Теоретичний матеріал до теми 13

Просторову систему металевих конструкцій, яка створена колонами, підкрановими балками, фермами, прогонами і зв’язками, називають сталевим каркасом. Основою каркаса (рис. 2.1) є поперечні рами, які складаються з колон і кроквяних ферм. Сталевий каркас одноповерхових виробничих будівель має таку саму конструктивну схему, що й залізобетонний каркас. Застосовують сталеві каркаси при будівництві підприємств металургії, машинобудування та в інших цехах з великими прольотами та значними крановими навантаженнями. Найбільш доцільно застосовувати такі каркаси в сейсмічних районах. Виконання несучих і огороджувальних елементів виробничих будівель із прогресивних металевих конструкцій та використання нових ефективних утеплювачів порівняно з аналогічними традиційними конструкціями із залізобетону та звичайних теплоізоляційних матеріалів дозволяє значно зменшити масу будівлі.

Просторова жорсткість металевого каркаса забезпечується підкрановими балками, прогонами та зв’язками між поперечними рамами. Елементи каркаса виготовляють із маловуглецевої, низьколегованої та високоміцної сталі.

Спряження елементів сталевого каркаса виконують за допомогою болтів, зварювання та заклепок (при значних динамічних навантаженнях).

Каркаси одноповерхових промислових будівель з прольотами 18, 24, 30, 36 м і кроком колон 6 і 12 м виконують із типових металевих конструкцій.

Рис. 2.1. Елементи сталевого каркаса: 1 – колони; 2 – підкранові балки; 3 – вертикальні зв’язки між фермами; 4 – кроквяні ферми; 5 – вертикальні зв’язки (в гребені ферми); 6 – розтяжки (на рівні нижнього поясу ферм); 7 – прогони; 8 – вертикальні хрестові зв’язки (між колонами); 9 – горизонтальні хрестові зв’язки (на рівні нижнього поясу ферм)

Сталеві колони

Для влаштування каркасів одноповерхових і багатоповерхових промислових будівель застосовують сталеві колони.

Сталеві колони одноповерхових будівель можуть мати сталий за висотою переріз і змінний. У свою чергу, колони зі змінним перерізом можуть мати підкранову частину суцільного і наскрізного перерізу. Наскрізні колони поділяють на колони з вітками, з’єднанні зв’язками, й колони роздільні, що складаються з незалежно працюючих шатрової й підкранової віток.

Якщо колони в основному працюють на центральний стиск, застосовують колони суцільного перерізу, для виготовлення суцільних колон застосовують широкополицевий прокатний або суцільний двотаври, а для наскрізних можна використати також двотаври, швелери й кутики.

Рис. 2.2. Типи сталевих колон: а, б – сталого перерізу; в, – змінного перерізу; г – роздільного типу; д – переріз суцільних колон; е – те ж наскрізних

 

У безкранових будівлях і з кранами вантажопідйомністю до 200 кН висотою до 8,4 м застосовують сталеві уніфіковані колони постійного перетину із зварних двотаврів з висотою стінки 400 і 630 мм (рис.2.2 а, б). У безкранових будинках заввишки Н = 9,6…18 м використовують колони двогілкові (рис.2.2 б).

У будинках заввишки 10,8…18,0 м, обладнаних кранами вантажопідйомністю до 500 кН використовують уніфіковані двогілкові колони, що складаються з двох частин: підкранової (гранчастої) і надкранової (із зварного двотавра) (рис.2.2 в).

Для будинків, що мають висоту більше 18 м та обладнаних кранами вантажопідйомністю 750 кН і більше, сталеві колони проектують індивідуально.

Двогілкові колони за типами перетину гілок проектують в трьох варіантах: при ширині перерізу до 400 мм – зовнішня і підкранова гілки з прокатних швелера і двотавра, відповідно; при ширині перерізу 400 - 600 мм – зовнішня гілка з гнутого швелера, підкранова – з прокатного двотавра; при ширині перерізу понад 600 мм – зовнішня гілка з гнутого швелера, підкранова – із зварного двотавра.

Надкранова частина колони проектується з зварного двотавра з висотою стінки 400 мм в крайніх і 710 мм – в середніх колонах.

Роздільні колони влаштовують у будівлях з важкими мостовими кранами (1250 кН і більше). У нижній частині колон для з’єднання з фундаментами передбачають стальні бази (башмаки). Бази до фундаментів кріплять анкерними болтами, що закладаються в фундамент при виготовленні їх. Нижню опорну частину колони разом з базою покривають шаром бетону.

Сталеві підкранові балки

Сталеві підкранові балки проектують розрізними і нерозрізними. Розрізні балки мають постійний перетин і стикуються на опорах, а нерозрізні стикуються в чвертях прольоту і можуть мати різні перерізи.

Уніфіковані типові балки розрізного типу застосовують для будівель з прольотами від 18 до 36 м з кранами звичайного і важкого режимів роботи і вантажопідйомністю від 50 до 3200 кН при кроці колон 6, 12, 18 і 24 м.

Балки прольотом 6 і 12 м застосовують як в сталевих, так і залізобетонних каркасах, а прольотом 18 і 24 м – тільки в сталевих.

За типом перетину можуть бути суцільними і наскрізними (гратчастими). Суцільні балки (рис. 2.3 а - в) застосовують при кроці 6 м і невеликій вантажопідйомності кранів. Наскрізні підкранові балки (рис. 2.3 г) у вигляді шпренгельних систем застосовують у будівлях з кроком 12 м і більше, а також з кранами великої вантажопідйомності (≥ 750 кН).

Сталева підкранова балка суцільного перетину являє собою зварений чи прокатний двотавр, що має пояса однакової ширини або більш широкий верхній пояс. Двутаври з однаковими по ширині поясами в площині верхнього пояса, посилені гальмівними балками або фермами, застосовують в основному в будинках, що мають мостові крани вантажопідйомністю 500 кН і більше і крок колон 12 м. У будівлях з кранами вантажопідйомністю до 500 кН і кроці колон 6 м використовують балки з розвиненим верхнім поясом, здатним сприймати гальмівні зусилля від роботи кранів.

Розміри перерізів сталевих підкранових балок призначають на основі розрахунку. Уніфіковані балки мають висоту на опорі 0,8 м при кроці колон 6 м і вантажопідйомності крана до 200 кН і 1,3 м – при вантажопідйомності крана 300 кН і більше. Для кроку колон 12 м балки мають висоту 1,6 м.

Для забезпечення стійкості стінки балки підсилюють поперечними двосторонніми ребрами жорсткості через 1,5 м, а в балках прольотом 18 і 24 м ще й горизонтальним поздовжнім ребром.

Балки спирають на консолі колон через виступаючі торцеві ребра і закріплюють анкерними болтами і планками (рис. 2.3 е). Між собою балки з’єднують болтами, які пропускають через торцеві ребра.

Рис. 2.3. Сталеві підкранові балки: а - в – суцільного перерізу; г – наскрізного перерізу; д – кріплення балки до залізобетонної колони; е, ж – те ж до сталевої колони; з – кріплення рейки до балки крюками; і – те ж лапками; 1 – гальмова балка; 2 – хомут зі смуги 8 × 100 мм; 3 – упори з кутиків; 4 – кінцеве опорне ребро; 5 – кріпильні планки; 6 – фасонка; 7 – ребра жорсткості через 1,5 м; 8 – гальмова балка зі сталі; 9 – крюк; 10 – лапки через 0,6 - 0,75м

Для кранового шляху застосовують залізничні рейки спеціального профілю. Вибір типу кранової рейки та його кріплення до підкранової балки залежить від вантажопідйомності, режиму роботи й типу ходових коліс крана. Кріплення рейок до підкранової балки, як правило, виконують рухомим, щоб можна було зробити виправлення шляху (рихтування).

Кранові рейки профілю КР кріплять за допомогою спеціальних лапок (рис. 2.3 і). При вузькому поясі сталевої балки залізничні рейки закріплюють через кожні 500 - 700 мм спеціальними крюками (рис. 2.3 з).

Для запобігання аварій при роботі крана біля торця будівлі крановий шлях забезпечують пристроєм, що автоматично включає гальмо й обмежується кінцевими підпорами. Кінцеві підпори приварюються до підкранової балки так, щоб сила удару передалася через кінцеве опорне ребро на каркас будівлі. Для зменшення удару кінцеві упори забезпечуються брущатими або пружинними амортизаторами.

Обв’язувальні балки в сталевому каркасі виконують з одного профілю (швелера або двотавру) або складеного перерізу.

Сталеві кроквяні та підкроквяні ферми

Сталеві кроквяні ферми по обрису проектують з паралельними поясами, полігональними і трикутними. Сталеві ферми застосовують практично для будь-яких прольотів. У фермах різного обрису застосовують певні системи решіток (рис. 2.4). Вибір типу решітки залежить від схеми прикладання навантажень, перерізу поясів і конструктивних вимог. Для зниження трудомісткості виготовлення, ферма повинна бути по можливості простою і з мінімальним числом елементів.

Рис. 2.4. Схеми решіток ферм: а – трикутна; б – трикутна зі стійками; в, г – розкісна; д – шпренгельна; е – хрестова; ж – перехресна; з – ромбічна; і – напіврозкісна

Сталеві ферми проектують з елементів, які можуть мати різні перетини: трубчасті, гнутозварні замкнуті, з прокатних кутиків, двотаврів, швелерів і т.п. Найбільш поширені типи перетинів елементів ферм наведені на рис. 2.5. Уніфіковані ферми проектують з прокатних парних кутиків нормальною або зниженою висотою. Конструкції нормальної висоти призначені для опалювальних будівель з покриттям із залізобетонних плит або із сталевого профільованого настилу, покладеного по прогонах. Ферми із зниженою висотою використовують тільки для покриттів з профільованого настилу.

Типові уніфіковані ферми можуть використовуватися як в безкранових будівлях, так і в будівлях з мостовими опорними кранами.

Рис. 2.5. Типи перетинів сталевих ферм: а – трубчастий, б – прямокутний гнутозамкнутий; в - е – з парних кутиків, є – з одиночних кутиків; ж – з таврів – для поясів ферм; з – те ж, з двотавра; і – те ж, з двох швелерів

До складу сталевих несучих конструкцій покриттів входять прогони, кроквяні і при необхідності підкроквяні ферми, опорні стійки, горизонтальні та вертикальні зв'язки. Конструкції покриттів застосовують в однопрогонових і багатопрогонових будинках за будь-яких поєднаннях прольотів шириною 18, 24, 30 і 36 м при використанні ферм нормальної висоти і 18 і 24 м – при фермах зниженою висоти. Крок кроквяних ферм – 6 або 12 м.

Сталеві ферми можуть застосовувати для перекриття будь яких прольотів. Уніфіковані ферми мають прольоти 18, 24, 30, 36 м; застосовують їх із кроком 6, 12 м і більше. Номінальна довжина ферм з паралельними поясами та полігональних прийнята на 400 мм менше від прольоту за рахунок скорочення крайніх панелей на 200 мм. Висота на опорі ферм з паралельними поясами (рис. 2.6 а) 2550 - 3750 мм, полігональних (рис. 2.6 б) – 2200 мм, трикутних (рис. 2.6 в) – 450 мм. Розміри панелей верхнього поясу ферм – 3 м. У трикутних фермах довжина панелей верхнього поясу – 1,5 м.

Спряження ферм з колонами найчастіше роблять шарнірне за допомогою надопорної стійки двотаврового перерізу. Стійки закріплюють до сталевих і залізобетонних колон анкерними болтами, а пояси ферм до стійок – чорними болтами (рис. 2.6 г, д). Трикутні ферми закріплюють до колон аналогічно до залізобетонних (рис. 2.6 е).

Рис. 2.6. Сталеві кроквяні ферми: а – з паралельними поясами; б – полігональна; в – трикутна; г – вузол спирання на колону ферми з паралельними поясами при «нульовій» прив’язці; д – те саме, полігональної при прив’язці 250 і 500 мм; е – те саме, трикутної при «нульовій» прив’язці; 1 – надопорна стійка; 2 – колона; 3 – ригель фахверку

 

Підкроквяні сталеві ферми з паралельними поясами виготовлять завдовжки 12, 18, 24 м. Висота цих ферм 3130 мм. Сконструйовані вони за типом кроквяних ферм.

Забезпечення просторової жорсткості сталевого каркаса

Для забезпечення просторової жорсткості сталевого каркаса влаштовують зв’язки між кроквяними фермами та колонами. У покритті горизонтальні та вертикальні зв’язки мають різні конструктивні рішення.

На рівні верхнього поясу ферм закріплюють горизонтальні хрестові зв’язки і розпірки. Горизонтальні зв’язки, що об’єднують пояси суміжних ферм, утворюють зв’язкову ферму. Поперечні зв’язкові ферми влаштовують у торцях будівлі й на межі температурних блоків (біля температурних швів). Якщо довжина блока більша 120 м, то через 60 м ставлять проміжні зв’язкові ферми.

У каркасах, які мають покриття з великорозмірних залізобетонних плит, зв’язки (крім зв’язкових ферм) на рівні верхнього поясу не влаштовують.

У каркасах, де покриття з прогонів, додаткові зв’язки (крім зв’язкових ферм) на рівні верхнього поясу не передбачають. Тут функцію горизонтальних зв’язків виконують прогони. Вони забезпечують стійкість кроквяних конструкцій (на ділянках між поперечними зв’язковими фермами).

Розпірки (зі сталевих кутиків) ставлять на ділянках покриття під ліхтарями і в гребеневих вузлах ферм.

На рівні нижнього поясу ферм закріплюють поперечні та поздовжні зв’язкові ферми й ставлять розтяжки з кутиків. Поперечні зв’язкові ферми по нижніх і верхніх поясах кроквяних конструкцій суміщають у плані. Поздовжні зв’язкові ферми розташовують по краю покриття, а в багатопролітних будівлях –   упродовж середніх рядів колон (через ряд).

Сталеві розтяжки зв’язують нижні пояси кроквяних конструкцій (на ділянках між поперечними зв’язковими фермами).

Між кроквяними фермами закріплюють вертикальні хрестові зв’язки або ферми з паралельними поясами. їх розташовують між опорами форм і в

«жорстких» панелях поперечних зв’язкових ферм (по краях і в середині прольоту, а також під стійками ліхтаря).

Вертикальні зв’язки між колонами ставлять у кожному поздовжньому ряду (всередині температурного блока). При довжині блока більше 120 м влаштовують дві системи вертикальних зв’язків на відстані 40 - 50 м. Хрестові зв’язки ставлять між колонами з кроком 6 м, портальні – при кроці колон 12 м.

Вертикальні зв’язки в надкрановій частині колон розташовують на межі температурного блока і в місцях розташування вертикальних зв’язків між фермами покриття.

Всі типи зв’язків виготовляють із прокатного профілю металу й закріплюють болтами та зварюванням до елементів каркаса.

Будівлі з легких металевих конструкцій

Несучі конструкції, міцність яких підвищена завдяки застосуванню високих марок металу або ефективного профілю, а огороджувальні елементи виконані з ефективним утеплювачем, називають легкими.

3 легких металевих конструкцій зводять одноповерхові промислові будівлі з прольотом 18, 24 м і з кроком колон у крайніх рядах 6, 12 м, у середніх – 12 м.

Висота до низу несучих конструкцій складає: в безкранових будівлях від 4,8 до 8,4 м; а в будівлях з підвісними кранами від 6 до 8,4 м; у будівлях з мостовими кранами вантажопідйомністю до 20 т – від 6 до 10,8 м.

3 метою зниження матеріаломісткості будівель і зменшення строку їх введення використовують для покриття кроквяні та підкроквяні ферми з тонкостінних сталевих труб (рис. 2.7).

При висоті будівлі 9,6 м колони застосовують суцільні з двотавру, при висоті 10,8 м – змінного перерізу. Прогони покриття з прольотом 6 м – суцільного перерізу, з прольотом 12 м – решітчасті.

Ферми зі сталевих труб мають звичайну конструктивну схему; за рахунок заміни кутиків трубами на виготовлення їх зменшуються витрати сталі на 10 - 35 %. У цих фермах відсутні місця накопичення агресивного пилу та труднодоступні місця для фарбування елементів. Безфасонні з’єднання поясів і решітки значно зменшують трудомісткість виготовлення ферм.

Одержали поширення будівлі зі структурним покриттям прокатного профілю або з труб (рис. 2.7; 2.8).

Рис. 2.7. Сталеві ферми з труб: 1 – надопорна стійка; 2 – колона; 3 – балка підвісного крана

Рис. 2.8. Будівля зі структурним покриттям: 1 – колона трубчата; 2 – трубчата структура; 3 – покриття зі сталевого настилу; 4 – зенітні ліхтарі; 5 – стіни з металевого листа з ефективним утеплювачем; 6 – вікно; 7 – цоколь; 8 – ригель стінового фахверка

Структури являють собою просторову решітчасту плиту, утворену правильними геометричними фігурами. Колони в таких будівлях – із прокатних або зварених двотаврів, із труб діаметром 325 - 530 мм. Підкранові балки двотаврові зварювальні. Просторова структура покриття зібрана з прокатних кутиків або труб. Елементи структури з’єднуються у вузлах за допомогою болтів високої міцності, зварювання, півсфери з внутрішньою різьбою. Прогони покриття – зі швелерів.

Будівлі з легких металевих конструкцій застосовують для підприємств машинобудування, легкої, харчової та деревообробної промисловості.