Расчет металлического каркаса многоэтажного здания

Обновлено: 04.05.2024

Стальные несущие конструкции можно применять для многоэтажных зданий любой высоты, однако, практика проектирования и строительства рекомендует использовать металлический каркас при количестве этажей 40 и более. Главным преимуществом стального каркаса является возможность использовать большой шаг колонн при их малом поперечном сечении и большие пролёты перекрытий от 6 до 18 м. С применением стальных ферм, имеющих высоту этажа, возможно перекрывать пролёты от 30 до 60 м. Большой шаг расположения колонн повышает гибкость планировки помещений здания.

3.2 Объемно-планировочные решения и компоновка каркаса многоэтажных зданий

Объемно-планировочное решение здания должно удовлетворять функциональным и санитарно-гигиеническим требованиям, для чего необходимо определить состав, размеры и взаимное расположение основных, обслуживающих, коммуникационных и технических помещений.

Применяемые планировочные решения должны вписываться в модульную сетку разбивочных осей и высоты этажей. Для общественных зданий рекомендуются следующие сетки колонн: 6х6; 6х9; 6х12; 9х9; 12х12 м. Высоту этажа принимают равной 3,3; 3,6; 4,2 м и более с модулем 0,6 м. Возможные планы многоэтажных зданий приведены на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 – Формы планов многоэтажных зданий

а – здания с компактными планами; б – то же, с протяженными

Любое каркасное здание состоит из отдельных элементов, выполняющих в общей системе определенные функции. В зависимости от вида конструктивно схемы каркаса многоэтажные здания подразделяют на:

Стальные несущие конструкции рационально применять в каркасных и смешанных системах. Зависимость применения тех или иных систем в зависимости от высоты здания приведена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 – Области применения разных конструктивных систем

а – обычная рамная система; б – связевая или рамно-связевая с диафрагмами жесткости или внутренним стволом; в – то же, с ростверками; г – рамная система с внешней пространственной рамой; д – секционно-рамная система; е – связевая система с внешним стволом в виде пространственной фермы.

В рассматриваемом случае речь идёт о многоэтажных зданиях, для которых наиболее целесообразными, исходя из рис. 3.2, являются обычная рамная, связевая и рамно-связевая с диафрагмами жесткости или внутренним стволом, ростверками системы.

Рамные системы

Рамные каркасы обычно состоят из прямоугольной сетки горизонтальных балок и вертикальных колонн, соединенных между собой жесткими узлами.

В обычной рамной системе (рис. 3.3, а) колонны регулярно расположены по всему плану здания с шагом 6, 9 м. Жесткие рамы при горизонтальных нагрузках работают за счет изгиба колонн и балок. Подобные системы экономичны в зданиях высотой не более 30 этажей.

Системы с внешней пространственной рамой (рис. 3.3, б). При частом расположении колонн конструктивные элементы внешней рамы выполняют функции фахверка наружной стены и для ее устройства не требуется дополнительных элементов.

Дальнейшим развитием рамных систем является рамно-секционная система (рис. 3.3, в). Эта система позволяет завершать различные секции на разной высоте без существенного усложнения конструкций, придавая зданию ступенчатый вид. Ригели перекрытий в пределах отдельных секций обычно опирают на колонны шарнирно.

Рисунок 3.3 – Схемы основных рамных систем

а – обычная, б – с внешней пространственной рамой; в – рамно-секционная; 1 – колонна; 2 – ригель; 3 – плоскость одного из перекрытий

Связевые системы

В связевых системах (рис. 3.4) горизонтальная жесткость обеспечивается за счет работы диагональных элементов и колонн при шарнирном примыкании ригелей. Связевая система работает на горизонтальные нагрузки как консоль, защемленная в фундаменте, нагрузки на которую передаются посредством жестких дисков перекрытий.

Связевая конструкция может быть решена в виде плоских диафрагм (рис. 3.4, а) или в виде пространственных стволов жесткости (рис. 3.4, б, в, г), которые могут располагаться как внутри здания, так и снаружи, образуя внешний ствол.

Внутренний ствол жесткости может быть решен в виде замкнутой железобетонной конструкции. Такой ствол целесообразно совмещать с лифтовыми или коммуникационными шахтами.

По расходу стали связевые системы более эффективны, чем рамные, так как большая часть колонн освобождена от внутренних усилий изгиба.

Рисунок 3.4 – Схемы основных связевых систем

а – с диафрагмами жесткости; б – с внутренним решетчатым стволом; в – с внутренним железобетонным стволом; г – с внешним стволом; 1 – диафрагмы; 2 – колонны; 3 – ригели; 4 – внутренний железобетонный ствол; 5 – внешний ствол; 6 – наружные диафрагмы

Рамно-связевые системы

Рамно-связевые системы (рис. 3.5) имеют вертикальные связи, воспринимающие горизонтальные нагрузки совместно с рамами, расположенными в одной или разных плоскостях со связями. В продольном направлении жесткость обеспечивается за счет рамных узлов примыкания ригелей к колоннам, а в поперечном – за счет связевых диафрагм по торцам здания. Ветровые нагрузки в поперечном направлении передаются через горизонтальные диски перекрытий на торцовые диафрагмы.

Рисунок 3.5 – Схемы рамно-связевых систем

а – рамно-связевые системы с жесткими включениями; б – то же, с поясами жесткости; в – то же, с поясами жесткости и ростверками

При проектировании каркасов многоэтажных зданий не всегда сохраняется регулярность системы и единый принцип ее построения. В некоторых случаях наиболее рациональным решением является комбинированная схема.

Примеры использования стальных каркасов при строительстве многоэтажных зданий приведены на рис. 3.6-3.9.

Современное строительство характеризуется тенденцией к максимальному снижению массы конструкций с целью уменьшения материалоемкости и стоимости строительно-монтажных работ; в связи с этим совершенствование конструкций здания идет в направлении использования высокопрочных сортов стали и сплавов, тонкостенных прокатных и гнутых профилей, внедрения предварительно напряженных конструкций из металла и создания облегченных конструктивных систем здания с растянутыми поверхностями из тонких листов.

Рисунок 3.6 – Чикаго «Либерти Мьючиал Иншуренс билдинг»

Рисунок 3.7 – Поперечный разрез и фрагмент фасада «Мезон Кларте» Женева

Рисунок 3.8 – Шоколадная фабрика в Наузье-на-Марне

Рисунок 3.9 - Любонь (Познань). Химическая фабрика

Конструктивные решения

Колонны

Колонны многоэтажного каркасного здания являются основными конструктивными элементами каркаса. (рис. 3.10 – основные типы сечений колонн). Двутавровые профили – самай распространенная форма сечения колонн. Она особенно удобна при необходимости крепления к колоннам балок перекрытий в двух направлениях, так как все элементы двутавра доступны для организации опорных узлов.

Рисунок 3.10 – Типы сечений колонн многоэтажных зданий

а – двутавровые; б – замкнутые; в – крестовые; г – полые прокатные; д - сквозные

Ригели и балки перекрытий

В многоэтажном строительстве наиболее часто применяют балки со сплошной стенкой при пролётах до 12 м и выполняют их из обычных, широкополочных или сварных двутавров. При больших пролётах (более 12 м) и больших нагрузках в качестве ригелей могут быть использованы фермы.

