Здания большепролетные. Большепролетные конструкции покрытий гражданских и промышленных зданий Зодчество эпохи глобализации

VIII. "И когда выходил Он из храма, говорит Ему один из учеников Его: Учитель! Посмотри, какие камни и какие здания! Иисус сказал ему в ответ: видишь сии великие здания? все это будет разрушено так что не останется здесь камня на камне" Мк.13:1–2; Лк.21:5–6 Глубокая и

Современные инженерные и строительные технологии позволяют возводить уникальные большепролетные сооружения и пространственные конструкции, которые имеют расстояния между несущими опорами более 40 метров, делая их надежными и функциональными. Чаще всего это бывают заводские машиностроительные и судостроительные цеха, ангары, автостоянки, стадионы, здания вокзалов, театров и галерей.

Большепролетные металлические конструкции имеют упругость, позволяют создавать разнообразные виды сопряжений для построения выразительных геометрических форм и архитектурных решений любой сложности. При этом они содержат множество концентраторов напряжений. Правильное и равномерное распределение высокой несущей нагрузки между конструктивными элементами важно, поскольку под действием естественной тяжести конструкции и вилянием внешних факторов могут возникать опасные повреждения.

Сооружения, в основе которых заложены большепролетные балки, при строительстве и в процессе эксплуатации подвержены особенному риску возникновения деформаций и трещин, в последующем ведущих к разрушению. Поэтому требуют постоянного мониторинга в реальном времени и наблюдения за их состоянием для обеспечения условий безопасности.

Типичные причины, которые вызывают проблемы большепролетных зданий:

• неграмотно проведенные геофизические и геодезические изыскания, замена экспериментальных расчетов моделированием;
• ошибки проектирования, просчеты при определении нагрузок и точек расположения геометрических центров, смещения осей, нарушения принципов прямолинейности или жесткости элементов;
• нарушение технологий изготовления или правил монтажа конструкций, неправильные узловые соединения, использование неподходящих строительных материалов (например, выбор вида стали, непригодного для конкретных условий);
• неравномерные осадочные процессы, влияющие на устойчивость и целостность фундаментов, опорных элементов, сводов и перекрытий;
• неправильная эксплуатация, ненормированные нагрузки и аварийные воздействия;
• временной износ;
• влияние неблагоприятных природных факторов (ветрового давления, смещений почвенных пластов и движения грунтовых вод, сейсмических процессов, температурно-влажностных условий, в которых происходит ржавление металлических элементов конструкций, разрушение бетона и т.д.);
• вибрации, создаваемые движением транспорта и ведущимися вблизи строительными работами.

В результате влияния этих факторов и причин происходят деформации основных опор и потеря ими несущих способностей, прогибы и смещения пролетных балок, прогрессирующие разрушения. Это создает опасность для жизни людей и приводит к экономическим потерям, связанным с необходимостью компенсации ущерба от аварий и проведением ремонта.

Мониторинг состояния объектов

Мониторинг большепролетных зданий и сооружений позволяет отслеживать физический износ, снижение несущих способностей инженерных конструкций, выявлять неблагоприятные изменения, появление дефектов и повреждений, обнаруживать опасные напряженно-деформационные состояния, контролировать их выход за предусмотренные проектом предельные значения, вовремя замечать превышения установленных коэффициентов надежности и предельно допустимых величин отклонений наблюдаемых параметров.

Мониторинг осуществляется при помощи специальных высокоточных измерительных инструментов, контрольных приборов, регистраторов значимых параметров и показателей надежности, улавливающих электромагнитные и ультразвуковые колебания, датчиков и геодезических маркеров, компьютеризированных диспетчерских пультов, автоматического оборудования и сигнальных систем оповещения.
Большепролетные здания оборудуются инженерными системами мониторинга и управления, которые информационно связаны с дежурно-диспетчерскими службами МЧС. Такие системы позволяют производить сбор данных одновременно от многих передатчиков и по разным параметрам. Эта информация стекается в единый центр, интегрируется, анализируется при помощи заданных алгоритмов и в итоге выдается схематично и наглядно оформленный результат, свидетельствующий о состоянии исследуемой конструкции.

На основе этого специалисты по мониторингу могут составлять заключения, прогнозы и отчеты с обоснованной диагностикой объектов, рекомендациями и программами эффективных мер по устранению имеющихся дефектов и дестабилизирующих факторов, минимизации рисков и угроз наступления аварийных ситуаций, их избежанию и предотвращению ущерба. В случае возникновения чрезвычайных и нештатных ситуаций, о них оперативно информируются спасательные службы.

Специалисты по инженерно-строительному мониторингу

Компания СМИС Эксперт разрабатывает системные решения для проведения оценки уязвимости и диагностики проблем большепролетных сооружений, мониторингового сопровождения строительства и эксплуатации зданий различного назначения. Имеем большой опыт и высокую квалификацию специалистов. Используем современные научные знания и инновационные технологии. Обеспечиваем профессиональный геодезический мониторинг и исследование любых видов объектов для установления степени их надежности, безопасности и долговечности. Реализуем высокоточное измерительное оборудование и приборы.

Архитектурный облик большепролетных зданий в значительной степени определяется их ролью в композиции фрагмента окружающей городской застройки, функциональными особенностями зданий и примененными конструкциями покрытий.

Общественные функции зданий зального типа требуют выделять перед ними значительные свободные пространства различного назначения для: перемещения больших потоков зрителей перед началом или по окончании зрелищ (перед зрелищными или демонстрационными спортивными сооружениями); размещения открытой части экспозиции (перед выставочными павильонами): сезонной торговли (перед крытыми рынками) и т. д. Перед любыми из этих зданий отводят также территории для паркования индивидуальных автомашин. Таким образом, независимо от назначения здания его размещение в застройке дает возможность целостно воспринимать объем сооружения с удаленных точек зрения. Это обстоятельство определяет общие композиционные требования к архитектуре зданий: целостность и монументальность их облика и преимущественно крупный масштаб основных членений объема.

Такую особенность градостроительной роли общественных зданий зального типа часто учитывают в композиции их облика. Вспомогательные и обслуживающие помещения, которые могут быть размещены в отдельных объемах, приблокированных к основному (как, например, во Дворце спорта «Юбилейный» в Санкт-Петербурге), по большей части не блокируют, а вписывают в основной объем здания. Для этого вспомогательные и обслуживающие помещения спортивных зданий располагают в нижних этажах или в подтрибунном пространстве, в зданиях крытых рынков и выставочных павильонов - в цокольном и подвальном этажах и т. п.

Характерными примерами реализации подобного объемно-планировочного принципа компоновки здания служат такие внешне различные объекты, как универсальный Олимпийский зал «Дружба» в Лужниках в Москве и здание спортивного центра префектуры Такамацу в Ниигате (Япония).

Зал «Дружба» имеет основной демонстрационный зал вместимостью 1,5-4 тыс. зрителей (при трансформации) с ареной 42X42 м, рассчитанной на 12 видов спорта при оптимальной видимости всех соревнований (предельное удаление 68 м). Зал покрыт пологой сферической оболочкой, опертой на 28 наклонных опор из сборно-монолитных складчатых оболочек двоякой кривизны. Наклонное расположение опор позволило увеличить габариты первого этажа и за счет этого разместить в нем четыре тренировочных зала и четыре спортивные площадки, вписанные в единый центрально-симметричный объем с ярко выраженной тектоничностью архитектурной формы ( ).

Из обоих примеров видно влияние конструктивной формы покрытия на архитектурную форму. И это не случайно, так как конструкция покрытия составляет от 60 до 100% наружных ограждений зданий.

Из числа функциональных параметров на выбор формы покрытия наибольшее влияние оказывают принятые план, вместимость, характер размещения зрительских мест (в спортивных и зрелищных зданиях) и величины пролетов покрытий ( ). В мировой практике для выставочных, многофункциональных зрительных и спортивных залов используют ограниченное число форм планов: прямоугольник, трапецию, овал, круг, многоугольник.

Однако форма плана зала и величины его пролетов не предопределяют однозначно форму покрытия. Большое влияние на ее выбор оказывают не только план, но и обусловленная функциональными особенностями форма здания. Как известно, в демонстрационных спортивных залах вместимость и расположение трибун определяют асимметричную или центрально-симметричную композицию здания, с которой должен быть согласован выбор формы покрытия. С асимметричной формой здания хорошо гармонируют висячие покрытия, с осесимметричной - как сводчатые, так и висячие. Для центричных в плане зданий применимы центричные же конструкции покрытий ( , ).

Окончательный выбор формы покрытия помимо функциональных определяется конструктивными, технологическими, технико-экономическими и архитектурно-художественными требованиями. Согласно последним, конструкция уникального большепролетного здания должна способствовать созданию выразительной тектоничной, индивидуальной, масштабной архитектурной формы. Внедрение пространственных висячих конструкций и конструкций из жестких оболочек дало беспрецедентные и многовариантные архитектурные возможности. Комбинируя различные типы, число, размеры элементарных оболочек, архитектор с помощью конструктора может добиться требуемого масштабного членения формы и индивидуализации ее облика, оригинально разместить проемы верхнего света в покрытии.

Так, например, только для покрытия треугольного в плане помещения могут быть применены пологая оболочка на выпуклом контуре, комбинированное покрытие из четырех треугольных в плане оболочек положительной кривизны, из трех - отрицательной и одной - положительной кривизны и т. д. Одним из наиболее оригинальных по конструкции и выразительных по архитектурной форме является покрытие треугольного в плане выставочного здания в Париже комбинированной оболочкой в виде сомкнутого из трех лотков свода пролетом 206 м. Лотки состоят из двух волнистых оболочек, раскрепленных через каждые три волны диафрагмами жесткости. Использование волнистой формы позволило решить не только чисто конструктивную задачу (достигнуть устойчивости тонкой оболочки), но и обеспечило масштабность композиции этого уникального здания, а традиционная для архитектуры камня система сомкнутого свода получила индивидуальную и остро современную тектоническую трактовку. Столь же индивидуальной и современной оказалась композиционная трактовка железобетонного крестового свода покрытия над квадратным планом здания крытого Олимпийского катка в Гренобле.

Естественно, однако, что в наибольшей степени современный характер архитектуре большепролетных покрытий железобетонными жесткими оболочками придают присущие только им комбинации геометрических форм в виде волнистых куполов и сводов, элементарных или комбинированных фрагментов оболочек с поверхностями отрицательной кривизны или комбинации из оболочек произвольной геометрической формы.

Архитектурно-композиционные возможности висячих систем покрытий непосредственно связаны с их конструктивной формой, возможностями ее индивидуализации и тектоничного выявления в объемной форме здания. В этом отношении наибольшими возможностями обладают висячие покрытия шатрового типа, покрытия на пространственном контуре, а также различные варианты комбинированных висячих систем. В чрезвычайном разнообразии внешнего облика зданий, которое обеспечивает применение висячих покрытий на замкнутом пространственном контуре, можно убедиться, сопоставив такие олимпийские объекты Москвы, как крытый велотрек и спортивный зал в Измайлове. К сожалению, мало способствует индивидуальности внешнего облика здания применение ряда технически наиболее эффективных висячих конструкций, например одно- или двухпоясных систем с горизонтальным кольцевым опорным контуром над круглыми или эллиптическими в плане зданиями. Несущая конструкция с малой стрелой провиса не выявляется во внешней форме здания, а в интерьере обычно бывает скрыта подвесными потолками или осветительными установками. Здания с покрытиями такого типа обычно имеют композицию в виде круглого периптера, антаблемент которого - кольцо опорного контура, а колонны - поддерживающие его стойки (Дворец спорта «Юбилейный» и Олимпийский зал в Санкт-Петербурге, Олимпийский дворец спорта на проспекте Мира в Москве и др.).

Наряду с несущими конструкциями покрытий в композиции зальных общественных зданий значительную роль играют наружные, как правило, ненесущие стены. Образным выражением их ненесущей функции может служить выполнение их с незначительным отклонением от вертикали, придающее зданию характерный силуэт (сужающийся или расширяющийся книзу).

Значительную часть поверхности наружных стен зальных зданий занимают светопрозрачные витражные конструкции. Их композиционные свойства и членения обогащаются при сочетании в конструкции двух-трех светопрозрачных материалов, например профильного и листового стекла.

По функциональному назначению большепролётные здания можно разделить на:

1) здания общественного назначения (театры, выставочные павильоны, кинотеатры, концертные и спортивные залы, крытые стадионы, рынки, вокзалы);

2) здания специального назначения (ангары, гаражи);

3) промышленные здания (авиационных, судостроительных и машиностроительных заводов, лабораторные корпуса различных производств).

Несущие конструкции по конструктивной схеме подразделяются на:

Блочные,

Арочные,

Структурные,

Купольные,

Висячие,

Сетчатые оболочки.

Выбор той или иной схемы несущих конструкций здания зависит от целого ряда факторов: пролёта здания, архитектурно-планировочного решения и формы здания, наличия и типа подвесного транспорта, требований к жёсткости покрытия, типа кровли, аэрации и освещения, основания под фундаменты и т.д.

Сооружения с большими пролётами являются объектами индивидуального строительства, их архитектурные и конструктивные решения весьма индивидуальны, что ограничивает возможности типизации и унификации их конструкций.

Конструкции таких зданий работают в основном на нагрузки от собственного веса конструкций и атмосферных воздействий.

1.1 Балочные конструкции

Балочные большепролётные конструкции покрытий состоят из главных несущих поперечных конструкций в виде плоских или пространственных ферм (пролёт ферм от 40 до 100 м) и промежуточных конструкций в виде связей, прогонов и кровельного настила.

По очертанию фермы бывают : с параллельными поясами, трапециевидные, полигональные, треугольные, сегментные (см. схемы на рис. 1).

Высота ферм hф=1/8 ÷ 1/14L; уклон i=1/ 2 ÷ 1/15.

Треугольные фермы hф= 1/12 ÷ 1/20L; уклон поясов i=1/5 ÷ 1/7.

Рис.1 - Схемы строительных ферм

Поперечные сечения ферм:

При L > 36м одну из опор балочной фермы устанавливают подвижной.

Компоновка покрытия - вертикальные и горизонтальные связи по покрытию решаются аналогично промышленным зданиям со стропильными фермами.

А) нормальная компоновка

стена

б) усложнённая компоновка - с подстропильными фермами:

ПФ

Балочные схемы покрытий применяются:

При любых видах подопорных конструкций - кирпичные или бетонные стены, колонны (металлические или железобетонные);

Когда подопорные конструкции не могут воспринимать распорных усилий;

При строительстве зданий на просадочных или карстовых грунтах и подрабатываемых территориях.

Следует отметить, что балочные схемы покрытий тяжелее рамных и арочных, но просты в изготовлении и монтаже.

Расчёт ферм выполняют методами строительной механики (аналогично расчёту стропильных ферм промышленных зданий).

1.2 Рамные конструкции

Рамные конструкции для покрытий зданий применяют при пролёте

L=40 - 150м, при пролёте L > 150м они становятся неэкономичными.

Преимущества рамных конструкций по сравнению с балочными - это меньший вес, большая жёсткость и меньшая высота ригелей.

Недостатки - большая ширина колонн, чувствительность к неравномерным осадкам опор и изменениям T о.

Рамные конструкции эффективны при погонных жесткостях колонн, близких к погонным жесткостям ригелей, что позволяет перераспределить усилия от вертикальных нагрузок и значительно облегчить ригели.

При перекрытии больших пролётов применяют, как правило, двухшарнирные и бесшарнирные рамы самых разнообразных очертаний (см. рис.2).

Рис. 2 - Схемы сквозных рам

Бесшарнирные рамы более жёсткие и экономичные по расходу материала, однако, они требуют устройства мощных фундаментов, чувствительны к изменению Т о.

При больших пролётах и нагрузках ригели рам конструируют как тяжёлые фермы, при сравнительно малых пролётах (40-50м) они имеют такие же сечения и узлы, как лёгкие фермы.

Поперечные сечения рам аналогичны балочным фермам.

Компоновка каркаса и покрытия из рамных конструкций аналогична решению каркасов промышленных зданий и балочных покрытий.

Статический расчёт рамных конструкций выполняют методами строительной механики и по специально разработанным программам на ЭВМ.

Тяжелые сквозные рамы рассчитывают как решёточные системы с учётом деформации всех стержней решётки.

1.3 Арочные конструкции

Арочные конструкции покрытий большепролётных зданий оказываются более выгодными по затрате материала, чем балочные и рамные системы. Однако в них возникает значительный распор, который передаётся через фундаменты на грунт или устраивается затяжка для его восприятия (т.е. погашение распора внутри системы).

Схемы и очертания арок весьма разнообразны: двухшарнирные, трёхшарнирные, бесшарнирные (см. рис. 3).

Наиболее выгодная высота арок: f=1/4 ÷ 1/6 пролёта L.

Высота сечения арок:

Сплошностенчатых 1/50 ÷ 1/80 L,

Решёточных 1/30 ÷ 1/60 L.

Рис.4 - Схемы опорных шарниров арок и рам (а - плиточный,

б - пятниковый, в - балансирный:

1 - плита, 2 - цапфа, 3 -балансир).

Рис. 5 - Ключевые шарниры и арок

(а -плиточный; б -балансирный; в -листовой; г -болтовой)

После определения M, N, Q сечения стержней арки подбирают также, как сечения стерней ферм:

1.4 Пространственные конструкции покрытий большепролётных зданий

В балочных, рамных и арочных системах покрытий, состоящих из отдельных несущих элементов, нагрузка передаётся только в одном направлении - вдоль несущего элемента. В этих системах покрытий несущие элементы соединены между собой лёгкими связями, которые не предназначены для перераспределения нагрузок между несущими элементами, а только обеспечивают их пространственную устойчивость, т.е. с их помощью обеспечивается жёсткий диск покрытия.

В пространственных системах связи усиливают и привлекают к распределению нагрузок и передаче их на опоры. Приложенная к пространственной конструкции нагрузка передаётся в двух направлениях. Такая конструкция получается обычно легче плоской.

Пространственные конструкции могут быть плоскими (плиты) и криволинейными (оболочки).

Плоские пространственные системы (исключая висячие) для обеспечения необходимой жёсткости должны быть двухпоясными - по поверхности образующие сетчатую систему. Двухпоясные конструкции имеют две параллельные сетчатые поверхности, соединённые между собой жёсткими связями.

Однослойные конструкции, имеющие криволинейную систему поверхности, называются односетчатыми.

В таких конструкциях принцип концентрации материала заменён принципом многосвязности системы. Изготовление и монтаж таких конструкций очень трудоёмок, требует специальных приёмов изготовления и монтажа, что является одной из причин их ограниченного применения.

1.5 Пространственные сетчатые системы плоских покрытий

В строительстве получили распространение сетчатые системы регулярного строения, так называемые структурные конструкции или просто структуры , которые применяются в виде плоских покрытий большепролётных общественных и производственных зданий.

Плоские структуры представляют собой конструкции, образованные из различных систем перекрёстных ферм (см. рис.6):

1) Структуры, образованные из перекрёстных ферм, идущих в трёх направлениях. Поэтому они являются наиболее жёсткими, однако более сложными в изготовлении. Это структуры с поясными сетками из разносторонних треугольников.

2) Структуры, образованные из ферм, идущих в двух направлениях. Это структуры с поясными сетками из квадратных ячеек.

3) Структуры, образованные из ферм, также идущих в двух направлениях, но усиленных диагоналями в угловых зонах. Поэтому они более жёсткие.

Достоинства структур:

Большая пространственная жёсткость: можно перекрывать большие пролёты при различных опорных контурах или сетках колонн; получать выразительные архитектурные решения при высоте структуры.

Hструктур=1/12 - 1/20 L

Повторяемость стержней - из стандартных и однотипных стержней можно монтировать покрытия разных пролётов и конфигураций в плане (прямоугольные, квадратные, треугольные и криволинейные).

Позволяет крепить подвесной транспорт и изменять при необходимости направление его движения.

Системы покрытий из структур могут быть как одно-, так и многопролётными с опиранием как на стены, так и на колонны.

Устройством консольных свесов за линией опор уменьшают расчётный пролётный изгибающий момент и существенно облегчают конструкцию покрытия.

Рис. 6 - Схемы решёток структурных покрытий (а - с поясными сетками из равносторонних треугольных ячеек; б - с поясными сетками из квадратных ячеек; в - то же, усиленных диагоналями в условных зонах: 1 - верхние пояса,

2 - нижние пояса, 3 - наклонные раскосы, 4 - верхние диагонали, 5 -нижние диагонали, 6 - опорный контур).

Недостатки структур - повышенная трудоёмкость изготовления и монтажа. Пространственные узлы сопряжений стержней (см. рис. 7) - самые сложные элементы в структурах:

Шаровая вставка (а);

На винтах (б);

Цилиндрический сердечник с прорезями, стянутый одним болтом с шайбами (в, г);

Сварной узел сплюснутых концов стержней (д).

Рис. 7 - Узлы сопряжений стержней структур

Структурные конструкции представляют собой многократно статически неопределённые системы. Точный расчёт их сложен и выполняется на ЭВМ.

При упрощённом подходе структуры рассчитывают способами строительной механики - как изотропные плиты или как системы перекрёстных ферм без учёта крутящих моментов.

Величины моментов и поперечных сил определяют по таблицам для расчёта плит: Mплиты; Qплиты - далее переходят к расчёту стержней.

1.6 Оболочные покрытия

Для покрытий зданий применяют односетчатые, двухсетчатые цилиндрические оболочки и оболочки двоякой кривизны.

Цилиндрические оболочки (см. рис. 8) выполняют в виде сводов с опиранием:

а) прямолинейным образующим контура

б) на торцовые диафрагмы

в) на торцовые диафрагмы с промежуточными опорами

Рис.8 - Схемы опирания цилиндрических оболочек (1 - оболочка;

2 - торцовая диафрагма; 3 - связи; 4 - колонны).

Односетчатые оболочки применяют при пролётах В не более 30м.

Двухсетчатые - при больших пролётах В>30м.

По цилиндрической поверхности расположены стержни, образующие сетки различной системы (см. рис. 9):

Ромбическая сетка (а);

Ромбическая сетка с продольными рёбрами (б);

Ромбическая сетка с поперечными рёбрами (в);

Ромбическая сетка с поперечными и продольными рёбрами (г).

Наиболее простая сетка ромбического рисунка, которую получают из лёгких стандартных стержней (∟, ○, □) прокатных профилей. Однако такая схема не обеспечивает необходимой жёсткости в продольном направлении при передаче нагрузки на продольные стены.

Рис. 9 - Система сеток односетчатых оболочек

Жёсткость конструкции значительно увеличивается при наличии продольных стержней (схема "б") - конструкция может работать как оболочка пролётом L. В этом случае опорой могут служить торцовые стены или четыре колонны с торцовыми диафрагмами.

Наиболее жёсткими и выгодными являются сетки (схема "в"), у которых есть и продольные и поперечные рёбра (стержни), а решётка сетки направлена под углом 45 .

Расчёт оболочек выполняют методами теории упругости и методами теории оболочек. Оболочки без поперечных рёбер рассчитывают как безмоментные складки (способ Эллерса). При наличии поперечных рёбер , обеспечивающих жёсткость контура, - по моментной теории Власова (она сводится к решению восьмичленных уравнений).

При расчёте сквозных сетчатых оболочек, сквозные грани конструкций заменяются сплошными пластинами эквивалентной толщины при работе на сдвиг, осевое растяжение и сжатие.

Более точный расчёт сетчатых оболочек выполняют на ЭВМ по специально разработанным программам.

Двухсетчатые оболочки применяют при перекрытии пролётов шириной более B>30м.

Конструктивные схемы их аналогичны схемам двухсетчатых плоских плит - структур. Как и в структурах, они образуются системами перекрёстных ферм, связанных по верхним и нижним поясам специальными связями - решёткой. Но при этом в оболочках основная роль в восприятии усилий принадлежит криволинейным сетчатым плоскостям, соединяющая их решётка меньше участвует в передаче усилий, но придаёт конструкции большую жёсткость.

По сравнению с односетчатыми двухсетчатые оболочки обладают большей жёсткостью и несущей способностью. Ими можно перекрывать пролёты зданий от 30 до 700м.

Проектируют их в виде цилиндрической поверхности, опирающиеся на продольные стены или на металлические колонны. По торцам оболочки опираются на жёсткие диафрагмы (стены, фермы, арки с затяжкой и т.д.).

Наилучшее распределение усилий в оболочке при B=L.

Расстояние между сетчатыми поверхностями h=1/20÷1/100R при f/B=1/6÷1/10.

Как и в структурах, наиболее сложным является узел сопряжения стержней.

Расчёт двухсетчатых оболочек производят на ЭВМ по специально составленным программам.

Для приближённого расчёта оболочки необходимо стержневую систему привести к эквивалентной сплошной оболочке и установить модуль сдвига среднего слоя, эквивалентного по жёсткости соединительной решётке.

1.7 Купольные покрытия

Конструкции куполов бывают четырёх видов (см. рис.6): ребристые (а), ребристо-кольцевые (б), сетчатые (в), радиально-балочные (г).

Рис. 10 - Схемы куполов

Ребристые купола

Конструкции ребристых куполов состоят из отдельных плоских или пространственных рёбер в виде балок, ферм или полуарок, расположенных в радиальном направлении и связанных между собой прогонами.

Верхние пояса рёбер образуют поверхность купола (обычно сферическую). По прогонам устраивают кровлю.

В вершине для перестыковки рёбер устраивают жёсткое кольцо, работающее на сжатие. Рёбра к центральному кольцу могут крепиться шарнирно или иметь жёсткое закрепление. Пара рёбер купола, расположенных в одной диаметральной плоскости и прерванных центральным кольцом, рассматривается как единая, например арочная, конструкция (двухшарнирная, трёхшарнирная или бесшарнирная).

Ребристые купола являются распорными системами. Распор воспринимается стенами или специальным распорным кольцом в форме окружности или многогранника с жёсткими или шарнирными сопряжениями в углах.

Между рёбрами с определённым шагом укладывают кольцевые прогоны, на которые опирается кровельный настил. Погоны, помимо своего основного назначения, обеспечивают общую устойчивость верхнего пояса ребер из плоскости, уменьшая их расчётную длину.

Для обеспечения общей жёсткости купола в плоскости прогонов устраиваются с определённым шагом скатные связи между рёбрами, а также вертикальные связи для развязки внутреннего пояса арки - между вертикальными связями устраивают распорки.

Расчётные нагрузки - собственный вес конструкции, вес оборудования и атмосферные воздействия.

Расчётными элементами купольного покрытия являются: рёбра, опорное и центральное кольцо, прогоны, скатные и вертикальные связи.

Если распор купола воспринимают распорным кольцом, то при расчёте арки кольцо может быть заменено условной затяжкой, находящейся в плоскости каждой пары полуарок (образующих плоскую арку).

При расчёте опорного кольца - при частом расположении арок (рёбер) купола действия их распоров можно заменить эквивалентной равномерно распределённой нагрузкой:

Ребристо-кольцевые купола

В них погоны с рёбрами составляют одну жёсткую пространственную систему. В этом случае кольцевые прогоны работают не только на изгиб от нагрузки на покрытие, но и от реакций промежуточных рёбер и воспринимают растягивающие или сжимающие кольцевые усилия, возникающие от распоров в месте опирания многопролётных полуарок.

Вес рёбер (арок) в таком куполе уменьшается благодаря включению в работу кольцевых прогонов, как промежуточных опорных колец. Кольцевые рёбра в таком куполе работают так же, как и опорное кольцо в ребристом куполе, и при расчёте арок могут быть заменены условными затяжками.

При симметричной нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки с затяжками на уровне кольцевых рёбер (прогонов).

Сетчатые купола

Если в ребристом или ребристо-кольцевом куполе увеличить связность системы, то можно получить сетчатые купола с шарнирным соединением стержней в узлах.

В сетчатых куполах между рёбрами (арками) и кольцами (кольцевыми прогонами) располагают раскосы, благодаря которым усилия распределяются по поверхности купола. Стержни в этом случае работают в основном только на осевые силы, что уменьшает вес рёбер (арок) и колец.

Стержни сетчатых куполов выполняют из замкнутых профилей (круглого, квадратного или прямоугольного сечения). Узлы соединений стержней как и в структурах или сетчатых оболочках.

Расчёт сетчатых куполов производят на ЭВМ по специально разработанным программам.

Приблизительно их рассчитывают по безмоментной теории оболочек - как сплошную осесимметричную оболочку по формулам из соответствующих расчётно-теоретических справочников.

Радиально-балочные купола

Представляют собой ребристые купола, составленные из сегментных полу-ферм, расположенных радиально. В центре сегментные полуфермы присоединяются к жёсткому кольцу (решётчатому или сплошностенчатому с диафрагмами жёсткости).

1.8 Висячие покрытия

Висячими называются покрытия, в которых основные несущие элементы работают на растяжение.

В этих элементах наиболее полно используются высокопрочные стали, поскольку их несущая способность определяется прочностью, а не устойчивостью.

Несущие растянутые стержни - ванты - могут выполняться гибкими или жёсткими.

Жёсткие - выполняют из выгнутых двутавровых балок.

Гибкие - выполняют из стальных канатов (тросов) свитых из высокопрочной проволоки с R= 120 кН/см2 ÷ 240 кН/см2.

Висячие конструкции покрытий являются одной из наиболее перспективных конструктивных форм для применения высокопрочных материалов. Конструктивные элементы висячих покрытий легко транспортировать, относительно легко монтировать. Однако сооружение висячих покрытий имеет ряд трудностей, от удачного инженерного решения которых зависит эффективность покрытия в целом:

Первый недостаток - висячие покрытия - системы распорные и для восприятия распора необходима опорная конструкция, стоимость которой может составлять значительную часть стоимости всего покрытия. Уменьшения стоимости опорных конструкций можно достичь за счёт повышения эффективности их работы - созданием покрытий круглой, овальной и других не прямолинейных форм плана;

второй недостаток - повышенная деформативность висячих систем. Это вызвано тем, что модуль упругости витых тросов меньше чем у прокатной стали (Етроса=1,5 ÷ 1,8×10 5 МПа; Е прокатных стержней = 2,06×10 5 Мпа), а область упругой работы высокопрочной стали значительно больше, чем у обычной стали. Таким образом, относительная деформация троса в упругой стадии работы ε=G/Е получается в несколько раз больше чем у элементов из обычной стали.

Большинство висячих систем покрытия являются системами мгновенной жёсткости, т.е. системами, которые работают упруго лишь на равновесные нагрузки, а при действии неравномерных нагрузок в них, помимо упругих деформаций, появляются ещё и кинематические перемещения системы, ведущие к изменению целостности геометрической системы покрытия.

Для уменьшения кинематических перемещений висячие системы покрытий часто снабжают специальными стабилизирующими устройствами и предварительно напрягают.

Типы схем висячих покрытий

1. Однопоясные системы с гибкими вантами

Такие системы покрытий в плане проектируют прямоугольными или изогнутыми, например, круглыми (см. рис.11).

Они представляют собой предварительно напряжённые железобетонные оболочки, работающие на растяжение. Напряжённой арматурой в них является система из гибких вант, на которые во время монтажа укладывают сборные железобетонные плиты. В это время на ванты даётся дополнительный пригруз, который после укладки всех железобетонных плит и замоноличивания швов снимают. Ванты обжимают железобетонные плиты и образовавшаяся железобетонная оболочка получает предварительное напряжение сжатия, позволяющее ей воспринимать растягивающее напряжение от внешних нагрузок и обеспечивает общую устойчивость конструкции. Несущая способность покрытия обеспечивается растяжением вант.

В покрытиях прямоугольного плана распор вант воспринимает опорная конструкция из оттяжек и анкеров, закреплённых в грунте.

Рис. 11 - Однопоясные покрытия с гибкими вантами

(а - прямоугольные в плане; б - круглые в плане)

В покрытиях круглого (овального) плана распор передаётся на наружное сжатое кольцо, лежащее на колоннах и внутреннее (растянутое) металлическое кольцо.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет f=1/10÷1/20 L. Такие оболочки являются пологими.

Сечение вант покрытия определяют по монтажной нагрузке. В этом случае ванты работают как отдельные нити, и распор в них можно определять без учёта их деформаций H=M/f , где M - балочный момент от расчётной нагрузки, f - стрела провисания нити.

где V - балочная реакция.

2. Однопоясные системы с жёсткими вантами

Рис. 12 - 1 - продольные изгибно-жёсткие рёбра; 2 - поперечные рёбра;

3 - мембрана алюминиевая, t = 1,5 мм

В таких покрытиях гнутые жёсткие ванты, прикреплённые к опорному поясу, работают под действием нагрузки на растяжение с изгибом. Причём при действии равномерной нагрузки доля изгиба в напряжениях невелика. При действии неравномерной нагрузки жёсткие ванты начинают сильно сопротивляться местному изгибу, чем значительно уменьшают деформативность всего покрытия.

Стрела провеса вант таких покрытий обычно составляет 1/20 ÷ 1/30 L. Однако, использование жёстких нитей возможно лишь при небольших пролётах, т.к. с увеличением пролёта значительно усложняется монтаж и увеличивается их масса. По таким жёстким вантам можно укладывать лёгкую кровлю, отсутствует необходимость в предварительном напряжении (его роль выполняет изгибная жёсткость ванты).

При равномерной нагрузке распор в ванте определяют по формуле

H = 8/3 ×[(EA)/(l 2 mо)] × (f+fо) × ∆f +Hо;

где ∆f=f–fо,

f - прогиб под нагрузкой,

fо – начальный провес;

m1=1+(16/3)/(fо/l) 2

Изгибный момент в середине ванты находят по формуле

M= q I 2 /8–Hf .

3. Однопоясные висячие покрытия, напрягаемые с помощью поперечных балок или ферм

Рис. 13

Стабилизация таких канатно-балочных систем достигается либо увеличенной массой поперечных и жёстких на изгиб элементов, либо предварительным напряжением оттяжек, которые соединяют поперечные балки или фермы с фундаментами или опорами. Таким способом напрягаются покрытия с лёгким кровельным настилом.

Благодаря изгибной жёсткости поперечных балок или ферм покрытие приобретает пространственную жёсткость, которая особенно проявляется при загружении пролётной конструкции местной нагрузкой.

4. Двухпоясные системы

Рис. 14

В покрытиях такого типа имеется две системы вант :

- Несущие - имеющие изгиб вниз;

- Стабилизирующие - имеющие изгиб вверх.

Это делает такую систему мгновенно жёсткой - способной воспринимать нагрузки, действующие в двух различных направлениях. Вертикальная нагрузка вызывает у несущей нити растяжение , а у стабилизирующей - сжатие . Отсос ветра вызывает в вантах усилия обратного знака.

В покрытиях данного типа можно применять лёгкие кровли.

5. Седловидные напряжённые сетки

Рис. 15

Покрытия такого типа применяются для капитальных зданий и временных сооружений.

Сетка покрытия: несущие (продольные) тросы изогнуты вниз, стабилизирующие (поперечные) тросы изогнуты вверх.

Такая форма покрытия позволяет предварительно напрягать сетку. Поверхность покрытия лёгкая из различных материалов: от стального листа до плёнки и тента.

Шаг сеток приблизительно один метр. Точный расчёт сеток таких покрытий возможен только на ЭВМ.

6. Металлические оболочки-мембраны

Рис. 16

По форме в плане это эллипс или круг, а форма оболочек довольно разнообразная: цилиндрическая, коническая, чашеобразная, седловидная и шатровая. Большинство из них работает по пространственной схеме, делает её весьма выгодной и позволяет применять листы толщиной 2 - 5мм.

Расчёт таких систем производят на ЭВМ.

Главное преимущество таких систем покрытий - это совмещение несущих и ограждающих функций.

Утеплитель и гидроизоляцию укладывают на несущую оболочку, не применяя кровельных плит.

Полотнища оболочки выпускают на заводе-изготовителе и доставляют на монтаж в виде рулонов, из которых на площадке строительства собирают всю оболочку без применения лесов.

Раздел 2. Листовые конструкции

Листовыми называют конструкции, состоящие в основном из металлических листов и предназначенные для хранения, транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов.

К этим конструкциям относятся:

Резервуары для хранения нефтепродуктов, воды и других жидкостей.

Газгольдеры для хранения и распределения газов.

Бункера и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов.

Трубопроводы больших диаметров для транспортирования жидкостей, газов и размельчённых или разжиженных твёрдых веществ.

Специальные конструкции металлургической, химической и др. отраслей промышленности:

Кожухи доменных печей

Воздухонагреватели

Пылеуловители - скрубера, корпуса электрофильтров и рукавных фильтров

Дымовые трубы

Сплошностенчатые башни

Градирни и т.д.

Такие листовые конструкции занимают 30% от всех металлических конструкций.

Условия работы листовых конструкций достаточно разнообразны:

Они могут быть надземными, наземными, полузаглублёнными, подземными, подводными;

Могут воспринимать статические и динамические нагрузки;

Работать под низким, средним и высоким давлением;

Под воздействием низких и высоких температур, нейтральных и агрессивных сред.

Для них характерно двухосновное напряжённое состояние, а в местах сопряжения с днищем и рёбрами жёсткости, в местах сопряжения оболочек различной кривизны (т.е. на границе изменения радиуса кривизны) возникают местные высокие напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков это - так называемое явление краевого эффекта.

Листовые конструкции всегда совмещают несущую и ограждающую функции.

Сварные соединения элементов листовых конструкций выполняют встык, внахлёстку и впритык. Соединения выполняют автоматической и полуавтоматической дуговой сваркой.

Большинство листовых конструкций являются тонкостенными оболочками вращения.

Рассчитывают оболочки методами теории упругости и теории оболочек.

Листовые конструкции рассчитывают на прочность, устойчивость и выносливость.

1.1 Резервуары

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы они делятся на цилиндрические (вертикальные и горизонтальные), сферические и каплевидные.

По расположению относительно планировочного уровня земли различают: надземные (на опорах), наземные, полузаглублённые, подземные и подводные.

Они могут быть постоянного и переменного объёмов.

Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.

Наибольшее распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары как самые простые при изготовлении и монтаже.

Вертикальные резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления, в которых хранят нефтепродукты при малой их оборачиваемости (10 - 12 раз в год). В них образуется избыточное давление в паро-воздушной зоне до 2кПа, а при опорожнении вакуум (до 0,25кПа).

Вертикальные резервуары с плавающей крышей и понтоном применяют при хранении нефтепродуктов при большой оборачиваемости. В них практически отсутствует избыточное давление и вакуум.

Резервуары повышенного давления (до 30кПа) используют для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10 - 12 раз в год.

Шаровидные резервуары - для хранения больших объёмов сжиженных газов.

Каплевидные резервуары - для хранения бензина с высокой упругостью паров.

Вертикальные резервуары

Рис. 17

Основные элементы:

Стенка (корпус);

Крыша (покрытия).

Все элементы конструкций изготавливают из листовой стали. Они просты в изготовлении и монтаже, достаточно экономичны по расходу стали.

Установлены оптимальные размеры вертикального цилиндрического резервуара постоянного объёма, при которых расход металла будет наименьшим. Так, резервуар со стенкой постоянной толщины имеет минимальную массу, если

[(mдн + mпок) / mст] = 2, а значение оптимальной высоты резервуара определяется по формуле

где V - объём резервуара,

∆= t дн.+t прив. покр. - сумма приведённой толщины днища и покрытия,

tст. - толщина стенки корпуса.

В резервуарах больших объёмов толщина стенки переменна по высоте. Масса такого резервуара получится минимальной, если суммарная масса днища и покрытия равна массе стенки, т.е. mдн.+mпокр.= mст.

В этом случае

где ∆= tдн. + tприв. покр.,

n - коэффициент перегрузки,

γ ж. - удельный вес жидкости.

Днище резервуара

Так как днище резервуара опирается по всей своей площади на песчаное основание, то от давления жидкости оно испытывает незначительные напряжения. Поэтому толщину листа днища не рассчитывают, а принимают конструктивно с учётом удобств монтажа и сопротивляемости коррозии.

При V≤1000м и Д<15м → tдн = 4мм; при V>1000м и Д=18-25м → tдн = 5мм; при Д > 25м → tдн = 6мм. Рис. 18

Листы полотнищ днища соединяют между собой по продольным кромкам внахлёстку с перекрытием 30 - 60мм при tдн. = 4 - 5мм, а при tдн.= 6мм - выполняются встык. Крайние листы - "окрайки" - принимают на 1-2мм толще листов средней части днища. Из завода-изготовителя всё поставляется в рулонах (Q ≤ 60т).

Конструирование стенок:

Рис. 19

Стенка резервуара состоит из ряда поясов высотой, равной ширине листа. Соединяют пояса между собой встык или внахлёстку в телескопическом или ступенчатом порядке. Сопряжение встык выполняют в основном на заводе изготовителе (реже на монтаже), внахлёстку - как на заводе, так и на монтаже.

Распространён метод строительства резервуаров методом рулонирования.

Расчёт на прочность - стенка корпуса является несущим элементом и рассчитывается по методу предельных состояний в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81

Плоскостные конструкции

а

ЛЕКЦИЯ 7. КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ

Каркасы промышленных зданий

Стальной каркас одноэтажных зданий

Стальной каркас одноэтажных зданий состоит из тех же элементов, что и железобетонный (рис.)

Рис. Стальной каркас здания

В стальных колоннах различают две основные части: стержень (ветвь) и базу (башмак) (рис.73) .

Рис. 73. Стальные колонны.

а – постоянного сечения с консолью; б – раздельного типа.

1 – подкрановая часть колонны; 2 – надколонник, 3 – добавочная высота надколонника; 4 – шатровая ветвь; 5 – подкрановая ветвь; 6 – башмак; 7 – подкрановая балка; 8 – подкрановый рельс; 9 – ферма покрытия.

Башмаки служат для передачи нагрузки от колонны на фундамент. Башмаки и нижние части колонн, соприкасающиеся с землей, во избежание коррозии обетонивают. Для опирания стен между фундаментами крайних колонн устанавливают сборные железобетонные фундаментные балки.

Стальные подкрановые балки бывают сплошные и решетчатые. Наибольшее применение получили сплошные подкрановые балки, имеющие двутавровое сечение: несимметричное, применяемые при шаге колонн 6 метров, или симметричное при шаге 12 метров.

Основными несущими конструкциями покрытий в зданиях со стальным каркасом являются стропильные фермы (рис. 74).

Рис. 74. Стальные фермы:

а – с параллельными поясами; б – то же; в – треугольная; г – полигональная;

д – конструкция полигональной фермы.

По очертанию они могут быть с параллельными поясами, треугольные, полигональные.

Фермы с параллельными поясами применяют в зданиях с плоскими крышами, а также в качестве подстропильных.

Треугольные фермы применяют в зданиях с кровлями, требующими больших уклонов, например из асбоцементных листов.

Жесткость стального каркаса и восприятие им ветровых нагрузок и инерционных воздействий от кранов обеспечивается устройством связей. Между колоннами в продольных рядах ставят вертикальные связи – крестовые или портальные. Горизонтальные поперечные связи ставят в плоскостях верхнего и нижнего поясов, а вертикальные – по осям опорных стоек и в одной или нескольких плоскостях посередине пролета.

Деформационные швы

В каркасных зданиях деформационные швы расчленяют на отдельные участки каркас здания и все опирающиеся на него конструкции. Различают швы поперечные и продольные.

Поперечные температурные швы устраивают на спаренных колоннах, поддерживающих конструкции смежных, разрезанных швом, участков здания. Если шов является одновременно осадочным, то он устраивается и в фундаментах спаренных колонн.

В одноэтажных зданиях ось поперечного деформационного шва совмещают с поперечной разбивочной осью ряда. Так же решают деформационные швы в перекрытиях многоэтажных зданий.

Продольные температурные швы в зданиях с железобетонным каркасом решают на двух продольных рядах колонн, а в зданиях со стальным каркасом – на одном ряде колонн.

Стены промышленных зданий

В зданиях бескаркасных и с неполным каркасом наружные стены являются несущими и выполняются из кирпича, крупных блоков или других камней. В зданиях с полным каркасом стены выполняют из тех же материалов самонесущими по фундаментным балкам или панельными – самонесущими или навесными. Наружные стены располагают с внешней стороны колонн, внутренние стены зданий опирают на фундаментные балки или на ленточные фундаменты.

В каркасных зданиях при значительной протяженности и высоте стен для обеспечения устойчивости между элементами основного каркаса вводят дополнительные стойки, иногда ригели, образующие вспомогательный каркас, называемый фахверком .

При наружном водостоке с покрытий продольные стены промышленных зданий выполняют с карнизами, а торцовые – с парапетными стенками. При внутреннем водоотводе парапеты возводят по всему периметру здания.

Стены из крупных панелей

Железобетонные ребристые панели предназначаются для неотапливаемых зданий и зданий с большими производственными тепловыделениями. Толщина стенки 30 миллиметров.

Панели для отапливаемых зданий применяют железобетонные утепленные или из легких ячеистых бетонов. Железобетонные утепленные панели имеют толщину 280 и 300 миллиметров.

Панели разделяются на рядовые (для глухих стен), панели-перемычки (для установки сверху и снизу оконных проемов) и парапетные.

На рис. 79 показан фрагмент стены каркасного панельного здания с ленточным остеклением.

Рис. 79. Фрагмент стены из крупных панелей

Заполнение оконных проемов панельных зданий производится преимущественно в виде ленточного остекления. Высота проемов принимается кратной 1,2 метров, ширина – равной шагу пристенных колонн.

При отдельных оконных проемах меньшей ширины применяются простеночные панели с размерами 0,75, 1,5, 3,0 метра в соответствии с размерами стандартных переплетов.

Окна, двери, ворота, фонари

Фонари

Для обеспечения освещения удаленных от окон рабочих мест и для аэрации (вентиляции) помещений в промышленных зданиях устраивают фонари.

Фонари бывают световые, аэрационные и смешанного типа:

Световые с глухими остекленными переплетами, служащие только для освещения помещений;

Светоаэрационные с открывающимися остекленными створками, служащие для освещения и проветривания помещений;

Аэрационные без остекления, применяемые только для целей аэрации.

Фонари могут быть различного профиля с вертикальным, наклонным или горизонтальным остеклением.

По профилю фонари бывают прямоугольные с вертикальным остеклением, трапециедальные и треугольные с наклонным остеклением, зубчатые с односторонним вертикальным остеклением. В промышленном строительстве обычно применяют прямоугольные фонари. (рис. 83).

Рис. 83. Основные схемы световых и светоаэрационных фонарей:

а – прямоугольный; б – трапециевидный; в – зубчатый; г – треугольный.

По расположению относительно оси здания различают фонари продольные и поперечные. Наибольшее распространение получили продольные фонари.

Отвод воды с фонарей бывает наружный и внутренний. Наружный применяют при фонарях шириной 6 метров или при отсутствии в здании внутреннего водоотвода.

Конструкция фонарей является каркасной и состоит из ряда поперечных рам, опирающихся на верхние пояса ферм или балок покрытия, и системы продольных связей. Конструктивные схемы фонарей и их параметры унифицированы. Для пролетов 12, 15, и 18 метров применяют фонари шириной 6 метров, для пролетов 24, 30 и 36 метров – шириной 12 метров. Ограждение фонаря состоит из покрытия, боковых и торцовых стенок.

Фонарные переплеты изготавливают стальными длиной 6000 миллиметров и высотой 1250, 1500 и 1750 миллиметров. Переплеты остекляют армированным или оконным стеклом.

Аэрацией называют естественный, управляемый и регулируемый воздухообмен.

Действие аэрации основывается:

На тепловом подпоре, возникающем вследствие разности температур внутреннего и наружного воздуха;

На высотном перепаде (разности центров вытяжных и приточных отверстий);

На действии ветра, который обдувая здание, создает на подветренной стороне разрежение воздуха (рис. 84).

Рис. 84. Схемы аэрации зданий:

а – действие аэрации при отсутствии ветра; б – то же, при действии ветра.

Недостатком светоаэрационных фонарей является необходимость закрывать переплеты с наветренной стороны, так как может происходить задувание ветром загрязненного воздуха обратно в рабочую зону.

Двери и ворота

Двери промышленных зданий по конструкции не отличаются от щитовых дверей гражданских зданий.

Ворота предназначаются для ввода внутрь здания транспортных средств и пропуска больших масс людей.

Размеры ворот определяются в соответствии с размерами перевозимого оборудования. Они должны превышать габариты подвижного состава в груженом состоянии по ширине на 0,5-1,0 метра, а по высоте – на 0,2 – 0,5 метра.

По способу открывания ворота бывают распашные, раздвижные, подъемные, шторные и т.д.

Распашные ворота состоят из двух полотнищ, навешенных посредством петель в воротной раме (рис. 81). Рама может быть деревянной, стальной или железобетонной.

Рис. 81. Распашные ворота:

1 – стойки железобетонной рамы, обрамляющей проем; 2 – ригель.

При отсутствии места для распахивания полотен ворота делают раздвижными. Раздвижные ворота бывают однопольные и двупольные. Полотна их имеют конструкция подобную распашным, но в верхней части снабжены стальными роликами, которые при открывании и закрывании ворот передвигаются по рельсу, прикрепленную к ригелю железобетонной рамы.

Полотна подъемных ворот – цельнометаллические, подвешены на тросах и двигаются по вертикальным направляющим.

Полотнище шторных ворот состоит из горизонтальных элементов, образующих стальную штору, которая при подъеме навертывается на вращающийся барабан, горизонтально расположенный над верхом проема.

Покрытия

В одноэтажных промышленных зданиях покрытия выполняются бесчердачными, состоящими из основных несущих элементов покрытия и ограждения.

В неотапливаемых зданиях и зданиях с избыточными производственными тепловыделениями ограждающие конструкции покрытий выполняются неутепленными, в отапливаемых зданиях – утепленными.

Конструкция холодного покрытия состоит из основания (настила) и кровли. В утепленное покрытие включают пароизоляцию и утеплитель.

Элементы настила подразделяют на мелкоразмерные (длиной 1,5 – 3,0 метра) и крупноразмерные (длиной 6 и 12 метров).

В ограждениях из мелкоразмерных элементов возникает необходимость применения прогонов, которые располагают вдоль здания по балкам или фермам покрытия.

Крупноразмерные настилы укладывают по основным несущим элементам и покрытия в этом случае называют беспрогонными.

Настилы

Беспрогонные железобетонные настилы выполняются из железобетонных предварительно напряженных ребристых плит шириной 1,5 и 3,0 метра и длиной, равной шагу балок или ферм.

В неутепленных покрытиях по верху плит устраивается цементная стяжка, по которой наклеивают рулонную кровлю.

В утепленных покрытиях в качестве утеплителя применяются малотеплопроводные материалы и устраивается дополнительная пароизоляция. Пароизоляция особенно необходима в покрытиях над помещениями с повышенной влажностью воздуха.

Мелкоразмерные плиты могут быть железобетонными, армоцементными или из армированных легких и ячеистых бетонов.

Рулонные кровли выполняются рубероидными. По верхнему слою рулонных кровель устраивается защитный слой гравия, втопленный в битумную мастику.

Также применяются настилы из листовых материалов.

Одним из таких настилов является стальной оцинкованный профилированный настил, укладываемый на прогонах (при шаге ферм 6 метров) или по решетчатым прогонам (при шаге 12 метров).

Скатные холодные покрытия часто выполняются из асбоцементных волнистых листов усиленного профиля толщиной 8 миллиметров.

Кроме того, применяются листы из волнистого стеклопластика и других синтетических материалов.

Водоотвод с покрытий

Водоотвод продлевает срок эксплуатации здания, предохраняя его от преждевременного старения и разрушения.

Водоотвод с покрытий промышленных зданий может быть наружным и внутренним.

В одноэтажных зданиях наружный водоотвод устраивают неорганизованным, а в многоэтажных – с применением водосточных труб.

Система внутреннего водоотвода состоит из водоприемных воронок и сети расположенных внутри здания труб, отводящих воду в ливневую канализацию (рис. 82).

Рис. 82. Внутренний водоотвод:

а – водоприемная воронка; б – чугунный поддон;

1 – корпус воронки; 2 – крышка; 3 – патрубок; 4 – воротник патрубка; 5 – чугунный поддон; 6 – отверстие для патрубка; 7 – мешковина, пропитанная битумом; 8 – рулонная кровля; 9 – заполнение расплавленным битумом; 10 – железобетонная плита покрытия.

Внутренний водоотвод устраивают:

В многопролетных зданиях с многоскатными крышами;

В зданиях, имеющих большую высоту или значительные перепады высот отдельных пролетов;

в зданиях с большими производственными тепловыделениями, вызывающими подтаивание снега на покрытии.

Полы

Полы в промышленных зданиях выбирают с учетом характера производственных воздействий на них и предъявляемых к ним эксплуатационных требований.

Такими требованиями могут быть: жаростойкость, химическая стойкость, водо- и газонепроницаемость, диэлектричность, неискримость при ударах, повышенная механическая прочность и другие.

Подобрать полы, удовлетворяющие всем необходимым требованиям, иногда бывает невозможно. В таких случаях в пределах одного помещения приходится применять полы различного типа.

Конструкция пола состоит из покрытия (одежды) и подстилающего слоя (подготовки). Кроме того, в конструкцию пола могут входить прослойки различного назначения. Подстилающий слой воспринимает через покрытие передаваемую на полы нагрузку и распределяет ее на основание.

Подстилающие слои бывают жесткие (бетонные, железобетонные, асфальтобетонные) и нежесткие (песчаные, гравийные, щебеночные).

При устройстве полов по междуэтажным перекрытиям основанием служат плиты перекрытий, а подстилающий слой или отсутствует вовсе, или его роль выполняют тепло- и звукоизоляционные слои.

Грунтовые полы применяют в складах и горячих цехах, где они могут подвергаться ударам от падения тяжелых предметов или соприкасаться с раскаленными деталями.

Каменные полы применяют в складах, где возможны значительные ударные нагрузки, или в зонах действия транспорта на гусеничном ходу. Полы эти прочные, но холодные и жесткие. Покрытием таких полов служат обычно брусчатка (рис. 85).

Рис. 85. Каменные полы:

а – булыжные; б – из крупной брусчатки; в – из мелкой брусчатки;

1 – булыжный камень; 2 – песок; 3 – брусчатка; 4 – битумная мастика; 5 – бетон.

Бетонные и цементные полы применяют в помещениях, где пол может подвергаться постоянному увлажнению или действию минеральных масел (рис. 86).

Рис. 86. Бетонные и цементные полы:

1 – бетонная или цементная одежда; 2 – бетонный подстилающий слой.

Асфальтовые и асфальтобетонные полы обладают достаточной прочностью, водостойкостью, водонепроницаемостью, эластичностью, легко ремонтируются (рис. 87). К недостатками асфальтовых полов относят их способность размягчаться при повышении температуры, вследствие чего их не устраивают в горячих цехах. Под действием длительных сосредоточенных нагрузок в них образуются вмятины.

Рис. 87. Асфальтовые и асфальтобетонные полы:

1 – асфальтовая или асфальтобетонная одежда; 2 – бетонный подстилающий слой.

К керамическим полам относятся клинкерные, кирпичные и плиточные полы (рис. 88). Такие полы хорошо сопротивляются действию высокой температуры, стойки против кислот, щелочей и минеральных масел. Их применяют в помещениях, требующих большой чистоты, при отсутствии ударных нагрузок.

Рис. 88. Полы из керамических плиток:

1 – керамическая плитка; 2 – цементный раствор; 3 – бетон.

Металлические полы применяют лишь на отдельных участках, где к полам прикасаются раскаленные предметы и в то же время нужна ровная твердая поверхность и в цехах при сильных ударных нагрузках (рис. 89).

Рис. 89. Металлические полы:

1 – чугунные плитки; 2 – песок; 3 – грунтовое основание.

Так же в промышленных зданиях могут применяться полы дощатые и из синтетических материалов . Применяются такие полы в лабораториях, инженерных корпусах, административных помещениях.

В полах с жестким подстилающим слоем во избежание появления трещин устраивают деформационные швы. Их располагают по линиям деформационных швов здания и в местах сопряжения полов разного типа.

Для прокладки инженерных коммуникаций в полах устраивают каналы.

Примыкание полов к стенам, колоннам и фундаментам станков делают с зазорами для свободной осадки.

В мокрых помещениях для стока жидкостей полам придают рельеф с уклонами по направлению к чугунным или бетонным водоприемникам, которые называются трапами. Трапы соединяют с канализацией. Вдоль стен и колонн необходимо устройство плинтусов и галтелей.

Лестницы

Лестницы промышленных зданий подразделяются на следующие виды:

- основные, применяемые в многоэтажных зданиях для постоянного сообщения между этажами и для эвакуации;

- служебные, ведущие на рабочие площадки и антресоли;

- пожарные наружные , обязательные при высоте здания более 10 метров и предназначенные для подъема на крышу бойцов пожарных команд (рис. 90).

Рис. 90. Пожарная лестница

- аварийные наружные , устраиваемые для эвакуации людей при недостаточном количестве основных лестниц (рис. 91);

Рис. 91. Аварийная лестница

Противопожарные преграды

Классификация зданий и помещений по взрывопожарной и пожарной опасности применяется для установления требования пожарной безопасности, направленных на предотвращение возможности возникновения пожара и обеспечения противопожарной защиты людей и имущества в случае возникновения пожара. По взрывопожарной и пожарной опасности помещения подразделяются на категории А, Б, В1-В4, Г и Д, а здания на категории А, Б, В, Г и Д.

Категории помещений и зданий определяются, исходя из вида находящихся в помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, а также, исходя из объемно-планировочных решений помещений и характеристик проводимых в них технологических процессов.

Противопожарные преграды устраивают с целью предотвратить распространение по зданию огня в случае возникновения пожара. Горизонтальными преградами в многоэтажных зданиях служат несгораемые перекрытия. Вертикальными преградами являются противопожарные стены (брандмауэры).

Брандмауэр предназначается для предотвращения распространения пожара из одного помещения или здания в смежное помещение или здание. Брандмауэры выполняются из несгораемых материалов – камня, бетона или железобетона, и должны иметь предел огнестойкости не менее четырех час. Брандмауэры должны опираться на фундаменты. Брандмауэры делаются на всю высоту здания, разделяя сгораемые и трудносгораемые покрытия, перекрытия, фонари и другие конструкции и должны возвышаться над сгораемыми кровлями не менее чем на 60 сантиметров, а над несгораемыми кровлями на 30 сантиметров. Двери, ворота, окна, крышки люков и другие заполнения проемов в брандмауэрах должны быть несгораемыми с пределом огнестойкости не менее 1,5 часа. Брандмауэры рассчитываются на устойчивость в случае одностороннего обрушения при пожаре перекрытий, покрытий и других конструкций (рис. 92).

Рис. 92. Брандмауэры:

а – в здании с несгораемыми наружными стенами; б – в здании со сгораемыми или трудносгораемыми наружными стенами; 1 – гребень брандмауэра; 2 – торцовый брандмауэр.

Контрольные вопросы

1. Назовите конструктивные схемы промышленных зданий.

2. Назовите основные типы каркасов промышленных зданий.

3. Какие существуют виды стен промышленных зданий?

ЛЕКЦИЯ 8 . КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Теплицы и парники

Теплицы и парники представляют собой застекленные сооружения, в которых искусственно создаются нужные климатические и почвенные условия, позволяющие выращивать ранние овощи, рассаду и цветы.

Здания теплиц строят преимущественно из сборных железобетонных остекленных панелей, скрепленных между собой сваркой закладных деталей.

Конструкция парника состоит из сборных железобетонных рам, устанавливаемых в грунт по длине парника и сборных железобетонных парубней (продольный лежень парника), укладываемых на консоли рам. Съемные остекленные парниковые рамы выполняются деревянными (рис. 94).

Рис. 94. Парник из сборных железобетонных элементов:

1 – железобетонные рамы; 2 – железобетонный парубень северный; 3 – то же, южный;

4 – песок; 5 – питательный слой грунта; 6 – отопительные трубы в слое песка;

7 – остекленная деревянная рама.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Маклакова Т. Г., Нанасова С. М. Конструкции гражданских зданий: Учебник. – М.: Издательство АСВ, 2010. – 296 с.

2. Будасов Б. В. , Георгиевский О. В., Каминский В. П. Строительное черчение. Учеб. для вузов / Под общ. ред. О. В. Георгиевского. – М.: Стройиздат, 2002. – 456 с.

3. Ломакин В. А. Основы строительного дела. – М.: Высшая школа, 1976. – 285 с.

4. Красенский В.Е., Федоровский Л.Е. Гражданские, промышленные и сельскохозяйственные здания. – М.: Стройиздат, 1972, – 367 с.

5. Короев Ю. И Черчение для строителей: Учеб. для проф. Учеб. заведений. – 6-е изд., стер. – М.: Высш. шк., Изд. Центр «Академия», 2000ю – 256 с.

6. Чичерин И. И. Общестроительные работы: учебник для нач. проф. Образования. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 416 с.

ЛЕКЦИЯ 6. КОНСТРУКЦИИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

В зависимости от конструктивной схемы и статической работы несущие конструкции покрытий можно разделить на плоскостные (работающие в одной плоскости) и пространственные.

Плоскостные конструкции

К этой группе несущих конструкций относятся балки, фермы, рамы и арки. Они могут выполняться из сборного и монолитного железобетона, а также металлическими или деревянными.

Балки и фермы совместно с колоннами образуют систему поперечных рам, продольная связь между которыми осуществляется плитами покрытия и ветровыми связями.

Наряду со сборными рамами в ряде зданий уникального характера при повышенных нагрузках и больших пролетах применяют монолитные железобетонные или металлические рамы (рис. 48).

Рис. 48. Большепролетные конструкции:

а - рама железобетонная монолитная двухшарнирная.

Для перекрытия пролетов свыше 40 метров целесообразно использовать арочные конструкции. Арки конструктивно можно разделить на двухшарнирные (имеющие шарниры на опорах), трехшарнирные (с шарнирами на опорах и в середине пролета) и бесшарнирные.

Арка работает в основном на сжатие и передает на опоры не только вертикальную нагрузку, но и горизонтальное давление (распор).

По сравнению с балками, фермами и рамами арки имеют меньший вес и экономичнее по расходу материалов. Арки применяются в конструкциях в сочетании со сводами и оболочками.