Схема металлического каркаса здания
Обновлено: 18.05.2024
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.
Строй-справка.ру
Каркасы промышленных зданий. Металлический (стальной каркас) промышленных зданий в основном состоит из тех же элементов, что И железобетонный. К основным из этих элементов относятся колонны, подкрановые балки, стропильные и подстропильные фермы, связи (рис. 66).
Соединение элементов в каркас осуществляется с помощью болтов, заклепок или путем сварки. Для этой цели при изготовлении элементов в них предусматривают специальные отверстия, косынки, монтажные столики.
Рис. 66. Основные элементы стального каркаса промышленного здания:1 — колонна рамы; 2 — стропильная ферма (ригель); 3 — подкрановая балка; 4 — фонарь; 5 — связи фонаря; 6 — вертикальные связи между колоннами; 7—связи покрытия горизонтальные; 8 —то же, вертикальные; 9— ригель; 10— прогоны
Колонны. Стальные колонны (рис. 67) по конструкции делят на сплошные и сквозные. Сплошная колонна состоит из одного профиля, нескольких вертикальных листов, или профилей и листов, сваренных между собой по всей высоте. Эти колонны имеют сплошное, без разрывов, поперечное сечение.
Сквозные колонны состоят из нескольких отдельных ветвей, соединенных между собой планками или решетками.
В стальных колоннах различают две основные части: стержень (ветвь) и базу (башмак). В зависимости от конструкции стержня колонны могут быть постоянного сечения, ступенчатые и раздельного типа. Колонны раздельного типа состоят из шатровых и подкрановых ветвей, соединенных между собой, но нагрузки от покрытия и кранов воспринимающих самостоятельно.
Рис. 67. Типы стальных колонн: а — постоянного сечения с консолью; б—ступенчатая; в — раздельная; 1 — стержень колонны; 2 — башмак; 3 — отверстие в колонне для прохода; 4 — шатровая ветвь колонны; 5 — подкрановая ветвь колонны; 6 — соединяющая планка
В строительстве наиболее широко применяют колонны ступенчатого типа. Надкрановая часть (над-колонник) такой колонны состоит из одной ветви, подкрановая — из двух вет-В€й, соединенных между собой решеткой.
Основной частью башмака колонны является стальная плита толщиной 40-75 мм, на которую опирается ветвь колонны. Башмаки служат для передачи нагрузки от колонны на фундамент.(К фундаменту башмаки крепят анкерными болтами. Башмаки и нижняя часть колонн, соприкасающиеся с землей, во избежание коррозии обетонируют.
Подкрановые балки. Стальные подкрановые балки изготовляют сплошными или решетчатыми (рис. 68).
Сплошные балки состоят из прокатных двутавров или составного сечения на сварке. Решетчатые балки изготовляют в виде сварных шпренгеля или фермы.
Рис. 68. Сечения и схемы стальных подкрановых балок и крепление к ним рельса: а и б — сплошные балки; в — балки в виде шпренгеля; г — балки в виде ферм
Наиболее распространены сплошные подкрановые балки. Они имеют двутавровое сечение со сплошной стенкой — симметричное или несимметричное (с развитым верхним поясом). Несимметричные сечения применяют для балок пролетом 6 м, симметричное —12 и 24 м. Стальные подкрановые балки имеют длину 6, 12 и Им. Балки длиной 6 и 12 м могут опираться как на стальные, так и на железобетонные колонны, а длиной 24 м — только на стальные колонны. Наряду с разрезными балками в строительстве применяют также и неразрезные подкрановые балки, которые по сравнению с разрезными имеют меньшую высоту, требуют меньшего расхода металла, но более трудоемки в изготовлении и монтаже. Для крепления балок к колоннам и между собой в нижнем поясе балок у опор и в торцовых ребрах предусмотрены отверстия для болтов. Балки могут быть изготовлены из стали марки СтЗ, низколегированной стали или из стали двух марок: пояса — из низколегированйой, стенка — из СтЗ.
Стропильные фермы. Стальные стропильные фермы применяют в покрытиях зданий пролетом 18, 24, 30, 36 м и более при стальных или железобетонных колоннах с шагом 6 и 12 м.
В зависимости от очертания верхнего пояса фермы могут быть с параллельными поясами, треугольные, полигональные (рис. 69).Фермы с параллельными поясами применяют в плоских покрытиях промышленных зданий при пролете 18—36 м и шаге колонн б и 12 м. Конструктивные преимущества ферм с параллельными поясами состоят в том, что длина элементов поясов и решетки одинаковая и, следовательно, имеется возможность применить стандартные элементы и тИповые узлы, что способствует индустриализации изготовления ферм.
Треугольные фермы применяют в зданиях при крутых уклонах кровли, например, при устройстве кровли из асбестоцементных листов.
