Общая характеристика каркасов производственных зданий и основные требования, предъявляемые к их конструкциям

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАРКАСОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИХ КОНСТРУКЦИЯМ

Введение

каркас конструкция производственный здание

Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны.

По числу пролетов одноэтажные здания подразделяются на однопролетные и многопролетные (с пролетами одинаковой и разной высоты). В настоящее время строится больше многопролетных (с числом пролетов два и более) зданий.

Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепятся к каркасу здания.

Каркас, т. е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и передающий на фундаменты нагрузки от веса ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия, нагрузки от внутрицехового транспорта (мостовые, подвесные, консольные краны), температурные технологические воздействия и т.п., может выполняться из железобетона, смешанным (т.е. часть конструкций -- железобетонные, часть -- стальные) и стальным. Выбор материала каркаса является важной технико-экономической задачей.

Пример конструктивной схемы стального каркаса двухпролетного производственного здания показан на рис. 1.

По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бескрановые, с мостовыми кранами, с подвесными кранами, с подвесными конвейерами. Выбор вида транспорта определяется массой грузов, траекториями их перемещения. При стабильных, многократно повторяющихся траекториях наиболее удобны наземные и подвесные конвейеры, и значительное число современных зданий оборудуется именно таким транспортом. Для перемещения грузов с большой массой по разнообразным траекториям оказываются более целесообразными мостовые и подвесные краны, с помощью которых груз может быть доставлен в любую точку цеха. Такие же перемещения могут обеспечивать козловые И полукозловые краны, но их использование требует исключения части площади цеха из технологического процесса в целях безопасной эксплуатации.

Многие современные производственные здания характеризуются большими пролетами, большой высотой помещений, большими нагрузками от мостовых кранов.

Например, конверторный цех (с тремя конверторами объемом 400 м3) занимает площадь около 3 га и представляет собой многопролетное многоэтажное здание с пролетами шириной 15--30 м и высотой до 80 м. Здание оборудовано мостовыми кранами грузоподъемностью до 450 т. В машиностроительной промышленности есть здания высотой 40--60 м и мостовыми кранами грузоподъемностью до 1200 т.

Конструкция здания должна полностью удовлетворять назначению сооружения, быть надежной, долговечной и наиболее экономичной.

Рис. 1. Конструктивная схема каркаса двухпролетного производственного здания

/ -- колонны; 2 -- стропильные фермы; 3. --подкрановые балки; 4 -- светоаэрационные фонари; 5 --связи между колоннами

1. Эксплуатационные требования, требования надежности и долговечности

В промышленных зданиях по сравнению с другими наиболее существенно влияние технологии производства на конструктивную схему каркаса, и поэтому часто конструктивная форма полностью определяется габаритами и расположением оборудования, внутрицеховым транспортом, путями перемещения деталей и готовой продукции. Технологии производства различной продукции весьма разнообразны, а эксплуатационные требования почти всегда конкретны, специфичны именно для данного производства. Однако некоторые требования являются общими для всех производств:

удобство обслуживания и ремонта производственного оборудования, что требует соответствующего расположения колонн, подкрановых путей, связей и других элементов каркаса;

нормальная эксплуатация кранового оборудования и других подъемых механизмов, включая доступность его осмотра и ремонта;

необходимые условия аэрации и освещения зданий;

долговечность конструкций, которая зависит в основном от степени агрессивности внутрицеховой среды;

относительная безопасность при пожарах и взрывах.

Чрезвычайно большое влияние на работу каркаса здания оказывают краны. Являясь динамическими, многократно повторяющимися и большими по величине, крановые воздействия часто приводят к раннему износу и повреждению конструкций каркаса, особенно подкрановых балок. Поэтому при проектировании каркаса здания необходимо особо учитывать режим работы мостовых кранов, который зависит от назначения здания и производственного процесса в нем.

Мостовые краны могут быть с ручным приводом (при малой грузоподъемности) и электрические. Режим работы кранов с электрическим приводом определяется интенсивностью их работы, которая численно оценивается коэффициентами использования по грузоподъемности (отношение средней массы груза за смену к грузоподъемности), годовым (отношение числа дней работы за год к 360) и суточным (отношение числа часов работы в сутки к 24), относительной продолжительностью включения двигателя крана (отношение времени работы механизма в течение цикла к продолжительности цикла), количеством включений механизма в час. Учитываются и некоторые специфические условия эксплуатации (например, взрывоопасность помещений, повышенные температуры и т. п.).

Краны с электрическим приводом могут работать в четырех режимах (независимо от грузоподъемности):

легком (Л) -- работают с большими перерывами, редко поднимая грузы, масса которых близка к грузоподъемности. Это обычно краны, не связанные с технологией производства, а предназначенные для кратковременных монтажных и ремонтных работ;

среднем (С) -- обеспечивают технологический процесс в механических и сборочных цехах со среднесерийным производством;

тяжелом (Т) -- работают в цехах с крупносерийной продукцией (механосборочные, кузнечно-прессовые и т. п.), а также в некоторых цехах металлургического производства;

весьма тяжелом. (ВТ) -- все численные характеристики режима работы близки к единице. Это обычно краны цехов металлургического производства, в том числе и краны с жестким подвесом груза (например, клещевые краны зданий нагревательных колодцев прокатных цехов).

Краны легкого, среднего, тяжелого режимов работы имеют гибкий подвес груза.

Режим работы кранов и тип подвеса груза учитываются при проектировании каркасов. Например, при кранах весьма тяжелого режима работы должны быть обеспечены большая продольная и поперечная жесткость каркаса, большая надежность и выносливость подкрановых балок.

В связи с этим перед началом проектирования каркаса должны быть получены исчерпывающие данные о транспортном оборудовании и подсчитано число циклов нагружения конструкций за нормативный срок их эксплуатации (цикл нагружения -- изменение напряжения от нуля через максимум до нуля). За количество циклов для подкрановых конструкций можно принимать число подъемов груза за срок службы.

На работу и долговечность строительных конструкций здания большое влияние оказывает внутрицеховая среда. Степень агрессивного воздействия внутрицеховой среды на стальные конструкции определяется скоростью коррозионного поражения незащищенной поверхности металла, мм/год. В зависимости от концентрации агрессивных газов и относительной влажности установлены четыре степени агрессивности среды для стальных конструкций: неагрессивная (скорость коррозии незащищенного металла до 0,01 мм/год), слабая (до 0,05 мм/год), средняя (до 0,1 мм/год) и сильная (свыше 0,1 мм/год).

При проектировании зданий с сильной степенью агрессивности среды особое внимание обращается на выбор марки стали, достаточно стойкой против коррозии при определенном составе агрессивной среды, конструктивную форму элементов каркаса, эффективные защитные покрытия.

В некоторых зданиях стальные конструкции подвергаются высоким тепловым воздействиям (нагрев до температуры 150°С и выше), случайным воздействиям расплавленного металла или огня. При нагреве стальных конструкций до температуры свыше 100--150 °С разрушается их защитное лакокрасочное покрытие, при нагреве свыше 200--300 °С происходят искривление и коробление элементов (особенно при неравномерном нагреве), а при нагреве свыше 400--500°С происходит падение прочностных свойств стали. При проектировании металлических конструкций таких зданий нужно предусматривать специальную защиту конструкций от чрезмерного нагрева. При длительном воздействии лучистой или конвекционной теплоты или при кратковременном непосредственном, воздействии огня применяют подвесные металлические экраны, футеровки из кирпича или жаропрочного бетона; от брызг расплавленного металла и при опасности его прорыва конструкции защищают облицовками из огнеупорного кирпича или жароупорного бетона.

При проектировании зданий, эксплуатируемых в условиях низких температур (климатический пояс с расчетными температурами от минус 40 до минус 65 °С), учитывая возможность хрупкого разрушения стали, выбирают соответствующие марки стали, проверяют конструкции на хрупкое разрушение, предусматривают дополнительные связи, сокращают размеры температурных отсеков, а также предусматривают мероприятия, уменьшающие концентрацию напряжений.

При проектировании каркасов зданий со взрывоопасным производством предусматривается возможность «сбрасывания» части конструкций при взрыве без полного разрушения каркаса.

В пожароопасных помещениях при проектировании каркаса учитывается, что сталь при пожаре почти полностью теряет прочность. В таких зданиях несущие конструкции отодвигаются от возможных очагов пожара и защищаются от воздействия огня.

Требования достаточной надежности (прочности, устойчивости, выносливости, малой деформативности) для каркасов производственных зданий имеют некоторые особенности. Это требования повышенной жесткости каркасов зданий с кранами весьма тяжелого режима работы, введение различных коэффициентов условий работы в зависимости от условий эксплуатации конструкций, их элементов и соединений, необходимость расчета некоторых конструкций на выносливость и т. д.

По степени ответственности большинство производственных зданий относится ко второму классу, и при расчете их конструкций вводится коэффициент надежности по назначению 7н=0,95. Исключениями являются главные здания ТЭЦ и АЭС, относящиеся к первому классу, и складские помещения без процессов сортировки, относящиеся к третьему классу.

2. Экономические факторы

К экономическим факторам относятся прежде всего затраты, связанные с возведением сооружения, включающие стоимость материалов, изготовления, перевозки и монтажа конструкций. Необходимо учитывать эффект, получаемый от сокращения времени строительства и более раннего начала производства продукции, а также расходы, связанные с поддержанием сооружения в состоянии, обеспечивающем условия его нормальной эксплуатации в течение всего срока службы.

Эти факторы очень сложны и часто противоречат один другому (например, расход стали и трудоемкость изготовления конструкций; затраты на возведение сооружения и расходы на поддержание конструкций в необходимом состоянии и т.д.). При проектировании конструкций здания все это должно учитываться, и необходимо найти оптимальное технико-экономическое решение, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям.

На изготовление каркасов расходуется более 50 % всей стали, используемой для стальных строительных конструкций. Значительную часть стоимости конструкций составляет стоимость стали. Поэтому для обеспечения экономичности требуется найти такие конструктивные формы, которые обеспечивают наименьшую массу каркаса. Эти вопросы решаются при компоновке каркаса, проектировании отдельных элементов и их соединений. Основными направлениями решения этих задач можно считать использование сталей повышенной прочности, эффективных видов проката, применение принципа концентрации материала, использование предварительного напряжения.

Трудоемкость и стоимость изготовления любой промышленной продукции зависит в основном от однотипности, серийности изделий. Поэтому задача снижения трудоемкости и стоимости изготовления конструкций требует возможно большего сокращения типоразмеров конструкций, т. е. унификации их. Уменьшение количества типоразмеров конструкций ускоряет монтажные работы и снижает их стоимость. Оптимальное решение, учитывающее одновременно стоимость металла, изготовления и монтажа, дает типизация конструкций, которая должна рассматриваться как основное направление современного проектирования. Под типизацией подразумевается комплекс правил и требований,

Рис. 2. Конструктивные схемы каркасов

Конструктивные схемы каркасов достаточно многообразны. В каркасах с одинаковыми шагами колонн по всем рядам наиболее простая конструктивная схема -- это поперечные рамы, на которые опираются подкрановые конструкции, а также панели покрытия или прогоны (рис, 2,а, б). Такое конструктивное решение обеспечивает выполнение эксплуатационных требований в большинстве машиностроительных цехов, в которых оборудование удобно размещается при относительно небольших шагах колонн по внутренним рядам (6--12 м). Технологии производств, размещенных во многих цехах металлургического производства (прокатные цехи, цехи раздевания слитков и т.д.), также позволяют использовать эту схему. Такая схема удобна для бесфонарных зданий и для зданий с продольными фонарями.

При необходимости освещения с помощью поперечных фонарей их конструкции также могут быть использованы для опирания панелей покрытия (рис. 2, а, в). При необходимости больших шагов колонн по всем рядам можно использовать схему с продольным фонарем, несущим часть нагрузки от покрытия (рис. 2,г). На конструкции фонаря опираются прогоны, расположенные параллельно фермам. Для опирания другого конца прогонов между колоннами устраивается подстропильная ферма. В случаях повышенных требований по освещенности помещений иногда используются каркасы с шедовым покрытием (рис. 2,д), в которых на ригели рам опираются конструкции поперечных фонарей, а на них -- прогоны или панели покрытия.

При больших пролетах и шагах колонн эффективно применяются каркасы с пространственным ригелем (рис. 2, е). Ригель рамы выполняется в виде коробчатого сквозного сечения с консолями, на которые опираются конструкции фонаря.

При относительно небольших пролетах используются сплошные рамные каркасы (рис. 2, ас) для одно- и многопролетных здании с пролетами 12--24 м, высотой помещения 5--8 м без мостовых кранов и с кранами грузоподъемностью до 20 т, с фонарями и без.

Рис. 3, 4

Эти каркасы выполняются в виде бесшарнирных систем, трехшарнирных, трехшарнирных с затяжкой. Мостовые краны опираются на консоли или устанавливаются на легкие крановые эстакады. Каркасы очень удобны в изготовлении, транспортировке, монтаже. Сечения рам составные из швеллеров и листовой стали или из гнутосварных профилей. Производство таких каркасов поставлено на поток, и в связи с этим они весьма экономичны. Использование таких схем при изготовлении малыми сериями экономически не оправдано, так как они всегда несколько тяжелее, чем сквозные системы.

В цехах, где по средним рядам шаг колонн должен быть больше, чем по крайнему ряду, устанавливаются подстропильные фермы, на которые опираются ригели рам (см. рис. 3, а, разрез 2--2). При кранах большой грузоподъемности и с большим расстоянием между колоннами часто оказывается целесообразным совместить функции подстропильных ферм и подкрановых конструкций и предусмотреть по среднему ряду подкраново-подстропильную ферму (см. рис. 3, б, разрез 2-- 2), на верхний пояс которой опирается кровля, а на нижний -- краны.

Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений (жесткое, шарнирное) ригеля с колонной. При жестком сопряжении (рис. 4, а) конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечивает передачу моментов и в расчетной схеме принимается жесткий узел. При жестком сопряжении горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на раму с шарнирным сопряжением.

Большая жесткость необходима в цехах с мостовыми кранами, работающими весьма интенсивно. В этих цехах горизонтальные перемещения колонн могут препятствовать нормальной эксплуатации мостовых кранов. Однако жесткое сопряжение препятствует типизации ферм, на которые в этом случае передаются значительные опорные моменты, разные для рам с разными параметрами. Поэтому жесткое сопряжение можно рекомендовать главным образом для однопролетных каркасов большой высоты при кранах ВТ и Т режимов работы с числом циклов загружения крановой нагрузкой 2Х106 и более. В остальных однопролетных каркасах более целесообразно шарнирное сопряжение (рис. 4,6).

В многопролетных цехах горизонтальные нагрузки на одну раму воспринимаются несколькими (а не двумя, как в однопролетных) колоннами, и поэтому даже в цехах большой высоты часто оказывается возможным использовать шарнирное сопряжение.

В многопролетных цехах с пролетами разной высоты возможны решения, при которых часть узлов проектируется жесткими, а часть -- шарнирными (рис. 4, в).

Опирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструируется жесткими (см. рис. 2, 3, 4, а--в), но возможно решение, при котором только часть колонн сопрягается с фундаментом жестко, а часть -- шарнирно (рис. 4,г). Такое решение часто оказывается экономически выгодным при больших тепловыделениях во время эксплуатации здания.

Подкрановые конструкции в большинстве случаев опираются на колонны каркаса, но возможны и конструктивные решения, при которых внутри цеха проектируется специальная крановая эстакада, состоящая из колонн, связей между ними, подкрановых и тормозных балок. Эстакада на вертикальные нагрузки работает раздельно с каркасом, и такое решение может оказаться целесообразным тогда, когда ожидается (после некоторого срока эксплуатации) увеличение грузоподъемности мостовых кранов.

Каркасы промышленных зданий изредка проектируются в виде висячих конструкций, складок, оболочек, структур.

3. Оптимизация конструктивных решений каркасов промышленных зданий

Цель оптимизации конструкций -- получение наибольшего экономического эффекта при полном удовлетворении технологических требований к зданию и обеспечении достаточной его надежности. Критерии оптимальности разнообразны.

Наиболее эффективный путь оптимизации каркасов зданий -- это выбор рациональной конструктивной схемы, возможной для проектируемого объекта.

Конструктивные решения многообразны, но существуют некоторые общие принципы проектирования экономичных каркасов:

концентрация материала. В большинстве случаев выгодно сосредоточить массу в некоторых несущих элементах. При этом часть элементов получается достаточно тяжелой, но количество их сокращается. Например, при больших нагрузках и высотах колонн шаг колонн 12 м оказывается выгоднее, чем 6 м (число колонн и ферм сокращается почти в два раза);

наиболее полное использование прочности всего объема материала в конструкциях. Этот принцип реализуется выбором конструктивной схемы, использованием растянутых поверхностей, равнонапряженных по всей площади, регулированием усилий в плоских и пространственных конструкциях (в том числе и с помощью предварительного напряжения). Например, в неразрезных подкрановых балках прочностные свойства по длине используются лучше, чем в разрезных. Пролетные моменты в первых меньше, чем в разрезных. Численным показателем реализации этого принципа в конструкциях может служить так называемая «нагруженность», т. е. показатель, в котором учитываются уровень напряжений в конструкциях и объем их материала;

совмещение функций элементов. Например, включение конструкций фонаря в работу ригеля рамы приводит к сокращению массы ригеля; при больших шагах колонн подкраново-подстропильная ферма экономичнее отдельно запроектированных подкрановой балки и подстропильной фермы и т.д.;

наименьший путь передачи нагрузок на фундамент. Например, рамные системы всегда более металлоемки, чем арочные при одном и том же пролете. При этом нужно учитывать, что для обеспечения равноценных производственных площадей пролет арочной системы должен быть больше.

Рис. 5. Изменение стоимости конструкций на 1 м2 площади цеха в зависимости от шага поперечных рам

Эти принципы можно использовать при качественном анализе возможных вариантов конструктивных решений, выборе вариантов для последующего применения системы автоматизированного проектирования (САПР). Можно ожидать, что наилучшие результаты даст вариант, который соответствует нескольким общим принципам.

Другой путь экономии материальных средств -- это оптимизация в рамках определенной конструктивной формы размеров всей системы и ее элементов. При проектировании каркасов промышленных зданий обычно нельзя менять пролет и высоту помещения цеха (они определяются требованиями технологии), но возможны поиски оптимального шага поперечных рам. Можно проследить, как меняются экономические показатели элементов каркаса традиционных конструкций при изменении шага рам (рис. 5). Стоимость колонн и фундаментов под них с увеличением шага уменьшается (а). Для стропильных ферм (б) после шага 12 м стоимость становится постоянной. Масса подстропильных ферм зависит от квадрата шага рам, и график их стоимости (в) достаточно резко возрастает. То же можно сказать и для сплошных подкрановых балок (г). При этом начиная с некоторого шага становится выгоднее использовать сквозные подкрановые балки (д). Можно заметить шаг 1, после которого суммарная стоимость подстропильных ферм и подкрановых балок (в+г) становится больше, чем подкраново-подстропильных ферм (е). Стоимость конструкций кровли (прогонов, панелей, настилов и т.д.) с увеличением шага возрастает, но после 6 или 12 м остается постоянной {ж). Изменяются с изменением шага и массы других конструкций каркаса (связей, фахверка и т.д.). Наличие возрастающих и убывающих графиков указывает на возможность определения минимумов суммарной стоимости (з). Скачки на этом графике соответствуют изменению конструктивной формы каркаса (А -- переходу к покрытию с подстропильными фермами; Б -- замене подстропильных ферм и подкрановых балок подкраново-подстропильными фермами). График суммарной стоимости, а также других экономических показателей (массы стали, удельной трудоемкости изготовления и монтажа, приведенных затрат) может быть выражен аналитически в виде целевой функции. Это дает возможность использовать САПР для получения наиболее экономичных конструкций. САПР эффективно используется при разработке типовых конструкций и их элементов. Целевые функции при этом учитывают увеличение массы конструкций при дискретном назначении ее размеров и размеров профилей элементов. При проектировании конструкций индивидуального и малосерийного изготовления основным методом оптимизации остается метод вариантного проектирования с использованием ЭВМ при расчете вариантов конструктивного решения.

4. Область применения стальных и смешанных каркасов промышленных зданий

Область применения стальных каркасов с учетом дефицита стали регламентируется ТП 101-81 «Технические правила по экономному расходованию основных строительных материалов». По этим правилам в одноэтажных промышленных зданиях допускается применение стального каркаса при:

высоте здания от пола до низа стропильной фермы, равной или большей 18 м;

кранах грузоподъемностью 50 т и более, а при кранах весьма тяжелого режима работы -- при любой грузоподъемности;

двухъярусном расположении кранов;

шаге колонн более 12 м;

строительстве в труднодоступных районах (горы, пустыни и т. п.) и в районах, где нет базы по изготовлению железобетонных конструкций.

Кроме того, допускается применять сквозные типовые легкие конструкции комплектной (включая ограждающие конструкции) поставки при пролетах не менее 24 м и сплошные рамные коробчатые сечения при пролетах не менее 18 м для строительства зданий площадью не менее 5 тыс. м2, а при обосновании экономического эффекта в виде прибыли от реализации досрочно выпущенной продукции и при меньших площадях;

Смешанные каркасы, т.е. состоящие из железобетонных колонн и стальных стропильных и подстропильных ферм, допускается применять при:

пролете не менее 30 м;

подвесном транспорте грузоподъемностью 5 т и более, а также при развитой сети конвейерного транспорта;

тяжелых условиях эксплуатации (динамические нагрузки или нагрев конструкций до температур свыше 100 °С);

расчетной сейсмичности 9 баллов и пролете не менее 18 м, сейсмичности 8 баллов и пролете не менее 24 м;

легких кровлях неотапливаемых зданий при пролете не менее 24 м, а при наличии подвесного транспорта грузоподъемностью не менее 2 т и при меньших пролетах;

пролетах многопролетных неотапливаемых зданий с рулонной кровлей при пролете 18 м и более.

В железобетонных каркасах часть элементов (фонари, связи, ригели фахверка) допускается выполнять из стали, а подкрановые балки почти во всех случаях (за исключением балок пролетами 6 и 12 м под краны легкого и среднего режимов работы грузоподъемностью не более 32 т) проектируются стальными.

Размещено на www.allbest.ru