Конструктивное решение зданий

Конструкции одноэтажных промышленных зданий выполняют по каркасной схеме. Каркасные системы наиболее рациональны при значительных статических и динамических нагрузках, характерных для промышленных зданий, и значительных размерах перекрываемых пролетов.

Несущим остовом одноэтажных каркасных промышленных зданий являются поперечные рамы и связывающие их продольные элементы. Поперечные рамы каркасов состоят из стоек, жестко заделанных в фундаменты и ригелей (ферм или балок), опертых на стойки каркаса.

Продольные элементы каркаса обеспечивают его устойчивость в продольном направлении и воспринимают кроме нагрузок от собственного веса продольные нагрузки от торможения кранов и нагрузки от ветра, действующего на торцевые стены здания. К этим элементам относятся: фундаментные, обвязочные, и подкрановые балки, несущие конструкции ограждающей части покрытия и связи между стойками и несущими конструкциями покрытия.

Студенты самостоятельно, зная габаритные размеры здания, применяя приемы унификации и типизации, пользуясь каталогами типовых конструкций и изделий одноэтажных промышленных зданий и сооружений, подбирают основные конструктивные элементы здания: фундаменты, колонны, стойки фахверка, стропильные и подстропильные элементы покрытия промышленного здания, подкрановые балки, стеновые конструкции, элементы горизонтального ограждения покрытия.

Фундаменты

Конструкция фундамента здания зависит от конструктивной системы здания. Фундаменты под каркасное здание – отдельно стоящие столбчатые. Фундаментымогут выполняться монолитными и сборными.

Сборные фундаменты выполняют из подколонника и одной или нескольких плит. Фундаменты имеют квадратное или прямоугольное очертание в плане. Глубина заложения фундаментов зависит от технологических требований, механических свойств грунта, глубины его промерзания и нагрузок на основание.

Отметка верхнего обреза фундамента под железобетонные колонны, независимо от вышеперечисленных условий, должна быть на 150 мм ниже отметки чистого пола производственного здания.

Размеры подошвы фундамента при проектировании определяются расчетом. В курсовом проекте в зависимости от габаритов здания, назначения фундамента и крановой нагрузки она может быть принята равной 1200×1200 мм; 1500×1800 мм; 1800×2100 мм и т.д.

Фундаменты должны быть защищены от внешних атмосферных воздействий асфальтовой или бетонной отмосткой. В случае заложения подошвы фундаментов ниже уровня грунтовых вод необходимо устройство специальной гидроизоляции. Конструкции фундаментов, соприкасающиеся с грунтом, покрываются двумя слоями окрасочной гидроизоляции (два слоя горячего битума).

1 - стакан; 2 - обрез фундамента; 3 - подколонник стаканного типа; 4 - плитная часть одно-, двух- или трехступенчатая

Рисунок 1 - Монолитный железобетонный фундамент стаканного типа

Рисунок 2 - Сборный фундамент под железобетонные колонны

а - со стальной плитой; б - с траверсой; 1 - стальная колонна; 2 - стальная опорная плита; 3 - анкерные болты; 4 – анкерная шайба; 5 - цементный раствор; 6 - бетонный фундамент; 7 - траверса

Рисунок 3 - Опирание стальной колонны на фундамент

Железобетонные колонны промышленных зданий

Сборные колонны формуют из тяжелого бетона класса В15-В30. Для наиболее распространенных объемно-планировочных решений зданий с сетками координационных осей до 12х36 м железобетонные колонны унифицированы для бескрановых зданий, зданий с подвесными кранами и для зданий с опорными мостовыми кранами грузоподъемностью до 50 т.

Для бескрановых зданий и зданий с подвесными кранами применяют колонны сплошного и постоянного по высоте сечения. Ступенчатые колонны зданий с опорными мостовыми кранами имеют верхнюю надкрановую часть, воспринимающую нагрузки от стен и покрытия, и нижнюю - подкрановую, воспринимающую нагрузки от стен и крана. Колонна может быть сплошной или сквозной (двухветвевые колонны). Номенклатура конструкций колонн сплошного сечения промышленных зданий представлена в таблице 3. Номенклатура конструкций двухветвевых колонн промышленных зданий представлена в таблице 4.

Таблица 3 - Основная номенклатура колонн сплошного постоянного сечения и ступенчатых колонн

Таблица 4 - Основная номенклатура двухветвевых колонн

Железобетонные несущие конструкции покрытия промышленного здания

Железобетонные несущие конструкции покрытий проектируют из стержневых элементов (ферм, балок, арок или рам) в сочетании с плоскостными (панелями или настилами). Стержневые стропильные и подстропильные балки и фермы - проектируют преимущественно предварительно напряженными из бетона класса В22,5-В40.

Унифицированные конструкции балок применяют для покрытий с пролетами 6, 9. 12 и 18 м с наружным и внутренним водоотводом и выполняют односкатными, двухскатными и с параллельными поясами (рисунок 4).

Фермы полигональные, с параллельными поясами и треугольные служат для перекрытия пролетов 18, 24, и реже 30 м. Широкое распространение имеют сегментные фермы с раскосной или безраскосной решеткой.

Подстропильные балки и фермы применяют при шаге колонн 12 или 18 метров, превышающем шаг стропильных конструкций. Для уменьшения строительной высоты покрытия стропильные конструкции опирают па нижний пояс подстропильных.

а - решетчатые балки для скатных кровель; б - сплошные балки для плоской и скатной кровли

Рисунок 4 - Железобетонные стропильные балки

а - сегментная раскосная; б – сегментная безраскосная, для малоуклонных кровель пролетом 18 м; в - варианты сегментных безраскосных ферм пролетом 24 м. для малоуклонных и уклонных кровель; г - с параллельными поясами; д - полигональные двускатные сборные; 1 - стальная стойка; 2 - закладные детали для плит шириной 1,5 м; 3 - то же, 3 м

Рисунок 5 - Железобетонные фермы

а - подстропильная балка; б - подстропильная ферма для малоуклонных кровель; в - то же, для скатных кровель

Рисунок 6 - Подстропильные конструкции

Плоские элементы покрытия проектируют в виде панелей из тяжелого бетона, легкого или автоклавного ячеистого бетона, непосредственно опирающихся на стропильные конструкции. Панели из легкого или ячеистого бетона применяют для утепленных покрытий при шаге стропильных конструкций 6м. Железобетонные предварительно напряженные панели и настилы в виде тонкостенных ребристых конструкций изготовляют из тяжелого бетона класса В20 - В40 в утепленных и неутепленных покрытиях. Ширина панелей составляет 3 и 1,5 м.

Рисунок 7 - Железобетонные ребристые панели покрытия

Подкрановые балки для промышленного здания

Железобетонные предварительно напряженные подкрановые балки применяют при легком и среднем режиме работы и грузоподъемности мостовых кранов до 30 т. Они унифицированы, имеют тавровое сечение высотой 0.8 и 1 м при шаге колонн 6м и двутавровое высотой 1.4; 1.6; и 2 м при шаге 12 м.

Рисунок 8 – Балки подкрановые

Стальные колонны одноэтажных промышленных зданий

В зависимости от высоты зданий и величины крановых нагрузок применяют колонны сплошной, сквозной или раздельной конструкции.

Сплошные колонны постоянного сечения применяют в зданиях с шагом колонн до 12 м, высотой до 9,6 м при грузоподъемности кранов до 20 т. Но наиболее широко применяются сквозные колонны, обеспечивающие существенную экономию в расходе стали. Раздельные колонны применяют преимущественно при кранах грузоподъемностью свыше 100 т или при двухъярусном их расположении.

а - одноветвевые без опорных кранов; б - одноветвевые с опорными кранами до 20 т; в - двухветвевые с опорными кранами до 50 т; г - двухветвевые с опорными кранами и проходом

Рисунок 9 - Типы стальных колонн

Стальные конструкции покрытия одноэтажных промышленных зданий

Ригели поперечных рам каркасов выполняют в виде стропильных конструкций из балок двутаврового сечения или ферм. Балки применяются для перекрытий пролетов 12 и 18 м. Стальные фермы типизированы для пролетов 18, 24, 30, и 36 м и шагов колонн 6 и 12 м. Типизированы три очертания ферм: полигональные, с параллельными поясами, и треугольные.

Конструкции ферм сварные, из стержней открытого (утолки, швеллеры, двутавры) или закрытого трубчатого профиля.

Подстропильные фермы изготавливают с параллельными поясами для пролетов 12, 18 и 24 м.

Рисунок 10 - Малоуклонные фермы из горячекатаных профилей (в скобках указаны размеры ферм пониженной высоты)

Рисунок 11 – Треугольные стальные фермы из горячекатаных профилей

Стальные подкрановые балки и связи одноэтажных промышленных зданий

Подкрановые балки проектируют, как правило, разрезными, сплошными или сквозными. При шаге колонн 6 м и 12 м подкрановые балки могут быть выполнены из прокатных двутавров или составного сплошного сечения. Сквозные подкрановые балки применяют при шаге колонн 18 м, их выполняют в виде ферм с треугольной решеткой.

Рисунок 12 – Балки подкрановые, серия I.426.2-7, марка Б12-230Ш2

Связи, обеспечивающие пространственную устойчивость стальных каркасов, устраивают между колоннами и в покрытиях. Между колоннами устанавливают вертикальные продольные связи, аналогично применяемым в железобетонном каркасе, в покрытиях горизонтальные (продольные и поперечные) и вертикальные.

а - по верхним поясам; б - по нижним поясам; 1 - распорки; 2 - растяжки; 3 - раскосы; 4 - вертикальные связи; 5 - стропильная ферма; 6 - связевые фермы

Рисунок 13 - Связи по стропильным фермам покрытия

Вертикальные наружные ограждения промышленных зданий

К вертикальным наружным ограждениям относятся наружные стены. Они должны удовлетворять общим эстетическим и экономическим требованиям, прочности, жесткости, долговечности, теплозащиты, а также водо- и воздухонепроницаемости.

Конструкции наружных стен проектируют: несущими, самонесущими и ненесущими. Их выполняют из несгораемых материалов. Несущие и самонесущие стены - из бетонных панелей, блоков или кирпича, ненесущие из бетонных или кирпичных панелей и конструкций из небетонных материалов. Наиболее распространенной является конструкция ненесущих и самонесущих стен из бетонных панелей горизонтальной разрезки.

Панели из тяжелого бетона применяют для стен неотапливаемых зданий, панели из легкого и ячеистого бетона - для отапливаемых зданий.

Размеры панелей всех видов типизированы: длина - 1,5; 3; 6 и 12 м, высота - 0,9; 1,2; 1,5; и 1,8 м. Стыки бетонных панелей изолируют по методу «закрытого стыка» с герметизацией вертикальных и горизонтальных швов синтетическими мастиками по упругим прокладкам.

Углы здания при утепленных стенах закрывают специальными угловыми блоками, при неутепленных – удлиненными до 6,15 или 6,35 м панелями торцевых стен.

Панели и проемы размещают в плоскости стен в соответствии с требованиями естественной освещенности и статической функции стены, с учетом требований унификации и условий монтажа. Самонесущие стены проектируют с замкнутыми проемами, чередующимися с несущими простенками Они состоят из рядовых, простеночных и перемычечных панелей. Последние отличаются от остальных усиленным армированием, дополнительными закладными деталями, а при необходимости и повышенным классом бетона. При раскладке стеновых панелей по фасадам руководствуются единым укрупненным модулем 600 мм по высоте здания. Нижний ярус стен проектируют самонесущим с установкой панелей на фундаментные блоки по слою гидроизоляции.

Торцевые стены обычно имеют большую площадь, мало нагружены по вертикали, но воспринимают большие ветровые нагрузки. Для обеспечения их устойчивости фахверковый каркас усиливается ветровыми фермами, работающими в горизонтальном положении.