Полигональные фермы используют в покрытиях зданий с рулонной кровлей, с фонарями и без фонарей, с внутренним и наружным водостоком, с пролетом 18, 24, 30 и 36 м при стальных и железобетонных колоннах, с шагом 6 и 12 м. Эти фермы представляют собой сквозную (решетчатую) несущую конструкцию, состоящую из отдельных стержней, соединенных в узлах сваркой при помощи фасонок.
Стальные фермы обычно изготовляют из прокатных уголков. Стержни этих ферм состоят из парных уголков. Элементы фермы соединяют в узлах также сваркой при помощи фасонок (косынок) из листовой стали, располагаемых между парными уголками. Решетка в стальных фермах принята треугольной.
Опоры для ферм устраивают неподвижными, кроме ферм, устанавливаемых в температурных швах. В этих фермах одна из опор устанавливается на катках или сферических поверхностях и является подвижной.
На стальные колонны фермы опираются непосредственно выступающим краем торцовой фасонки. Опорный узел фермы соединяют с колонной болтами, для чего к верхнему концу колонны приваривают горизонтальную диафрагму.
При жестком соединении фермы с колонной (не шарнирном) колонну делают выше на 2200 мм. В этом случае нижний опорный узел фермы устанавливают на монтажный столик из уголка, приваренного к колонне, и соединяют с ней болтами. При опирании ферм на железобетонные (или кирпичные) опоры их крепят с помощью анкеров. При кирпичных опорах под концы (опорные части) ферм укладывают бетонные подушки.
Фермы могут быть изготовлены полностью из стали марки СтЗ или из стали двух марок: пояса — из низколегированной стали, решетка—из стали марки Ст 3.
Подстропильные фермы. Стальные подстропильные фермы применяют в покрытиях промышленных зданий в тех случаях, когда колонны располагаются с шагом 12 м, а стальные стропильные фермы — с шагом 6 м. Фермы устанавливают на стальные или железобетонные колонны.
Подстропильные стальные фермы (рис. 70) представляют собой сквозную решетчатую конструкцию, состоящую из стальных стержней, соединенных между собой в узлах сваркой при помощи фасонок. Все стержни фермы, кроме средних стоек, состоят из прокатных парных Уголков. Средние стойки — из швеллеров. Номинальный пролет фермы 12 м. Фермы, устанавливаемые у торцовых стен и у температурных швов, имеют пролет 11,5 м.
Стропильные фермы, расположенные в плоскости колонн, опираются на стальные подколенники подстропильных ферм. Для опи-рания стропильной фермы, расположенной между колоннами в подстропильной ферме, устроена специальная горизонтальная площадка из стальнсго листа, приваренного поверх средней фасонки нижнего пояса.
Рис. 71. Связи в покрытии по стальным фермам (схема): а — по верхнему поясу; б —- по нижнему поясу; 1 — торцовая стена; 2 — стропильные фермы; 3,6— распорки; 4 — горизонтальные связи поперечные; 5 — вертикальные связи; 7 — горизонтальные связи продольные; 8 — промежуточный жесткий блок (при длине температурного блока больше 60 м); 9 — плиты покрытий; 10 — ось температурного шва
Подстропильные фермы могут быть изготовлены полностью из стали марки Ст 3 или из стали двух марок: пояса — из низколегированной стали, решетка — из стали марки Ст 3.
Связи. Пространственная жидкость стального каркаса обеспечивается креплением колонн к фундаментам анкерными болтами и установкой связей.
Продольные вертикальные связи между стальными колоннами выполняют так же, как и в железобетонном каркасе. Связи покрытия (совместно с настилом, приваренным к фермам) соединяют все стропильные фермы в пределах температурного блока в единую жесткую пространственную систему (рис. 71). При этом две фермы с каждого конц температурного блока соединяют горизонтальными (поперечными) и вертикальными связями в жесткий блок, а остальные фермы крепят к этим блокам верхними распорками и нижними растяжками.
Вертикальные связи покрытия устанавливают в плоскостях продольных рядов колонн, а также по середине пролета (в фермах пролетом 24 и 30 м) и в третях пролета (в фермах пролетом 36 м). Элементы связей, распорок и растяжек состоят из одиночных или спаренных прокатных профилей (уголков, швеллеров и др.). В покрытиях с фонарями связи устраивают также и в фермах фонаря.
Каркасы специальных сооружений. Каркасы мачт. Мачтой называют вертикально установленный ствол, шар-нирно опирающийся на фундамент и удерживаемый в вертикальном положении одним или несколькими ярусами оттяжек (рис. 72).
Стволы (каркасы) мачт, как правило, бывают решетчатые.
Решетчатые мачты имеют поперечное сечение в виде равностороннего треугольника или квадрата и высоту до 600 м. Типовые мачты изготовляют на заводах отдельными сварными пространственными секциями длиной 6,75 м. По своему устройству и назначению секции делятся на опорные, оттяжечные (предназначенные для крепления канатов оттяжек), промежуточные и специальные (для крепления к ним площадок и установки каких-либо устройств).
