Металлический каркас здания

От специфики того или иного производства, схемы и конструктивные решения которых достаточно разнообразны, требуется размещение его в многоэтажном или одноэтажном здании.Одноэтажные строения, при их возведении, подразделяются на однопролетные и многопролетные. Пролеты могут быть одинаковой и разной высоты.Здания с двумя и более пролетами строятся наиболее чаще.

К каркасу сооружения крепятся ограждающие конструкции, защищающие здание от внешних воздействий, лестницы, трубопроводы, различные площадки, пути внутрицехового транспорта.

Основная функция каркаса заключается в создании комплекса несущих конструкций, которые будут воспринимать и передавать на фундамент нагрузки от веса ограждающих конструкций, воздействия атмосферных нагрузок, транспорта внутри цеха, вибрации, работы различных кранов и механизмов, технологических температурных воздействий. Выбор материала для строительства каркаса несет в себе ряд важных технико-экономических задач. Каркас можно соорудить полностью из железобетона или смешанным типом ( часть конструкции будет выполнена из стали, а часть - железобетонная ).

Большие современные здания для производства строятся с применением больших пролетов, большой высотой цехов, максимальными нагрузками от мостовых кранов и прочего оборудования и должны обладать определенным запасом прочности, долговечности, рентабельности. При возведении объектов из металлоконструкций должны выполняться ряд требований по долговечности и устойчивости к окружающей среде, надежности и безопасности эксплуатации, архитектурным решениям и экономичности.

Конструктивная схема каркаса производственного здания имеет огромную роль на влияние технологии и полностью определяется размерами и расположением оборудования, логистикой готовой продукции, использованием специального внутрицехового транспорта. Для промышленного здания требования по эксплуатации всегда конкретны и специфичны в силу разнообразия производимой продукции.

Некоторые обязательные правила для всех промышленных зданий, сооружаемых на основе металлоконструкций, являются общими.

• Соответствие расположения колонн, подкрановых путей, связей, элементов каркаса
• для ремонта и обслуживания производственного оборудования.
• Хорошие условия вентиляции и освещения.
• Доступность для ремонта и осмотра, а также нормальная эксплуатация подъемных механизмов и кранов.
• Учет агрессивности степени агрессивности среды в помещении для выбора конструкций.
• Пожароопасность и взрывоопасность.

На промышленном производстве различного вида краны подвижны, многократно повторяющиеся и большие по объему, существенно влияют на работу каркаса.

Проект каркаса сооружения должен особо учитывать режим работы мостового крана, тип подвеса груза. Большая продольная и поперечная жесткость каркаса, надежность и выносливость должны быть обеспечены для интенсивного режима работы кранов.

При проектировании каркаса производственного объекта нужно собрать максимально точные сведения о транспортном оборудовании. Для этого подсчитывается количество циклов нагружения  конструкций за определенный срок эксплуатации. Один цикл нагружения включает в себя изменение напряжения от нуля через максимум до нуля. Для подкрановых конструкций часто принимают за количество циклов число подъемов груза за срок службы.

Внутрицеховая среда влияет на срок эксплуатации и работу строительных металлических конструкций. Степень агрессивности среды на стальные металлические конструкции зданий определяется скоростью поражения коррозией незащищенной поверхности металла и измеряется в мм/год.В степенях агрессивности среды учитывается концентрация агрессивных газов и влажность. Установлены четыре степени:

• Неагрессивная ( до 0,01 мм/год ).
• Слабая ( до 0,5 мм/год ).
• Средняя ( до 0,1 мм/год ).
• Сильная ( свыше 0,1 мм/год ).

Стоимость материалов, их изготовление, перевозка и монтаж конструкций напрямую отражает экономические затраты, связанные с возведением производственного здания.Чем меньше срок строительства и более раннее начало производства, тем меньше будут расходы.

Применяются различные типы конструкций как к конструктивным схемам здания в целом, так и к их отдельным элементам. Основные параметры здания (пролеты, шаги колонн, высота) ведут к обоснованному минимуму первоначальный процесс типизации конструктивных элементов. Разрабатываются все типы схем конструктивных элементов (стропильных подстропильных ферм, подкрановых балок, колонн, связей, конструкций, несущие вспомогательную роль). Для сборки каркаса здания делают разработку чертежей сортамента типовых деталей конструкции.

Предпосылкой типизации является принцип модульности. Модуль - это соразмерность размеров элементов, кратная их заданной величине. Применение модулей ведет к:

• сокращению количества монтажных элементов,
• укрупнению отправочных элементов и снижению до минимума объема, укрупнительной сборки на стройплощадке,
• простоте доставки,
• упрощению монтажных сопряжений элементов,
• прочности элементов конструкции при транспортировке и возведении монтажа,
• сокращению времени проектирования.

Возможность разработки типовых конструкций для многократного применения дает унификация объемно - планировочных и конструктивных решений, что ведет к сокращению числа типоразмеров элементов конструкции каркасов зданий.