Легкие ненесущие наружные стены проектируют утепленными и неутепленными с применением металлических листов или асбоцементных плит. Утепленные легкие металлические стены принимают преимущественно в зданиях, все конструкции которых выполняют из металла. Материалами для легких стен служат: профилированные листы из стали или алюминиевых сплавов, легкие утеплители с объемной массой 300…60 кг/м³.

Внутренние стены промышленного здания принимают толщиной 80…120 м. Это обусловлено акустическими или теплоизоляционными требованиями. Внутренние стены выполняются из однослойных железобетонных или гипсобетонных панелей.

Рисунок 14 – Стеновые панели: железобетонные и типа «сэндвич»

Ограждения покрытий промышленных зданий

Покрытия включают в себя глухую часть ограждения, конструкции фонарей и элементы организации водоотвода - парапеты, карнизы, ендовы, лотки, водоприемные воронки и др. Основная часть ограждения (глухая) проектируется утепленной (для отапливаемых зданий) или неутепленной (для отапливаемых и теплоизбыточных зданий). Неутепленные конструкции должны удовлетворять требованиям прочности, долговечности и гидроизоляции, утепленные, кроме того, требованиям тепло и пароизоляции.

Утепленные покрытия проектируют, как правило, совмещенными невентилируемыми или вентилируемыми. Конструкция покрытия по железобетонным панелям содержит пароизоляционный слой, утепляющий слой, выравнивающий слой и гидроизоляцию. Для утепляющего слоя используются разнообразные материалы от легких бетонов до пенопластов с объемной массой от 600 до 30 кг/м³.

Основание под гидроизоляцию выполняют в виде монолитной стяжки из асфальта или цементного раствора. Гидроизоляционный слой состоит из многослойного рулонного ковра или безосновных мастик. В качестве рулонных покрытий применяются различные материалы, в том числе битумно-рубероидные и синтетические.

Существенное уменьшение массы покрытия обеспечивает применение конструкций из асбоцементных или стальных профилированных листов. Эти настилы опираются на прогоны либо непосредственно на фермы. Между собой листы стыкуются внахлестку и соединяются комбинированными заклепками. По настилу укладываются остальные слои покрытия. При утеплении полиуретаном масса такой конструкции (без учета прогонов) не превышает 40 кг.

Водоотвод применяется наружный или внутренний. Применение наружного водоотвода имеет ограничения по высоте здания (отметке карнизного свеса относительно поверхности земли). Внутренний водоотвод является универсальным и применяется наиболее часто.

Воронки внутренних водостоков размещают в пониженных участках (ендовах) покрытий, а при плоских покрытиях регулярно вдоль каждого ряда колонн. Их количество определяется по нормативной площади водосброса на одну воронку в м² (от 600 до 1200 м²). Расстояние между воронками в скатных крышах не должно превышать 48 м, в малоуклонных – 60 м.

Светопрозрачные и аэрационные элементы в покрытиях

Под аэрацией промышленных зданий понимают организованный управляемый и регулируемый воздухообмен.

Для этих целей в плоскости покрытий одноэтажных промышленных зданий встраивают фонарные надстройки (фонари). В некоторых случаях конструкцию фонарей выполняют в расчете на совместное освещение и аэрацию помещений. Такие фонари называются светоаэрационными.

Фонари обычно размещают на покрытии вдоль здания, в середине пролета, не доводя их до торцов здания для более удобного тушения пожара на кровле и очистки снега с покрытия фонаря и всего здания. При большой протяженности цехов предусматриваются разрывы их по длине, обычно в пределах температурного блока.

По форме поперечного сечения различают фонари прямоугольные с вертикальным остеклением, трапецеидальные, зенитные и зубчатые (шедовые) с односторонним, преимущественно вертикальным остеклением.

Продольные фонари состоят из несущих и ограждающих элементов. Несущим является стальной каркас, ограждающими – покрытия, стены и светопрозрачные элементы. Ширина рам унифицирована: 6 м при пролете стропильных конструкций 12 и 18 м; 12 и более метров при пролетах 24, 30 и 36 м.

Поперечные рамы состоят из стоек, верхнего пояса и раскосов. Продольную устойчивость рам фонаря обеспечивают стальные продольные распорки между узлами рам и вертикальные и горизонтальные связи, устанавливаемые в крайних панелях каркасов фонарей. Конструкция покрытия фонарей принимается такой же, как и конструкция покрытия всего здания.

Прямоугольные фонари являются наиболее распространенными, но им присущи эксплуатационные и экономические недостатки. Они обеспечивают сравнительно малую интенсивность освещения.

Ненесущие второстепенные элементы промышленных зданий (окна, двери, ворота, полы, перегородки)

В промышленных зданиях светопроемы проектируют в виде отдельных окон или витражей. Размеры и размещение проемов определяют светотехническим расчетом и корректируют по требованиям архитектурной композиции и унификации.

Наиболее распространенная система устройства светопроемов – переплетная, с одинарным, смешанным (двойным – в рабочей зоне, одинарным – на высоте более 2,4 м от уровня пола) и двойным остеклением.

Конструкция переплетов – из дерева, стали и алюминия (первая в последние годы применяется редко). Размеры оконных панелей унифицированы. В качестве беспереплетных заполнений применяются стеклопрофили и стеклоблоки.

Двери промышленных зданий аналогичны применяемым в гражданских зданиях. Ворота для безрельсового и рельсового транспорта чаще всего по конструкции распашные или раздвижные. Применяются также подъемные, складные и шторные конструкции.

В промышленных зданиях, в отличие от гражданских, полы подвергаются более широкому кругу силовых и несиловых воздействий.

К силовым воздействиям относятся статические, динамические, вибрационные и ударные воздействия, к несиловым – тепловые, агрессивные (вода, растворы, кислоты, щелочи) и др.

Наибольшее распространение в одноэтажных промышленных зданиях получили полы по грунту. Отметка уровня чистого пола располагается на 150 мм выше спланированной поверхности территории. Конструкция включает в себя подстилающий слой, устраиваемый по подготовленному основанию, гидроизоляционный слой, прослойку под покрытие и покрытие пола. В полах по перекрытиям несущие конструкции служат одновременно основанием и подстилающим слоем.

Подстилающий слой распределяет нагрузку от пола на основание, выполняется несвязанным в виде песчаной, шлаковой или щебеночной подсыпки или связанным жестким из бетона. Гидроизоляционный слой устраивают для защиты основания от сточных, грунтовых вод и других производственных жидкостей. Гидроизоляция от грунтовой влаги обычно выполняется из литого асфальта или дегтебетона. Рулонная оклеечная изоляция применяется только при расположении низа подстилающего слоя пола в зоне опасного капиллярного поднятия вод.

Прослойка из цементно - песчаного раствора или клеевого состава – тонкий промежуточный слой между покрытием и нижележащим слоем пола. Служит для связи между слоями или создания упругой постели для покрытия. Прослойку применяют при покрытии пола штучными, рулонными или плитными материалами.

Покрытия пола воспринимают все нагрузки и воздействия от техноло-гического оборудования и результатов его действия, внутрицехового транспорта, рабочих. Различают три основных вида покрытия полов: сплошные (бесшовные), из штучных материалов и из рулонных материалов. Среди бесшовных широко распространены полы из различных бетонов с добавками, повышающими их сопротивление различным воздействиям.

Для повышения сопротивления истиранию – сталебетон (бетон со стальными стружками или опилками крупностью до 5 мм), тепловым ударам – жароупорный бетон с армированием сеткой верхнего слоя, кислотам – кислотоупорный бетон на вяжущем из жидкого стекла и др. Применяются также шлифованные бетонные мозаичные полы.

В промышленных зданиях находят применение стационарные и сборно-разборные перегородки – выгораживающие и ограждающие. Выгораживающие – предназначаются для выгородки отдельных подсобных производств, ограждающие – для ограждения пространства, отличающегося особым акустическим или температурно-влажностным режимом.

Выгораживающие перегородки проектируют сборно-разборными с вертикальной разрезкой на сборные элементы – перегородочные щиты. Ограждающие перегородки часто выполняют панельными или кирпичными.