Определение размеров температурных блоков. Расстановка связей

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

- обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов;

- восприятия и передачи на фундаменты некоторых нагрузок (ветровых, горизонтальных от кранов);

- обеспечения совместной работы поперечных рам при местных нагрузках (например, крановых);

- создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации;

- обеспечения условий высококачественного и удобного монтажа.

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

1. Связи между колоннами

Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении (воспринимая при этом некоторые нагрузки), 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 чаще 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 ее элементы было удобно крепить к колоннам (углы между вертикалью и элементами решетки близки к 45°). При больших шагах колонн в нижней части колонны целесообразно устройство диска в виде двухшарнирной решетчатой рамы, а в верхней - использование подстропильной фермы. Распорки и решетка при малых высотах сечения колонн (например, в верхней части) располагаются в одной плоскости, а при больших высотах (нижняя часть колонны) - 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 перемещений колонн при температурных деформациях продольных элементов. Если поставить диски по торцам здания, то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) возникают значительные температурные усилия Ft.

Поэтому при небольшой длине здания (температурного блока) ставится вертикальная связь в одной панели. 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, расположённых близко к торцу, от потери устойчивости. В этих случаях вертикальные связи ставятся в двух панелях, причем расстояния между их осями должно быть таким, чтобы усилия Ft не были очень велики. Предельные расстояния между дисками зависят от возможных перепадов.температур (разных для отапливаемых и неотапливаемых зданий, строящихся в районах с разными расчетными зимними температурами) и установлены нормами (табл. 11.2).

По торцам здания крайние колонны иногда соединяют между собой гибкими верхними связями. Вследствие относительно малой жесткости надкрановой части колонны расположение верхних связей в торцовых панелях лишь незначительно сказывается на температурных напряжениях. Верхние торцовые связи также делают в виде крестов, что целесообразно с точки зрения монтажных условий и однотипности решений.

Верхние вертикальные связи следует размещать не только в торцовых 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.

При проектировании связей по средним рядам колонн в подкрановой части следует иметь в виду, что довольно часто по условиям технологии необходимо иметь свободное пространство между колоннами. В этих случаях конструируют портальные связи.

Связи, устанавливаемые в пределах высоты ригелей в связевом блоке и торцовых шагах, проектируют в виде самостоятельных ферм (монтажного элемента), в остальных местах ставят распорки.

Особое внимание следует уделять компоновке связей между колоннами в горячих цехах при применении неразрезных подкрановых балок или большом внутреннем шаге колонн, несущих мощные продольные конструкции (например, подкраново-подстропильные фермы). В этих случаях полностью отсутствует узловая податливость продольных конструкций, система связей становится близкой к рамной и ее температурные деформации стеснены. Обследования и экспериментальные исследования работы таких цехов показывают, что, несмотря на выполнение требований норм проектирования, в элементах каркаса (колоннах и подкрановых балках) возникают большие дополнительные напряжения, а иногда.наблюдается и разрушение связей.

Поэтому в горячих цехах с неразрезными подкрановыми балками или тяжелыми подкраново-подстропильными фермами целесообразно предусматривать специальные конструктивные мероприятия (например, уменьшение длины температурных блоков).

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

Связи, кроме условных поперечных сил, возникающих при потере устойчивости колонн из плоскости поперечных рам, воспринимают также усилия от ветра, направленного 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 силу FBT в ряды колонн.

Выделены элементы связей и колонны, которые передают силу FBI на фундамент.

В точке А а) гибкий элемент связей 1 не может воспринимать сжимающую силу, и поэтому FBI передается более короткой и достаточно жесткой распоркой 2 в точку Б. Здесь сила раскладывается на направление колонны и растянутого элемента 3, который передает усилие в точку В. В этой точке усилие воспринимается колоннами - и подкрановыми балками 4, передающими силу FBT на связевый блок в точку Г. Аналогично работают связи и на силы продольных воздействий кранов FKП. Сечения связей выполняются из уголков, швеллеров, прямоугольных и круглых труб.

При большой длине элементов связи, воспринимающие небольшие усилия, рассчитываются по предельной гибкости, которая для сжатых элементов связей ниже подкрановой балки равна 210 - 60?, где - отношение фактического усилия в элементе связей к его несущей способности, выше - 200; для растянутых - соответственно 200 и 300.

2. Связи по покрытию

Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают: устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм; перераспределение местных нагрузок (например, крановых), приложенных к одной из рам, на соседние рамы; 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.

Элементы верхнего пояса стропильных ферм сжаты, поэтому необходимо обеспечить их устойчивость из плоскости ферм. Ребра кровельных плит и прогоны могут рассматриваться как опоры, препятствующие смещению верхних узлов из плоскости фермы при условии, что они закреплены от продольных перемещений связями.

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 (вместе с поперечными горизонтальными связями по нижним поясам ферм и вертикальными связями) обеспечивали пространственную жесткость покрытия. При большой длине здания или температурного блока (более 144 м) устанавливаются дополнительные поперечные связевые фермы. Это уменьшает поперечные перемещения поясов ферм, возникающие вследствие податливости связей.

Необходимо обращать особое внимание 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 процессе монтажа (до установки плит покрытия или прогонов) гибкость верхнего пояса из плоскости фермы не должна быть более 220. Если коньковая распорка не обеспечивает этого условия, между ней и распоркой в плоскости колонн ставится дополнительная распорка. Связи по верхнему поясу фонаря проектируются аналогично.

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. Если поперечная жесткость каркаса недостаточна, краны при движении могут заклиниваться, и нарушается нормальная их эксплуатация. Чрезмерные колебания каркаса создают неблагоприятные условия для работы кранов и сохранности ограждающих конструкций. Поэтому в однопролетных зданиях большой высоты (H0 > 18 м), в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью 10 т, с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы при любой грузоподъемности обязательна система связей по нижним поясам ферм.

Горизонтальные силы от мостовых кранов воздействуют в поперечном направлении на одну плоскую раму или две-три смежные. Связи обеспечивают совместную работу системы плоских рам, вследствие чего поперечные деформации каркаса от действия сосредоточенной силы значительно уменьшаются. Жесткость этих связей должна быть достаточной для того, чтобы вовлечь в работу соседние рамы, и их ширина обычно назначается равной длине первой панели нижнего пояса фермы.

Прилегающие к опорам панели нижнего пояса ферм, особенно при жестком сопряжении ригеля с колонной, могут быть сжатыми, и в этом случае продольные связи обеспечивают устойчивость нижнего пояса из плоскости ферм.

Поперечные связи закрепляют продольные, а в торцах здания они необходимы и для восприятия ветровой нагрузки, направленной на торец здания.

Стойки фахверка передают ветровую нагрузку FВФ в узлы поперечной горизонтальной торцовой фермы, поясами которой служат нижние пояса торцовой и смежной с ней стропильных ферм.

Опорные реакции торцовой фермы FBT воспринимаются связями между колоннами и передаются на фундамент.

В плоскости нижних поясов также устраиваются промежуточные поперечные связи, расположенные в тех же панелях, что и поперечные связи по верхним поясам ферм.

Чтобы избежать вибрации нижнего пояса ферм вследствие динамического воздействия мостовых кранов, ограничивается гибкость растянутой части нижнего пояса из плоскости рамы: при кранах с числом циклов загружения 2х106 и более - величиной 250, для прочих зданий - величиной 400. 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 QУСЛ.

В длинных зданиях, состоящих из нескольких температурных блоков, поперечные связевые фермы по верхним и нижним поясам ставят у каждого температурного шва (как у троцов), имея в виду, что каждый температурный блок представляет собой законченный пространственный комплекс.

Стропильные фермы обладают незначительной боковой Жесткостью, а потому процесс монтажа без их предварительного взаимного раскрепления недопустим. Поэтому необходимо устраивать вертикальные связи между фермами, располагающиеся в плоскости вертикальных стоек стропильных ферм; для удобства крепления элементов связей эти стойки часто проектируют крестового сечения (из двух уголков). Обычно устраиваются одна-две вертикальные связи по ширине пролета (через 12-15 м).

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

Вертикальные связи вместе с поперечными связевыми фермами по верхним и нижним поясам обеспечивают создание жестких пространственных блоков у торцов здания. К этим блокам распорками и растяжками привязывают промежуточные фермы.

В зданиях с подвесным транспортом вертикальные связи способствуют перераспределению между фермами крановой нагрузки, приложенной непосредственно к конструкциям покрытия. В этих случаях, а также когда к стропильным фермам подвешены электрические кранбалки значительной грузоподъемности, целесообразно вертикальные связи между фермами располагать в плоскостях подвески непрерывно по всей длине здания.

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 - 90 м по ширине здания. В зданиях, имеющих перепады по высоте, продольные связевые фермы ставят и вдоль этих перепадов.

10. Колонны промышленных зданий, виды колонн, типы сечений. Определение расчетных длин колонн.

В металлических конструкциях широко применяются работающие на центральное сжатие колонны или стержни, входящие в состав конструктивных комплексов:

оголовок, на который опирается вышележащая конструкция, нагружающая колонну;

стержень - основной конструктивный элемент, передающий нагрузку от оголовка к базе;

база, передающая нагрузку от стержня на фундамент.

Центрально-сжатые колонны применяются для поддержания междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих площадках, путепроводах, эстакадах и т. п. Центрально-сжатые стержни работают в составе конструктивных элементов и комплексов тяжелых решетчатых ферм и рам, сжатых элементов вантовых систем и т. п.

Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции на фундаменты и состоят из трех частей, определяемых их назначением:

Расчет и конструирование основного элемента центрально-сжатых колонн и стержней производятся одинаково.

Узлы примыкания центрально-сжатых стержней с другими элементами конструктивного комплекса (рис. 8.1,6) зависят от вида конструкции и рассмотрены в соответствующих главах. Колонны и сжатые стержни проектируют почти исключительно стальными. Применять алюминиевые сплавы в сжатых стержнях, как правило, нерационально из-за плохой работы сплавов на продольный изгиб вследствие низкого модуля упругости. Однако в общем конструктивном комплексе, выполняемом из алюминиевого сплава, могут быть запроектированы и сжатые стержни из сплава.

Хорошо работают на центральное сжатие и экономны по затрате металла трубобетонные колонны, стержень которых состоит из стальной трубы, заполненной бетоном.

По статической схеме и характеру нагружения колонны могут быть одноярусные и многоярусные. Колонны и сжатые стержни бывают сплошными или сквозными.

Обычно сечение сплошной колонны проектируют в виде широкополочного двутавра, прокатного или сварного, наиболее удобного в изготовлении с помощью автоматической сварки и позволяющего просто осуществлять примыкание поддерживаемых конструкций. Различные типы сечений сплошных колонн показаны на рис. 8.2 и 8.3.

Чтобы колонна была равноустойчивой, гибкость ее в плоскости оси х должна быть равна гибкости в плоскости оси у, т. е.

Однако в двутавровых сечениях при одинаковых расчетных длинах l0,x = l0,y это условие не соблюдается, поскольку у них радиусы инерции получаются разными по величине. В двутавровом сечении (табл. 8 1) радиус инерции относительно оси х

а радиус инерции относительно оси у

следовательно, для получения равноустойчивого сечения нужно, чтобы 0,43h=0,24b или b<=2h, что приводит к весьма неудобным в конструктивном отношении сечениям, практически неприменяемым.

Обычный прокатный двутавр вследствие незначительной ширины его полок меньше всего отвечает требованию равноустойчявости и поэтому применяется редко.

У прокатного широкополочного двутавра (рис. 8.2, а) может быть b=h, что не удовлетворяет условию равноустойчивости, но все же дает сечение, вполне пригодное для колонн.

Сварные колонны, состоящие из трех листов (рис. 8.2, б), достаточно экономичны по затрате материала, так как могут иметь развитое сечение, обеспечивающее колонне необходимую жесткость. Сварной двутавр является основным типом сечения сжатых колонн.

Автоматическая сварка обеспечивает дешевый, индустриальный способ изготовления таких колонн.

Равноустойчивыми в двух направлениях и также простыми в изготовлении являются колонны крестового сечения. При небольших нагрузках они могут составляться из двух уголков крупного калибра (рис. 8.2,в); из трех листов свариваются тяжелые колонны (рис. 8.2, г) Ив условия местной устойчивости свободный выступ листа крестовой колонны не должен превышать 15-22 толщин листа в зависимости от общей гибкости колонны.

При одинаковых габаритах крестовое сечение колонн обладает большей жесткостью, чем двутавровое, так как его радиусы инерции ix=iy=0,29b больше, чем у двутавра iy=0,24b. В тяжелых колоннах это не имеет существенного значения, так как у них гибкости обычно бывают небольшими и коэффициенты близкими к единице.

Крестовое сечение можно усилить дополнительными листами (рис. 8.2, б), присоединяемыми электрозаклепками.

Простыми, но ограниченными по площади и менее экономичными по расходу стали получаются колонны из трех прокатных профилей (рис. 8.2, е)

Весьма рациональны колонны трубчатого сечения (рис. 8.3, a) с радиусом инерции i=0,35dCP, где dCP - диаметр окружности по оси листа, образующего колонну.