Основные типы сечений ригелей и балок перекрытий многоэтажных зданий представлены на рис. 3.11.

Рисунок 3.11 – Типы сечения ригелей и балок перекрытий

а – балочные профили; б – фермы; 1 – усиления балок в сечениях с максимальных изгибающим моментом; 2 – железобетонная плита перекрытия

Базы колонн

В каркасах многоэтажных зданий, как правило применяют базы для безвыверочного монтажа колонн. Плиту базы с фрезерованной или строганной верхней поверхностью устанавливают на фундамент по разбивочным осям, ориентируясь на риски, выверяют с помощью установочных болтов и подливают цементным раствором (рис. 3.12).

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

Каркас многоэтажного здания. Общие положения

3.61. Каркасы многоэтажных зданий для сейсмических районов рекомендуется проектировать по следующим конструктивным схемам:

рамной со всеми жесткими узлами сопряжений ригелей (поперечных и продольных) с колоннами;

связевой с вертикальными устоями жесткости в виде железобетонных диафрагм, стальных связей или рам при шарнирном опирании ригелей и плит;

комбинированной, в которой в одном направлении здания принимается рамная схема, а в другом - связевая.

Примечание. При числе этажей более 5 допускается при соответствующем обосновании вводить в рамные конструктивные схемы со всеми жесткими узлами сопряжении ригелей с колоннами вертикальные устои жесткости - железобетонные диафрагмы или стальные связи.

3.62. Вертикальные устои жесткости, воспринимающие горизонтальную нагрузку, должны быть непрерывными по всей высоте здания и располагаться равномерно и симметрично относительно центра тяжести здания.

3.63. При выборе конструктивных схем каркаса предпочтение следует отдавать схемам, в которых зоны пластичности могут возникать в горизонтальных элементах каркаса.

3.64. Каркасы зданий массового применения должны проектироваться, как правило, из железобетона с применением сборных конструкций, предназначенных для использования в сейсмических районах. Продольные ригели могут выполняться монолитными железобетонными (рис. 48, а),

Каркасы зданий массового применения из стальных конструкций следует проектировать в тех случаях, когда не представляется возможным использование железобетонных конструкций или когда применение стальных каркасов допускается действующими «Техническими правилами по экономному расходованию основных строительных материалов».

3.65. Перекрытия и покрытия, как правило, должны проектироваться из сборных железобетонных плит и образовывать неизменяемый жесткий диск, способный передавать горизонтальные сейсмические нагрузки на вертикальные несущие элементы каркаса здания(колонны, стальные связи и др.) и обеспечивать их совместную работу (см. п. 3.74).

Рис. 48. Балочные перекрытия (покрытия) многоэтажного здания.

а - план перекрытия с продольными монолитными ригелями; б - план перекрытия с продольными сборными ригелями; 1 - поперечные сборные железобетонные ригели; 2 - продольные монолитные железобетонные ригели; 3 - сборные железобетонные плиты; 4 - продольные сборные железобетонные ригели

3.66. Покрытия многоэтажных зданий с укрупненной сеткой колонн в верхнем этаже проектируются с соблюдением требований, предъявляемых к покрытиям одноэтажных зданий (см. пп. 3.27- 3.39).

3.67. В связевых системах диафрагмы или связи следует располагать в плоскости колонн в соответствии с п. 3.62.

Рис. 49. Динамическая расчетная схема каркаса многоэтажного здания

а - поперечный разрез здания; б - динамическая расчетная схема каркаса здания

Количество вертикальных устоев жесткости, воспринимающих горизонтальные нагрузки, устанавливается по расчету с учетом их несущей способности и принимается не менее двух в каждом направлении здания; при этом они не должны располагаться в одной плоскости. Расстояние между связевыми панелями и расстояние между крайними разбивочными осями и связевыми панелями должны быть проверены по несущей способности диска перекрытий.

3.68. Балочная клетка перекрытия, на которую опирается оборудование, должна быть рассчитана с учетом дополнительной вертикальной нагрузки, вызванной моментом от горизонтальной сейсмической нагрузки, от веса оборудования, приложенной в центре тяжести оборудования. При этом значение произведения коэффициентов βηK_ψ принимается как для каркаса в уровне рассматриваемого перекрытия, но не менее 2.

3.69. Временную нагрузку большой интенсивности (тяжелое стационарное оборудование, складируемые материалы и т. п.) с целью, облегчения условий работы несущих конструкций многоэтажных зданий рекомендуется размещать на нижних этажах.

3.70. Каркасы многоэтажных зданий (отсеков), имеющие период основного тона собственных колебаний больше 0,4 с, следует рассчитывать на сейсмические нагрузки с учетом не менее трёх высших форм колебаний.

При учете высших форм собственных колебаний сейсмические нагрузки находятся отдельно для каждой формы, а расчетные усилия определяются в соответствии с п. 2.12.

При определении периодов (или частот) и соответствующих им форм собственных колебаний многоэтажных каркасов динамическую расчетную схему рекомендуется принимать в виде консольного гибкого стержня, имеющего в любом уровне жесткость, равную суммарной жесткости элементов здания в том же уровне и несущего сосредоточенные веса - Q_k, которые определяются с учетом расчетных нагрузок на конструкции. Сосредоточенные веса - Q_k прикладываются на уровне перекрытий и покрытий; их количество определяет число степеней свободы в принятой расчетной схеме (рис. 49).

Величина каждого веса Q_k вычисляется в соответствии с пп. 2.2 и 2.3 от нагрузок, расположенных в пределах половины высоты выше- и нижележащих этажей.

В зданиях, оборудованных мостовыми кранами, при расчете каркаса в поперечном направлении здания величина Q_k определяется с учетом нагрузок от собственного веса мостов кранов.

Частоты и формы собственных колебаний определяются из системы уравнений

где p_i - Круговая частота i-й формы собственных колебаний, связанная с периодом собственных колебаний зависимостью

m_k - масса, соответствующая весу Q_k, сосредоточенному на уровне k-го перекрытия или покрытия, кг;

здесь g - ускорение силы тяжести, м/с 2 ;

п - число колеблющихся масс (число этажей);

δ_kj - смещения k-гo яруса от действия единичной горизонтальной силы, приложенной в j-ом ярусе, в м/Н;

X_ij- амплитуда i-ой формы собственных колебаний в точке j, в м/Н.

Уравнения (41) для многомассовых систем рекомендуется решать при помощи ЭВМ с использованием существующих стандартных программ. Для систем, имеющих не более пяти степеней свободы, может быть использован итерационный метод, метод спектральных функций, способ понижения порядка частотных уравнений и др.

3.71. Сейсмическая нагрузка, действующая на весь каркас здания в уровне какого-либо перекрытия или покрытия, определяется по формулам (1) и (2), где вес Q_k принимается равным соответствующему весу, вычисленному при определении периодов и форм собственных колебаний каркаса (см. п. 3.70). Сейсмическую нагрузку от собственного веса мостов кранов рекомендуется учитывать согласно п. 3.17.

