Геометрические схемы основных типов стальных ферм, размеры перекрываемых ими пролетов и применение(в т.ч. уметь определять на рисунке); элементы фермы.
Стальные фермы могут быть различной формы и очертания, выбор типа ферм зависит он назначения и объемно-планировочного решения промышленного здания. Применяют фермы с параллельными поясами, полигональные, треугольные, с параллельными поясами с затяжкой, сегментные, параболические и др.
Фермы с параллельными поясами - для зданий с плоским покрытием, а также для устройства подстропильных конструкций. Их пролет до 60 м и более. Полигональные фермы устраивают при покрытиях с рулонной кровлей при пролетах до 36 м. Треугольные фермы дают возможность осуществить покрытия с крутыми кровлями из асбесто-цементных или стальных листов, вследствие чего высота ферм в середине пролета достигает значительных размеров, а это ограничивает их пролеты величиной 36-48 м. В массовом пром. строительстве применяют унифицированные полигональные фермы пролетом 24, 30 и 36 м с уклоном верхнего пояса 1:8 (рис. 25.8, а) и плоские с параллельными поясами (рис. 25.8, б), по которым устраивают рулонные кровли. В отдельных случаях такие фермы устраивают для перекрытия 18-метровых пролетов.
Фермы с крутыми скатами (рис. 25.8, в) используют для пролетов 18, 24, 30 и 36 м при кровлях из листовых материалов. Размеры панелей ферм унифицированы и соответствуют укрупненным модулям, т. е. 1,5 м. Высота полигональных ферм на опорах для всех пролетов принята одинаковой - 2,2 и 0,45 м при крутых скатных кровлях.
Большепролетные фермы (рис. 25.9) могут перекрывать пролеты до 90 м и иметь различные схемы решеток: треугольную, раскосную, крестовую и др. Выбор схемы решетки зависит от характера приложения нагрузки, очертания и высоты ферм.
Опирание ферм на стальные колонны может быть шарнирным и жестким. При шарнирном соединении (рис. 25.11, а) ферму опирают на оголовок колонны выступающим краем опорной фасонки, соблюдая центрирование элементов фермы и колонны. Для восприятия нагрузки верхнюю часть оголовка усиливают одним или двумя вертикальными ребрами. Опорный узел фермы соединяют, с колонной анкерными болтами, для чего оголовок заканчивают горизонтальной диафрагмой.
При жестком соединении нижний опорный узел фермы устанавливают на монтажный столик (рис. 25.11, б), представляющий собой обрезок крупного прокатного уголка, который прикрепляют к колонне болтами и сваркой. На рис. 25.11, в показано жесткое рамное соединение двух ферм смежных пролетов между собой и между фермой и колонной каркаса.
48. Обеспечение пространственной жесткости и устойчивости стального каркаса одноэтажного промышленного здания: виды связей и где устраиваются.
1-портальна вертикальна (шаг колонн 12м), крестовая (шаг 6м). Установка по каждому ряду только в середине температурного блока, чтобы температурные деформации наружных стен не приводили к местным разрушениям связей стеновых панелей.
Портальная связь шаг 12м. Связи выполняются из стальных прокатных элементов. Связи устанавливаются в подкрановых частях колонны или по всей высоте. В безкрановых зданиях или при высоте до 6м связи не устраиваются. Над крановой части связи устраиваются при тяжелой работе кранов.
2-Чтобы повысить жесткость диска покрытия в торцах температурного блока в крайних шагах устанавливаются вертикальные связи в покрытии. Верхний пояс связевой фермы крепится к верхнему поясу стропил. Нижний пояс к верху колонн.
Для кранов тяжелого режима работы тоже самое (вертикальные связи в покрытии). В центре температурного блока.
3-Вертикальные связи в покрытии не устанавливаются при скатной кровле и при высоте стропильных конструкций на опоре менее 0,9 м, а так же при наличие подстропильных конструкций.
4-Ж/б или стальные балки распорки опираются на сварные стойки а верхнем уровне колонн. Устанавливают по всем рядам колонн свободных от вертикальных связей. При использовании подстропильной конструкции, распорки устанавливаются только в крайних рядах.
При жестком сопряжении ферма крепится к колонне в узлах 1 и 7 (рис.25). Расчетные усилия M, N, Q принимаются из таблицы сочетаний в рассматриваемом сечении рамы. Изгибающий момент М заменяется парой сил Н = М/h 0 . Расчетные усилия в узлах сопряжения фермы с колонной представлены на рис.29.
Вертикальная опорная реакция N передается на опорный столик колонны через опорный фланец фермы в узле 1 (рис.30).
Рис.29 Расчетные усилия в опорном узле Рис.30 Жесткое сопряжение
фермы при жестком сопряжении с колонной фермы с колонной в узле 1 (рис.25)
Ширина опорного фланца b фл принимается конструктивно по размеру полки колонны. Длина фланца l фл определяется размером фасонки, которая лимитируется длинами сварных швов крепления опорного раскоса и нижнего пояса.
Расчет этих швов по обушку и перу уголка рассмотрен в разделе 3. В соответствии с правилами конструирования фасонка должна описать эти швы. Для удобства монтажа необходимо предусмотреть между нижним поясом и опорным столиком зазор 150мм. Толщина опорного фланца t фл определяется из условия смятия от воздействия вертикальной опорной реакции N:
t фл ≥ (R p – см. Приложение 1)
Два вертикальных шва крепления опорного фланца к фасонке воспринимают опорную реакцию N и приложенные эксцентриситетом е горизонтальные силы (Н+Q). Прочность этих швов обеспечена, если
где τ WN = ; τ W Н Q = ; τ WM = ;
l W = l фл – 1 см – расчетная длина вертикального сварного шва;
е – эксцентриситет приложения сил Q и Н (расстояние от Ѕ l W до оси нижнего пояса фермы).
Вертикальные сварные швы крепления опорного столика к колонне l ст рассчитываются на воздействие N. Из-за возможных несовпадений поверхности контакта фланца и столика вводится коэффициент 1,2.
l
ст ≥ 
Катеты сварных швов принимаются по толщинам стыкуемых элементов.
Верхний опорный узел 7 (рис.31) воспринимает силу Н. швы крепления пояса к фасонке по обушку и перу поясного уголка:
; 
С фасонки усилие Н передается на фланец посредством двух вертикальных швов. При соблюдении правил конструирования прочность этих швов будет обеспечена. Фланец крепится к колоне 4 болтами, которые необходимо подобрать из условия прочности при растяжении. При расчетном сопротивлении болтов растяжению R bt (приложение 3) необходимая площадь сечения каждого из 4 болтов будет А b треб ≥ Н / 4R bt . По требуемой площади подбирается диаметр стандартного болта.
Рис.31 Жестокое сопряжение фермы с колонной в узле 7
Фланец работает на изгиб как балка, защемленная болтами и загруженная сосредоточенной силой Н. расчетный изгибающий момент:
Где b – расстояние между болтами в плане (рис.31).
Момент сопротивления фланца при изгибе
Где а – высота фланца,
t фл – его толщина.
Из условия прочности при изгибе σ = М /W фл ≤ R y γ C определяется необходимая толщина фланца
t фл ≥ 
.
Толщина фланца принимается по сортаменту и должна быть не менее 20 мм из условия жесткости.
При шарнирном сопряжении ферма опирается на колонну сверху в узле 1 (рис.25). Схема шарнирного опирания представлена на рис.32.
Рис.32 Схема шарнирного Рис.33 Опорный узел фермы
опирания фермы на колонну
Расчет сварных швов крепления уголков к фасонке по усилиям S 1 , S 2 и S 3 аналогичен вышеизложенному. Особенностью расчета этого узла (рис.33) является передача вертикальной опорной реакции V от фермы на колонну. Эта опорная реакция передается посредством фланца. Толщина фланца определяется из условия смятия:
(R p – см. Приложение 9)
Ширина фланца b фл принимается конструктивно по размерам сечений уголков фермы и оголовка колонны. С торца фланца V передается на 2 вертикальных сварных шва крепления фланца к фасонке. Расчетная длина каждого этого шва:
Возможны иные конструктивные решения шарнирных узлов опирания фермы на колонны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР - М.: ЦИТП Госстроя СССР, - 36 с.
2. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990, - 96 с.
3. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для ВУЗов. - 6-е изд. / Под общ. ред. Е.И. Беленя. - М.: Стройиздат, 1985. - 550 с.
Приложения
Приложение 1. Таблица 1*
Конструкция опорных узлов ферм зависит от способа сопряжения фермы с колонной.
При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколонника). При таком решении возможно опирание ферм как на металлическую, так и на железобетонную колонну. Аналогично решается и узел опирания стропильной фермы на подстропильную.
Опорное давление фермы F ф передается с опорного фланца фермы через строганые или фрезерованные поверхности на опорную плиту колонны или опорный столик подстропильной фермы. Опорный фланец для четкости опирания выступает на 10-20 мм ниже фасовки опорного узла. Площадь торца фланца определяется из условия смятия (при наличии пригонки).
Верхний пояс фермы конструктивно на болтах грубой или нормальной точности прикрепляют к фасонке надколонника. Для того чтобы узел не мог воспринять усилия от опорного момента и обеспечивал шарнирность сопряжения, отверстия в фасовках делают на 5-6 мм больше диаметра болта.
Узел опирания фермы на колонну сверху(шарнирное сопряжение)
При жестком сопряжении стропильная ферма примыкает обычно к колонне сбоку.
Опорное давление F ф передается на опорный столик. Опорный столик делают из листа t=30...40 мм при небольшом опорном давлении (F ф < ф. Опорный фланец крепят к полке колонны на болтах грубой или нормальной точности, которые ставят в отверстия на 3-4 мм больше диаметра болтов, чтобы они не могли воспринять опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик.
Горизонтальные усилия от опорного момента H1>=M 1 /h ОП воспринимаются узлами крепления верхнего и нижнего поясов. Последний дополнительно воспринимает усилие от распора рамы H Р. В большинстве случаев опорный момент фермы имеет знак минус, и сила H 1 как и H Р, прижимает фланец узла нижнего пояса к колонне. Напряжения по поверхности контакта невелики и их можно не проверять. Если сила H=H 1 +H P отрывает фланец от колонны (при положительном знаке момента), то болты крепления фланца к колонне работают на растяжение и их прочность следует проверить с учетом внецентренного относительно центра болтового поля приложения усилия.
Швы крепления фланца к фасонке воспринимают опорную реакцию фермы F ф и внецентренно приложенную силу H (центр шва не совпадает с осью нижнего пояса). Под действием этих усилий угловые швы работают на срез в двух направлениях.
Если линия действия силы H1, не проходит через центр фланца, то швы и болты рассчитывают с учетом эксцентриситета.
В случае действия больших опорных моментов и при необходимости повышения жесткости узла сопряжения ригеля с колонной целесообразно выполнить соединение верхнего пояса с колонной на сварке.
При жестком сопряжении стропильных ферм с колоннами (опирание сбоку) для удобства монтажа целесообразно применить подстропильные фермы с нисходящим опорным раскосом (при другом решении ферму трудно завести между полками колонны). Опорное давление подстропильной фермы передается через строганый терец из столик, приваренный к стенке колонны. Фланец опорного узла прикрепляют к стенке колонны болтами нормальной точности. Нижний пояс подстропильной фермы делают укороченным (чтобы его не нужно было заводить внутрь колонны) и крепят накладкой к pебpy колонны.
Опирание стропильных ферм на подстропильные выполнятся в большинстве случаев по шарнирной схеме. При неразрезных стропильных фермах для обеспечения жесткости узла необходимо перекрыть верхние пояса стропильных ферм накладкой, рассчитанной на восприятие усилия от опорного момента. В узле нижнего пояса это усилие прижимает фланец фермы к стойке, и дополнительные элементы для его восприятия не требуются.
На бумагу наносят схему узла: оси сходящихся в нем элемен-тов, затем контуры элементов, начиная с пояса (рис. ниже). С осевы-ми линиями схемы совмещают линии центров тяжести элементов.
При центрировании для нанесения контуров уголков (в фермах со стержнями из парных уголков) от осевых линий откладывают в сторону обушка уголка округленное до 5 мм расстояние Z 0 от цент-ра тяжести до обушка, определенное из сортамента. В противопо-ложном направлении от оси откладывают расстояние (b - Z 0). Ана-логично поступают и при сечениях другой формы. После нанесе-ния контура элементов показывают обрез уголков решетки так, чтобы в сварных узлах между краями пояса и элементов решетки оставал-ся зазор 40-50 мм для уменьшения вредного влияния усадки швов в фасонках (рис. ниже).
Центрирование узлов легких ферм
Такое же расстояние желательно соблюдать между краями со-седних элементов решетки в узлах и между краями (торцами) со-седних швов, крепящих накладки в стыках пояса. Обрез уголка, как правило, производят перпендикулярно к оси. Допустимо срезать часть полки уголка, но не далее начала закругления, что позволяет несколько уменьшить размер фасонки.
Приварку раскосов рекомендуется делать лишь фланговыми швами по обушку и перу, конструктивно выводя их на торец стерж-ня на длину 20 мм. Следует стремиться к наиболее простому очер-танию фасонки (прямоугольник, прямоугольная трапеция, паралле-лограмм и т. п.). Прикрепление фасонки к поясу, если в узле не уст-раивают стык пояса, должно быть рассчитано на равнодействующую усилий N всех элементов решетки, примыкающих непосредствен-но к узловой фасонке. При прямолинейном поясе эта равнодейству-ющая равна разности усилий в соседних панелях пояса (N = N 2 -N 1 рис. выше). Если к поясным уголкам в узле приложена сосредото-ченная нагрузка F (что имеется в верхних узлах стропильных ферм), то швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитывают на равно-действующее усилие от сосредоточенной нагрузки и разности уси-лий в соседних панелях. При нагрузке F, перпендикулярной поясу, равнодействующая
N = √N 2 -N 1 2 +F 2
Сварные швы наносят с двух сторон — со стороны обушка и пера — по всей длине примыкания фасонки к поясу. С этой целью край фасонки выводят наружу на 10-15 мм (рис. выше). Однако не всегда конструктивно удобно выпускать всю фасонку за грань пояса, например, при установке по верхнему поясу прогонов, прикрепляе-мых к уголковым коротышам (см. рис. выше), или накладок, на которые опираются железобетонные плиты (рис. ниже). В этом случае часть фасонки не доводят до обушка уголков на 10—15 мм. Таким образом, основными рабочими расчетными швами в этом случае будут швы, наложенные у пера. Обычная конструкция промежуточных сварных узлов (без стыка пояса) легких ферм со стержнями из парных угол-ков показана на рис. выше (верхний пояс) и рис. выше (нижний пояс).
При изменении сечений поясов необходимо осуществлять стык поясных уголков. Как правило, стык располагают в узле, при этом часть фасонки может быть использована в качестве стыкового элемента.
В случае применения в поясе ферм уголков с разной толщиной полок заводской стык поясов выполняют с помощью листовых на-кладок и фасонок (рис. ниже).
Стык поясов с помощью листовых накладок
Считают, что через накладки передается 70% усилия в стыке, остальные 30% — через фасонку, при этом в работу включается часть фасонки на ширине не более 2b (где b — ширина полки мень-шего уголка). Для включения фасонки в работу стыка ее продолжа-ют за узел. Обычно стык относят в сторону панели с меньшим уси-лием на 500 мм.
В фермах с поясами из тавров, полученных путем продольного роспуска широкополочных двутавров, и стержнях решетки из пар-ных уголков необходимо иметь узловые уширения, чтобы получить требуемую длину сварных швов. Для этого к стенке тавра стыко-вым швом прикрепляют фасонку (рис. ниже).
Узлы фермы с поясами из тавров и решеткой из парных уголков
Стыковой шов рассчитывают на срез от суммы расчетных уси-лий в примыкающих раскосах, спроектированных на ось пояса. За-водские стыки, как и в ферме из уголков, относят в сторону панели с меньшим усилием на 500 мм. Их выполняют с введением верти-кальных листовых вставок и горизонтальных накладок (рис. выше).
Стропильные фермы могут опираться на железобетонные колон-ны, кирпичные стены или элементы стального каркаса производствен-ных зданий — стальные колонны. Пример конструирования опорно-го узла фермы при опирании его на железобетонную колонну сверху показан на рис. ниже. Жесткое соединение стропильной фермы со стальной колонной каркаса здания показано на рис. ниже.
Опирание стропильной фермы на железобетонную колонну
а — трапециевидной; 6 — треугольной
Жесткое соединение фермы со стальной колонной
а — торец опорного ребра строгать; Н — распор
По транспортным условиям фермы больших пролетов (более 18 м) разбивают на отдельные отправочные элементы, назначая укрупнительные (монтажные) стыки в середине пролета. Как пра-вило, укрупнительные стыки осуществляют с помощью горизон-тальных и вертикальных листовых накладок. Горизонтальные накладки перекрывают поясные уголки и полку тавра, передавая 70% усилия в стыке, а вертикальные накладки стыкуют фасонки и стен-ки тавра, передавая 30% усилия в стыке. К вертикальным наклад-кам в фермах из уголков приваривают ребра для прикрепления связей. Аналогичные ребра в фермах с поясами из тавров при-крепляют к стойкам. В стыке верхнего пояса трапециевидной фер-мы горизонтальная накладка имеет перегиб. Примеры осуществ-ления узлов легких ферм с укрупнительными стыками представ-лены на рис. ниже.
Укрупнительные узлы поясов легких ферм
а — схема фермы; б— верхнего из тавров; в— нижнего из парных уголков
В стержнях, сечение которых составлено из двух уголков или каких-либо других профилей, необходима установка связующих про-кладок, обеспечивающих совместную работу профилей как едино-го сечения.
Все стыки рассчитывают на усилие, которое на 20% больше дей-ствительного. Это объясняется некоторой нечеткостью работы уз-лов со стыками. Вертикальные швы следует рассчитывать на со-вместное действие вертикального опорного давления и изгибаю-щего момента, вызванного внецентренным приложением продоль-ной силы относительно центра тяжести швов.
В гидротехнических затворах элементы связевых ферм часто принимают из сварных тавров. Это приводит к некоторым особен-ностям конструирования узлов.
В таких узлах для прикрепления стержней к фасонкам исполь-зуют одновременно стыковые и угловые фланговые сварные швы или одни стыковые швы. Пример осуществления узла плоского зат-вора показан на рис. ниже.
Узел плоского гидротехнического затвора
1,2 — продольные и поперечные связи
В случае прикрепления стержней двумя типами сварных швов стенка сварного тавра прикрепляется с помощью стыкового шва, а полка — четырьмя фланговыми швами, для чего в полке предвари-тельно делается прорезь на длину шва и шириной на 1 мм больше толщины фасонки.
5. Стальные каркасы
Колонны. В одноэтажных производственных зданиях применяют колонны трех типов: постоянного сечения, ступенчатые и раздельные (рис. 21.6). Стержни колонны или ее части могут быть выполнены сплошностенчатыми (сплошными) или решетчатыми (сквозными). Сквозные колонны более экономичны по расходу стали, но трудоемки в изготовлении.
Рис. 21.6. Типы колонн: а – постоянного сечения; б – ступенчатая; в – раздельная
Колонна состоит из стержня, оголовка, подкрановой консоли и базы. Общая длина колонны складывается из высоты здания (Н 0), величины заглубления базы и высоты опорной части фермы (при жестком сопряжении колонны с фермой покрытия).
Высота сечения колонны по условиям жесткости должна быть не менее 1/20 высоты здания и увязана с размерами стального проката.
Ступенчатые колонны (рис. 21.6 б) являются массовыми для стальных каркасов одноэтажных промзданий. Подкрановая балка опирается на уступ нижней части колонны и располагается по оси подкрановой ветви. При двухъярусном расположении кранов колонны могут иметь дополнительную консоль в верхней части колонны либо два уступа (двухступенчатые колонны).
Размеры по высоте ступенчатых колонн определяются аналогично колоннам постоянного сечения. Высоту поперечного сечения верхней части из условия жесткости предварительно принимают не менее 1/12 ее длины от верха уступа до низа стропильной фермы. Высоту сечения нижней части колонны в поперечном направлении назначают не менее 1/20 Н, а при интенсивной работе кранов – 1/15 Н, где Н – расстояние от верха фундамента до низа стропильной фермы.
Колонны раздельного типа имеют шатровую ветвь и гибко связанную с ней подкрановую ветвь. Шатровая ветвь работает в системе поперечной рамы и воспринимает все нагрузки кроме вертикального давления мостового крана. Подкрановая ветвь связана с шатровой гибкими в вертикальной плоскости горизонтальными планками, поэтому она воспринимает только вертикальное усилие от мостовых кранов. Применение колонн раздельного типа рационально в случае низкого расположения кранов большой грузоподъемности.
Компоновка сечений и расчет сплошных колонн. Стержень сплошностенчатой колонны постоянного сечения или надкрановой части ступенчатой колонны обычно проектируют двутаврового типа. Если применение широкополочных двутавров приводит к существенному повышению металлоемкости или отсутствуют двутавры необходимой мощности, то сечение колонн компонуют из трех листов в виде составного двутавра симметричного сечения (рис. 21.7 б). Несимметричное сечение из трех листов (рис. 21.7 в) допускается при сильном различии расчетных изгибающих моментов разных знаков. Полки высоких колонн при больших усилиях можно выполнить из прокатных или сварных двутавров (рис. 21.7 г, д). Для подкрановой части ступенчатой колонны крайних рядов целесообразны асимметричные сечения (рис. 21.7 е-з).
Рис. 21.7. Типы сечений сплошных колонн: а – из прокатного двутавра; б, в, д, ж, з – из сварных листов; г – из двух двутавров и листа; е – из швеллера и листов
Компоновка сечений сквозных колонн. Стержень сквозной колонны состоит из двух ветвей, объединенных между собой соединительной решеткой. Для шатровых ветвей колонн крайних рядов, если затруднено крепление стенового ограждения к полкам двутавра, применяют швеллерное сечение в виде прокатного или холодногнутого швеллера из листа толщиной до 16 мм (рис. 21.8). В мощных колоннах применяют сварные швеллеры из листов или листа и уголков. Сечения колонн средних рядов выполняют симметричными из прокатных двутавров либо составного сечения.
Рис. 21.8. Типы сечений сквозных колонн: а – крайних рядов; б – средних рядов
Оголовки колонн. Опирание стропильных ферм на колонны может быть спроектировано сверху или сбоку. Опирание сверху применяют при шарнирном присоединении фермы к колонне, опирание сбоку – как при шарнирном, так и при жестком.
При шарнирном сопряжении ригеля (фермы) со стойкой (колонной) действует только вертикальная сила, равная опорной реакции фермы. При опирании фермы на колонну сверху (рис. 21.11) эта сила через строганый фланец надопорной стойки фермы передается на опорную плиту толщиной 20-30 мм и далее с помощью опорных ребер переходит на стенку и равномерно распределяется по сечению стержня колонны. Толщину опорных ребер оголовка колонны определяют расчетом на смятие и обычно назначают в пределах 14-20 мм.
Рис. 21.11. Узел шарнирного опирания стропильной фермы на колонну и варианты его решений: 1 – стержень колонны; 2 – опорная плита; 3 – опорная пластина; 4 – опорное ребро; 5 – поперечное ребро; 6 – накладка
При жестком сопряжении ригеля с колонной стропильная ферма примыкает к колонне сбоку (рис. 21.12 а). Опорное давление передается на опорный столик из листа толщиной 30-40 мм или из отрезка уголка со срезанной полкой.
Рис. 21.12. Жесткое сопряжение фермы с колонной
Базы колонн без траверс (рис. 21.13) применяют в бескрановых зданиях, в зданиях с подвесным транспортом и с мостовыми кранами общего назначения грузоподъемностью до 20 т.
Опорная плита колонны должна быть компактной в плане и не иметь больших консольных вылетов. Толщина плиты, определяемая расчетом на реактивный отпор бетона, получается порядка 50-80 мм.
Рис. 21.13. Опирание стальной колонны через опорную плиту на фундамент: 1 – колонна; 2 – анкерный болт с гайкой и шайбой; 3 – анкерная плитка; 4 – оси анкерных болтов; 5 – цементная подливка; 6 – фундамент
Базы колонн с траверсами . Для обеспечения жесткости базы и уменьшения толщины опорной плиты устанавливают траверсы, ребра и диафрагмы. Ширину плиты принимают на 100-200 мм шире колонны. Конструкция базы сплошной колонны показана на рис. 21.14.
Рис. 21.14. Опирание колонны через траверсы базы на фундамент: 1 – колонна; 2 – анкерный болт; 3 – анкерная плитка; 4 – опорная плита; 5 – цементная подливка; 6 – фундамент
Базы решетчатых (двухветвевых) колонн проектируют, как правило, раздельного типа (рис. 21.15). Каждая ветвь колонны имеет свою центрально загруженную базу. Толщину траверс назначают обычно 12-16 мм, толщину опорных плит – 20-50 мм. В траверсах предусматривают отверстия диаметром 40 мм для строповки.
Рис. 21.15. Опирание двухветвевой колонны на фундамент: 1 – колонна: 2 – анкерный болт; 3 – монолитнобетонный ростверк по сваям; 4 – буронабивная свая
Стальные колонны для зданий без опорных мостовых кранов высотой 6–8,4 м (рис. 21.16) разработаны применительно к стальным конструкциям покрытий. Колонны имеют сплошностенчатое постоянное сечение по высоте. Сечения стержней колонн приняты из двутавров с параллельными гранями полок (широкополочных двутавров). В зависимости от параметров здания и нагрузок ствол колонн может иметь сечение двутавров от 35Ш1 до 70Ш1 и различную привязку к крайним координационным осям. Базы колонн спроектированы с опорными плитами, приваренными к стержню колонны на заводе.
Рис. 21.16. Стальные колонны для зданий высотой 6,0-8,4 м без мостовых опорных кранов: а, б – колонны крайнего ряда; в – колонна среднего ряда
Для производственных зданий без опорных мостовых кранов высотой 9,6-18 м колонны проектируют сквозными, двухветвевыми, с двухплоскостной безраскосной решеткой (рис. 21.17). Ширина колонны по осям ветвей принята для всех колонн крайних и средних рядов 800 мм. Ветви колонн спроектированы из стальных горячекатаных двутавров с параллельными гранями полок. Базы колонн – раздельные для каждой ветви.
Рис. 21.17. Стальные колонны сквозного сечения для зданий высотой 9,6-18,0 м без опорных мостовых кранов: а – крайних рядов; б – средних рядов
Колонны зданий высотой 8,4 и 9,6 м, оборудованных мостовыми опорными кранами (рис. 21.18) спроектированы сплошностенчатыми постоянного сечения по высоте из двутавров широкополочных. Отметка верха фундамента – 0,130. Базы колонн – с опорными плитами.
Рис. 21.18. Стальные колонны для зданий высотой 8,4 и 9,6 м, оборудованных мостовыми опорными кранами: а – крайнего ряда; б – среднего ряда
Двухветвевые колонны номинальной высотой 10,8-18 м разрабатывают для применения в зданиях пролетами 18, 24, 30 и 36 м с шагом колонн по крайним и средним рядам 6 и 12 м, с одноярусным расположением мостовых кранов легкого, среднего и тяжелого режимов работы грузоподъемностью до 50 т с проходами и без проходов вдоль подкрановых путей (рис. 21.19).
Рис. 21.19. Стальные двухветвевые (сквозные) колонны для зданий высотой 10,8-18,0 м, оборудованных мостовыми опорными кранами: а – крайнего ряда; б – среднего ряда
Колонны проектируют ступенчатыми с нижней решетчатой частью и верхней частью из сварных или широкополочных прокатных двутавров. Подкрановые ветви решетчатой части выполняют из прокатных, сварных, а также широкополочных двутавров, наружные ветви колонн крайних рядов – из прокатных и гнутых швеллеров или широкополочных двутавров. Решетка подкрановой части колонн принята двухплоскостной и выполняется из прокатных уголков (рис. 21.20).
Рис. 21.20. Элементы двухветвевой средней колонны (при наличии проходов вдоль подкрановых путей): 1 – подкрановая ветвь; 2 – надкрановая часть; 3 – оголовок; 4 – раскосы решетки; 5 – база; 6 – анкерный болт
Базы колонн принимают раздельными с фрезерованными торцами ветвей. Надкрановую и подкрановую части колонн соединяют сваркой в заводских условиях или на строительной площадке в зависимости от размера колонны, транспортных средств и конкретных условий строительства.
Колонны всех указанных типов могут применяться в районах с расчетной температурой наружного воздуха -40°С и выше – для отапливаемых зданий и -30°С и выше – для неотапливаемых зданий.
Устойчивость каркаса и восприятие действующих в продольном направлении нагрузок (ветер, торможение кранов, усилия от технологических нагрузок, температурные воздействия, сейсмические усилия) обеспечивают продольные конструкции. В систему продольных конструкций входят колонны, связанные между собой продольными элементами – подстропильными фермами, подкрановыми и тормозными конструкциями, распорками и вертикальными связями по колоннам.
Вертикальные связи по колоннам применяют следующих типов: крестовые, раскосные, полураскосные, портальные, подкосные (рис. 21.21).
Рис. 21.21. Схемы решений вертикальных связей между колоннами: а – крестовая; б – раскосная; в – полураскосная; г, д – портальные; е – подкосная
В зависимости от условий работы раскосные связи могут быть растянутые и сжато-растянутые. Для зданий, оборудованных мостовыми кранами с тяжелым режимом работы, применение растянутых связей не рекомендуется.
Портальные связи применяются для обеспечения технологических проходов и проездов, а также в случаях, когда шаг колонн в полтора раза и более превышает высоту связевой панели (высоту до низа подкрановой балки). Портальные связи, как правило, более многодельны и деформативны, чем крестовые и раскосные.
Вертикальные связи по колоннам целесообразно размещать посередине температурного отсека.
При ширине сплошностенчатых колонн до 600 мм рекомендуется выполнять вертикальные связи одноплоскостными , при ширине колонн более 600 мм, а также при двухветвевых колоннах, вертикальные связи выполняются двухплоскостными .
По верху колонн, а также в уровнях, определяемых требуемой гибкостью колонн из плоскости, устанавливаются распорки.
Подкрановые конструкции . Среди конструктивных элементов, определяющих надежность и эксплуатационную пригодность промышленных зданий, особое место принадлежит подкрановым конструкциям. В большинстве зданий эксплуатируются подкрановые конструкции в виде сварных или прокатных балок.
В общем случае подкрановые системы состоят из собственно подкрановой балки, кранового рельса с креплениями, тормозной балки (или фермы), связей по нижнему поясу, вертикальных связей, диафрагм или поперечных связей, т.е. представляют собой в совокупности пространственный жесткий брус (рис. 21.22).
Рис. 21.22. Схемы подкрановых путей: а – по колоннам крайнего ряда; б – среднего ряда; 1 – каток крана; 2 – тормозная балка (ферма); 3 – вспомогательная ферма (балка); 4 – вертикальные связи; 5 – подкрановая балка; 6 – горизонтальная связь; 7 – подкрановый рельс
Подкрановые конструкции воспринимают комплекс нагрузок и воздействий: собственный вес конструкций; вертикальные, горизонтальные и крутящие воздействия катков крана; ветровые и сейсмические нагрузки; температурные и др. воздействия.
Подкрановые балки подразделяются на следующие типы:
По расчетным схемам: разрезные и неразрезные (рис. 21.23);
По конструктивному решению: сплошностенчатые (рис. 21.24) и сквозные (рис. 21.25);
По способу соединения элементов: сварные, клепаные, на высокопрочных болтах, комбинированные (рис. 21.24).
Рис. 21.23. Подкрановые балки: а – разрезная сплошностенчатая; б – неразрезная
Рис. 21.24. Типы поперечных сечений подкрановых балок сплошного сечения: а – сварная; б – из листов и уголков клепаная или с соединениями на высокопрочных болтах; в, г – с комбинированными соединениями (болтосварные)
Рис. 21.25. Сквозная разрезная подкрановая ферма (общий вид и узлы)
Особый вид конструкций представляют собой подкраново-подстропильные фермы (рис. 21.26). Объединение подкрановой балки и подстропильной фермы позволяет в ряде случаев при технологической необходимости использовать мощные краны тяжелого и весьма тяжелого режимов работы.
Рис. 21.26. Подкраново–подстропильные фермы (варианты)
Схема и тип подкрановых конструкций назначаются в зависимости от грузоподъемности, режима работы кранов, пролета подкрановых конструкций, податливости опор, типа грунтов оснований.
Сечение подкрановых балок принимается в виде симметричного двутавра из прокатных широкополочных профилей или из трех листов в виде сварного двутавра. В некоторых случаях для поясов балок составного сечения возможно выполнение поясов из пакета листов, соединенных на сварке или высокопрочных болтах (рис. 21.24).
Минимальная ширина верхнего пояса определяется типом применяемого рельса и способом его крепления к подкрановой балке. Обычно для сварной балки ширину верхнего пояса принимают 250 мм, нижнего – 200 мм.
Толщина стенки во многом зависит от значения давления катка крана, являющегося определяющим фактором местной устойчивости. Толщину стенки балки можно определить по формуле: t = (6 + 3h) мм, где h – высота балки, м. Минимальная толщина стенки может составлять 1/70-1/200 высоты балки.
При проектировании подкрановых балок на высокопрочных болтах рекомендуется выбирать сплошностенчатое сечение, состоящее из вертикального листа, верхнего пояса из двух уголков и поясного листа или пакета листов, нижнего пояса из двух уголков. Для разрезных подкрановых балок рекомендуется проектировать комбинированную болто-сварную балку с верхним поясом из двух уголков и поясного листа с нижним поясом из листа, приваренного к стенке балки (рис. 21.24 в, г).
Подкрановые фермы (рис. 21.25) проектируют с параллельными поясами, с треугольной схемой решетки и стойками. Высоту подкрановых ферм следует назначать в пределах 1/5-1/7 пролета при пролетах 12-18 м и 1/7-1/10 пролета при пролетах 24-36 м (где меньшие величины относятся к большим пролетам). Длину панели подкрановой фермы рационально назначать приблизительно равной высоте фермы, но не более 3 м с тем, чтобы можно было подобрать сечение верхнего пояса из прокатного широкополочного двутавра, нижний пояс – из широкополочного тавра или из уголков; для элементов решетки рекомендуются спаренные уголки.
Подкраново-подстропильные фермы (ППФ) проектируются с ездовым нижним поясом коробчатого сечения и восходящими (сжатыми) опорными раскосами (рис. 21.26). Решетка и верхний пояс фермы назначаются Н-образного сечения. Высоту ППФ рекомендуется принимать в пределах 1/5-1/8 пролета. Верхний пояс фермы принимается в одном уровне с верхним поясом стропильных конструкций. Длину панелей нижнего пояса назначают кратной 3 м. Монтажные стыки подкраново-подстропильных ферм выполняются на сварке и высокопрочных болтах.
Подкрановые балки и фермы опирают на колонны с центрованной передачей опорного давления через опорные прокладки, прикрепленные к нижнему поясу (рис. 21.27), или через опорные ребра, имеющие строганые поверхности (рис. 21.28). Опорным ребрам подкрановых балок должно отвечать ребро в колонне (стальной).
Рис. 21.27. Опирание неразрезной подкрановой балки на стальную колонну: а – сварной; б – на высокопрочных болтах
Рис. 21.28. Опирание разрезных подкрановых балок на железобетонную колонну: 1 – закладные детали; 2 – планки, устанавливаемые в местах расположения вертикальных связей по колоннам
Опирание стальных подкрановых балок на железобетонные колонны должно осуществляться через распределительную опорную плиту и крепиться к колонне предусмотренными в ней анкерными болтами. Размер распределительной плиты определяется в зависимости от опорного давления подкрановой балки и марки бетона колонны (рис. 21.28).
При проектировании узлов крепления подкрановых конструкций к колоннам следует учитывать особенности их действительной работы. При проходе крана балка прогибается, и ее опорное сечение поворачивается на некоторый угол. Под влиянием температурных воздействий подкрановые конструкции удлиняются (укорачиваются), что приводит к горизонтальным смещениям опорных сечений относительно колонн.
Поэтому конструкция крепления балок к колоннам в горизонтальном направлении должна обеспечивать передачу горизонтальных поперечных сил, допуская при этом свободу поворота и продольного смещения опорных сечений. Применяются два типа узлов. В узлах первого типа (рис. 21.29 а) поперечные горизонтальные воздействия передаются через плотно пригнанные к полкам колонны элементы (упорные планки), допускающие за счет проскальзывания свободу перемещений опорных сечений. В узлах второго типа (рис. 21.29 б) балки крепятся к колоннам с помощью гибких элементов в виде листов или круглых стержней.
Рис. 21.29. Узлы крепления разрезных подкрановых балок к колоннам: а – с упорными планками; б – с гибкими стержнями
Крепления рельсов к подкрановым балкам должны быть разъемными (подвижными). Крепление железнодорожного рельса осуществляется крюками из круглых стержней диаметром 24 мм с пружинными шайбами; крюки проходят через отверстия в стенке рельса и захватывают кромки верхнего пояса подкрановой балки (рис. 21.30).
Рис. 21.30. Крепление железнодорожного рельса крюками: 1 – крюк; 2 – пружинная шайба
Специальные крановые рельсы крепятся посредством планок с подкладками; планки имеют круглые отверстия и соединяются с балкой болтами диаметром 24 мм, а подкладки имеют овальные вырезы, которые позволяют рихтовать рельс упором подкладок. После рихтовки рельсов плотно прижатые к ним подкладки привариваются к планкам (рис. 21.31).
Рис. 21.31. Крепление кранового рельса планками: 1 – упорная планка; 2 – прижимная планка
Рельс может крепиться скобами (рис. 21.32), прикрепляемыми с помощью высокопрочных болтов с фигурными планками и клиньями. Также возможно крепление рельса установкой под него подкладок специального профиля с выпуклой цилиндрической поверхностью, контактирующей с верхним поясом балки в пределах толщины стенки (рис. 21.33).
Рис. 21.32. Крепление кранового рельса с помощью скоб: 1 – фигурная планка; 2 – скоба; 3 – клин; 4 – высокопрочный болт
Рис. 21.33. Крепление кранового рельса с подкладкой: 1 – упругая подкладка; 2 – упорная планка; 3 – прижимная планка; 4 – подрельсовая подкладка; 5 – болт
Упоры для кранов устраивают по концам подкранового пути для фиксации предельного положения крана. Их располагают в соответствии с технологическим заданием. Для смягчения возможных ударов к передней части упора прикрепляют деревянный брус на уровне буферов кранового моста (рис. 21.34).
Рис. 21.34. Упоры для кранов разной грузоподъемности: а – до 30 т для сварных подкрановых балок; б – до 250 т для балок на высокопрочных болтах
Покрытия. Стальные конструкции покрытий в общем случае состоят из следующих элементов: стропильных ферм, подстропильных ферм, прогонов (в покрытиях с прогонным решением), фонарных конструкций, связей.
В покрытиях зданий, в зависимости от их назначения и эксплуатации, применяют стропильные фермы : с параллельными поясами, трапециевидные двухскатные и треугольные (рис. 21.35). Первые два вида ферм применяют при кровлях из рулонных и мастичных материалов и кровельных плит, фермы треугольного очертания – при кровле из асбестоцементных волнистых или подобных листов.
Рис. 21.35. Геометрические схемы стропильных ферм
Решетку ферм следует применять поэлементную простой формы. Рациональны треугольная с дополнительными стойками (рис. 21.36 а), треугольная (рис. 21.36 б), раскосная (рис. 21.36 в) и перекрестная (рис. 21.36 г). Выбор типа решетки зависит от конструктивных особенностей фермы, способа узловых соединений решетки с поясами, способа опирания на колонны, требуемых размеров пространства между элементами решетки и др. Наиболее целесообразна треугольная решетка с дополнительными стойками, поскольку она имеет наименьшее количество стержней и узлов.
Рис. 21.36. Геометрические схемы решеток стропильных ферм
При проектировании стропильных ферм должна быть обеспечена их габаритность по условиям транспортировки. Предельный размер по высоте между крайними точками выступающих элементов не должен превышать 3,8 м. Для достижения габаритности ферм по высоте при больших уклонах кровли и больших пролетах следует предусматривать устройство монтажных стыков.
Членение ферм по длине на отправочные марки обычно производится так: фермы пролетами 24 и 30 м поставляются двумя отправочными марками, пролетом 36 м – тремя отправочными марками.
Стропильные и подстропильные фермы проектируют:
Из парных горячекатаных уголков;
С поясами из тавров и решеткой из уголков;
С поясами из широкополочных двутавров и решеткой из прямоугольных гнутосварных профилей или горячекатаных уголков;
Из круглых электросварных труб;
Из замкнутых прямоугольных гнутосварных профилей (прямоугольных труб).
Фермы из горячекатаных уголков (рис. 21.37) по своим конструктивным особенностям можно применять во всех климатических районах в сочетании с легкими и тяжелыми ограждающими конструкциями при пролетах зданий 18-36 м. Из-за наличия узловых фасонок и других листовых деталей они многодельны, материалоемки и могут применяться только в обоснованных случаях. Не допускается эксплуатация этих ферм в средне- и сильноагрессивной среде из-за щелей между уголками. Не следует также применять их при внеузловых нагрузках, вызывающих местные изгибы поясов.
Рис. 21.37. Схемы стропильных ферм из прокатных уголков с разбивкой на отправочные элементы
Стропильные фермы из уголков пролетом 18 м запроектированы с нижним горизонтальным поясом и верхним поясом с уклоном 1,5%. Фермы остальных пролетов запроектированы с параллельными поясами, имеющими уклон 1,5%. Общая высота на опоре ферм составляет 3300 мм, а по обушкам поясных уголков – 3150 мм. Номинальная длина ферм принята меньше пролета здания за счет сокращения размеров крайних панелей.