Схемы вертикальных связей. Связи в покрытиях. Рамно-связевая конструктивная схема каркасных зданий

СВЯЗИ в конструкциях - легкие конструктивные элементы в виде отдельных стержней или систем (ферм); предназначены для обеспечения пространственной устойчивости основных несущих систем (ферм, балок, рам и т. п.) и отдельных стержней; пространственной работы конструкции путем распределения нагрузки, приложенной к одному или нескольким элементам, на все сооружение; придания сооружению жесткости, необходимой для нормальных условий эксплуатации; для восприятия в отдельных случаях ветровых и инерционных (например, от кранов, поездов и т. п.) нагрузок, действующих на сооружения. Системы связей компонуются так, чтобы каждая из них выполняла несколько из перечисленных функций.

Для создания пространственной жесткости и устойчивости конструкций, состоящих из плоских элементов (ферм, балок), которые легко теряют устойчивость из своей плоскости, они соединяются по верхним и нижним поясам горизонтальными связями. Кроме того, по торцам, а при больших пролетах и в промежуточных сечениях ставятся вертикальные связи - диафрагмы. В результате образуется пространственная система, обладающая большой жесткостью при кручении и изгибе в поперечном направлении. Этот принцип обеспечения пространственной жесткости используется при проектировании многих сооружений.

В пролетных строениях балочных или арочных мостов две главные фермы соединяются горизонтальными системами связей по нижним и верхним поясам ферм. Эти системы связи образуют горизонтальные фермы, которые, помимо обеспечения жесткости, принимают участие в передаче ветровых нагрузок на опоры. Для получения необходимой жесткости при кручении ставятся поперечные связи, обеспечивающие неизменяемость поперечного сечения мостового бруса. В башнях квадратного или многоугольного сечения с этой же целью устраиваются горизонтальные диафрагмы.В покрытиях промышленных и общественных зданий с помощью горизонтальных и вертикальных связей две стропильные фермы соединяются в жесткий пространственный блок, с которым прогонами или тяжами (связями) соединяются остальные фермы покрытия. Такой блок обеспечивает жесткость и устойчивость всей системы покрытия.Наиболее развитую систему связей имеют стальные каркасы одноэтажных промышленных зданий.

Системы горизонтальных и вертикальных связей решетчатых ригелей рам (ферм) и фонарей обеспечивают общую жесткость шатра, закрепляют от потери устойчивости сжатые элементы конструкции (например, верхние пояса ферм), обеспечивают устойчивость плоских элементов в процессе монтажа и эксплуатации.Учет пространственной работы, обеспечиваемой соединением основных несущих конструкций системами связей, при расчете сооружений дает снижение веса конструкций. Так, например, учет пространственной работы поперечных рам каркасов одноэтажных промышленных зданий дает снижение расчетных величин моментов в колоннах на 25-30%. Разработана методика расчета пространственных систем пролетных строений балочных мостов. В обычных случаях связи не рассчитываются, а их сечения назначаются по предельной гибкости, устанавливаемой нормами.

Поперечная устойчивость каркаса деревянных зданий достигается путем защемления основных стоек в фундаментах при шарнирном соединении конструкции покрытия с этими стойками; применения рамных или арочных конструкций с шарнирным опиранием; создания жесткого диска покрытия, что используется в небольших зданиях.Продольная устойчивость здания обеспечивается постановкой (примерно через 20 м) специальной связи в плоскости каркасных стен и среднего ряда стоек. В качестве связей могут быть использованы и стеновые щиты (панели), соответствующим образом скрепленные с элементами каркаса.

Для обеспечения пространственной устойчивости плоскостных несущих деревянных конструкций ставятся соответствующие связи, принципиально аналогичные связи в металлических или железобетонных конструкциях.В арочных и рамных конструкциях, помимо обычного (как в балочных фермах) раскрепления сжатого верхнего пояса, предусматривается раскрепление нижнего пояса, имеющего, как правило, при односторонних нагрузках, сжатые участки. Это раскрепление осуществляется вертикальными связями, попарно соединяющими конструкции. Таким же образом обеспечивается устойчивость из плоскости нижних поясов в шпренгельных конструкциях. В качестве горизонтальных связей могут быть использованы полосы косого настила и щиты кровли. Пространственные деревянные конструкции в специальных связях не нуждаются.

Чтобы обеспечить пространственную устойчивость металлических сооружений, используются специальные стальные элементы - вертикальные связи между колоннами. Производственное объединение «Ремстроймаш» предлагает металлоконструкции собственного изготовления для различных производственных и строительных предприятий.

В ассортименте предприятия:

• Стержни.
• Балки.
• Фермы.
• Рамы и прочие системы связей.

Основное назначение связей металлоконструкций

При помощи легких конструктивных элементов образуются пространственные системы, обладающие уникальными свойствами:

• жесткость при изгибе и поперечном скручивании;
• устойчивость против ветровых нагрузок, инерционных воздействий.

При сборке связующие системы выполняют перечисленные функции, направленные на повышение устойчивости против внешних воздействий. Ветровые связи металлоконструкций придают готовым сооружениям дополнительную парусную устойчивость при эксплуатации. Пространственная жесткость и устойчивость зданий, колонн, мостов, ферм и пр. обеспечивается, благодаря связям, установленным в горизонтальных плоскостях в виде верхних и нижних поясов.