Решетчатые мачты треугольного и квадратного сечений имеют пояса и ре-щетку из труб или прокатных профилей. Соединение секций на монтаже производят болтами через фланцы, приваренные к торцам поясов.
Устойчивость радиомачт обеспечивается оттяжками. Оттяжки в большинстве случаев направлены под углом 45° к горизонту и представляют собой стальные канаты, закрепленные к стволу мачты и к анкерным фундаментам, специально сооружаемым для этой цели. В случае если мачта находится под током, в канат оттяжки встраивают изоляторы. Для возможности изменения длины оттяжек, а следоваельно, усилия в них закрепление оттяжек к якорям осуществляют через стяжные устройства.
Каркасы башен. Башня — свободно стоящая простран. ственная конструкция, заделанная в основание путем крепления ее к фундаментам анкерными болтами (рис. 73).
Металлические каркасы типовых башен имеют высоту до 260 и уникальные — до 600 м. Башни проектируют преимущественно четырехгранной, реже трех ,шести и восьмигранной пирамидальной формы. Верхняя часть башни обычно призматическая с размером поперечного сечения 1,75 X 1,75 м и более. Конструкции пирамидальной части отгружают на монтажную площадку в виде отдельных элементов поясов и решетки, а призматической — в виде пространственных секций высотой 5—7,5 м. Элементы поясов и распорки изготовляют из труб длиной 7,5— 9 м, а решетки — из уголков.
Рис. 74. Схема резервуара: а — разрез и план; б — кольцевые соединения; 1 — песчаная подушка; 2 — корпус; 3 — обвязочный уголок; 4 — настил покрытия; 5 — световой люк; 6 — лестница; 7 — днище; 8 — лаз; 9 — люк для замера; 10 — ограждение; 11 — сплошной шов; 12 — прерывистый шов; 13 — тавровый шоз
В телевизионных башнях уголковые раскосы заменены гибкими предварительно напряженными из круглой стали. В башнях, сооружаемых по индивидуальным проектам, в некоторых случаях применяют раскосы из катаных труб.
Каркасы резервуаров. Резервуары служат для хранения жидкостей. По конструкции резервуары могут быть металлическими или железобетонными. Наиболее распространены резервуары вертикальные стальные (рис. 74). Они состоят из трех основных частей: днища, корпуса и покрытия.
Днище выполняют из стальных листов толщиной 4—6 мм, опирающихся непосредственно на песчаное основание, поверх которого устраивают специальный изоляционный слой. Листы соединяют электросваркой. Сварку листов днища выполняют в два слоя обратносту-пенчатым способом. Вертикальные швы первого пояса корпуса на высоту 250—300 мм — в два слоя с подваркой с внутренней стороны корня шва. Для прихватки и сварки швов применяют электроды Э-42А. Толщина листов корпуса составляет обычно от 10 мм в нижнем поясе до 4 мм в верхнем.
В сварных резервуарах, собираемых на месте из отдельных листов, наибольшее распространение имеет телескопическое расположение поясов, при котором каждый вышележащий пояс ставится внутрь нижележащего, с тем чтобы наложение всех наружных кольцевых сплошных швов производилось в нижнем положении. Вертикальные соединения в поясах делают встык. Покрытие резервуара обычно выполняют из ферм с радиальными балками и прогонами, по которым укладывают настил из листов толщиной 2,5 мм, соединяемых между собой внахлестку. Листы настила сваривают тонким ниточным швом, приваривают к радиальным балкам прихватками и проплавочным щвом или соединяют электрозаклепками. К обвязочному уголку настил приваривают сплошным кольцевым швом. В настоящее время при строительстве резервуаров применяют также щитовые покрытия без ферм, что значительно упрощает их монтаж.
Каркасы градирен. Башенные градирни, применяемые для охлаждения промышленной воды, состоят из резервуара, фундамента в виде пространственной железобетонной рамы, на котором располагается оросительное устройство, и вытяжной башни. Градирни обычно проектируют многоугольного, круглого или прямоугольного сечения. Число граней наиболее простой в конструктивном отношении многоугольной градирни колеблется в зависимости от ее размера от 6 до 16. Одним из распространенных типов круглой градирни является башня-оболочка, выполняемая в виде цилиндра, усеченного конуса или гиперболоида вращения (рис. 75).
Вытяжная башня градирни состоит из металлического каркаса и внутренней деревянной или асбестоцементной обшивки.
Характерными особенностями градирни являются ее значительная высота при сравнительно малой площади в плане и небольшая масса элементов каркаса.
В настоящее время в связи с развитием методов крупноблочного монтажа башни градирен, как правило, собирают из укрупненных панелей каркаса, масса которых составляет 3—5, а иногда 8,5 т. Ширина таких блок-панелей обычно равна ширине грани градирни. Высота панелей каркаса может быть принята равной высоте башни (при сравнительно небольшой высоте градирни) или составлять часть высоты башни, т. е. равняться одному ярусу башни по высоте.
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).
Читайте также: