркаса, но возможны и конструктивные решения, при которых внутри цеха проектируется специальная крановая эстакада, состоящая из колонн, связей между ними, подкрановых и тормозных балок. Эстакада на вертикальные нагрузки работает раздельно с каркасом, и такое решение может оказаться целесообразным в тех случаях, когда ожидается (после некоторого срока эксплуатации) увеличение грузоподъемности мостовых кранов.

Каркасы промышленных зданий изредка проектируются с использованием висячих конструкций, складок, оболочек, структур.