В уровнях перекрытий или покрытия сейсмические нагрузки распределяются между отдельными рамами каркаса пропорционально их жесткости C_ka

где S_ka - расчетная горизонтальная сейсмическая нагрузка, приходящаяся на рассматриваемую раму а в уровне k-го перекрытия или покрытия;

S_k - расчетная горизонтальная сейсмическая нагрузка, действующая на каркас здания (отсека) в уровне k-го перекрытия или покрытия;

C_ka - жесткость рассматриваемой рамы а при приложении единичной силы в уровне k-го перекрытия или покрытия

- общая жесткость каркаса здания (отсека) при приложении единичной силы в уровне k-го перекрытия или покрытия

δ_kk - перемещение каркаса здания (отсека) на уровне k-го перекрытия или покрытия от горизонтальной единичной силы, приложенной в уровне k-го перекрытия или покрытия в центре жесткости;

- перемещение рассматриваемой рамы на уровне k-го перекрытия или покрытия от горизонтальной единичной силы, приложенной в уровне k-го перекрытия или покрытия.

Сейсмические нагрузки S_ka определяются при полном загружении каркаса временной нагрузкой без учета отсутствия на отдельных ригелях временной нагрузки.

Деформация каркаса многоэтажного здания (отсека) на уровне k-го перекрытия или покрытия от действия расчетных сейсмических нагрузок определяется:

при учете i-й формы собственных колебаний

при учете высших форм собственных колебаний

В формулах (47) и (48) принято:

К₁, K₂, А, β_i, K_ψ, η_ik - обозначения приведены в п. 2.7;

T_i - период i-го тона собственных колебаний, с;

g - ускорение силы тяжести, м/с 2 ;

Δ_ik - значения перемещений рассматриваемого перекрытия или покрытия, вычисленных по формуле (47) для каждой из учитываемых форм собственных колебаний каркаса.

Стальной каркас многоэтажного здания

3.81. Каркасы зданий рекомендуется проектировать по конструктивным схемам, указанным в п. 3.61; для протяженных в план зданий предпочтение следует отдавать каркасам, решаемым по комбинированной схеме: в поперечном направлении рамная схема, в продольном - связевая с вертикальными стальными связями или железобетонными диафрагмами жесткости.

3.82. Перекрытия и покрытия по стальным несущим конструкциям следует проектировать в соответствии с пп. 3.65; 3.66; 3.68 и 3.74.

При этом в перекрытиях с опиранием плит на полки стальных ригелей в пределах их высоты пространство, образующееся между ригелями и торцами плит, должно быть также заполнено бетоном на высоту плит с предварительной укладкой вдоль ригелей сварных сеток, препятствующих выкалыванию бетона (рис. 60). Сетки изготовляются из холоднотянутой проволоки диаметром 3 мм с шагом продольных стержней 100 мм, поперечных 250 мм. При проектировании перекрытий данного типа необходимо предусмотреть зазоры между торцами плит и верхними поясами ригелей шириной не менее 50 мм и расположение верха плит выше верха ригелей не менее чем на 30 мм (рис. 61, а).

3.83. При проектировании стальных каркасов в ригелях, диафрагмах, опорных траверсах колонн рекомендуется предусматривать определенные участки, а в стальных связях специальные конструктивные элементы, предназначенные для работы в условиях возможного развития значительных неупругих деформаций. Эти участки следует назначать в наиболее напряженных сечениях конструкций и они должны быть достаточно удалены от элементов и сечений, подверженных хрупкому разрушению или потери устойчивости, и в них следует обеспечивать по возможности более протяженные и геометрически плавные формы. Принцип формообразования конструкций в местах, где планируется возникновение пластических шарниров, поясняется на примере соединения ригеля с колонной.

Опорные сечения ригелей рамных каркасов рекомендуется развивать до таких размеров, чтобы в момент возникновения пластических шарниров в месте перехода от основного сечения к развитому опорному сечению (сечении 1-1 рис. 62) напряжения в области сварных соединений не превышали расчетных сопротивлений. С появлением пластического шарнира рост усилий в опорной части ригеля прекращается и тем самым предохраняются сварные соединения ригеля со стойкой от хрупкого разрушения.

Развитие опорных сечений ригелей рекомендуется осуществлять за счет увеличения ширины полок (рис. 63).

Рис. 60. Планы перекрытий (покрытий) из сборных железобетонных плит с опиранием их на полки стальных ригелей (а) и по верху ригелей (б)

1 - сборные железобетонные плиты; 2 - сварные швы приварки плит; 3 - бетон М200; 4 - сварная сетка; 5 - полка ригеля

Рис. 61. Узлы опирания железобетонных плит перекрытия на стальные ригели

а - на полки ригелей; б - на верхний пояс ригеля; 1 - ригель; 2 - плита перекрытия шириной а; 3 - полка ригеля

В стальных связях зданий с расчетной сейсмичностью 8 и 9 баллов допускается предусматривать специальные конструктивные элементы, в которых могут при сейсмическом воздействии развиваться знакопеременные пластические деформации (кольцевой энергопоглотитель, трубчатый энергопоглотитель, балочный энергопоглотитель и др. или элементы с упругофрикционными болтовыми соединениями).

Проектирование каркасных зданий с развитием пластических шарниров в элементах, несущих значительную осевую нагрузку (в стойках каркасных зданий), из-за возможности потери устойчивости не допускается.

3.84. Стальные ригели каркасов рекомендуется выполнять из прокатных и сварных одностенчатых двутавров, в том числе би-стальных, а также с гофрированной стенкой.

Рис. 62. Схема конструктивного решения рамного узла с усиленным опорным сечением ригеля (а) и эпюра напряжений в ригеле (б)

Рис. 63. Узел жесткого сопряжения ригелей с колонной

3.85. Стальные колонны для рамных каркасов рекомендуется проектировать замкнутого коробчатого сечения, равноустойчивого относительно главных осей, для рамно-связевых каркасов - двутаврового сечения.

Стыки колонн каркасов рекомендуется относить от узлов рам и устраивать в зоне действия наименьших изгибающих моментов.

В колоннах рамных каркасов (рис. 63) на уровнях поясов ригелей должны быть установлены диафрагмы, толщина которых назначается из условия

где δ_п - толщина пояса ригеля.

3.86. В рамных стальных каркасах при расчете сварных узловых соединений двутавровых ригелей с колоннами замкнутого коробчатого сечения должны соблюдаться следующие требования:

а) пояса ригелей и сварные соединения ригелей с колоннами должны рассчитываться на усилие

где М_р - изгибающий момент в ригеле у грани колонны;

z - расстояние между центрами тяжести поясов ригеля;

N - нормальная сила в ригеле;

б) накладки, прикрепляющие стенку ригеля к колонне, и сварные швы крепления их к ригелю должны рассчитываться на поперечную силу Q и изгибающий момент M = Qc, где с - ширина накладки;

в) диафрагмы, устанавливаемые в колоннах коробчатого сечения, и их соединения должны рассчитываться на усилие

где N - усилие в поясе ригеля, определяемое по формуле (69);

k_д - коэффициент, величина которого принимается равной 0,8 при ширине пояса ригеля (в месте примыкания к колонне), равной ширине колонны и равной единице, если ширина пояса ригеля меньше ширины колонны;

г) стенки колонн в пределах высоты ригеля должны проверяться расчетом на поперечную силу

где М_п, М_л - изгибающие моменты (с учетом их знаков) у граней колонны в примыкающих справа и слева ригелях рамы;

Q_к - поперечная сила в колонне;

z - см. описание в формуле (69).

ФУНДАМЕНТЫ

4.1. Глубина заложения фундаментов принимается, как правило, такой же, как и в несейсмических районах.

4.2. Фундаменты здания или его отсека в нескальных грунтах, как правило, должны закладываться на одном уровне.

Допускается заложение фундаментов смежных отсеков или соседних столбчатых фундаментов на разных уровнях при условии выполнения требований разд. 12 главы СНиП по проектированию оснований зданий и сооружений.

Рис. 64. Схемы к расчету фундаментов колонн связевой панели на сдвиг

1 - распорка; 2 - дополнительные распорки при (Q₁ + Q₂)1,3 > (N₁ + N₂)f, где f - коэффициент трения

Рис. 65. Стаканное сопряжение сборной железобетонной колонны с фундаментом

1 - колонна; 2 - стакан фундамента; 3 - замоноличивание бетоном на мелком гравии; 4 - выравнивающий слой

Столбчатые фундаменты под колонны, разделенные осадочным швом, должны располагаться на одном уровне.

4.3. Расчет фундаментов под сборные железобетонные колонны следует выполнять в соответствии с указаниями по расчету для несейсмических районов, при этом при расчете на раскалывание фундамента коэффициент m_ф рекомендуется принимать равным единице. При расчете стакана фундамента определение количества горизонтальной арматуры рекомендуется производить при значении коэффициента m_кр = 0,9 с учетом примеч. 1 к табл. 8.

Рис. 66. Узел опирания на фундамент стальной колонны одноэтажного производственного здания

1 - ветвь колонны; 2 - база колонны; 3 - анкерный болт; 4 - решетка колонны; 5 - двутавр, заделанный в фундамент; 6 - соединительный элемент; 7 - цементная подливка; 8 - верх фундамента; 9 - продольная координационная ось крайнего ряда колонн; 10 - продольная координационная ось среднего ряда колонн; 11 - поперечная координационная ось ряда колонн

Рис. 67. Узел опирания на фундамент ветви связевой колонны одноэтажного производственного здания

1 - ветвь колонны; 2 - база колонны; 3 - анкерные болты; 4 - связь по колоннам; 5 - швеллер, заделанный в фундамент; 6 - соединительный элемент; 7 - цементная подливка; 8 - верх фундамента; 9 - поперечная координационная ось колонн (решетка колонны условно не показана)

4.4. Фундаменты колонны связевой панели помимо расчета на нормальные силы и моменты следует рассчитывать на сдвиг от действия расчетных горизонтальных нагрузок в продольном направлении здания, при этом учитываются силы трения фундаментов о грунт.

Отношение суммы проекций расчетных удерживающих и сдвигающих сил на плоскость скольжения должно быть не менее 1,3.

Фундаменты колонн связевой панели должны быть соединены между собой распоркой, рассчитываемой на действие горизонтальных сил и поперечной нагрузки, обусловленной осадкой фундаментов при действии постоянных и временных длительных нагрузок. В случае если фундаменты колонн связевой панели каркасных зданий не могут воспринимать сдвигающие усилия от сейсмической нагрузки, их необходимо соединять с соседними фундаментами (рис. 64).

Рис. 68. Стык железобетонной колонны с фундаментом

1 - колонна; 2 - фундамент; 3 - анкерный болт; 4 - соединительный элемент; 5 - заделка бетоном

При наличии фундаментных балок, несущих ограждающие конструкции, они могут быть использованы в качестве распорок. Под колонны вертикального связевого устоя многоэтажного здания рекомендуется предусматривать общий фундамент.

4.5. Сопряжение сборных железобетонных колонн с фундаментами следует выполнять путем замоноличивания колонн в стаканах фундаментов (рис. 65).

Примеры решения узлов опирания на фундамент стальных колонн одноэтажных производственных зданий с раздельными базами приведены на рис. 66 и 67. Для передачи поперечных сил с колонн на фундаменты или продольных горизонтальных сил со связевых колонн на фундаменты (в местах крепления подкрановых связей) следует предусматривать приварку колонн или баз подкрановых ветвей колонны через соединительные элементы к специальным конструкциям, заделанным в фундаменты (рис. 66 и рис. 67, поз. 5). Размеры этих конструкций, соединительных элементов и сварных швов приварки их к колоннам устанавливаются расчетом на поперечную силу на уровне верха фундамента.

4.6. Над стыками фундаментных балок с фундаментом следует укладывать симметрично относительно координационной оси здания сетку длиной 2 м из арматуры диаметром 8 мм при расчетной сейсмичности 7 баллов и 10 мм при расчетной сейсмичности 8 и 9 баллов с шагом продольных стержней 100 мм, поперечных 200 мм.

4.7. Если разгружающая сила в колонне связевой панели от действия расчетных горизонтальных нагрузок превышает продольную сжимающую силу, то грани колонн, а также стенки стаканов фундаментов должны иметь шпонки, рассчитываемые на срез от растягивающих усилий, или может быть предусмотрено дополнительное крепление связевой колонны к фундаменту при помощи анкерных болтов и соединительных элементов, привариваемых к закладным изделиями колонн (рис. 68).

4.8. Под стены лестничных клеток, решенных в виде самостоятельных конструкций в пределах плана здания, и колонны ячейки каркаса, в которой расположена лестница, рекомендуется делать общий фундамент.

4.9. По верху сборных ленточных фундаментов следует укладывать слой раствора марки 100 толщиной не менее 40 мм и продольную арматуру диаметром 10 мм в количестве - три, четыре и шесть стержней при сейсмичности площадки 7, 8 и 9 баллов соответственно.

Через каждые 300-400 мм продольные стержни должны быть соединены с поперечными стержнями диаметром 6 мм.

4.10. В фундаментах из крупных блоков должна быть обеспечена перевязка кладки в каждом ряду, а также во всех углах и пересечениях на глубину не менее 1/3 высоты блока; фундаментные блоки следует укладывать в виде непрерывной ленты.

Для заполнения швов между блоками следует применять раствор марки не ниже 25.

Основы проектирования стальных каркасов высотных зданий и сооружений.

Высотными считаются здания высотой 20 этажей и более. Каркас таких зданий может быть стальным с жесткими сварными узлами в продольном и поперечном направлении; связевой системы с металлическими колоннами, горизонтальными и раскосными связями и железобетонным ядром жестокости; комбинированным — стальные и железобетонные колонны с монолитными или сборными стенками жесткости.

