Билет № 11

1. Связи между колоннами.

Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам. Для выполнения этих функций необходимы хотя бы один вертикальный жесткий диск по длине температурного блока и система продольных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему. В жесткие диски включены две колонны, подкрановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неизменяемость. Решетка часто проектируется крестовой (элементы ее работают на растяжение при любом направлении сил) и треугольной (элементы работают на растяжение, сжатие). При больших шагах колонн в нижней части колонны целесообразно устройство диска в виде двухшарнирной решетчатой рамы, а в верхней – подстропильной фермы. Распорки и решетки при малых высотах сечения колонн располагаются в одной плоскости, а при больших высотах – в двух плоскостях. На связевые диски передаются крутящие моменты, и поэтому при расположении вертикальных связей в двух плоскостях они соединяются горизонтальными решетчатыми связями. При размещении жестких дисков (связевых блоков) вдоль здания нужно учитывать возможность перемещения колонн при температурных деформациях продольных эл-ов. Если поставить диски по торцам здания, о во всех продольных эл-х (подкрановые констр., подстропильные ферм распорки связей) возникают значительные температурные усилия. Поэтому при небольшой длине здания ставится вертикальная связь в одной панели. При большой длине здания для колонн в торцах возрастают неупругие перемещения за счет податливости креплений продольных эл-ов к колоннам. Расстояние от торца до диска ограничивается с целью закрепления колонн, расположенных близко к торцу, от потери устойчивости. В этих случаях связи ставятся в двух панелях, причем расстояние между их осями должно быть таким, чтобы усилия не были очень велики. Предельные расстояния м/у дисками ставятся от возможных перепадов t и установлены нормами. По торцам здания крайние колонны иногда соединяют м/у собой гибкими верхними связями. Делают их в виде крестов, что целесообразно с точки зрения монтажных условий и однотипности решений. Верхние вертикальные связи следует размещать не только в торцевых панелях здания, но и в панелях, примыкающих к температурным швам, т.к. это повышает продольную жесткость верхней части каркаса. Вертикальные связи устанавливают по всем рядам колонн здания, располагают м/у одними и теми же осями. При проектировании связей по средним рядам колон в подкрановой части следует иметь в виду, что иногда нужно иметь свободное пространство между колонными, тогда конструируют портальные связи. В горячих цехах с неразрезными подкрановыми балками или тяжелыми подкраново-подстропильными фермами целесообразно предусматривать специальные конструктивные мероприятия: уменьшение длины температурных блоков. Связи, кроме условных поперечных сил, воспринимают ветровую нагрузку, направленную на торец здания и от продольных воздействий мостовых кранов. Ветровая нагрузка на торец здания воспринимается стойками торцевого фахверка и частично передается на связи по нижнему поясу ферм. Связи шатра передают эту силу в ряды колонн.

2. Многоэтажные промышленные здания: конструктивные схемы зданий; конструкции многоэтажных рам; обеспечение пространственной жесткости.

Каркас многоэтажных промышленных зданий состоит из колонн и балочных или безбалочных междуэтажных перекрытий и покрытия. В зданиях с балочными перекрытиями ригели и колонны связаны между собой в узлах сваркой закладных деталей, т. е. шарнирно, в этом случае каркас в целом воспринимает только вертикальные нагрузки.

   Такая конструктивная схема здания называется связевой. Ветровые и другие горизонтальные нагрузки воспринимают перекрытия, которые передают их на торцовые стены и стены лестничных клеток. Иногда устраивают специальные стены или диафрагмы для обеспечения жесткости и устойчивости каркасного здания связевой системы.

   Многоэтажные здания могут также иметь каркас рамной конструкции. В этом случае поперечными железобетонными рамами с жесткими узлами обеспечивается пространственная жесткость здания.

   Балочная схема многоэтажных зданий является наиболее распространенной. При этой схеме в поперечном направлении располагаются ригели, опирающиеся на консоли колонн, а по ригелям укладываются сборные железобетонные ребристые или пустотелые настилы. Настилы, укладываемые вдоль разбивочных осей ряда колонн, имеют вырезы для пропуска колонн (рис. 84). Ригели имеют тавровое поперечное сечение. В некоторых случаях для уменьшения высоты перекрытия применяют ригели трапецеидального сечения с четвертями для опирания настилов.

Рис. 84. Многоэтажное здание с балочными перекрытиями

   Колонны делают высотой на этаж, при этом стыки колонн располагаются не в уровне междуэтажного перекрытия, а на 60 см выше него. Для унификации размеров всех сборных элементов сечения колонн, ригелей и настилов перекрытий всех этажей принимают одинаковыми. Узлы и стыки сборных элементов выполняются сваркой закладных стальных частей с последующим замоноличиванием (рис. 85).

Рис. 85. Сопряжение элементов каркаса. а — ригелей и настилов; б, в — ригелей с колоннами; 1 — колонна;  2 — ригель;  3 — настил.

   Стальные планки, заложенные в нижнем поясе ригелей, привариваются к планкам, заложенным в консоли колонн. Планки в консолях шире планок ригелей, благодаря чему сварные швы накладываются в нижнем положении, самом удобном для производства сварочных работ. Поверху ригели соединяются стыковыми накладками, которые обнимают колонну с двух сторон и привариваются к закладным планкам верхнего пояса ригелей. Вертикальные зазоры между торцами ригелей и колонной заполняют бетонной смесью на мелком гравии или цементным раствором. Элементы настила соединяются с ригелями сваркой закладных деталей.

    Вместо ригелей могут быть применены парные прогоны, которые опираются на консоли вдоль разбивочных осей колонн. На прогоны укладываются многопустотные настилы. Швы между элементами настила замоноличиваются. Перекрытие получается с гладким потолком, что является большим преимуществом перед перекрытием с ребристым настилом.

Безбалочная схема многоэтажных промышленных зданий в сравнении с балочной обеспечивает большую полезную высоту помещений так как само перекрытие имеет меньшую высоту (рис. 86). Сетка колонн 6 X 6 м.

Рис. 86. Многоэтажное промышленное здание со сборными безбалочными перекрытиями.

   Основные несущие элементы безбалочного перекрытия — это колонны с капителями, на которые опираются многопустотные надколонные панели толщиной 30 см. На надколонные панели в свою очередь опираются пролетные панели перекрытия толщиной 16 см. Капители имеют форму усеченной пирамиды с квадратным основанием и с отверстием посередине, через которое проходит колонна. Капитель выполняет роль обоймы стаканного типа, которая охватывает верхушку колонны, опирается на консоли колонны и скрепляется с ними путем приварки закладных деталей.

   Поэтажный стык колонн осуществляется в пределах капители. Сборные безбалочные перекрытия сложны в монтаже и неэкономичны по расходу бетона и стали, поэтому применяются редко. Более экономичными являются сборно-монолитные безбалочные перекрытия, которые устроены следующим образом: плоская железобетонная плита с отверстием посередине для пропуска колонны служит капителью; на капители опираются межколонные предварительно напряженные многопустотные панели, на которые в свою очередь опираются пролетные панели (рис. 87).

Рис. 87. Сборно-монолитное безбалочное перекрытие. а — план; б — разрез.

   По межколонным панелям укладывается арматурная сетка, которая сваривается с выпусками арматуры пролетных панелей и заполняется бетоном. Такая  сборно-монолитная  конструкция  безбалочного перекрытия благодаря тому, что элементы не разрезаны, отличается большой жесткостью. Достоинство сборно-монолитного перекрытия — значительно меньший расход бетона и стали по сравнению со сборным; недостаток — применение монолитного бетона.

Обеспечение пространственной жесткости.

С переходом к многоэтажному строительству важнейшей задачей становится обеспечение пространственной   жесткости зданий. Для панельных зданий высотой 9 этажей как при узком, так и при широком шаге пространственная жесткость обеспечивается так же, как и в пятиэтажных зданиях.

В зданиях повышенной этажности короткие панели поперечных стен, разрезанные проемами, вследствие недостаточной их жесткости, как правило, не могут воспринимать действующие ветровые нагрузки и надежно обеспечивать жесткость здания. Возможным направлением для повышения жесткости является объединение панелей поперечных стен в единый вертикальный диск, для чего перемычки, соединяющие эти панели, должны быть рассчитаны и законструированы таким образом, чтобы они могли воспринимать возникающие при этом сдвигающие усилия (которые в нижних этажах достигают значительных величин). Проектные проработки показали, что такое решение в панельной конструкции получается достаточно сложным. Способом повышения жесткости здания, как уже отмечалось, может быть компоновка плана панельного дома с развитыми на всю ширину поперечными стенами, которые в этом случае будут обладать достаточно высокой жесткостью для восприятия горизонтальных нагрузок.

Целесообразно переходить к пространственной системе диафрагм жесткости— двутавровых, угловых, П-образных в плане, имеющих большой момент инерции. При этом особое внимание должно быть обращено на обеспечение совместной работы поперечных и продольных стен. Наиболее надежно это достигается устройством в местах сопряжений стен специальных шпонок — стальных или монолитных, созданием зубчатых соединений и т.д.

В конструктивном отношении более правильно создание развитых по длине продольных стен — диафрагм жесткости, которые совместно с основными поперечными стенами должны образовывать пространственную систему.

3. Расчет поперечной рамы одноэтажного промышленного здания: расчетная схема и нагрузки, действующие на здание (железобетонный каркас).

Стальной каркас однопролетного производственного здания представляет собой пространственную систему, главными несущими элементами которой являются поперечные рамы. При статическом расчете поперечника такие рамы выделяются из каркаса и рассчитываются как плоские системы, загруженные вертикальными и горизонтальными нагрузками.

Целью статического расчета рамы является определение максимальных расчетных усилий (изгибающих моментов, продольных и поперечных сил), необходимых для подбора сечений элементов рамы, расчета сопряжений, узлов и других деталей.

При расчете поперечной рамы в курсовом проекте, в целях упрощения, рекомендуется принимать следующие допущения:

- сквозной ригель заменяется условно сплошным и жестко соединяется со стойками;

- стойки считаются жестко защемленными в фундаментах и жестко соединенными с ригелем;

- высота рамы принимается равной расстоянию от низа опорной плиты базы колонны до оси нижнего пояса ригеля.

Размер уступа колонны ℮, являющийся расстоянием между центрами тяжести сечений верхнего и нижнего участков колонны, равен

℮ = 0,5 (hн –hв), (5.11)

где hв и hн – соответственно высота сечения верхнего и нижнего участков колонны, принятая при компоновке поперечной рамы.

Для статического расчета, рамы достаточно знать только соотношения моментов инерции элементов рамы, а не их абсолютные значения. Эти соотношения принимают в пределах

Jн / Jв = 5…10, (5.12)

Jр / Jв = 20…40.

Принимают Jв = 1, тогда Jн = 5…10, а Jр = 20…40.

Из нагрузок, действующих на поперечную раму, рекомендуется учесть следующие:

- постоянную от собственной массы конструкций покрытия и элементов кровли;

- снеговую;

- крановые, в том числе вертикальную от давления колёс крана и горизонтальную – от торможения тележки и распора колёс крана;

- ветровую.

Масса стеновых панелей не учитывается, так как конструкцию стен можно считать самонесущей, передающей нагрузку непосредственно на фундамент.

Постоянную нагрузку на ригель рамы принимают равномерно распределённой по длине ригеля.

Величину расчётной постоянной нагрузки на 1м² покрытия gкр, кПа, удобно определять в табличной форме.

В распределённую нагрузку включаются нагрузки от всех слоёв кровли, собственного веса конструкций фермы, связей. Линейная распределённая нагрузка на ригель рамы qn, кН/м, определяется по формуле

qn = γn ∙ ∑ gкр ∙ В, (5.13)

где γn = 0,95- коэффициент надёжности по назначению;

∑ gкр - суммарная расчётная постоянная нагрузка, таблица 5;

В - шаг колонн в продольном направлении, задан по варианту.

Снеговая расчётная линейная нагрузка на ригель рамы Р, кН/м, определяется по формуле

Р = γn∙ γf ∙ s0 ∙ µ ∙ B, (5.14)

где γn = 0,95– коэффициент надёжности по назначению;

γf = 1,4–коэффициент надёжности по нагрузке;

s0 – нормативное значение веса снегового покрова на 1м², принимаемое по таблице 4, [3];

µ–коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый по приложению 3, [3]; в курсовом проекте принимать µ =1, так как уклон кровли меньше 25°;

B–шаг колонн в продольном направлении.

Нагрузка от мостовых кранов представлена в виде вертикальной и горизонтальной.

Вертикальное давление кранов Dmax и Dmin, кН, определяется по формулам

Dmax = γn ∙(γf ∙ ψ ∙Fкmax ∙∑y+ γf'∙Gn + γf ∙gn ∙bт ∙B), (5.15)

Dmin = γn ∙(γf ∙ ψ ∙Fкmin ∙∑y+ γ´f'∙Gn + γf ∙gn ∙bт ∙B),

где γn= 0,95;

γf =1,1– коэффициент надёжности по нагрузке;

ψ– коэффициент сочетаний, принимаемый по пункту 4.17, [3]; в курсовом проекте принимать ψ = 0,85 для групп режимов работы кранов 1К– 6К; ψ = 0,95 для групп режимов работы кранов 7К; 8К;

Fкmax - наибольшее вертикальное нормативное давление колеса крана, принимаемое по приложению 1, [2], кН;

Fкmin– наименьшее вертикальное нормативное давление колеса крана, определяемое по формуле (5.16), кН;

∑y – сумма ординат линии влияния опорных реакций от установки двух сближенных мостовых кранов при их наиневыгоднейшем для колонны положении на подкрановой балке, как показано на рисунке 5;

Gn – нормативный вес подкрановых конструкций, принимаемый Gn = 40…50 кН;

γ´f'=1,05– коэффициент надёжности по нагрузке для собственного веса

подкрановых конструкций;

gn=1,5 кН/м² – полезная нормативная нагрузка на тормозной

площадке;

bт – ширина тормозной площадки, принимается равной hн – высоте

сечения нижней части колонны, принятой при компоновке рамы;

B– шаг колонн в продольном направлении, м.

а – схема постановки кранов при двух колёсах с одной стороны крана, n0 = 2;

б – схема постановки кранов при четырёх колёсах с одной стороны крана, n0 = 4

Рисунок 5 – Схемы постановки мостовых кранов на подкрановых балках

для определения ординат линии влияния опорных реакций

Fкmin = (Q +Gк)/n0 –Fкmax, (5.16)

где Q – грузоподъёмность крана по заданию, кН;

Gк – вес крана с тележкой, кН, принимаемый по приложению 1, [2];

n0 – число колёс с одной стороны крана, по приложению 1, [2].

Колёса, не вошедшие на подкрановую балку не учитывать, тогда сумму ординат принимать

∑y = y1 + y2 + … + yn , (5.17)

Силы Dmax и Dmin приложены по оси подкрановой балки, которая не совпадает с центром тяжести колонны и поэтому, они не только сжимают нижнюю часть колонны, но и передают на неё изгибающие моменты. Схема приложения крановой вертикальной нагрузки показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема приложения крановой вертикальной нагрузки

Изгибающий момент Mmax, Mmin, кН∙м, определяется по формулам

Mmax = Dmax ∙ ек , Mmin = Dmin ∙ ек , (5.18)

где ек – расстояние от оси подкрановой балки до оси, проходящей через центр тяжести нижней части колонны, рисунок 4, м.

В курсовом проекте принимать ек = 0,5∙ hн.

Горизонтальная сила Т, кН, возникает из-за прекосов крана, торможения тележки, распирающего воздействия колёс при движении по рельсам, расстояние между которыми несколько меньше пролёта крана. Нормативное значение силы , кН, передаваемой на поперечную раму, определяется по формуле

= 0,05(Q + Gт ) / n0 , (5.19)

где Q – грузоподъёмность крана, кН;

Gт – вес тележки, принимаемый по приложению 1, [2], кН;

n0 – число колёс с одной стороны крана.

Расчётная горизонтальная сила Т, передаваемая подкрановыми балками на колонну, определяется при том же положении мостовых кранов, показанных на рисунке 3, по формуле

Т = γn ∙ γf ∙ ψ ∙ ∙ ∑y , (5.20)

где γn, γf, ψ, ∑y – то же, что в формуле (5.15)

Эта сила приложена к раме в уровне верхнего пояса подкрановой балки и может быть направлена как внутрь пролёта, так и из пролёта, схема показана на рисунке 7.

Рисунок 7 – Схема горизонтального воздействия мостового

крана на поперечную раму

Ветровая нагрузка воздействует динамически, но при низких широких зданиях рассматривается только её статическая составляющая.

Нормативное значение ветрового давления w0, кПа, принимают по таблице 5, [3].

Коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, k, принимают по таблице 6, [3], для типа местности «А» k1 = 0.75 ; k2 = 1 ; k3 и k4 принимать по интерполяции соответственно для Н0,факт. и Нкр , где Нкр =Н0 факт. +3,5 м.

Схема действия ветровой нагрузки на раму показана на рисунке 8.

При направлении ветра слева направо, как показано на рисунке, ветровая нагрузка слева будет приложена к раме, а справа – от рамы, то есть слева будет активное давление, а справа - пассивное (отсос). Этот фактор учитывается аэродинамическим коэффициентом с, принимаемым по приложению 4, [3], для второго номера схемы. В курсовом проекте допускается принимать значения коэффициентов слева слев= 0,8, а справа спр = 0,6.

Для удобства расчёта фактическую нагрузку в виде ломанной прямой можно заменить эквивалентной по всей высоте, а часть нагрузки, действующей на ферму, заменяют сосредоточенной, приложенной в уровне низа ригеля рамы, как показано на рисунке 9.

Если принять, что моменты в заделке консоли, равной по длине высоте рамы от эквивалентной и фактической нагрузки, равны, то эквивалентная расчётная погонная ветровая нагрузка gэ,лев gэ,пр, кН/м, будут равны

gэ,лев = γn ∙ γf ∙ w0 ∙ kср ∙ слев ∙ B, (5.21)

gэ,пр = γn ∙ γf ∙ w0 ∙ kср ∙ спр ∙ B,

где γn = 0,95; γf = 1,4;

B – шаг колонн в продольном направлении, м;

kср – среднее значение коэффициента учитывающего изменение ветрового давления по высоте, по формуле (5.22);

kср = (5.22)

Сосредоточенные силы Fлев и Fпр, кН, определяются по формулам

Fлев = γn ∙ γf (k3+k4)∙3,5∙w0∙слев∙B/2, (5.23)

Fпр =Fлев∙ спр/слев.

Пример сбора нагрузок на поперечную раму приведен на страницах 300 – 302, [2].

Статический расчёт рамы выполняем на ЭВМ, программа Lira 9

Схема рамы со всеми действующими нагрузками и характерными точками приведены на рисунке 10.

Рисунок 10 – Расчетная схема поперечной рамы

со всеми действующими нагрузками

Расстояния от ригеля до характерных точек левой и правой стоек указаны на рисунке 11.

Дальнейший расчет поперечной рамы выполняется по методическим указаниям [4].

Рисунок 11 - Расстояния от ригеля до характерных точек

Результаты расчёта распечатываются в виде окончательных эпюр изгибающих моментов (М), продольных (N) и поперечных (Q) усилий от каждой нагрузки (загружение 1 – от постоянной нагрузки, загружение 2 – от снеговой, загружение 3 – от крановых моментов, загружение 4 – от горизонтальной силы и загружение 5 – от ветровой нагрузки), и соответствующих таблиц расчетных усилий.

Общее очертание эпюр M, N и Q можно посмотреть на рисунках 12.16 – 12.20, [2].

Далее составляют сводную таблицу усилий в характерных сечениях стойки рамы для расчёта колонн по форме таблицы 12.6, [2]. Рама симметричная, поэтому таблица составляется для характерных сечений одной стойки – левой.

Для того чтобы учесть все возможные случаи загружения, в таблицу заносятся усилия от крановых воздействий при тележке у правой стойки (эпюра – зеркальное отображение эпюры при тележке слева); усилия при силе Т, приложенной к другой стойке с разными знаками; усилия при другом направлении ветра.

Результатом составления таблицы являются максимальные значения М и N, обведённые в рамку, которые получаются при наиболее невыгодных сочетаниях нагрузок.

Нормами проектирования предусмотрены две группы основных сочетаний нагрузок при составлении которых учитываются:

- постоянная нагрузка плюс одна кратковременная с коэффициентом сочетаний равным единице; выбирать кратковременную нагрузку необходимо наибольшую со знаком соответствующим знаку Mmax; при этом нагрузки от Dmax и Т рассматриваются как одна кратковременная нагрузка;

- постоянная нагрузка с коэффициентом сочетаний равным единице плюс не менее двух кратковременных, умноженных на коэффициент сочетаний 0,9, подходящих по знаку.

Максимальные значения сочетаний принимаются: для верхней части колонны (сечения 1 – 1 и 2 – 2) – одно, с максимальным моментом и соответствующей продольной силой; для нижней части колонны (сечения 3 – 3 и 4 – 4) – два, одно с максимальным положительным моментом, другое с отрицательным.

По полученным сочетаниям усилий в дальнейшем рассчитывается колонна.