Классификация стальных конструкции каркасов зданий

Каркас одноэтажного здания представляет собой неизменяе­мую пространственную систему. При расчете эта система либо рас­членяется на ряд плоских систем, либо рассчитывается как про­странственная, что позволяет при определенных условиях снизить материалоемкость конструкции в целом.

Наиболее типичные стальные конструкции каркасов здания, которые нашли применение в нашей стране.

С целью систематизации металлоконструкций каркасов одно­этажных сельскохозяйственных производственных зданий автором предложена классификация их по конструктивной схеме, типу ме­таллоконструкции и конструктивной форме (схема 1.1).

При этом пространственные конструкции не рассматриваются как самостоя­тельная группа по следующим причинам. Металлические складча­тые конструкции и своды-оболочки в соответствии с действующи­ми нормативами* (информация может быть устаревшей) в сельскохозяйственном строительстве не при­меняются, а стальные структурные покрытия применяются в ог­раниченном количестве. Это объясняется тем, что структурные покрытия эффективны при укрупненной сетке колонн (12х12 м и более) и конфигурации плана здания, приближающейся к квадра­ту. Потребность в таких зданиях для сельского хозяйства весьма ограничена. Здания, применяемые массово, имеют в плане форму вытянутого прямоугольника с соотношением сторон в среднем до 1:7. Кроме того, укрупненная сетка колонн не отвечает существу­ющей индустриальной базе по производству стеновых ограждений для сельскохозяйственных производственных зданий.

Балки. Появление стальных консольных балок явилось следствием механического переноса конструктивной схемы, тради­ционно выполняемой в сборном железобетоне Стальные консоль­ные балки неэкономичны по расходу материала. Масса каркаса (в сравнении с железобетонным) снижается в 2,2 раза, но расход ме­талла возрастает в 1,8 раза. Кроме того, конструктивная схема не отвечает современной тенденции строительства сельскохозяйствен­ных зданий без промежуточных опор.

Стальные однопролетные балки пролетом 6—12 м применялись в отдельных случаях для зданий с большим уклоном кровли, но оказались неэкономичными в сравнении с железобетон­ными конструкциями и их применение было запрещено «Техниче­скими правилами по экономному расходованию основных строи­тельных материалов» (ТП/101-73).

В дальнейшем балки пролетом 18 м и более из широкополоч­ных двутавров со сквозной стенкой постояного сечения (разработка ЦНИИпроектстальконструкции) или переменного сечения (пред­ложение Укрколхозпроекта) могут найти применение в сочетании с кровельными материалами, позволяющими создать герметичную кровлю при малых уклонах. Примером таких конструкций для сельскохозяйственного строительства могут послужить многослой­ные панели или листовой материал на основе полимеров.

Балочные фермы. При незначи­тельных пролетах и малых нагрузках, состоящих практически толь­ко из собственной массы конструкции покрытия и снеговой нагруз­ки, фермы с параллельными поясами и трапеце­идального очертания не дают существенного сокращения расхода металла по сравнению с треугольными, а стоимость здания в целом при их использовании повышается. Вызвано это следую­щим. В животноводческих и птицеводческих зданиях высота помещений от пола до низа выступающих конструкций покрытия в ос­новном не превышает 3 м. Стоимость стенового ограждения состав­ляет до 35 % общей стоимости строительно-монтажных работ пол­носборного здания. Применение ферм с параллельными поясами или трапецеидального очертания приводит к увеличению площади стенового ограждения на 30—50 % за счет более высокой опорной части по сравнению с конструктивными решениями, в которых ис­пользованы фермы треугольного или полигонального очертания, и соответственно на 9—24 % повышается стоимость всего здания.

Полигональные фермы из-за ломаного очертания верх­него пояса не позволяют устраивать кровлю из асбестоцементных волнистых листов, между тем для сельскохозяйственных зданий такой тип кровли рекомендуется как основной.

Следовательно, из всех типов балочных ферм для сельскохо­зяйственных производственных зданий предпочтительнее треуголь­ные.

Применение треугольных ферм с ломаным очерта­нием нижнего пояса требует увеличения высоты стен на 0,5 м, что по причинам, приведенным выше, существенно сказывается на увеличении стоимости здания в целом Фермы с ломаным очертанием нижнего пояса легче ферм другой конструкции, однако область их применения ограничена из-за де­фицита труб и сложности изготовления узловых сопряжений элементов.

Треугольные фермы с горизонтальным нижним поясом можно объединить в три группы: с малоэлементной и многоэлементной решеткой и фермы-балки с затяжкой.

Фермы с малоэлементной решеткой с верхним поясом сквозной конструкции (серия 1.860-1) на 20—50 % тяжелее других . Причем чем меньше нагрузка на ферму, тем выше удельная масса в сравнении с другими вариантами. Объясня­ется это следующим: с целью обеспечения жесткости верхнего поя­са фермы при неузловом приложении нагрузки конструкция его принята из двух швеллеров, а для достижения устойчивости верх­него пояса и необходимой длины площадки опирания плит покры­тия швеллеры раздвинуты и соединены между собой наклонными вварными планками (до 30 планок на ферму пролетом 18 и 21 м).

Наличие вварных планок определяет высокую трудоемкость процесса изготовления ферм и невозможность его автоматизации. Сжатые раскосы имеют большую длину и гибкость, но восприни­мают малые усилия. Раскосы подбираются по гибкости, что при большой длине приводит к увеличению сечения.

