Основные конструктивные элементы зданий с металлическим каркасом
Обновлено: 02.05.2024
Основными элементами стального каркаса многоэтажных зданий являются колонны и ригели, связанные между собой в двух направлениях в неизменяемую пространственную систему.
В зависимости от способа обеспечения пространственной жесткости и характера воспринятая горизонтальных нагрузок стальные каркасы зданий могут иметь связевую, рамную или комбинированную конструкцию. Характерной для многоэтажных зданий со стальным каркасом является рамная схема, при которой пространственная жесткость каркаса обеспечивается жесткостью колонн, ригелей и узлов их сопряжения.
При рамной схеме каркаса в узлах возникают усилия одного порядка. Кроме того, можно унифицировать узлы и их элементы, обеспечить плавность деформаций и равномерное нагружение фундаментов, а также применять однотипные решения‘колонн, ригелей, баз и анкеров.
Шаг колонн принимают кратным 6 м, пролеты — шириной 6, 9, 12 м и более. В целях использования для стен унифицированных панелей высоту этажей рекомендуется принимать кратной 600 мм.
Колонны выполняют, как правило, сплошного двутаврового сечения — из одного прокатного профиля или составленного из листов. Для больших нагрузок применяют колонны крестового сечения. Иногда допускают колонны сквозного сечения.
Длину монтажных единиц колонн назначают с учетом жесткости сечения, характеристики подъемных механизмов, условий изготовления и транспортировки; чаще ее принимают равной 8—15 м, т. е. на высоту 2—3 этажей.
Стыки колонн проектируют с фрезерованными торцами; монтажные элементы соединяют болтами (рис. XI-6, б). Такие стыки держатся силами трения (при больших нормальных силах). В верхних, а иногда и в средних этажах при малой величине нормальной силы стыки колонн обваривают по контуру. Устраивают также стыки, перекрытые накладкам» на сварке.
Рис. 1. Стальной каркас многоэтажного здания:
а — сечения колонн; б — стыки колонн; в — башмаки колонн; г — крепление балок к колонне двутаврового сечения; д — то же, крестового сечения; е — перекрытие из крупноразмерных панелей; ж, з — перекрытия по стальным настилам; 1 — торцы колонн (фрезерованные); 2 — опорная стальная плита; 3 — ребро жесткости; 4 — уголки; 5 — электрозаклепки
Башмаки колонн многоэтажных зданий работают под действием больших нормальных сил при незначительных эксцентриситетах и поперечных силах. С учетом этого башмакам придают простую форму и выполняют их из стальной плиты толщиной 100—200 мм. Давление от колонн на башмаки передается через фрезерованные поверхности торцов колонн и верха плит. Поперечные силы в местах сопряжений воспринимаются трением. Колонны соединяют с плитами сваркой.
Колонну опорной плитой устанавливают на подливку из цементного раствора толщиной слоя не менее 50 мм. Анкерные болты, заделываемые в железобетонные фундаменты, рассчитывают только на монтажные нагрузки.
Ригели междуэтажных перекрытий, имеющие в большинстве случаев двутавровое сечение, выполняют из прокатных или сварных профилей. С колоннами ригели соединяют сваркой с помощью горизонтальных накладок.
Перекрытия в многоэтажных зданиях наряду с высокой несущей способностью должны удовлетворять требованиям звуко- и виброизоляции, а также обладать достаточной жесткостью. Применяют несколько типов перекрытий.
По стальным ригелям укладывают железобетонные крупноразмерные или мелкие плиты; в последнем случае к ригелям крепят стальные балки с шагом 2—3 м. Применяют также обычные монолитные железобетонные перекрытия.
Хорошие технико-экономические показатели имеют перекрытия по стальным настилам коробчатого, ребристого или волнистого профиля, по которым укладывают слой бетона. Стальные настилы выполняют одновременно функции арматуры и несъемной опалубки плит.
Металлический каркас здания
Стальной каркас одноэтажных производственных зданий имеет такую же конструктивную схему, что и железобетонный каркас. Применяют стальные каркасы при строительстве предприятий металлургии, машиностроения и других производств с большими пролетами и значительными крановыми нагрузками. Наиболее целесообразно применять такие каркасы в сейсмических районах.
Главными элементами каркаса (рис. 1) являются поперечные рамы, которые выполняют из колонн, ферм, ригелей и балок.
Рис. 1. Элементы стального каркаса: 1 — колонны; 2 — подкрановые балки; 3 — вертикальные связи между фермами; 4 — стропильные фермы; 5 – вертикальные связи (в гребне фермы) 6 — растяжки (на уровне нижнего пояса ферм) 7 — прогоны; 8 — вертикальные крестовые связи (между колоннами) 9 – горизонтальные крестовые связи (на уровне нижнего пояса ферм)
Принцип работы несущего каркаса состоит в том, что пространственная жесткость обеспечивается системой связи и наличием жестокости узлов. Современные программы позволяют выполнять пространственный расчет каркаса целиком, что более полно отражает работу конструкций.
Для предварительных расчетов допускается выполнение расчета каркаса по упрощенной схеме, когда отдельно рассчитываются рамы в поперечном и продольном направлении здания.
Предварительной расчет поперечной рамы позволяет определить основные сечения каркаса и назначить тип узлов соединения. Жесткость поперечной рамы должна обеспечиваться жесткостью узлов, т.к. система связей в поперечной раме, как правило, не предусматривается. Самая распестрённая схема поперечной рамы: жесткое крепление колонн к фундаментом и шарнирное крепление ригелей к колоннам. В некоторых случаях, ригеля имеют жесткое крепление к колонне, что приводит к уменьшению сечения ригеля и увеличению сечения колонны. Такая схема целесообразна при небольшой высоте колонн или при наличии мостовых кранов.
Предварительный расчет продольной рамы позволяет определить систему продольных связей, которые воспринимают ветровую нагрузку, а также выполнить расчет прогонов покрытия, стеновых прогонов, подкрановых балок и подстропильных ферм.
Конструкции световых и аэрационных фонарей должны учитываться при расчете поперечных рам, т.к. их наличие влияет на схему снеговых нагрузок и оказывает влияние на передачу нагрузок на ригель. Основное назначение фонарей – естественное освещение и естественная вентиляция, что особенно актуально в многопролетных зданиях с большими пролетами.
Помимо основных несущих конструкций, металлические каркасы включают в себя различные вспомогательные площадки, лестницы, кронштейны и другие элементы, учет которых зависит от значений передаваемых нагрузок.
Подкрановые конструкции воспринимает основные усилия от мостовых кранов, они могут быть выполнены в виде дополнительных ветвей колонн. При небольшой грузоподъемности, подкрановые конструкции совмещают с основными колоннами, при этом подкрановые балки или фермы опираются на консоли, приваренные к основным несущим колоннам здания.
Подстропильные фермы применяют при большом шаге колонн, который может быть продиктован технологическими процессами предприятия, а длина панелей или прогонов не позволяет перекрыть весь пролет. В таких случаях устанавливают подстропильные фермы, на них устанавливают стропильные фермы, а на них уже кладут прогоны или плиты покрытия.
Система связей устанавливается вдоль здания и по покрытию здания. Стеновые и кровельные панели создают дополнительную жесткость, но их работу в расчетах, обычно, не учитывают. Иногда дополнительно предусматривают монтажные связи, которые устанавливаются на период монтажа.
Система фахверка служит для крепления стенового ограждения. Различают фахверковые колонны, фахверковые стойки и прогоны. Фахверк воспринимает ветровую нагрузку, нагрузку от стенового ограждения и затем передает их на существующий каркас и фундаменты.
Сопряжения элементов в узлах выполняют с помощью болтов, сварки и заклепок (при высоких значениях динамических нагрузках).
Проектирование металлических колонн
Металлические колонны промышленных и гражданских зданий
Стальные колонны являются несущими элементами металлического каркаса здания, воспринимающие основные нагрузки на здание или сооружение. Стальная колонна состоит из базы, оголовка и стержня колонны.
2. Оголовок колонны;
3. Сечение колонны.
РАСЧЕТ КОЛОНН
Проектирование колонн начинают с расчетов. Могут работать как центрально-сжатые стержни, а могут как сжато-изгибаемые элементы. Смотрите соответствующие страницы сайта:
Далее разрабатывают схему расположения колонн. Это может быть схема раздела КМ или КМД. Если объект простой, то это может быть схема в разделе АС.
ЧЕРТЕЖИ
Образец оформления схемы расположения колонн смотрим на странице:
Если мы делаем раздел КМ (Конструкции металлические), то можно ограничиться схемой расположения колонн и узлами. Узлы для схемы КМ смотрите на страницах с колоннами (Список ниже). Но если мы делаем КМД (Конструкции металлические деталировочные), то придется еще и отправочный марки разрабатывать. Без чертежей колонн тут не обойдешься, а так как колонны бывают разные, разложим их по категориям:
2. ЧЕРТЕЖИ — Колонны — одноветвевые сквозного сечения.
3. ЧЕРТЕЖИ — Колонны — одноветвевые с консолью для мостовых кранов.
4. ЧЕРТЕЖИ — Колонны — двухветвевые.
Ниже представлена информация для общего развития.
Классификация колонн
Колонны постоянного сечения применяют при отсутствии мостовых кранов большой грузоподъемности и высотой до 9 метров.
Колонны переменного сечения более экономичны, чем колонны постоянного сечения. Используются при наличии мостовых кранов небольшой грузоподъемности (до 50 тн.)
Колонны с ветвями (двухветвевые, трехветвевые и т.д.) используются при наличии кранов большой грузоподъемности (Более 50 тн.)
Характер работы колонн
Центрально — сжатые колонны
Внецентренно — сжатые колонны
Конструкция стальных колонн
Основные конструктивные элементы:
— база (место крепления колонны к фундаменту);
— стержень (средняя часть колонны);
— консоль (участок крепления подкрановой балки);
— оголовок — верхняя часть колонны;
При проектировании колонн могут быть полезными следующие типовые серии:
| № п/п | Номер | Наименование | Примечания |
| 1 | Серия 1.423.3-8 | Стальные колонны одноэтажных производственных зданий без мостовых опорных кранов. | Смотреть |
| 2 | Серия 1.424-2 | Стальные колонны одноэтажных производственных зданий, оборудованных мостовыми кранами. | Смотреть |
| 3 | Серия 1.424-4 | Стальные колонны одноэтажных производственных зданий. | Смотреть |
| 4 | Серия 1.424.3-7 | Стальные колонны одноэтажных производственных зданий, оборудованных мостовыми опорными кранами. | Смотреть |
Металлические колонны одноэтажных зданий проектируют с постоянным или переменным сечением. Колонны переменного сечения имеют сплошное постоянное сечение надкрановой части, а подкрановая часть может быть сплошного или сквозного сечения.
Колонны сквозного сечения проектируют с ветвями, которые соединяются решеткой. Раздельные колонны проектируют из независимо работающих шатровой и подкрановой ветвями. Если колонны работают на центральное сжатие, при этом изгибающие моменты незначительны, то применяют колонны сплошного сечения, которые выполняют из широкополочных прокатных или сварные двутавров. При изготовлении сквозных колонн используют двутавры, швеллеры и уголки.
Рис. 1. Типы стальных колонн: а, б — постоянного сечения; в – переменного сечения; г — раздельного типа; д — сечение сплошных колонн; е — то же сквозных
В зданиях без мостовых кранов, а также здания с мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 тн. высотой до 8,4 м применяют стальные унифицированные колонны постоянного сечения из сварных двутавров с высотой стенки 400 и 630 мм (рис.1 а, б). В зданиях высотой 10,8 … 18,0 м, с кранами грузоподъемностью до 50 тн используют унифицированные колонны, которые проектируют из двух частей: подкрановой и надкрановой (рис.1 в). Для зданий, имеющих высоту более 18 м с мостовыми кранами грузоподъемностью 75 тн. и более, стальные колонны проектируют по индивидуальным проектам. Раздельные колонны применяют в зданиях с мостовыми кранами (125 тн. и более).
Колонны крепятся к фундаменту за счет нижней части в которой предусмотрена стальная база колонны (башмак). Базы колонн крепят к фундаментам анкерными болтами, которые предусматривают в фундаментах при их изготовлении.
Конструктивные элементы зданий
Конструктивные элементы зданий разделяют на ограждающие, которые отделяют помещения от внешней среды или друг от друга; несущие, принимающих нагрузки, действующие в здании; и элементы, которые совмещают ограждающие и несущие функции. Основные конструктивные элементы зданий — это фундаменты, стены, отдельные опоры, перекрытия, перегородки, лестницы, крыши (рис. 1).
Рис. 1. Объемно-планировочные и конструктивные элементы здания: 1 — лестничная клетка; 2 — комната; 3 — фундамент; 4 — перекрытие над подвалом; 5 — внутренняя стена; 6 — перегородка; 7 — межэтажное перекрытия; 8 — наружная стена; 9 — чердачное перекрытие; 10 — крыша; 11 — окно; 12 — лестницы; 13 – двери
Фундаменты — это подземные части зданий, воспринимающих нагрузки от расположенных выше конструкций, которые передают их на основание (грунт). Нижнюю плоскость фундамента, которая соприкасается с основанием (грунтом), называют подошвой. Фундаменты являются несущими конструкциями, а если они применяются для образования подвалов, то одновременно и ограждающими.
Стены — вертикальные конструкции, отделяющие помещения от внешнего пространства (наружные стены) или от других помещений (внутренние). В этом заключается их ограждающая функция. Если стены несут нагрузку только от собственного веса, они — самонесущие, они выполняют только ограждающую (защитную, изолирующую и т.п.) функцию. Когда стены воспринимают еще нагрузки от перекрытий и крыши, которые опираются на них, тогда их называют несущими, хотя одновременно они выполняют и ограждающую функцию. Если стены сами опираются на колонны или на междуэтажные перекрытия, они выполняют лишь ограждающую функцию и является навесными. По своему местонахождению в здании, стены могут быть продольными и поперечными; последние, если они внешние, называют торцевыми. Также стены могут быть внутренними и наружными.
Перекрытия — горизонтальные конструкции, разделяющие внутреннее пространство здания на этажи и предназначенные для размещения на них людей, мебели и оборудования. Они воспринимают эти нагрузки и передают их на вертикальные несущие конструкции (стены, столбы, колонны). Как структурные части здания, перекрытия выполняют также и ограждающую функцию (сверху и снизу смежных помещений). Кроме того, они имеют важное значение в обеспечении пространственной устойчивости и жесткости зданий. В зависимости от местонахождения в здании перекрытия бывают:
— нижние, отделяющие первый (нижний) этаж от грунта;
-надподвальные, отделяющие подвальный или цокольный этаж;
— межэтажные, разделяющие смежные по высоте этажи;
— чердачные или верхние (при отсутствии чердака), т.е. отделяют чердак и верхний этаж.
Функции их, как ограждающих конструкций, разные: межэтажные являются внутренними ограждающими конструкциями и их основная функция с точки зрения строительной физики — звукоизоляционная, другие перекрытия являются внешними, и их основная функция — теплоизоляция помещений. Сверху перекрытия обычно имеют пол — конструктивный элемент в виде настила, по которому ходят.
Отдельные опоры — это стойки (колонны, столбы) для поддержки перекрытий, стен или крыши; они передают их нагрузки на фундаменты. Перекрытия опираются на колонны, но чаще — на положенные по колоннам балки перекрытий (прогоны или ригели). Колонны и балки образуют каркас зданий, который для обеспечения геометрической неизменяемости имеет вертикальные связи или железобетонные диафрагмы (т.е. тонкие жесткие стенки), соединенные с колоннами и балками. При отсутствии связей или диафрагм узлы сопряжения между колоннами и балками должны быть жесткими (не шарнирными). Все элементы каркаса являются несущими.
Крыша — верхняя часть здания, отделяющая его внутреннее пространство от внешней среды, она защищает здание от атмосферных осадков и других нагрузок и действий сверху. Для водоотведения, крышу выполняют со склонами (наклонными плоскостями), которые образуют верхнюю водонепроницаемую оболочку — кровлю. Под ней крыша имеет внутреннее пространство — чердак. Нагрузки на крышу воспринимают ее несущие элементы — стропила. Таким образом, крыша соединяет несущую и ограждающую функции, а кровля выполняет только ограждающую функцию. Крыша вместе с чердачным перекрытием называется покрытием. Во многих зданиях крыша не имеет чердака. Тогда функции чердачного перекрытия и крыши сочетают в одной конструкции — совмещенном покрытии.
Перегородки — тонкие внутренние стенки, разделяющие внутреннее пространство в пределах одного этажа на отдельные помещения. Перегородки опираются на перекрытия и никакой нагрузки (кроме собственного веса) не несут, поэтому являются ограждающей частью здания.
Многоэтажные, преимущественно, жилые или общественные здания могут иметь летние помещения, которые обеспечивают связь внутренних помещений на этажах с внешним пространством. К ним относятся балконы, лоджии и эркеры, а также террасы, веранды.
Балконы — это вынесены за плоскость наружной стены пространства, которые ограждены консольно (то есть без опор на свободных концах) площадками.
Лоджии, в отличие от балконов, имеют по боковым сторонам глухие опоры — стены на всю ширину площадки (выносные лоджии) или являются открытыми, отгороженными внутренними помещениями (встроенные лоджии).
Эркеры — это частично вынесены за плоскость наружной стены внутренние помещения, имеющие с трех сторон окна.
Террасы — крытые или открытые площадки, пристроенные к одноэтажным домам или устроены на плоских покрытиях многоэтажных зданий.
Веранды — неотапливаемые застекленные помещения перед входом в основные помещения малоэтажных преимущественно приусадебных домов.
Другие архитектурно-конструктивные элементы зданий:
—отмостки — асфальтовые полосы, выполненные вплотную вокруг здания с уклоном наружу для отвода воды (дождевой, талой)
—фонари верхнего естественного света — остекленные конструкции, которые устраивают в покрытиях;
—тамбуры — небольшие огороженные помещения на первом этаже с двумя парами дверей внутри или снаружи зданий, служащих для сохранения в них тепла в зимний период при открывании дверей;
— козырьки — небольшие навесы над входными дверями зданий, а также над верхними балконами и лоджиями;
—крыльца — входные площадки для наружных дверей; тому подобное.
Читайте также: