![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Каркасы стальные
Общие положения Основная область применения стальных каркасов - многоэтажные жилые и общественные здания различного назначения. Если для зданий высотой до 30 этажей чаще применяют железобетонные каркасы, то для зданий с большей этажностью целесообразно применять стальные каркасы. По мере увеличения высоты здания влияние горизонтальных нагрузок возрастает и решающими становятся требования по обеспечению жесткости несущих конструкций. Стальные каркасы имеют некоторые преимущества в сравнении с железобетонными, к которым относятся: - относительно меньший вес, в связи с чем уменьшаются усилия в конструктивных элементах, снижаются масса и стоимость фундаментов, имеется возможность членения конструкций на монтажные элементы (блоки) более крупных размеров; - конструктивные удобства крепления ограждающих конструкций и инженерных коммуникаций; возможность размещения в пределах габаритов колонн вертикальных коммуникаций, а в пределах высоты перекрытий - горизонтальных; - малые размеры сечений колонн, что в некоторых случаях позволяет скрыть их в стене (перегородке); - возможность создания (без резкого увеличения материалоемкости) большепролетных перекрытий, допускающих гибкость планировочных решений. Основная проблема применения стальных каркасов - малая огнестойкость и подверженность коррозии стали - обуславливает необходимость дополнительных затрат на защиту конструкций. Применение огнезащитных покрытий, использование спринклерных установок может несколько снизить эти затраты. Конструктивные элементы каркасов. Колонна - основной элемент каркаса здания, воспринимающий преимущественно сжимающие усилия, иногда с изгибом. Колонны оказывают решающее влияние на конструирование несущей системы и на ее показатели, поэтому при выборе типа колонн нужно учитывать технологические и экономические требования. Применяемые типы сечений сплошных и сквозных колонн показаны на рис. 12.17. Сплошные колонны могут быть прокатными или составными, когда они образуются из нескольких прокатных профилей или листов. Большинство сечений - сплошные составные, образуемые автоматической сваркой.
Рис. 12.17. Типы сечений стальных колонн: а-г - сплошные из прокатных профилей; д-к - сплошные сварные из листов; л-п - сплошные сварные из профилей; р-т - сплошные сварные из листов и профилей; у-ш - сквозные из профилей и накладок (вставок)
Сквозные колонны (рис. 12.17 у-ш) - как менее компактные и более трудоемкие - используются в современных каркасах реже, преимущественно в уникальных зданиях небольшой этажности. Выбор типа сечения зависит от вида и соотношения внутренних усилий (продольная сила, изгибающий момент), от значения расчетных длин, удобства крепления ригелей. Если изгибающие моменты отсутствуют или малы, а расчетные длины не превышают обычной высоты этажа (3-4 м), выбирают компактные сечения с небольшой гибкостью (30-50). Толщину листов в составных сечениях принимают обычно не более 60 мм, а отношение габаритов сечения к расчетной длине не менее 1/15, чему соответствуют гибкости 40-60 (в зависимости от типа сечения). Двутавровый профиль - самая распространенная форма сечения колонн. Она особенно удобна при необходимости крепления к колоннам балок в двух направлениях, так как все элементы двутавра доступны для постановки болтов. Прямоугольные коробчатые профили применяются для колонн при больших продольных усилиях и изгибе в обоих направлениях или при большой свободной длине колонн. Сплошной квадратный профиль, позволяющий делать колонны с наименьшими габаритами сечения, обладает высокой степенью огнестойкости при ограниченной защите. Крестообразные профили, благодаря полной симметрии и своеобразной форме поперечного сечения, часто применяются из эстетических соображений, особенно для колонн, которые размещены на пересечении перегородок и должны быть скрыты в них. Профили круглого полого сечения (трубы) выгодны с расчетной точки зрения, так как во всех направлениях они имеют одинаковые геометрические характеристики. Сквозные сечения применяются для колонн каркасов высотных зданий, если балки должны проходить между ветвями колонн или предусматривается прокладка технического оборудования внутри колонн. Базы колонн. База является опорной частью колонны и служит для распределения сосредоточенного давления от стержня колонны по площади фундамента, обеспечивая закрепление нижнего конца колонны в соответствии с принятой расчетной схемой. В зависимости от типа и высоты сечения колонны применяют базы: без траверс, с общими или раздельными траверсами, с одностенчатыми или двухстенчатыми траверсами (рис. 12.18). Рис. 12.18. Схемы баз колонн: а, б - без траверс; в - одностенчатая; г - двухстенчатая с раздельными траверсами; д - двухстенчатая с общими траверсами
Конструктивное решение базы зависит от способа ее сопряжения с фундаментом и принятого метода монтажа колонн. С помощью базы осуществляется шарнирное или жесткое сопряжение колонн с фундаментами. Базы колонн при шарнирном сопряжении с фундаментом имеют наиболее простую конструкцию (рис. 12.19 а-в). Для центрально сжатых колонн со значительным усилием может быть применена база, состоящая из толстой стальной опорной плиты. Ребра жесткости и соединительные траверсы создают более равномерную передачу силового потока от колонны к плите. Особенность всех шарнирных баз состоит в том, что анкерные болты (их обычно два) крепят базу к фундаменту непосредственно за опорную плиту.
Рис. 12.19. Типы баз колонн: а - при шарнирном сопряжении с фундаментом с толстой опорной плитой; б - с плитой и ребрами жесткости; в - с боковыми траверсами; г - при жестком сопряжении с фундаментом, с боковыми траверсами; 1 - отверстия для анкерных болтов; 2 - опорная плита; 3 - траверса; 4 - ребро жесткости; 5 - прижимная планка; 6 - анкерный болт
Базы колонн при жестком сопряжении с фундаментом крепятся с помощью не менее четырех анкерных болтов и прижимных планок (рис. 12.19 г). Жесткое сопряжение устраивают для внецентренно сжатых колонн, которые могут передавать изгибающие моменты. С этой целью траверсы приходится развивать в направлении действия момента. При относительно небольших опорных моментах траверсы делают из листов толщиной 10-12 мм или швеллеров. Толщину опорной плиты базы определяют расчетом, однако из конструктивных соображений ее не принимают менее 20 мм. Обычно базы колонн устанавливают на 0, 5-1 м ниже отметки пола первого этажа и обетонируют для защиты от коррозии. Анкерные болты. При шарнирном сопряжении колонн с фундаментом анкерные болты выполняют установочную функцию, фиксируя положение базы относительно фундамента. Размеры таких болтов назначают конструктивно, принимая диаметр 20-30 мм. Отверстия или вырезы для болтов в опорной плите базы делают в 1, 5 раза больше диаметра болтов. Глубину заделки болтов в бетоне принимают равной 15-20 диаметрам болта. Способы заделки анкерных болтов в фундаменте представлены на рис. 12.20. Рис. 12.20. Тип анкерных болтов: а - с заделкой анкера с отогнутым нижним концом через сцепление; б, в - с заделкой анкера с помощью шайб; г - с помощью приваренных стержней
Стыки колонн делают из-за ограниченной длины прокатной стали (заводские стыки) и для деления колонны на отправочные элементы длиной не более 18 м по условиям перевозки (монтажные стыки). Заводские стыки осуществляют сварными с прямым стыковым швом с полным проваром. Монтажные стыки колонн, по условиям унификации и удобства монтажа, размещают, как правило, на одном горизонтальном уровне выше ригеля на 0, 6-1, 0 м. Стыки, где не возникают растягивающие напряжения, выполняются болтовыми или сварными. Балки представляют собой простейшую конструктивную форму, используемую как несущий элемент перекрытий (покрытий). В каркасах балки служат ригелями рам, образуемых совместно с колоннами. Балки работают преимущественно на изгиб. Продольные силы в балках, как правило, незначительны и появляются от горизонтальных ветровых нагрузок, передаваемых от наружных стен через колонны. Система несущих балок в перекрытии называется балочной клеткой, которая бывает нормальной или усложненной. В балочной клетке нормального типа вертикальная нагрузка на ригели рам передается через второстепенные балки. Ригели рам в перекрытии такого типа называются главными балками. В балочной клетке усложненного типа применяют балки трех видов с соответствующей передачей нагрузок: балки настила, второстепенные и главные. Балки классифицируют следующим образом: - по типу сечения: прокатные, составные (рис. 12.22); - по высоте поперечного сечения: постоянной высоты, переменной высоты; - по виду стенки: со сплошной, с перфорированной стенкой, с отверстиями; - по статическому признаку: разрезные, неразрезные, консольные.
Рис. 12.22. Балки стальных каркасов: а-е - формы балок из прокатных профилей; ж - сварные перфорированные балки; з - типы сечений балок из прокатных профилей; и - сечения сварных балок из листов; к - балка из швеллеров и листов
При пролетах до 12 м балки проектируют сплошными из обычных и широкополочных двутавров, одиночных или спаренных швеллеров (рис. 12.22 з). Балочные двутавры с уклоном внутренних граней полок имеют ограниченные возможности по величине пролета. Широкополочные двутавры с параллельными гранями полок лишены такого недостатка, так как имеют высоту сечения до 1 м. На предварительной стадии проектирования высоту прокатных балок для междуэтажных перекрытий назначают в зависимости от величины перекрываемого пролета: главных балок - 1/10-1/15 от пролета, второстепенных балок - 1/20-1/24 от пролета. При недостаточной несущей способности и жесткости прокатных балок изготавливают составные сварные балки. Простейшая составная балка состоит из трех листов: вертикального (стенки) и двух горизонтальных поясов; более сложная замкнутого сечения - из четырех листов (рис. 12.22 и). При больших пролетах и малых нагрузках, размещении инженерных коммуникаций в пределах высоты перекрытия целесообразны перфорированные балки из широкополочных двутавров (рис. 12.22 ж). Их получают путем разрезания стенки горячекатаного профиля в продольном направлении по ломаной линии. Затем обе части сдвигают относительно друг друга до соединения гребней впритык, после чего они свариваются. В зависимости от формы линии, по которой производится разрезка стенки, можно получать различные формы отверстий (перфораций) и различную высоту балки. Оптимальная высота составляет полуторную высоту исходной балки. Для увеличения высоты сечения перфорированной балки между гребнями вставляются прямоугольные пластины. Сопряжение главных и второстепенных балок может быть этажным, когда вспомогательные балки располагаются над главными (рис. 12.23 е, л); в одном уровне, когда верхние пояса вспомогательных и главных балок находятся в одной плоскости (рис. 12.23 з-к, н-р); пониженным, когда пояс вспомогательной балки располагается ниже пояса главной балки (рис. 12.23 ж, м). Этажное сопряжение балок отличается простотой исполнения, но вызывает увеличение строительной высоты перекрытия и, соответственно, здания.
Рис. 12.23. Сопряжения вспомогательных балок с главными. Приемы креплений: а - болтовое с помощью уголков; б - болтовое односрезное с помощью приваренного вертикального листа; в - болтовое двухсрезное; г - болтовое через торцовый лист вспомогательной балки; д - сварное крепление к стенке главной балки. Шарнирные сопряжения: е - этажное опирание с фиксацией болтами; ж - пониженное болтовое; з-к - одноуровневые болтовые. Жесткие сопряжения: л - этажное опирание неразрезной второстепенной балки; м - пониженное опирание с верхним накладным листом; н - одноуровневое болтовое с верхним накладным листом; о - то же, с верхним и нижним листами; п, р - одноуровневые сварные
В месте сопряжения двух балок поперечная сила прикрепляемой второстепенной балки должна быть передана на главную балку. Для балок с шарнирным опиранием наиболее распространены следующие приемы сопряжений: болтовые с помощью уголков или приваренных вертикальных листов и сварные (рис. 12.23 а-к). Жесткие сопряжения, передающие поперечные силы и изгибающие моменты, изображены на рис. 12.23 л-р. При необходимости получения больших внутренних безопорных пространств (помещений) в качестве ригелей рам каркасов применяют фермы (рис. 12.24). Безраскосные фермы на высоту этажа изготавливают из прокатного профиля (двутавра) с помощью сварки. При работе под нагрузкой пояса и стойки таких ферм испытывают продольные усилия и изгибающие моменты, что необходимо учитывать при проектировании каркаса. Для перекрытия больших пролетов и прокладки горизонтальных коммуникаций в пределах высоты перекрытия применяются раскосные фермы, высоту которых принимают в пределах 1/8-1/10 пролета (рис. 12.24 г, д).
Рис. 12.24. Фермы стальных каркасов: а - безраскосная ферма (балка Виренделя), сварная из прокатного двутавра; б - узлы безраскосной фермы при необходимости увеличения жесткости и несущей способности; в - безраскосная ферма под большие нагрузки (сварная из листовой и широкополосной стали); г - ферма с нисходящими раскосами; д - ферма с треугольной решеткой; е-м - типы сечений ферм; н-р - варианты узлов ферм
Компоновка элементов каркаса во многом зависит от архитектурно-планировочных требований и определяется формой здания. Характерные для стальных каркасов типы компоновок представлены на рис. 12.25. Рис. 12.25. Схемы компоновки стальных каркасов: а-г - с поперечными основными рамами; д-з - с продольными рамами; и-м - с рамами в двух направлениях; н-р - с рамами в трех направлениях (на треугольной сетке колонн); с-ц - с комбинированными расположением и пролетами рам; ч - с рамами в трех направлениях (для треугольного в плане здания); ш - с веерообразным расположением рам; э - с рамами по радиальным и кольцевым направлениям
В каркасных зданиях компоновка колонн определяет систему горизонтальных элементов каркаса - балок. Главные балки совместно с колоннами образуют основную систему, выполняя функции несущих элементов вертикальных рам. Пролеты главных балок могут достигать 15 м. В зависимости от размеров основной планировочной ячейки каркаса она может быть разделена второстепенными балками с образованием балочной клетки. Эти балки имеют пролеты 6-12 м и располагаются с шагом 2-3 м. При этом чем больше их пролет, тем меньше шаг, и наоборот. Конструкции несущих систем каркасных зданий выбираются в соответствии со схемой передачи усилий в виде поперечных, продольных и пространственных рам (в двух или трех направлениях). В системах с поперечными рамами (одно-, двух-, трехпролетными) вертикальные нагрузки передаются этим рамам, которые одновременно воспринимают и основную часть горизонтальных нагрузок (рис. 12.25 а). По мере увеличения шага рам необходимо переходить на балочные клетки (рис. 12.25 б-г), в которых второстепенные балки передают вертикальные нагрузки на главные балки - ригели рам. Такой подход характерен для жестких (рамных) каркасов. Второстепенные балки чаще всего располагают в третях или четвертях основного пролета. В несущих системах с продольными рамами (рис. 12.25 д-з) вертикальные нагрузки передаются рамам, параллельным длинной стороне здания, а поперечные рамы работают, в основном, на горизонтальные нагрузки. Если сетка колонн и форма плана здания близки к квадрату, то обычно применяют несущие системы, работающие в двух направлениях (рис. 12.25 и-м). В целях распределения вертикальных нагрузок по обоим направлениям расположение главных и второстепенных балок можно менять поэтажно. В треугольном по плану здании главные балки могут располагаться в двух или трех направлениях параллельно каждой из наружных стен, а второстепенные - перпендикулярно им или под углами в 30° и 60° (рис. 12.25 н-р, ч). Каркасное здание усеченной элиптической формы (рис. 12.25 ш) требует устройства необычного веерообразного расположения главных балок и рам, которые воспринимают вертикальные нагрузки и основную часть горизонтальных нагрузок. Естественно стремление в зданиях, близких к форме круга (рис. 12.25 э), создать систему радиальных рам и связывающих их балок по кольцевым направлениям или, наоборот, кольцевых рам и радиальных балок. Членение конструкций каркаса на отправочные элементы (рис. 12.26) при ограничении веса и габаритов должно обеспечивать максимальную степень их заводской готовности. При определении габаритов отправочных элементов принимают во внимание особенности транспортировки и монтажа конструкций конкретного объекта строительства. Наиболее часто используют схему с линейными отправочными элементами (рис. 12.26 а), имеющую преимущество транспортировки и складирования. Другие схемы членения каркаса уступают линейной, но имеют свои преимущества.
Рис. 12.26. Схемы членения стальных каркасов на отправочные элементы
Для ускорения и повышения качества монтажа отправочные элементы на строительной площадке укрупняют в монтажные блоки массой до 15-20 т в специальных стендах и кондукторах, обеспечивающих высокую точность укрупнительной сборки. Монтажные блоки могут быть плоскостными и пространственными (рис. 12.27).
Рис. 12.27. Членение каркаса на монтажные блоки и элементы
В современной практике строительства зданий из стали применяются рамные, связевые и рамно-связевые типы каркасов (рис. 12.28 а-в). При проектировании стального каркаса в силу различных причин не всегда сохраняется регулярность системы и единый принцип ее построения. В высоких зданиях возможны нарушения регулярности в виде выступов и углублений в плане, уступов и консольных выносов по высоте, смещений осей и некоторых колонн и ригелей, изменения схемы работы системы по высоте здания, по поперечному или продольному направлению и т.д. (рис. 12.28 г-ж).
Рис. 12.28. Конструктивно-статические схемы стальных каркасов и их возможные сочетания: а - рамный; б - связевый; в - рамно-связевый; г, д - разделение каркаса на крупные зоны с разными системами по высоте; е, ж - местные изменения в системе
В некоторых архитектурно-конструктивных решениях применяют стальные каркасы с наклонными колоннами. В этих случаях необходим учет передачи горизонтальных усилий на каркас от наклонных колонн. Горизонтальные усилия тем больше, чем сильнее колонны отклоняются от вертикали. В зданиях с симметричными каркасами (рис. 12.29 а, б) горизонтальные усилия от нагрузки взаимно погашаются. В несимметричных каркасах (рис. 12.29 в) требуется мощная жесткая несущая конструкция, способная воспринять горизонтальные усилия. Парные наклонные колонны, например, для образования проезда (рис. 12.29 г) эффективно увеличивают жесткость здания против ветровых горизонтальных нагрузок; V-образные опорные колонны (рис. 12.29 д) также хорошо сопротивляются горизонтальным усилиям. В зданиях воронкообразной формы с наклонными колоннами создаются значительные горизонтальные силы, которые при симметричном решении каркаса могут быть, в основном, восприняты мощными затяжками (рис. 12.29 е).
Рис. 12.29. Каркасы с наклонными колоннами: а, б - симметричные; в - несимметричный; г - с парными симметричными внутриконтурными колоннами; д - с V-образными парными опорными колоннами; е - с наклонными симметричными колоннами в верхней части каркаса
Огнестойкость открытых стальных конструкций каркасов, как правило, не соответствует требованиям, установленным для многоэтажных зданий. Защита стальных элементов от огня обычно выполняется: - напылением (окраской) или оштукатуриванием специальными красками, пастами, растворами с толщиной слоя от нескольких долей миллиметра до 2-3 см (Приложение 8); - облицовкой плитами из гипса, асбестоцемента, вермикулита, кремневермикулита, базальтовой минеральной ваты и т.п. Огнезащитные покрытия, выполненные современными штукатурными растворами, способны повысить огнестойкость конструкций до 3 часов (R180). К достоинствам таких покрытий относится их способность в обычных («непожарных») условиях выполнять роль тепло- и звукоизоляции. Одними из принципиально новых огнезащитных плитных материалов являются вермикулитово-силикатные плиты «Минпласт», обладающие малым весом, низким коэффициентом теплопроводности, высокой прочностью и морозостойкостью. Материал имеет отделочное покрытие (пластик, полимерные пленки, металлические листы и др.). При толщине 50 мм плиты «Минпласт» придают стальным элементам огнестойкость в 2, 5 часа. Технология облицовки предусматривает раскрой плит по размерам, заделку стыков специальным клеевым составом, крепление плит между собой с помощью саморезов. В исключительных случаях применяется способ повышения огнестойкости, при котором полости стальных колонн трубчатого (коробчатого) сечения заполняются водой, начинающей автоматически циркулировать при пожаре. Способ позволяет повысить предел огнестойкости стальных конструкций до 1, 5 часов без применения дополнительных мероприятий по огнезащите. Коррозионный износ стальных каркасов многоэтажных зданий незначителен и не оказывает существенного влияния на прочность и долговечность. Стальные элементы конструкций преимущественно имеют достаточно мощные сечения из толстой стали, находятся внутри здания в неагрессивной среде и требуют лишь грунтовки. Кроме того, противопожарный защитный слой, нанесенный на поверхность элементов, обеспечивает одновременно и их защиту от коррозии. Стальные элементы зданий, которые по нормам не требуют специальной огнезащиты, необходимо защищать от коррозии. Способы защиты металлических конструкций от коррозии приведены в Приложении 9.
|