Принцип конвейерной сборки, при которой все входящие элементы каркаса собираются в жесткие пространственные блоки на специальной строительной площадке, снижают стоимость монтажа.

При сооружении зданий большой площади выгоднее использовать блочный метод, но он несет некоторые изменения в конструкциях по сравнению с конструкциями каркаса при поэлементном монтаже.

Проекты промышленных зданий отражают несущую способность, включая жесткость. Эти параметры обеспечиваются поперечными рамами, а вдоль - продольными элементами каркаса, стеновыми и кровельными панелями.

Поперечные рамы каркаса обеспечиваются колоннами ( стойки рамы ) и ригелями 
( в виде ферм или сплошностенчатых сечений ).

Продольные элементы каркаса здания состоят из подкрановых конструкций, связи между колоннами и фермами, подстропильных ферм, кровельных прогонов ( или ребра кровельных панелей).

В состав элементов каркаса входят площадки, лестницы, торцевые фахверки и т.д..

Схемы конструкции каркаса достаточно разнообразны. Наиболее простая схема с равными шагами колонн по всем рядам состоит из поперечных рам. на которые опираются подкрановые конструкции, панели перекрытия или прогоны. Такое конструктивное решение для машиностроительных цехов, с небольшим шагом колонн по внутренним рядам (6 - 12 м) выполнит все требования по эксплуатации объекта.

При эксплуатации кранов с большой грузоподъемностью и с большими расстояниями между колоннами целесообразно совместить функции подстропильных и подкрановых конструкций и по среднему ряду проложить подкраново-подстропильную ферму, на верхний пояс которой будет опираться кровля, а на нижний - краны.

В проектировании производственного каркаса исходным материалом является выбор конструктивной схемы и ее комплектации ( расположение и габариты агрегатов, оборудования, число кранов, грузоподъемность и эксплуатация кранов ). Проект содержит в себе все технические характеристики, вопросы архитектурно - строительной части  ( ограждающие конструкции, окна, проемы, двери, ворота и т.д. ).

В плане здания при компоновке конструктивной схемы каркаса согласовываются вопросы размещения колонн, внутренние габариты, связь размеров основных элементов каркаса.

Колонны проектируют и размещают в плане с учетом основных факторов: технологичность, конструктивность, рентабельность. Размещение колонн в плане должно быть согласовано с размерами техоборудования, его расположением, направлением грузопотоков. Габариты фундаментов под рабочие агрегаты, коллекторы и т.д. взаимосвязывают с размерами фундамента под колонны. Колонны здания располагают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы. В цехах с большим количеством пролетов колонны разных рядов устанавливают по одной оси.

По требованиям унификации промышленных строений, размеры пролетов между колоннами поперек поперек здания назначаются в соответствии с укрупненным модулем, кратным 6 м; для производственных зданий l=18,24,36 м и более.Шаг колонн в продольном направлении также принимают кратным 6 м. Шаг наружных колонн и колонн зданий с одним пролетом не зависит от расположения оборудования и его принимают равным 6 или 12 м. Шаг колонн крайних рядов ( 6 и 12 м ) решается путем сравнения вариантов в конкретном случае. С кранами большой грузоподъемности-(Q>50 тонн ), для зданий с большими пролетами ( l>30 м ) и значительной высотой ( H>14 м ) выгоднее шаг 12 м, а для зданий с меньшими габаритами экономичнее будет шаг 6 м. Для использования типовых ограждающих плит и панелей длинной 6 и 12 м, у торцов зданий колонны смещают с модульной сетки на 500 мм. Смещение колонн разбивочных осей у торца здания продольных элементов стального каркаса имеет свои недостатки: меньшая длина, увеличивающая типоразмеры конструкции. Согласно технологическому требованию, шаг внутренних колонн в многопролетных зданиях принимается увеличенным, но кратным шагу наружных колонн.

В крупногабаритных зданиях, с большой площадью, могут быть дополнительные нагрузки от колебания температур. В таких случаях здание разрезают на отдельные блоки поперечными и продольными швами. В проектировании установлены нормы предельных размеров температурных блоков, при которых влияние температурных воздействий можно не учитывать.

Для устройства поперечного температурного шва, в месте разрезки здания устанавливают две поперечные рамы ( не связанные между собой какими - либо продольными элементами ), колонны которых необходимо сместить с оси на 500 мм в каждую сторону, примерно как это делают у торца здания.

Решение продольных температурных швов идет расчленением рам с большим количеством пролетов на две и более самостоятельные и связано с монтажом дополнительных колонн или с подвижным опиранием в поперечном направлении одного или обоих ригелей за колонну с помощью катков или других приспособлений.В решении с помощью катков рассматривается дополнительная разбивочная ось на расстоянии 1000 или 1500 мм от основной. В зданиях, превышающих предельные размеры для температурных блоков и имеющих большую ширину, продольную разрезку не делают путем утяжеления рам, необходимых по расчету на температурные воздействия.

Планировка здания, обусловленная технологическим процессом, в некоторых случаях , требует расположение продольных рядов колонн двух пролетов цеха во взаимно перпендикулярных направлениях.