Одновременно на торцах и в промежутках между пролетами устанавливаются специальные связи металлоконструкций вертикального расположения - диафрагмы. Полученная система связей обеспечивает требуемую пространственную жесткость готового сооружения.


Поперечные связи пролетных строений
а - конструкция основных узлов связей; б - схема поперечных связей

Разновидности связей металлоконструкций

Изделия отличаются по методам изготовления и сборки:

• Сварные изделия.
• Сборные (болтовые, винтовые).
• Клепаные.
• Комбинированные.

Материалами изготовления связующих металлоконструкций служат черная и нержавеющая стали. Благодаря уникальным техническим характеристикам, изделия из нержавейки не требуют дополнительной обработки против коррозии.

Схемы вертикальных связен:
А крестовая; Б двухъярусная крестовая, В — раскосная наклонная, Г — многоярус¬ная раскосная наклонная

Примеры связей

Связи каркаса обеспечивают геометрическую неизменяемость и устойчивость элементов в продольном направлении, совместную пространственную работу конструкций каркаса, жесткость здания и удобство монтажа и состоят из двух основных систем: связей между колоннами и связей покрытия.

Связи между колоннами. Связи между колоннами (рис. 6.4) обеспечивают во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении, воспринимают и передают на фундамент ветровые нагрузки, действующие на торец здания, и воздействия от продольного торможения мостовых кранов, а также обеспечивают устойчивость колонн из плоскости поперечных рам.

Система связей по колоннам состоит из надкрановых одноплоскостных связей V-образной схемы, располагаемых в плоскости продольных осей здания, и подкрановых двухплоскостных крестовой схемы, располагаемых в плоскостях ветвей колонны.

Подкрановые связи в каждом ряду колонн располагаются ближе к середине блока здания, чтобы обеспечить свободу температурных деформаций в обе стороны и снизить температурные напряжения в элементах каркаса. Количество связей (одна или две по длине блока) определяется их несущей способностью, длиной температурного отсека и наибольшим расстоянием L с от торца здания (температурного шва) до оси ближайшей вертикальной связи (см. табл. 6.1). При наличии двух вертикальных связей расстояние между ними в осях не должно превышать 40 – 50 м.

Надкрановые связи устанавливаются в крайних шагах колонн у торца здания или температурного блока, а также в местах, где предусматриваются вертикальные связи в плоскости опорных стоек стропильных ферм.

Промежуточные колонны (вне блоков связей) в уровне стропильных ферм раскрепляются распорками.

При большой высоте подкрановой части колонны целесообразна установка дополнительных горизонтальных распорок между колоннами, уменьшающих их расчетную длину из плоскости рамы (на рис. 6.4 показаны пунктиром).

Вертикальные связи по колоннам рассчитываются на крановые и ветровые нагрузки W , исходя из предположения работы на растяжение одного из раскосов крестовых подкрановых связей. При большой длине элементов, воспринимающих небольшие усилия, связи принимаются по предельной гибкости λ u = 200.

Элементы связей выполняются из горячекатанных уголков, распорки – из гнутых прямоугольных профилей.

Связи покрытия. Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей, образующих жесткие блоки в торцах здания или температурного блока и при необходимости промежуточные блоки по длине отсека (рис. 6.5).

Горизонтальные связи в плоскости нижних поясов стропильных ферм проектируются двух типов. Связи первого типа состоят из поперечных и продольных связевых ферм и растяжек (см. рис. 6.5, в г – при шаге 12 м). Связи второго типа состоят из поперечных связевых ферм и растяжек (см. рис. 6.5, д – при шаге ферм 6 м; см. рис. 6.5, е – при шаге ферм 12 м).

Рис. 6.4. Схема связей по колоннам

6.5. Связи покрытия

Рис. 6.5 (продолжение)

Поперечные связевые фермы по нижним поясам стропильных ферм предусматриваются в торцах здания или температурного (сейсмического) отсека (см. рис. 6.5, д , е ). Предусматривается также дополнительно одна связевая горизонтальная ферма в середине здания или отсека при их длине более 144 м в зданиях, возводимых в районах с расчетной температурой наружного воздуха –40 о С и выше, и при длине здания более 120 м в зданиях, возводимых в районах с расчетной температурой ниже –40 о С (см. рис. 6.5, в , г ). Тем самым уменьшаются поперечные перемещения пояса фермы, возникающие вследствие податливости связей. Поперечные горизонтальные связи в уровне нижних поясов ферм воспринимают ветровую нагрузку на торец здания, передаваемую верхними частями стоек фахверка, и вместе с поперечными горизонтальными связями по верхним поясам ферм и вертикальными связями между фермами обеспечивают пространственную жесткость покрытия.

Продольные горизонтальные связи в плоскости нижних поясов стропильных ферм предусматриваются вдоль крайних рядов колонн в зданиях:

– с мостовыми опорными кранами групп режимов работы 7К и 8К, требующими устройства галерей для прохода вдоль крановых путей;

– с подстропильными фермами;

– с расчетной сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов;

– с отметкой низа стропильных ферм свыше 18 м независимо от грузоподъемности кранов;

– в зданиях с кровлей по железобетонным плитам, оборудованных мостовыми опорными кранами общего назначения грузоподъемностью свыше 50 т при шаге стропильных ферм 6 м и свыше 20 т при шаге ферм 12 м;

– в однопролетных зданиях с кровлей по стальному профилированному настилу, оборудованных кранами грузоподъемностью свыше 16 т;

– при шаге стропильных ферм 12 м с применением стоек продольного фахверка.

Поперечные горизонтальные связи в уровне верхних поясов стропильных ферм предусматриваются для обеспечения устойчивости поясов из плоскости ферм. Из-за решетки поперечных связей по верхним поясам ферм затрудняется использование решетчатых прогонов и поэтому поперечные связи, как правило, не применяются. В этом случае развязка ферм обеспечивается системой вертикальных связей между фермами.

В зданиях с кровлей по железобетонным плитам в уровне верхних поясов стропильных ферм предусматриваются распорки (см. рис. 6.5, а ). В зданиях с кровлей по стальному профилированному настилу распорки располагаются только в подфонарном пространстве, раскрепление ферм между собой осуществляется прогонами (см. рис. 6.5, б ); при расчетной сейсмичности 7, 8 и 9 баллов предусматриваются также поперечные связевые фермы или диафрагмы жесткости, устанавливаемые в торцах сейсмического отсека (см. рис. 6.5, ж – при шаге ферм 6 м; см. рис. 6.5, к – при шаге ферм 12 м), и дополнительно не менее одной при длине отсека более 96 м в зданиях с расчетной сейсмичностью 7 баллов и при длине отсека более 60 м в зданиях с расчетной сейсмичностью 8 и 9 баллов.

В диафрагмах жесткости профилированный настил, кроме основных функций ограждающих конструкций, выполняет функцию горизонтальных связей по верхним поясам стропильных ферм. Поперечные диафрагмы жесткости и горизонтальные связевые фермы воспринимают продольные расчетные горизонтальные нагрузки от покрытия.

В зданиях с фонарем в случае устройства промежуточной диафрагмы жесткости фонарь над диафрагмой должен быть прерван. Диафрагмы жесткости выполняются из профилированного настила марок H60-845-0,9 или H75-750-0,9 по ГОСТ 24045-94 с усиленным креплением его к прогонам.

Стропильные фермы, не примыкающие непосредственно к поперечным связям, раскрепляются в плоскости расположения этих связей распорками и растяжками. Распорки обеспечивают необходимую боковую жесткость ферм при монтаже (предельная гибкость верхнего пояса фермы из ее плоскости при монтаже λ u = 220). Растяжки предусматриваются для уменьшения гибкости нижнего пояса с целью предотвращения вибрации и случайных погнутостей при перевозке. Предельная гибкость нижнего пояса из плоскости фермы принимается: λ u = 400 – при статической нагрузке и λ u = 250 – при кранах режимов работы 7К и 8К или при воздействии динамических нагрузок, приложенных непосредственно к ферме.

Для горизонтальных связей обычно принимается связевая ферма с треугольной решеткой. При шаге стропильных ферм 12 м стойки-распорки связевых ферм проектируются с достаточно большой вертикальной жесткостью (как правило, из гнутых прямоугольных профилей) для опирания на них длинных диагональных раскосов, выполненных из уголков с незначительной вертикальной жесткостью.

Вертикальные связи между фермами предусматриваются по длине здания или температурного отсека в местах размещения поперечных связевых ферм по нижним поясам ферм. В зданиях с расчетной сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов и кровлей по стальному профилированному настилу по рядам колонн вертикальные связи устанавливаются в местах размещения связевых ферм или диафрагм жесткости по верхним поясам стропильных ферм.

Основное назначение вертикальных связей – обеспечить проектное положение ферм при монтаже и увеличить их боковую жесткость. Обычно устраивается одна-две вертикальные связи по ширине пролета (через 12 – 15 м).

При опирании нижнего узла стропильных ферм на оголовок колонны сверху вертикальные связи располагаются также в плоскости опорных стоек ферм. При примыкании стропильных ферм сбоку к колонне эти связи располагаются в плоскости, совмещенной с плоскостью устройства вертикальных связей надкрановой части колонны.

В покрытиях зданий, эксплуатируемых в климатических районах с расчетной температурой ниже –40 о С, следует, как правило, предусматривать (дополнительно к обычно применяемым связям) вертикальные связи, расположенные по середине каждого пролета вдоль всего здания.

При наличии жесткого диска кровли в уровне верхних поясов ферм следует предусматривать инвентарные съемные связи для выверки проектного положения конструкций и обеспечения их устойчивости в процессе монтажа.

Связи – это важные элементы стального каркаса, которые необходимы для:

1.обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивость его сжатых элементов.

2.восприятия и передачи на фундаменты некоторых нагрузок (ветровых, горизонтальных от кранов).

3.обеспечения совместной работы поперечных рам при местных нагрузках (например, крановых).

4.создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации.

Связи подразделяют на связи между колоннами и связи между фермами (связи шатра).

Система связей между колоннами обеспечивает о время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам.

Для выполнения этих функций необходим хотя бы один вертикальный жесткий диск по длине температурного блока и система продольных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему. В жесткие диски включены две колонны, подкрановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неизменяемость. Решетка чаще всего проектируется крестовой, элементы которой работают на растяжение при любом направлении сил, передаваемых на диск, и треугольной, элементы которой работают на растяжение и сжатие. Схема решетки выбирается так, чтобы её элементы было удобно крепить к колоннам (углы между вертикалью и элементов решетки близки к 45°). При больших шагах колонн в нижней части колонны целесообразно устройство диска в виде двухшарнирной решетчатой рамы, а в верхней – использования подстропильной фермы. Распорки и решетка при малых высотах сечения колонн располагаются в одной плоскости, а при больших высотах – в двух плоскостях. На связевые диски передаются крутящие моменты, и поэтому при расположении вертикальных связей в двух плоскостях они соединяются горизонтальными решетчатыми связями.

При размещении жестких дисков вдоль здания нужно учитывать возможность перемещения колонн при температурных деформациях продольных элементов (рис.11.6, а). Если поставить диски по торцам здания (рис 11.6, б), то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) возникают чрезмерные температурные усилия .

Поэтому при небольшой длине здания (температурного блока) ставится вертикальная связь в одной панели (рис 11.7, а). При большой длине здания (или блока) для колонн в торцах возрастают неупругие перемещения за счет податливости креплений продольных элементов к колоннам. Расстояние от торца до диска ограничивается с целью закрепления колонн, расположенных близко к торцу, от потери устойчивости. В этих условиях вертикальные связи ставят в двух панелях (рис 11.7, б), причем расстояние между осями должны быть такими, чтобы усилие не были очень велики.

По торцам здания крайние колонны иногда соединяются между собой гибкими верхними связями (рис 11.7, а). Верхние торцевые связи также делают в виде крестов (рис 11.7, б).

Верхние вертикальные связи следует размещать не только в торцевых панелях здания, но и в панелях, примыкающих к температурным швам, так как это повышает продольную жесткость верхней части каркаса; кроме того, в процессе возведения цеха каждый температурный блок может в течение некоторого времени представлять собой самостоятельный конструктивный комплекс.

Вертикальные связи между колоннами ставят по всем рядам колонн здания; располагать их следует между одними и теми же осями.

Связи, устанавливаемые в пределах высоты ригелей в связевом блоке и торцевых шагах, проектируют в виде самостоятельных ферм, в остальных местах ставят распорки.

Продольные элементы связей в точках крепления к колоннам обеспечивают несмещаемость этих точек из плоскости поперечной рамы (рис 11.8, а). Эти точки в расчетной схеме колонны (рис 11.8, б) могут приняты шарнирными опорами. При большой высоте нижней части колонны бывает целесообразна установка дополнительной распорки (рис 11.8, в, которая закрепляет нижнюю часть колонны посередине ее высоты и сокращает расчетную длину колонны (рис 11.8, г).

При большой длине элементов связи, воспринимающие небольшие усилия, рассчитываются по предельной гибкости.

Связи по покрытию.

Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса обеспечивают: устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм; перераспределение местных нагрузок, приложенных к одной из рам; удобство монтажа: заданную геометрию каркаса; восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей. Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижнего, верхнего поясов ферм и верхнего пояса фонаря. Горизонтальные связи состоят из поперечных и продольных (рис.11.10, 11.11)

Элементы верхнего пояса стропильных ферм сжаты, поэтому необходимо обеспечить их устойчивость из плоскости ферм.

Для закрепления плит и прогонов от продольных смещений устраиваются поперечные связи по верхним поясам ферм, которые целесообразно располагать в торцах цеха с тем, чтобы они обеспечивали пространственную жесткость покрытия. При большой длине здания или температурного блока (более 144м) устанавливаются дополнительные поперечные связевые фермы. Это уменьшает поперечные перемещения поясов ферм, возникающие вследствие податливости связей.

Особое внимание обращают на завязку узлов ферм в пределах фонаря, где нет кровельного настила. Здесь для раскрепления узлов верхнего пояса ферм из их плоскости предусматриваются распорки, причем такие распорки в коньковом узле фермы обязательны. Распорки прикрепляются к торцовым связям в плоскости верхних поясов ферм.

В зданиях с мостовыми кранами необходимо обеспечить горизонтальную жесткость каркаса как поперек, так и вдоль здания. При работе мостовых кранов возникают усилия, вызывающие поперечные и продольные деформации каркаса цеха. Поэтому в однопролетных зданиях большой высоты (), в зданиях с мостовыми кранами и весьма тяжелого режима работы при любой грузоподъемности обязательна система связей по нижним поясам ферм.

Для сокращения свободной длины растянутой части нижнего пояса приходится в некоторых случаях предусматривать растяжки, закрепляющие нижний пояс в боковом направлении.. Эти растяжки воспринимают условную поперечную силу Q.

В длинных зданиях, состоящих из нескольких температурных блоков, поперечные связевые фермы по верхним и нижним поясам ставят у каждого температурного шва, имея ввиду что каждый температурный блок представляет собой законченный пространственный каркас. Стропильные фермы обладают незначительной боковой жесткостью, поэтому необходимо устраивать вертикальные связи между фермами, располагающиеся в плоскости вертикальных стоек стропильных ферм(рис 11.10, в).

При опирании опорного нижнего узла стропильных на оголовок колонны сверху вертикальные связи необходимо располагать также по опорным стойкам ферм.

В многопролетных цехах связи по верхним поясам ферм и вертикальные ставятся во всех пролетах, а горизонтальные по нижним поясам – по контуру здания и некоторым средним рядам колонн через 60-90м по ширине здания(рис 11.13). В зданиях имеющих перепады по высоте, продольные связевые фермы ставят и вдоль этих перепадов.

Конструктивная схема связей зависит главным образом от шага стропильных ферм. Для горизонтальных связей пи шаге ферм 6м обычно применяют крестовую решетку, раскосы которой работают только на растяжение(рис 11.14, а), а также могут применяться фермы с треугольной решеткой(рис 11.14, б) – здесь раскосы работаю как на сжатие, так и на растяжение. При шаге 12м диагональные элементы связей, даже работающие только на растяжение, получаются слишком тяжелыми, поэтому систему связей проектируют так, чтобы наиболее длинный элемент был не более 12м, и эти элементы поддерживают диагонали.

Связи между колоннами.

Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам. Для выполнения этих функций необходимы хотя бы один вертикальный жесткий диск по длине температурного блока и система продольных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему. В жесткие диски включены две колонны, подкрановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неизменяемость. Решетка часто проектируется крестовой (элементы ее работают на растяжение при любом направлении сил) и треугольной (элементы работают на растяжение, сжатие). При больших шагах колонн в нижней части колонны целесообразно устройство диска в виде двухшарнирной решетчатой рамы, а в верхней – подстропильной фермы. Распорки и решетки при малых высотах сечения колонн располагаются в одной плоскости, а при больших высотах – в двух плоскостях. На связевые диски передаются крутящие моменты, и поэтому при расположении вертикальных связей в двух плоскостях они соединяются горизонтальными решетчатыми связями. При размещении жестких дисков (связевых блоков) вдоль здания нужно учитывать возможность перемещения колонн при температурных деформациях продольных эл-ов. Если поставить диски по торцам здания, о во всех продольных эл-х (подкрановые констр., подстропильные ферм распорки связей) возникают значительные температурные усилия. Поэтому при небольшой длине здания ставится вертикальная связь в одной панели. При большой длине здания для колонн в торцах возрастают неупругие перемещения за счет податливости креплений продольных эл-ов к колоннам. Расстояние от торца до диска ограничивается с целью закрепления колонн, расположенных близко к торцу, от потери устойчивости. В этих случаях связи ставятся в двух панелях, причем расстояние между их осями должно быть таким, чтобы усилия не были очень велики. Предельные расстояния м/у дисками ставятся от возможных перепадов t и установлены нормами. По торцам здания крайние колонны иногда соединяют м/у собой гибкими верхними связями. Делают их в виде крестов, что целесообразно с точки зрения монтажных условий и однотипности решений. Верхние вертикальные связи следует размещать не только в торцевых панелях здания, но и в панелях, примыкающих к температурным швам, т.к. это повышает продольную жесткость верхней части каркаса. Вертикальные связи устанавливают по всем рядам колонн здания, располагают м/у одними и теми же осями. При проектировании связей по средним рядам колон в подкрановой части следует иметь в виду, что иногда нужно иметь свободное пространство между колонными, тогда конструируют портальные связи. В горячих цехах с неразрезными подкрановыми балками или тяжелыми подкраново-подстропильными фермами целесообразно предусматривать специальные конструктивные мероприятия: уменьшение длины температурных блоков. Связи, кроме условных поперечных сил, воспринимают ветровую нагрузку, направленную на торец здания и от продольных воздействий мостовых кранов. Ветровая нагрузка на торец здания воспринимается стойками торцевого фахверка и частично передается на связи по нижнему поясу ферм. Связи шатра передают эту силу в ряды колонн.

Вертикальные размеры

Н о ≥ Н 1 + Н 2 ;

Н 2 ≥ Н к + f + d;

d = 100 мм;

Полная высота колонны

Размеры фонаря:

· H ф = 3150 мм.

Горизонтальные размеры

< 30 м, то назначаем привязку а = 250 мм.

< h в = 450 мм.

где В 1 =300 мм по прил. 1

·

< h н = 1000 мм.

-

- связей фонаря;

- связей фахверка.

3.

Сбор нагрузок на раму.

3.1.1.

Нагрузки на подкрановую балку.

Подкрановая балка пролетом 12 м под два крана грузоподъемностью Q = 32/5 т. Режим работы кранов – 5К. Пролет здания 30 м. Материал балки С255: R y = 250 МПа = 24 кН/см 2 (при толщине t≤ 20 мм); R s = 14 кН/см 2 .

Для крана Q = 32/5 т среднего режима работы по прил. 1 наибольшее вертикальное усилие на колесе F k n = 280кН; вес тележки G Т = 85кН; тип кранового рельса - КР-70.

Для кранов среднего режима работы поперечное горизонтальное усилие на колесе, для кранов с гибким подвесом кранов:

Т n = 0,05*(Q + G Т)/n о = 0,05(314+ 85)/2= 9,97 кН,

где Q – номинальная грузоподъемность крана, кН; G т – вес тележки, кН; n о – число колес с одной стороны крана.

Расчетные значения усилий на колесе крана:

F к = γ f * k 1* F k n =1,1*1*280= 308 кН;

Т к = γ f *k 2 *Т n = 1,1*1*9,97 = 10,97 кН,

где γ f = 1,1 - коэффициент надежности по крановой нагрузке;

k 1 , k 2 =1 - коэффициенты динамичности, учитывающий ударный характер нагрузки при движении крана по неровностям пути и на стыках рельсов, табл. 15.1 .

Таблица

Номер нагрузки	Нагрузки и комбинации усилий		Ψ 2	Сечения стойки
1 - 1	2 - 2	3 - 3	4 - 4
M	N	Q	M	N	M	N	M	N	Q
	Постоянная			-64,2	-53,5	-1,4	-56,55	-177	-6	-177	+28,9	-368	-1,4
	Снеговая			-67,7	-129,9	-3,7	-48,4	-129,6	-16	-129,6	+41,5	-129,6	-3,7
0,9	-60,9	-116,6	-3,3	-43,6	-116,6	-14,4	-116,6	+37,4	-116,6	-3,3
	D max	на левую стойку			+29,5		-34,1	+208,8		-464,2	-897	+75,2	-897	-33,4
0,9	+26,5		-30,7	+188		-417,8	-807,3	+67,7	-807,3	-30,1
3 *	на правую стойку			-99,8		-31,2	+63,8		-100,4	-219	+253,8	-219	-21,9
0,9	-90		-28,1	+57,4		-90,4	-197,1	+228,4	-197,1	-19,7
	Т	на левую стойку			±8,7		±16,2	±76,4		±76,4		±186		±16,2
0,9	±7,8		±14,6	±68,8		±68,8		±167,4		±14,6
4 *	на правую стойку			±60,5		±9,2	±12		±12		±133,3		±9
0,9	±54,5		±8,3	±10,8		±10,8		±120		±8,1
	Ветровая	слева			±94,2		+5,8	+43,5		+43,5		-344		+35,1
0,9	±84,8		+5,2	+39,1		+39,1		-309,6		+31,6
5 *	справа			-102,5		-5,5	-39		-39		+328		-34,8
0,9	-92,2		-5	-35,1		-35,1		+295,2		-31,3
	+M max N соот	Ψ 2 = 1	№ нагрузок	-	1,3,4	-	1, 5 *
усилия		-	-	-	+229	-177	-	-	+787	-1760
Ψ 2 = 0,9	№ нагрузок	-	1, 3, 4, 5	-	1, 2, 3 * , 4, 5 *
усилия		-	-	-	+239	-177	-	-	+757	-682
	-M ma N соот	Ψ 2 = 1	№ нагрузок	1, 2	1, 2	1, 3, 4	1, 5
усилия		-131,9	-183,1		-105	-306,6	-547	-1074	-315	-368
Ψ 2 = 0,9	№ нагрузок	1, 2, 3 * , 4, 5 *	1, 2, 5 *	1, 2, 3, 4, 5 *	1, 3, 4 (-), 5
усилия		-315,1	-170,1	-52,3	-135	-294	-542	-1101	-380	-1175
	N ma +M соот	Ψ 2 = 1	№ нагрузок	-	-	-	1, 3, 4
усилия		-	-	-	-	-	-	-	+264	-1265
Ψ 2 = 0,9	№ нагрузок	-	-	-	1, 2, 3, 4, 5 *
усилия		-	-	-	-	-	-	-	+597	-1292
	N mi -M соот	Ψ 2 = 1	№ нагрузок	1, 2	1, 2	1, 3, 4	-
усилия		-131,9	-183,1		-105	-306,6	-547	-1074	-	-
Ψ 2 = 0,9	№ нагрузок	1, 2, 3 * , 4, 5 *	1, 2, 5 *	1, 2, 3, 4, 5 *	-
усилия		-315,1	-170,1	-52,3	-135	-294	-472	-1101	-	-
	N mi -M соот	Ψ 2 = 1	№ нагрузок								1, 5 *
усилия	+324	-368
	N mi +M соот	Ψ 2 = 0,9	№ нагрузок	1, 5
усилия	-315	-368
	Q ma	Ψ 2 = 0,9	№ нагрузок								1, 2, 3, 4, 5 *
усилия			-89

3.4. Расчет ступенчатой колонны производственного здания.

3.4.1. Исходные данные:

Сопряжение ригеля и колонны – жесткое;

Расчетные усилия указаны в таблице,

Для верхней части колонны

в сечении 1-1 N = 170 кН, М = -315кНм, Q = 52 кН;

в сечении 2-2: М = -147 кНм.

Для нижней части колонны

N 1 = 1101 кН, М 1 = -542 кНм (изг. момент догружает подкрановую ветвь);

N 2 = 1292 кН, М 2 = +597 кНм (изг. момент догружает наружную ветвь);

Q max = 89кН.

Соотношение жесткостей верхней и нижней частей колонны I в /I н = 1/5;

материал колонны – сталь марки С235, бетон фундамента класса В10;

коэффициент надежности по нагрузке γ n =0,95.

База наружной ветви.

Требуемая площадь плиты:

А пл.тр = N в2 /R ф = 1205/0,54 = 2232 см 2 ;

R ф = γR б ≈ 1,2*0,45 = 0,54 кН/см 2 ; R б = 0,45 кН/см 2 (бетон В7,5) табл. 8.4..

По конструктивным соображениям свес плиты с 2 должен быть не менее 4 см.

Тогда В ≥ b к + 2с 2 = 45 + 2*4 = 53 см, принимаем В = 55 см;

L тр = А пл.тр /В = 2232/55 = 40,6 см, принимаем L = 45 см;

А пл. = 45*55 = 2475 см 2 > А пл.тр = 2232 см 2 .