Конструктивные системы каркасов зданий зданий и материалы для устройства несущих конструкций надземных частей высотных зданий выбираются на основании:
- требований технического задания на проектирование;
- укрупненных технико-экономических показателей вариантов строительства;
- объемно-планировочных решений зданий;
- анализа работы конструктивных систем на восприятие расчетных нагрузок, а также особых воздействий при возникновении чрезвычайных ситуаций;
- требований по противопожарной защите;
- требований комплексной безопасности, включая антитеррористическую защищенность и устойчивость зданий к прогрессирующему обрушению.
В качестве несущей основы задний первоначально конструктора зданий отдавали предпочтение стальным каркасам благодаря высокой его прочности. В последнее же время всё больнее применение находят железобетонные каркасы.
Стальной каркас рамной конструкции формируется из сварных колонн высотой в несколько этажей и жестко связанных с ними стальных ригелей двутаврового сечения с нижней уширенной полкой, на которую укладываются плиты перекрытия. При связевой схеме кроме стальных колонн и связей используются железобетонные диафрагмы жестокости. При комбинированном каркасе используются колонны в виде металлических сердечников из стандартных профилей, заключенных в железобетонную обойму, и сборные железобетонные ригели. Колонны верхних этажей могут быть сборными железобетонными. Для зашиты от огня и в целях повышения срока службы стальные колонны обетонировываются или оштукатуриваются по сетке. Торцы стальных колонн (или сердечников) обрабатываются фрезерованием. После выверки и закрепления болтами они обвариваются по контуру.
Стыки железобетонных колонн выполняются преимущественно в виде выпусков рабочей арматуры, свариваемых встык ванной сваркой на высоте 0,8. 1,2 м от уровня перекрытия. Для обеспечения устойчивости каркаса в период возведения стыки следует немедленно обетонировывать.
Междуэтажные перекрытия могут быть сборными железобетонными из многопустотных или беспустотных ТТ-образных плит, а также сборно-монолитными.
Ядро жесткости обычно выполняется в монолитном варианте.
Для обеспечения устойчивости каркаса и включения в работу в период монтажа всего диска междуэтажного перекрытия узлы сопряжения перекрытия с колоннами, ригелями и ядром жесткости, а также швы между плитами замоноличивают сразу после окончания крановой сборки этажа.
При проектировании каркасов следует учитывать, что предельные горизонтальные перемещения верха высотных зданий с учетом крена фундаментов при расчете по недеформированной схеме в зависимости от h (где h – расстояние от верха фундамента до верха несущих конструкций покрытия) не должны превышать:
до 150 м (включительно) - 1/500;
при h = 200 м - 1/600,
при высотах от 150 до 200 м значения предельных горизонтальных перемещений следует определять по интерполяции.
Жесткость каркасов зданий в условиях нормальной эксплуатации следует назначать из условий обеспечения нормальной работы инженерного и технологического оборудования зданий, а также комфортных условий пребывания людей по критерию ускорений колебаний.
Для обеспечения комфортного пребывания людей в высотных зданиях ускорение колебаний перекрытий пяти верхних этажей при действии ветровой нагрузки не должно превышать 0,08 м/с 2 .
При проектировании каркаса зданий, их частей и отдельных элементов следует предусматривать материалы, обеспечивающие при проектных воздействиях упруго-пластическую работу бетона и упругую работу стали, а при особых воздействиях – развитие пластических деформаций в пределах, обеспечивающих локализацию возможных разрушений и общую устойчивость зданий

69. Каркасы большепролетных зданий. Балочные, рамные и арочные системы большепролетных зданий. Пространственные системы большепролетных зданий. Структурные плиты, стальные оболочки, купола. Висячие и мембранные системы.

Каркас здания - это 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.

Материал несущих конструкций каркаса - из железобетона, смешанные (т.е. часть конструкций — железобетонные, часть — стальные) и стальные. Выбор материала каркаса является важной технико-экономической задачей.

Конструктивные элементы каркаса: Колонны, Болтовые соединения, Ригели междуэтажных перекрытий

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.

Балочные системы (как правило, фермы) включаются в состав поперечных рам, что улучшает статическую схему работы. 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. 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 температур.

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

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.

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 ч 1/6 пролёта L.

Самыми распространёнными являются двухшарнирные арки — они экономичны по расходу материала, просты в изготовлении и монтаже легко деформируются вследствие свободного поворота в шарнирах в них не возникает значительных дополнительх напряжений от То и осадок опор.

Перекрёстные конструкции представляют собой системы взаимно пересекающихся балок и ферм (рис. 13).

Балки или фермы могут располагаться вертикально или наклонно. В местах пересечения они жёстко скреплены между собой, что обеспечивает статическую работу всей системы как единого целого в виде пространственной плиты, опёртой на колонны по периметру. Эффект пространственной работы перекрестных систем тем заметнее, чем ближе очертания перекрываемого плана к квадрату, по условиям равномерного распределения усилий в двух направлениях

Материалом перекрестных конструкций может служить металл, железобетон и дерево.

По сравнению с плоскостными конструкциями покрытия перекрестные конструкции имеют ряд преимуществ: – примерно вдвое меньшую строительную высоту, поэтому они являются более экономичными по расходу металла; – малую строительную высоту покрытия или перекрытия, что позволяет снизить общий объём здания; – значительную жесткость покрытия, что дает возможность крепить к нему подвесное оборудование; – повышенную степень надёжности покрытия от внезапного разрушения благодаря многосвязанности системы; – разнообразную область применения конструкции.

СТРУКТУРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЯ . Стержневые металлические структуры

Стержневые структуры представляют собой систему пространственных перекрещивающихся ферм из металлических труб или прокатных профилей (уголок, двутавр, швеллер). Верхний и нижний пояса структурной плиты из стержневых элементов образуются из квадратных ячеек (рис. 17).

Конструкции узловых элементов чрезвычайно разнообразны. Для трубчатых элементов наиболее логична конструкция узла, где главным соединительным звеном является болт, соосный со стержнями и работающий на продольные усилия. Существуют две композиционные схемы этого узла: болт, выходя из трубчатого стержня, ввинчивается в узловой элемент; болт, выходя из узлового элемента, ввинчивается в трубчатый стержень. По первой схеме выполнен изобретенный в довоенные годы в Германии узел «Меро», отличающийся универсальностью и простотой монтажа и считающийся наиболее совершенным из всех существующих, а также созданный на его основе узел «МАрхи» (рис. 18).

Структурное покрытие является прежде всего стержневой плитой, поэтому основные принципы проектирования сплошных плит справедливы и для них.

1. Наиболее выгодной формой прямоугольных плит является квадратная.

2. Чем чаще расположены опоры по контуру, тем лучше, хотя польза от слишком частого их расположения становится незаметной. В наихудших условиях работает плита, опертая по углам.

3. Эффективен конструктивный прием постановки опор с некоторым отступом от контура покрытия. Образующиеся консольные свесы способствуют снижению величин изгибающих моментов в пролете, причем создается самостоятельный планировочный модуль, легко поддающийся блокировке с другими подобными модулями.

Сплошностенчатые структурные конструкции не типичны для исполнения в металле.

3.2. Армоцементное структурное покрытие

Конструктивные формы структурных покрытий из древесных материалов, пластмасс, железобетона и армоцемента основаны на использовании форм сплошностенчатых пирамид, чаще всего четырехгранных. Возможны два способа расположения пирамид – вершинами книзу и вершинами кверху. Каждый из них формирует свою специфическую пластику потолка и решающим образом влияет на интерьер

Применение структурных конструкций в современном строительстве позволяет:

– перекрывать помещения с любой конфигурацией плана;

– существенно облегчать массу покрытия, повышая за счет этого эффективность работы конструкции на полезные напряжения;

– за счет многократной повторяемости унифицировать элементы и узловые детали, обеспечивать их поточное изготовление.

– легко и удобно транспортировать сборные элементы;

– свести работу на строительной площадке к простой быстрой сборке элементов. Недостатками является: повышенная трудоёмкость изготовления элементов и трудность выполнения узлов по сравнению с традиционными.

Оболочкой называется пространственная конструкция, форма которой образована перемещением образующей по направляющей. В зависимости от формы образующей и направляющей оболочки подразделяют на оболочки одинарной положительной кривизны (цилиндрические оболочки), конусоидальные оболочки (складки), оболочки двойной положительной кривизны, оболочки отрицательной гауссовой кривизны. Конструкция оболочки состоит из трех основных элементов – тонкой оболочки, бортовых элементов и торцевых диафрагм. Материалом для устройства оболочек может служить железобетон, дерево, армоцемент, металл. Железобетонные оболочки выполняются в виде монолитных конструкций. При классификации оболочек, определяющее значение имеет признак статической работы конструкции. По этому признаку оболочки подразделены на два класса – распорные и безраспорные. К безраспорным оболочкам относятся цилиндрические и конусоидальные (складки) оболочки. Данные конструкции могут воспринимать распор только за счёт специально установленных диафрагм. К распорным относятся купола, своды и оболочки отрицательной кривизны. Оболочки нулевой гауссовой кривизны, применяемые для покрытия прямоугольных помещений, могут быть гладкими, ребристыми, складчатыми, цилиндрического и параболического очертания.

Современные тонкостенные конструкции куполов принадлежат к наиболее экономичным пространственным конструкциям, которые позволяют перекрыть пролеты до 150 м при толщине оболочки в 1/600–1/800 пролета. В классических каменных куполах это соотношение составляет 1/10–1/12 пролета. Однако основные отличия современных купольных конструкций от традиционных связаны со своеобразием формы поверхности (волнистой, складчатой), обусловленной необходимостью повышения местной устойчивости тонкостенной оболочки. Купол, в основании которого круг, имеет поверхность, образованную вращением кривой (арки) вокруг центральной оси. В зависимости от образующей кривой купола могут иметь сферическую форму, параболическую, стрельчатую и эллиптическую (рис. 32). Преимуществом купольных конструкций является равномерное распределение усилий по конструктивному элементу, что приводит к наиболее эффективному использованию материала. Жесткость конструкции порождает сама форма, так как она не развертывается в плоскость, тем самым образуется дополнительный резерв несущей способности конструкции. Выпуклая форма купольных покрытий обеспечивает простую систему водоотвода.

При применении данных конструкций можно отметить следующие недостатки: 1) увеличивается строительный объем помещений, особенно при большой стреле подъема; 2) они неблагоприятны в акустическом отношении, так как форма покрытия способствует фокусированию звуковой энергии. Наибольшая фокусировка звука имеет место в тех случаях, когда радиус кривизны купола близок к высоте помещения; 3) для возведения купольных покрытий необходимы специальные устройства (леса, подмости). Современные купола решаются из железобетона, армоцемента, металла и дерева, могут быть решены в сплошных и стержневых конструкциях. В куполах, так же, как и в арках, возникает распор, который воспринимается нижним опорным кольцом. Кольцо воспринимает растягивающее усилие. В верхней части купола устраивают верхнее опорное кольцо, которое служит для аэрации и освещения здания, а также оно необходимо для ведения монтажных работ по устройству купола. В верхнем опорном кольце возникают снимающие усилия. По конструктивным формам купольные покрытия могут быть гладкими, ребристыми, ребристо-кольцевыми, сетчатыми, геодезическими, волнистыми и складчатыми.

1. Гладкий купол . Конструкция гладкого купола наиболее экономична, применяется в монолитном строительстве для покрытий диаметром до 150 м. Купол имеет внутреннюю и внешнюю гладкие поверхности и осуществляется из монолитного железобетонного кольца.

2. Ребристые купола образуются при помощи полуарок прямоугольного сечения, по которым укладывается ограждающая конструкция. Ребра опираются на нижнее растянутое и верхнее сжатое опорные кольца. Между ребрами устанавливаются прогоны и связевые элементы, обеспечивающие пространственную жесткость купола. Ребристые конструкции предусматривают в конструкциях сборных куполов диаметром до 70 м.

3. Ребристо-кольцевые купола имеют не только меридиональные ребра, но и равномерно-распределенные по высоте купола горизонтальные кольца, играющие роль жестких железобетонных связей. Толщина оболочки купола ≈1/600 от пролёта. Например, при пролете L = 90 м: δ1 = 150 мм – толщина у верхнего опорного кольца; δ2 = 310 мм – толщина у нижнего опорного кольца.

Все нагрузки воспринимают элементы колец и полуарок, поэтому ограждающие конструкции могут быть очень легкими; допустимо применение остекления.

4. Сетчатый купол . Сетчатый купол представляет собой систему стержней с узловыми соединениями, вписанными в сферическую поверхность.

Для уменьшения деформативности стержневая сетка должна максимально соответствовать форме криволинейной поверхности купола, что достигается изменением размеров элементов сетки, начиная от опорного кольца и до вершины (диаметр трубы внутри 12 мм, вверху – 38 мм).

5. Геодезический купол – это многогранник, имеющий треугольные, ромбические или многоугольные грани. Материалом геодезического купола является алюминий.

6. Волнистый и складчатые купола имеют поверхность, состоящую из оболочек двоякой кривизны и складок, сходящихся к полюсу купола. Такие купола применяют в покрытиях до 80 м. Их выполняют монолитными и сборно-монолитными из сопряженных сегментов оболочек-волн одинарной или двоякой кривизны. Несмотря на больший, чем у гладких куполов, расход материала, волнистая (складчатая) конструкция обладает рядом преимуществ: благодаря открытым наружным торцам волн обеспечивается полноценное верхнебоковое естественное освещение внутренних пространств и устройство входов, а выразительная объемная форма конструкции обогащает композицию фасадов и интерьера здания. Недостатком является сложность устройства утепления кровли.

Висячие конструкции наряду с покрытиями из тонкостенных жестких оболочек являются наиболее экономичными конструкциями большепролетных покрытий. Они изобретены и впервые применены в 1896 году В.Г. Шуховым, но широкое внедрение в строительство получили только со второй половины XX века, когда уровень развития строительной техники существенно возрос. Такие покрытия применяют преимущественно для пролетов свыше 60 м в спортивных, зрелищно-спортивных зданиях, выставочных павильонах, аэровокзалах. Висячие конструкции выполняют из металла – тросов, прутков, тонколистовых мембран, сеток, металлических лент (рис. 39). Принципиальными особенностями, определяющими специфику висячих систем, являются их высокая деформативность и аэродинамическая неустойчивость.

Мембранные покрытия получили развитие в связи с появлением специализированных заводов металлических конструкций, позволяющих изготовлять тонколистовые (2–5 мм) рулонные заготовки шириной до 10 м и длиной на пролет. На строительстве рулоны раскатывают по специальной «постели» из направляющих. В качестве направляющих используют стальные полосы, балки или висячие фермы. Элементы постели обеспечивают одновременно стабилизацию покрытия. Продольные края «лепестков» соединяют друг с другом шовной сваркой или высокопрочными болтами (рис. 45

Стрела провиса мембран составляет 1/15–1/20 пролета, форма поверхности покрытия на круглом плане – параболоид вращения, на эллиптическом – эллиптический параболоид. Преимуществом мембранных покрытий перед покрытиями из стержней и тросов является совмещение мембранной оболочкой несущих и ограждающих функций.

Конструирование и расчет металлических каркасов многоэтажных зданий.

Каркасы производственных зданий в большинстве случаев проектируются так, что несущая способность (включая жесткость) поперек здания обеспечивается поперечными рамами, а вдоль -продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями. Поперечные рамы каркаса состоят из колонн (стоек рамы) и ригелей (в виде ферм или сплошностенчатых сечений). Продольные элементы каркаса — это подкрановые конструкции, подстропильные фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны (или ребра стальных кровельных панелей). Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого фахверка (а иногда и продольного), площадок, лестниц и других элементов здания.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. Расчет механизирован и производится в ЛиреСАПР и SCAD.

11. Конструктивные требования несущим конструкциям покрытиям, расположенных в сейсмических районах.

Стальные стропильные и подстропильные конструкции допускается применять в зданиях с расчетной сейсмичностью 8 баллов с пролетами 24 м и более и в зданиях с расчетной сейсмичностью 9 баллов с пролетами 18 м и более, а также в случаях, когда их применение допускается «Техническими правилами по экономному расходованию основных строительных материалов» для аналогичных объектов в несейсмических районах. В целях обеспечения пространственной жесткости каркаса, а также устойчивости покрытия в целом и его элементов в отдельности необходимо предусматривать систему связей между несущими стальными конструкциями покрытия (фермами) в плоскости их верхних и нижних поясов и в вертикальных плоскостях. Связевые поперечные фермы устанавливаются в двух крайних (у торцов и антисейсмических швов здания). Кроме того, по длине здания (отсека) по верхним поясам стропильных ферм рекомендуется устанавливать распорки между опорными стойками и в пролете ферм. Вертикальные связи устанавливаются между стропильными фермами на опорах (между опорными стойками) и в пролете. По длине здания (отсека) связи располагаются в шагах ферм, где устанавливаются поперечные связевые фермы по нижним поясам стропильных ферм; при этом связи между опорными стойками стропильных ферм могут располагаться и в промежуточных шагах ферм, если по расчету требуется установка большего количества связей.

12. Конструктивные требования к болтовым и сварным узлам.

Различают две конструктивные разновидности соединений – стыки и прикрепления элементов друг к другу. Стыки осуществляют с одно- и двухсторонними накладками, а прикрепления – в нахлестку. При конструировании следует стремиться к применению болтов одного диаметра в пределах элемента и к малому числу диаметров во всем сооружении. Допускается, элементы крепить в узле одним болтом. Следует стремиться к наилучшей передаче усилия с одного элемента на другой кратчайшим путем. Болты располагают по прямым линиям – рискам, параллельно усилию. Расстояние между смежными рисками называется дорожкой, а расстояние между двумя смежными по риске болтами – шагом. Расположение болтов принимают как шахматное, так и рядное. При проектировании сварных конструкций надлежит учитывать следующее:- сварные соединения и сварные узлы должны удовлетворять требованиям прочности при минимальной металлоемкости;- расположение сварных швов должно обеспечивать удобство выполнения сварки, обработки и всех предусмотренных конструкторской и технологической документацией видов контроля сварных соединений;- следует применять сварные соединения с минимальной концентрацией напряжений, избегая образования объемных напряженных зон; - в зонах действия высоких напряжений необходимо обеспечивать плавность передачи рабочих нагрузок по возможности без эксцентриситета сопрягаемых элементов;- при присоединении к несущему элементу конструкции дополнительных деталей форма последних должна обеспечивать плавность переходов сечений в местах сварных соединений;- для уменьшения сварочных деформаций следует располагать сварные швы по возможности симметрично относительно центра тяжести элемента;- в несущих элементах конструкций не допускается применение прерывистых швов, за исключением приварки тонколистовых элементов, не являющихся несущими, к несущим элементам;- в сварных конструкциях необходимо избегать возможного скопления воды и грязи, а элементы замкнутого сечения должны быть герметизированы, или конструкцией предусмотрены отверстия для стока воды и циркуляции воздуха;- на сопрягаемые поверхности и поверхности деталей замкнутого профиля, изготовляемых из углеродистых и низколегированных сталей, в сварных соединениях кузовов вагонов и локомотивов, выполняемых точечной контактной сваркой или дуговой сваркой точками и прерывистыми швами, следует предусматривать нанесение антикоррозионных покрытий.

13. Конструктивные требования к болтовым узлам. Показать напряжено-деформированное состояние болтовых соединений.

14. Конструктивные требования к опорным узлам сварных балок.

Кромки полок балок после машинной кислородной резки не должны иметь неровностей, превышающих 0,3 мм. Тавровые (поясные) и стыковые (стыки листов полок и стенок) швы должны выполняться механизированной сваркой (автоматической под флюсом и /или полуавтоматической в среде защитного газа) с плавным переходом швов к основному металлу.

Стыки листов полок и стенок балок должны выполняться встык без накладок с применением двухсторонней сварки. При этом стыки листов полок, относительно стыка стенки балки, должны находиться на расстоянии не менее 100 мм по обе стороны от стыка стенки, для подкрановых балок не менее чем на 500мм. Допускается односторонняя сварка при условии подварки корня шва. Все сварные швы должны быть непрерывными. Поверхность стыковых швов листов полок в местах сопряжения со стенкой должна быть зачищена заподлицо с основным металлом. При выполнении стыковых швов должен обеспечиваться полный провар. Швы сварных соединений и конструкции по окончании сварки металлоконструкций должны быть очищены от шлака, брызг и натеков металла. При визуальном контроле сварные швы должны удовлетворять следующим требованиям:а) иметь гладкую или равномерно чешуйчатую поверхность без резких переходов к основному металлу;б) швы должны быть плотными по всей длине и не иметь видимых прожогов, сужений, перерывов, наплывов, а также недопустимых по размерам подрезов, непроваров в корне стыкового шва, несплавлений по кромкам, шлаковых включений и пор;в) металл шва и околошовной зоны не должен иметь трещин любой ориентации и длины;г) кратеры швов в местах остановки сварки должны быть переварены, а в местах окончания - заварены.

15. Конструктивные требования к сварным узлам. Показать напряжено-деформированное состояние сварных соединений.

При проектировании сварных конструкций надлежит учитывать следующее:

- сварные соединения и сварные узлы должны удовлетворять требованиям прочности при минимальной металлоемкости;- расположение сварных швов должно обеспечивать удобство выполнения сварки, обработки;- следует применять сварные соединения с минимальной концентрацией напряжений, избегая образования объемных напряженных зон;- располагать сварные швы по возможности симметрично относительно центра тяжести элемента;- в несущих элементах конструкций не допускается применение прерывистых швов;

- в сварных конструкциях необходимо избегать возможного скопления воды и грязи;

2)Напряженное состояние (растяжения или сжатия) часто наблюдается при сварке изделий большой толщины, жестких по конструкции. Оно не приводит к разрушению металла и с течением времени уменьшается. При сварке мало пластичных или склонных к закалке металлов напряженное состояние в изделии проявляется в виде трещин, возникающих как в шве, так и в основном металле, прилегающем к сварному шву. а – деформации в результате поперечной усадки

б – деформации от поперечной и продольной усадки наплавленного металла.

Наиболее часто внутренние напряжения проявляются в сварной конструкции в виде различных короблений, которые деформируют конструкцию и делают ее непригодной для нормальной эксплуатации без правки. Величина внутренних напряжений и короблений в большой степени зависит от способа свайки. Чем медленнее выполняется процесс сварки, чем больше зона разогрева основного металла, тем сильнее будет коробление.

16. Конструктивные требования к узлам металлических ферма из уголков и квадратных труб.

а) Фермы с элементами из парных уголков проектируют с узловыми фасонками, которые размещают между поясными уголками. Очертание фасонок определяется схемой узла и длиной швов, или количеством болтов, крепящих стержни решетки. Форма фасонкам должна быть простой для удобства их изготовления и сокращения отходов металла. Торцы стержней решетки обрезают перпендикулярно их осей, однако в уголках шириной полок более 90 мм допускают косые резы. Для снижения концентрации сварочных напряжений, в торце уголков решетки не доводят до кромок поясов. Такие же расстояния нужно соблюдать и между соседними элементами решетки в узле. Элементы решетки приваривают к фасонкам двумя фланговыми. Прикреплять фасонки к поясным уголкам лучше с двух сторон — со стороны обушка и пера, так как в противном случае поясные уголки легко могут отогнуться в результате случайных причин (например, при транспортировке). Для обеспечения передачи равнодействующей усилий, воспринимаемых каждым из двух швов, к центру узла (вдоль оси стержня) угловые швы распределяют по обушку и перу обратно пропорционально их расстояниям до оси элемента. Прогоны крепят к поясам ферм через упоры из уголков. При их монтаже, перепад верха смежных прогонов должен превышать 20 мм, что достигается листовыми подкладками соответствующей толщины.

Б) Основные конструкционные элементы ферм из труб могут быть представлены верхним и нижним поясами, а также раскосами и стойками. Пояса в таких фермах образуют контуры, а наличие раскосов и стоек необходимо для обустройства решётки. Узловые соединения всех элементов конструкции базируются на непосредственном примыкании элементов друг к другу или основаны на использовании специальных узловых фасонок. Все элементы металлических ферм необходимо центрировать по осевому направлению от центра тяжести, что позволяет снизить узловые моменты и обеспечить работу стержней на основные осевые усилия. Трубчатые стальные фермы сваривают обычно встык без фасонок. Фермы из труб экономичны по расходу материала, менее трудоемки по изготовлению и имеют меньшую массу.

17. Конструктивные требования к узлам соединений колонн с балками.

Сущность: узел соединения балки с колонной включает опорное ребро балки, установленное на столике колонны с монтажным зазором относительно полки колонны и соединенное с ней стяжными болтами, и компенсирующий элемент. Последний выполнен в виде упорных болтов, которые установлены в резьбовых отверстиях, выполненных в опорном ребре, и пропущены через монтажный зазор с возможностью контактирования с полкой колонны.

Благодаря такому решению упрощается монтаж узла, повышается его надежность.

Эта задача решается за счет того, что в узле соединения балки с колонной, включающем опорное ребро балки, установленное на столике колонны с монтажным зазором относительно полки колонны и соединенное с ней стяжными болтами, и размещенный в монтажном зазоре компенсирующий элемент, последний выполнен в виде упорных болтов, установленных в резьбовых отверстиях, выполненных в опорном ребре, и пропущенных через монтажный зазор с возможностью контактирования с полкой колонны.

18. Конструктивные требования к элементам каркаса зданий проектируемых в сейсмических районах.

Каркасы зданий рекомендуется проектировать по конструктивным схемам, для протяженных в план зданий предпочтение следует отдавать каркасам, решаемым по комбинированной схеме: в поперечном направлении рамная схема, в продольном - связевая с вертикальными стальными связями или железобетонными диафрагмами жесткости.

· при выборе объемно-планировочных и конструктивных решений необходимо обеспечивать симметричное относительно их главных осей и равномерное в плане распределение масс и жесткостей. Несоблюдение этого условия может привести к интенсивному развитию крутящихся моментов в плане здания и приведение к концентрации усилий на отдельных несущих конструкциях.

· здание в плане рекомендуется простое очертание (круг, квадрат, прямоугольник). Не рекомендуется возводить пристройки и ассиметрично располагать лестничные клетки.

· здание большое по площади и со сложным очертанием расчленяют на отдельные блоки с антисейсмическими деформационными швами.

· основные несущие конструкции должны быть монолитными и однородные. Им придают равнопрочность, так как преждевременный выход из строя слабых узлов и элементов может привести к разрушению здания до исчерпания несущей способности основных конструкций.

· при проектирования сборных элементов по возможности укрупняют их, тем самым уменьшая количество стыков. Стыки располагают вне зоны максимальных усилий.

· поскольку величина сейсмических нагрузок зависит от веса здания, стремятся уменьшить вес здания и полезных нагрузок.

19. Конструктивные требования при изготовлении узлов металлических ферм из квадратных труб.

Чтобы конструкция в итоге отличалась прочностью, высоким качеством эксплуатационных свойств, важно производить ее изготовление с соблюдением четкой последовательности необходимых действий. Сопряжения элементов ферм рекомендуется выполнять бесфасоночными. Бесфасоночные узлы, состоящие из пояса и примыкающих к нему элементов решетки, проверяются следующими расчетами: а)на продавливание (вырывание) участка горизонтальной стенки трубы пояса, контактирующего с элементом решетки; б)на несущую способность участка вертикальной стенки трубы пояса в месте примыкания сжатого элемента решетки; в)на прочность элементов решетки в зоне примыкания к поясу; г)на прочность сварных швов, прикрепляющих элементы решетки к поясу. При расчете ферм из прямоугольных труб различают два типа узлов. К первому типу относятся узлы, , при отношении c/d 0,25, а также узлы (угол наклона равен 90°). Только после завершения сборки конструкции с помощью прихваток можно выполнять сварку (ручную или автоматическую), после которой необходимо зачистить все швы. В заключении конструкция полностью подлежит обработке специальным антикоррозийным составом и покраске. Несущая способность фермы напрямую зависит от ее высоты, и это важно помнить при создании проекта и выполнении чертежей узловых соединений. Трубы из металлопрофиля – наиболее легкий, экономичный и наименее затратный вариант создания конструкций, обладающих высокой прочностью, поэтому именно они стали оптимальным средством для создания стропильных систем больших и малых размеров.

Читайте также: