Общие сведения о производственных зданиях и конструкциях покрытий

Промышленные здания предназначены для осуществления в них какого-либо производственного процесса, требующего значительного пространства без промежуточных опор для установки технологического оборудования, наличия подъемно-транспортного оборудования для перемещения сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны. По числу пролетов одноэтажные здания подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты). В настоящее время строится больше многопролетных (с числом пролетов два и более) зданий.

Т.к. многие производственные здания характеризуются большими пролетами, большой высотой помещений и высоким уровнем статических и динамических нагрузок, их чаще всего проектируют каркасными. В этом случае имеет место четкое деление конструкций на несущие и ограждающие, а, следовательно, и более рациональное использование строительных материалов.

Каркас – это комплекс несущих конструкций, воспринимающий и передающий на фундаменты все нагрузки:

- вес ограждающих конструкций и технологического оборудования;

- атмосферные нагрузки и воздействия;

- нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консольные краны);

- температурные и технологические воздействия и т.п.

Элементы каркаса могут выполняться из железобетона, стали, дерева и различных комбинаций этих материалов. Например, смешанный каркас предполагает выполнение части конструкций из железобетона, а части – из металла. Использование тех или иных материалов определяется в каждом конкретном случае в зависимости от характера технологического процесса, температурно-влажностного режима, наличия агрессивной среды, величины и характера действующих нагрузок, размеров пролетов и шагов колонн, высоты здания, местных условий строительства и других факторов.

Железобетон получил широкое распространение в конструкциях промышленных зданий благодаря высокой прочности, долговечности, огнестойкости, стойкости к атмосферным воздействиям, возможности использования местного сырья (песок, гравий), возможности получения конструкций разнообразной формы, сравнительно небольшим эксплуатационным расходам.

К числу недостатков следует отнести большую объемную массу, высокую тепло- и звукопроводность, значительные температурные деформации, необходимость выдержки для набора прочности, появление трещин вследствие

усадки и воздействия нагрузок, трудоемкость выполнения усилений или переделок, невозможность утилизации при достижении морального или физического износа, вероятность неожиданного хрупкого разрушения, например, при неравномерных деформациях основания.

Основные достоинства металлических конструкций – надежность, легкость, непроницаемость, быстрота изготовления и монтажа, возможность ведения работ в любое время года, простота технического перевооружения, ремонта и реконструкции. Все это позволяет в быстрые сроки возводить надежные здания различной конфигурации, в том числе большепролетные. Недостатками являются подверженность коррозии, снижение несущей способности при воздействии высоких и низких температур.

В последние годы все большее применение, особенно в покрытиях большепролетных зданий, получают деревянные конструкции. Древесина является возобновляемым, экологически чистым строительным материалом, утилизация которого не наносит ощутимого вреда природе. Важными преимуществами древесины являются: легкость (в 5 раз легче бетона); высокая относительная прочность при сжатии и изгибе (сопоставима с металлом); высокие теплоизоляционные свойства (в 16 раз выше, чем у бетона); незначительный коэффициент линейного температурного расширения (нет необходимости в устройстве температурных швов); высокая химическая стойкость в большинстве агрессивных сред; хорошая работа при знакопеременных и динамических нагрузках; немагнитность и радиопрозрачность; высокие акустические свойства; пластичность (возможность получения криволинейных конструкций).

Основные недостатки древесины – опасность загнивания, возгорания и повреждения древоточцами, анизотропия строения, изменение физико-механических свойств с изменением влажности (усушка, разбухание). Указанные недостатки могут быть устранены современными способами защиты древесины, а также соблюдением технологических требований на стадии изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации.

В систему каркаса здания входят вертикальные элементы – колонны, вертикальные связи жесткости, диафрагмы и стволы жесткости, и горизонтальные элементы – конструкции перекрытий и покрытий, подкрановые балки и горизонтальные связи. Остальные конструктивные элементы, независимо от их расположения и функционального назначения, относятся к второстепенным. Их фактическое участие в работе каркаса здания обычно не учитывается, хотя их влияние на общую жесткость каркаса в некоторых случаях может оказаться существенным.

Преобладающим видом промышленных зданий являются одноэтажные(примерно 64% всех промышленных зданий). Это объясняется требованиями технологии, возможностью передачи нагрузок от тяжелого оборудования непосредственно на грунт, сравнительной простотой и экономичностью их возведения.

Каркас одноэтажного производственного здания представляет собой пространственную систему, состоящую из колонн, конструкций покрытия, подкрановых конструкций, связей и других элементов, совместная работа которых обеспечивает пространственную жесткость и неизменяемость каркаса при действии нагрузок.

Характер работы каркаса здания в значительной степени определяется конструкциями покрытия. В общем случае конструкция покрытия включает несущую часть (несущие конструкции покрытия), несуще-ограждающую часть (несуще-ограждающие конструкции покрытия) и ограждающую часть (кровлю).

Несущие конструкции покрытия, работающие в одной плоскости (балки, фермы, арки с затяжками), называют плоскостными(рис.1.1), а работающие в нескольких направлениях – пространственными. В зависимости от наличия или отсутствия распора (горизонтального усилия, передаваемого на вертикальные несущие элементы здания или непосредственно на фундамент) их делят на распорные (арки без затяжек, рамы, оболочки и др.) и безраспорные (балки, фермы, арки с затяжками, перекрестно-стержневые системы и др.).

Рис. 1.1. Несущий остов здания с плоскостными конструкциями покрытия

1 – крайняя колонна; 2 – средняя колонна; 3 – подкрановая балка; 4 – стропильная балка; 5 – подстропильная балка

Основой каркаса здания с плоскостными конструкциями покрытия являются одно- или многопролетные поперечные рамы, воспринимающие все вертикальные и поперечные горизонтальные нагрузки, действующие на здание.

Чаще всего используется схема каркаса, при которой колонны, жестко закрепленные в фундаменте, и ригели (стропильные балки или фермы), соединенные с колоннами шарнирно, образуют двухшарнирную поперечную раму (рис.1.2 б, в).

Рис. 1.2. Конструктивная схема каркаса одноэтажного промышленного здания

а – схема размещения колонн; б – схема однопролетной двухшарнирной поперечной рамы; в – схема двухпролетной поперечной рамы; г – схема продольной рамы

Такая схема характерна как для зданий с железобетонным, так и для зданий с металлическим каркасом. Шарнирное сопряжение ригеля и колонн упрощает проектирование здания с использованием типовых конструкций, обеспечивает взаимозаменяемость и простоту монтажа конструкций покрытия.

В продольном направлении рамы связаны подкрановыми балками, подстропильными фермами, жестким диском покрытия и, в необходимых случаях, стальными связями. Продольные рамы воспринимают нагрузки от продольного торможения кранов и от ветра, действующего на торцы здания и светоаэрационных фонарей (рис.1.2 г).

Несколько реже применяется двухшарнирная схема с шарнирным сопряжением колонн с фундаментом (рис.1.3 а). Ее часто используют в зданиях с металлическими и клеедеревянными рамными конструкциями. Такая статическая схема позволяет существенно уменьшить нагрузки на фундаменты, а также практически исключить влияние осадок опор и неточностей изготовления и монтажа на работу рам из сварных балок.

Рис. 1.3. Схемы поперечных рам одноэтажных промышленных зданий

а – двухшарнирная с шарнирным сопряжением колонн с фундаментом;

б – бесшарнирная; в – трехшарнирная

В зданиях с цельнометаллическим каркасом может применяться бесшарнирная схема поперечной рамы (рис.1.3 б). Жесткое соединение всех элементов между собой позволяет снизить расход металла, однако такие конструкции сложнее в изготовлении и более чувствительны к изменению температуры и неравномерным осадкам фундаментов.

В зданиях с несущими конструкциями из клееной древесины широкое применения получили также трехшарнирные поперечные рамы с шарнирными опорными и коньковым узлами (рис.1.3 в). Сопряжение ригеля со стойкой (карнизный узел) в этом случае выполняется жестким. Шарнирные сопряжения элементов рам выполняются достаточно просто, а деформации основания не оказывают существенного влияния на работу конструкций.

Наряду с плоскими несущими конструкциями покрытий в одноэтажных промышленных зданиях широкое применение находят пространственные конструкции (оболочки, своды, структуры и др.). В этом случае конструкции покрытия опираются на колонны в углах, а продольные рамы имеют конструктивное решение аналогичное поперечным рамам каркаса.

Несущие элементы многоэтажных каркасных зданий образуют многоэтажные рамы различного типа в зависимости от способа соединения вертикальных и горизонтальных элементов, а также наличия вертикальных связей и диафрагм жесткости.

Конструктивная схема таких зданий аналогична схемам многоэтажных гражданских зданий.