Сварка дает возможность получить колонны замкнутого сечения и других типов, например из двух швеллеров (рис 8.3, б) котороe при больших нагрузках могут быть усилены листами (рис. 8.3, в), или из уголков (рис. 83,г).

Весьма экономичное сечение легкой колонны может быть получено из тонкостенных гнуто-сварных профилей (рис. 8.3 д).

Преимуществами колонн замкнутого сечения являются равноустойчивость, компактность и хороший внешний вид; к недостаткам относится недоступность внутренней полости для окраски Чтобы избежать коррозии, такие колонны должны быть защищены от проникания внутрь влаги.

При заполнении стальной трубы бетоном получается эффективная комплексная конструкция (трубобетонная), в которой труба является оболочкой, стесняющей поперечные деформации заключенного внутри бетонного цилиндра. В этих условиях работы прочность бетона на сжатие значительно увеличивается, исключаются потери местной устойчивости трубы и коррозии внутренней ее поверхности.

Рационально применять тонкостенные трубы (толщина стенки 1/50 - 1/150 от диаметра трубы), но по условиям эксплуатации и возможности прикрепления примыкающих элементов к трубе они должны быть не тоньше 3 - 4 мм. В трубобетонном стержне бетон работает в основном на сжатие, а труба - на поперечное растяжение. Трубы могут быть как из малоуглеродистой, так и из низколегированной стали, бетон применяют высоких марок - от 250 до 500 и выше.

Стержень сквозной центрально-сжатой колонны обычно состоит ив двух ветвей (швеллеров или двутавров), связанных между собой peшетками (рис. 8.4, а - в). Ось, пересекающая ветви, называется материальной; ось, параллельная ветвям, называется свободной. Расстояние между ветвями устанавливается из условия равноустойчивости стержня.

Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить полками внутрь (рис. 8.4, а), так как в этом случае решетки получаются меньшей щирины и лучше используется габарит колонны.

Более мощные колонны могут иметь ветви из прокатных или сварных двутавров (рис. 8.4 в).

В сквозных колоннах из двух ветвей необходима обеспечивать зазор между полками ветвей (100 - 150 мм) для возможности окраски внутренних поверхностей.

Стержни большой длины, несущие небольшие нагрузки, должны иметь для обеспечения необходимой жесткости развитое сечение, поэтому их рационально проектировать из четырех уголков, соединенных решетками в четырех плоскостях (рис. 8.4, г). Такие стержни при небольшой площади сечения обладают значительной жесткостью, однако трудоемкость их изготовления больше трудоемкости изготовления двухветвевых стержней.

При трубчатом сечении ветвей возможны трехгранные стержни (рис. 8.4, д), достаточно жесткие и экономичные по затрате металла.

Решетки обеспечивают совместную работу ветвей стержня колонны и существенно влияют на устойчивость колонны в целом и ее ветвей. Применяются решетки разнообразных систем: из раскосов (рис. 8.5, а), из раскосов и распорок (рис. 8.5, б) и безраскосного типа в виде планок (рис. 8.5, в).

В случае расположения решеток в четырех плоскостях (рис. 8.4, г) возможны обычная схема (рис. 8.6, а) и более экономичная треугольная схема "в елку" (рис. 8.6, б).

В колоннах, нагруженных центральной силой, возможен изгиб от случайных эксцентриситетов. От изгиба возникают поперечные силы, воспринимаемые решетками, которые препятствуют сдвигам ветвей колонны относительно ее продольной оси.

Треугольные решетки, состоящие из одних раскосов (рис. 8.5, а), или треугольные с дополнительными распорками (рис. 8.5, б) являются более жесткими, чем безраскосные, так как образуют в плоскости грани колонны ферму, все элементы которой при изгибе работают на осевые усилия, однако они более трудоемки в изготовлении.

Планки (рис. 8.5, в) создают в плоскости грани колонны безраскосную систему с жесткими узлами и элементами, работающими на изгиб, вследствие чего безраскосная решетка оказывается менее жесткой. Если расстояние между ветвями значительно (0,8 - 1 м и более), то элементы безраскосной решетки получаются тяжелыми; в этом случае следует отдавать предпочтение раскоской решетке.

Безраскосная решетка хорошо выглядит и является более простой, ее часто применяют в колоннах и стойках сравнительно небольшой мощности (с расчетной нагрузкой до 2000 - 2500 кН).

Чтобы сохранить неизменяемость контура поперечного сечения сквозной колонны, ветви колонн соединяют поперечными диафрагмами (рис. 8.7), которые ставят через 3 - 4 м по высоте колонны.