Среднее напряжение в бетоне под плитой:

σ ф = N в2 /А пл. = 1205/2475 = 0,49 кН/см 2 .

Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви, расстояние между траверсами в свету равно:

2(b f + t w – z o) = 2*(15 + 1,4 – 4,2) = 24,4 см; при толщине траверсы 12 мм с 1 = (45 – 24,4 – 2*1,2)/2 = 9,1 см.

· Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты:

участок 1 (консольный свес с = с 1 = 9,1 см):

М 1 = σ ф с 1 2 /2 = 0,49*9,1 2 /2 = 20 кНсм;

участок 2 (консольный свес с = с 2 = 5 см):

М 2 = 0,82*5 2 /2 = 10,3 кНсм;

участок 3 (плита, опертая на четыре стороны): b/а = 52,3/18 = 2,9 > 2, α = 0,125):

М 3 = ασ ф а 2 = 0,125*0,49*15 2 = 13,8 кНсм;

участок 4 (плита, опертая на четыре стороны):

М 4 = ασ ф а 2 = 0,125*0,82*8,9 2 = 8,12 кНсм.

Принимаем для расчета М max = М 1 = 20 кНсм.

· Требуемая толщина плиты:

t пл = √6М max γ n /R y = √6*20*0,95/20,5 = 2,4 см,

где R y = 205 МПа = 20,5 кН/см 2 для стали Вст3кп2 толщиной 21 – 40 мм.

Принимаем t пл = 26 мм (2 мм – припуск на фрезеровку).

Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилие в ветви передаем на траверсы через четыре угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св – 08Г2С, d = 2 мм, k f = 8 мм. Требуемая длина шва определяется:

l w .тр = N в2 γ n /4k f (βR w γ w) min γ = 1205*0,95/4*0,8*17 = 21 см;

l w < 85β f k f = 85*0,9*0,8 = 61 см.

Принимаем h тр = 30см.

Проверка прочности траверсы выполняется так же, как для центрально-сжатой колонны.

Расчет анкерных болтов крепления подкрановой ветви (N min =368 кН; М=324 кНм).

Усилие в анкерных болтах:F a =(М- N y 2)/ h о =(32400-368*56)/145,8=81кН.

Требуемая площадь сечения болтов из стали Вст3кп2: R ва =18,5 кН/см 2 ;

А в.тр = F a γ n / R ва =81*0,95/18,5=4,2 см 2 ;

Принимаем 2 болта d=20 мм, А в.а =2*3,14=6,28 см 2 . Усилие в анкерных болтах наружной ветви меньше. Из конструктивных соображений принимаем такие же болты.

3.5. Расчет и конструирование стропильной фермы.

Исходные данные.

Материал стержней ферм – сталь марки C245 R = 240 МПа = 24 кН/см 2 (t ≤ 20 мм), материал фасонок – C255 R = 240 МПа = 24 кН/см 2 (t ≤ 20 мм);

Элементы ферм выполняются из уголков.

Нагрузка от массы покрытия (за исключением веса фонаря):

g кр ’ = g кр – γ g g фон ′ = 1,76 – 1,05*10 = 1,6 кН/м 2 .

Массу фонаря, в отличие от расчета рамы, учитываем в местах фактического опирания фонаря на ферму.

Масса каркаса фонаря на единицу площади горизонтальной проекции фонаря g фон ’ = 0,1 кН/м 2 .

Масса бортовой стенки и остекления на единицу длины стенки g б.ст = 2 кН/м;

d-расчетная высота, принимается расстояние между осями поясов (2250-180=2,07м)

Узловые силы (а):

F 1 = F 2 = g кр ’ Вd = 1,6*6*2= 19,2 кН;

F 3 = g кр ’ Вd + (g фон ’ 0,5d + g б.ст)В = 1,6*6*2 + (0,1*0,5*2 + 2)*6 = 21,3 кН;

F 4 = g кр ’ В(0,5d + d) + g фон ’ В(0,5d + d) = 1,6*6*(0,5*2 + 2) + 0,1*6*(0,5*2 + 2) = 30,6 кН.

Опорные реакции: . F Ag = F 1 + F 2 +F 3 +F 4 /2=19,2+19,2+21,3+30,6/2=75 кН.

S = S g m= 1,8 m.

Узловые силы:

1–й вариант снеговой нагрузки (б)

F 1s = F 2s =1,8*6*2*1,13=24,4 кН;

F 3s = 1,8*6*2*(0,8+1,13)/2=20,8 кН;

F 4s = 1,8*6*(2*0,5+2)*0,8=25,9 кН.

Опорные реакции: . F As = F 1s + F 2s +F 3s +F 4s /2=2*24,2+20,8+25,9/2=82,5 кН.

2–й вариант снеговой нагрузки (в)

F 1 s ’ = 1,8*6*2=21,6 кН;

F 2 s ’ = 1,8*6*2*1,7=36,7 кН;

F 3 s ’ = 1,8*6*2/2*1,7=18,4 кН;

Опорные реакции: . F′ As = F 1 s ’ + F 2 s ’ + F 3 s ’ =21,6+36,7+18,4=76,7 кН.

Нагрузка от рамных моментов (см. таблицу)(г).

Первая комбинация

(сочет. 1, 2, 3* ,4, 5*): М 1 max =-315 кНм; сочет. (1, 2, 3, 4*, 5):

М 2соотв = -238 кНм.

Вторая комбинация (без учета снеговой нагрузки):

М 1 =-315-(-60,9)=-254 кНм; М 2соотв = -238-(-60,9)=-177 кНм.

Расчет швов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Металлические конструкции. под ред. Ю.И. Кудишина Москва, изд. ц. «Академия», 2008г.

2. Металлические конструкции. Учебник для вузов /Под ред. Е. И. Беленя. – 6-е изд. М.: Стройиздат, 1986. 560 с.

3. Примеры расчета металлических конструкций. Под редакцией А. П. Мандриков. – 2-е изд. М.: Стройиздат, 1991. 431 с.

4. СНиП II-23-81 * (1990). Стальные конструкции. – М.; ЦИТП Госстроя СССР, 1991. – 94 с.

5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. – М.; ЦИТП Госстроя СССР, 1989. – 36 с.

6. СНиП 2.01.07-85 * . Дополнения, Раздел 10. Прогибы и перемещения. – М.; ЦИТП Госстроя СССР, 1989. – 7 с.

7. Металлические конструкции. Учебник для вузов/Под ред. В. К. Файбишенко. – М.: Стройиздат, 1984. 336 с.

8. ГОСТ 24379.0 – 80. Фундаментные болты.

9. Методические указания по курсовым проектам «Металлические конструкции» Морозова 2007г.

10. Проектирование металлических конструкций производственных зданий. Под ред. А.И. Актуганов 2005г.

Вертикальные размеры

Проектирование каркаса одноэтажного производственного здания начинаем с выбора конструктивной схемы и ее компоновки. Высота здания от уровня пола до низа строительной фермы Н о:

Н о ≥ Н 1 + Н 2 ;

где Н 1 – расстояние от уровня пола до головки кранового рельса по заданию Н 1 =16 м;

Н 2 – расстояние от головки кранового рельса до низа строительных конструкций покрытия, рассчитываемые по формуле:

Н 2 ≥ Н к + f + d;

где Н к – высота мостового крана; Н к =2750 мм по прил. 1

f – размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия в зависимости от величины пролета, f = 300 мм;

d - зазор между верхней точкой тележки крана и строительной конструкцией,

d = 100 мм;

Н 2 = 2750 +300 +100 = 3150 мм, принято – 3200 мм (т.к. Н 2 принимается кратным 200мм)

H о ≥ Н 1 + Н 2 = 16000 + 3200= 19200 мм, принято – 19200 мм (т.к. Н 2 принимается кратным 600мм)

Высота верхней части колонны:

· Н в = (h б + h р) + Н 2 = 1500 + 120 + 3200 = 4820 мм., окончательно размер уточним после расчета подкрановой балки.

Высота нижней части колонны, при заглублении базы колонны на 1000 мм ниже пола

· Н н = H о - Н в + 1000 = 19200 - 4820 + 1000 = 15380 мм.

Полная высота колонны

· H = Н в + Н н = 4820+ 15380 = 20200 мм.

Размеры фонаря:

Принимаем фонарь шириной 12 м с остеклением в один ярус высотой 1250 мм, высотой борта 800 мм и карниза 450 мм.

Н фн. = 1750 +800 +450 =3000 мм.

· H ф = 3150 мм.

Конструктивная схема каркаса здания представлена на рисунке:

Горизонтальные размеры

Так как шаг колонн 12 м, грузоподъемность 32/5 т, высота здания < 30 м, то назначаем привязку а = 250 мм.

· h в = а + 200= 250 + 200 = 450мм

· h в min = Н в /12 = 4820/12 = 402мм < h в = 450 мм.

Определим значение величины l 1:

· l 1 ≥ В 1 + (h в - а) + 75 = 300 + (450-250) + 75 = 575 мм.

где В 1 =300 мм по прил. 1

Принимаем l 1 = 750 мм (кратный 250 мм).

Ширина сечения нижней части колонны:

· h н = l 1 +а = 750 + 250= 1000мм.

· h н min = Н н /20 = 15380/20 = 769мм< h н = 1000 мм.

Сечение верхней части колонны назначаем сплошностенчатым двутавровым, нижней – сплошной.

Связи стального каркаса производственного здания

Пространственная жесткость каркаса и устойчивость каркаса и отдельных его элементов обеспечивается путем постановки системы связей:

Связей между колоннами (ниже и выше подкрановой балки), необходимые для обеспечения устойчивости колонн из плоскостей рам, восприятия и передачи на фундаменты нагрузок, действующих вдоль здания (ветровых, температурных) и фиксацию колонн во время монтажа;

- связей между фермами: а) горизонтальные поперечные связи по нижним поясам ферм, воспринимающие нагрузку от ветра, действующую на торец здания; б) горизонтальные продольные связи по нижним поясам ферм; в) горизонтальные поперечные связи по верхним поясам ферм; г)вертикальные связи между фермами;

- связей фонаря;

- связей фахверка.

3. Расчетно-конструктивная часть.

Сбор нагрузок на раму.

3.1.1. Расчетная схема поперечной рамы.

За геометрические оси ступенчатых колонн принимаются линии, проходящие через центры тяжести верхней и нижней частей колонны. Несовпадение центров тяжестей дает эксцентриситет «е 0 », который вычисляем:

е 0 =0,5*(h н - h в)=0,5*(1000-450)=0,275м