Верхний пояс коробчатого сечения из двух швеллеров, приня­тый для ферм серии 1.860-5, позволяет уменьшить массу и снизить трудоемкость изготовления ферм. Для обеспечения необходимой площадки опирания плит покрытия швеллеры развернуты таким образом, что полкой опирания служит стенка швеллера. Однако швеллерные прокатные профили действующего сортамента по сво­ей геометрии для принятой в серии схеме неэкономичны, так как применение их вызывает завышение расхода металла на верхний пояс по конструктивным соображениям.

Расход металла на треугольные фермы с многоэлементной ре­шеткой относительно невысок, для их изготовления не требуется сложного оборудования. Основные недостатки этих конструкций следующие

Фермы с поясами и решеткой из парных уголков имеют узкую щель между уголками (6 мм), препятствующую нанесению анти коррозионного покрытия, и относительно большую поверхность (0,51 м² поверхности на 100 кг массы фермы при соответствующем показателе по серии 1.860-5—0,33 м² на 100 кг), что снижает долго вечность конструкций. Большое количество элементов (99 деталей) и значительный объем сварных работ (340 швов общей длиной 29 м) предопределяют высокую трудоемкость и стоимость изготовления ферм.

Фермы с поясами и решеткой из одиночных уголков неустойчивы в плоскости, вследствие чего необходимо применять специальные приспособления при их транспортировке и монтаже. Ширина верхнего пояса не обеспечивает минимальной длины площадки опирания плит покрытия и диктует единственно рациональную конструкцию покрытия с использованием прогонов, но это приводит к повышенному расходу металла.

Фермы-балки с затяжкой образуются из двух наклонных элементов верхнего пояса и металлической затяжки с подвесками По конструкции верхнего пояса их можно разделить на фермы-балки сплошного (коробчатого) и сквозного сечения (прутковая конст­рукция или развитые двутавры).

Фермы-балки сплошного сечения предложены институтом Укрпроектстальконструкция для экспериментального строительства. Верхний пояс фермы состоит из двух швеллеров и двух тонких сте­нок, усиленных продольными гофрами (лист, прокатываемый заво­дом «Запорожсталь»). Нижний пояс фермы выполняется из швел­лера, а подвеска — из круглой стали.

По данным Укрпроектстальконструкции, эта конструкция по своим показателям не уступает треугольным фермам типовой се­рии. Недостатком применения гнутых профилей в животноводче­ских зданиях является то, что минимальная толщина листа, при­нимаемая по требованиям антикоррозионной стойкости, превышает требуемую толщину листа по расчету на прочность. Кроме того, го­ризонтальное расположение стенки швеллера в элементах нижнего пояса является наиболее нежелательным, так как способствует ускорению коррозии.

Фермы-балки сквозного сечения в сельскохозяйственном строи­тельстве применяются в виде двух поясов из швеллеров, соединен­ных решеткой из арматурной стали, или из развитых по высоте двутавров с параллельными поясами.

Институтом Укрпроектстальконструкция предложена ферма-верхний пояс которой выполняется в виде решетчатой балки из одиночных уголков. Соединение уголков — на проплавляемых шпонках, что позволяет изготавливать такие фермы на поточных линиях

Облегченные стальные арки (фермы-балки) с верхним поясом из развитых по высоте прокатных балок постоянного сечения и за­тяжкой из арматурной стали по основным показателям, в том числе по расходу стали, трудоемкости изготовления и монтажа, транспор­табельности, коррозионной стойкости и пригодности для поточного производства, превосходят используемые в настоящее время типо­вые и экспериментальные фермы, применяемые в сельскохозяйст­венных производственных зданиях Конструктивно арки решены со смещением центрации в коньковом и опорных узлах. При этом воз­никает дополнительный изгибающий момент, разгружающий пролетный на 20—25 % Расцентровка позволяет лучше использовать несущую способность балки постоянного сечения.

Рамы. В современном сельскохозяйственном строительстве от­казались от использования чердаков под хранилища, стараясь включить чердачное пространство в используемый объем основно­го помещения Так, при габарите помещения 2,5; 2,7 и 3,0 м, обу­словленном высотой мобильных транспортных средств, применение рамных конструкций с ломаным очертанием ригеля позволяет не повышать отметку внутренней грани карнизного узла (2,4 м), а в некоторых случаях, продиктованных технологией,— понижать до 2,2 м

Объясняется это тем, что при уклоне ригеля 1:4 максимально требуемая для транспортных средств высота 3,0 м обеспечивается на расстоянии 2,5 м от стены, что по технологии соответствует зо­не движения транспорта в большинстве зданий. В связи с этим в последние годы у нас в стране и за рубежом предпочтение отдается рамным конструкциям сельскохозяйственных зданий.

На основании обобщения и анализа научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ в области проектирования сталь­ных рам для каркасов сельскохозяйственных зданий, выполненных ЦНИИЭПсельстроем, Укрпроектстальконструкцией, Укрниигипросельхозом и Укрколхозпроектом, все рамы можно разделить на пять статических схем однопролетных рамных систем (рис. 1.13):

— трехшарнирная рама;

— трехшарнирная рама с затяжкой;

— двухшарнирная рама;

— двухшарнирная рама с затяжкой;

— рама с жесткими узлами (бесшарнирная).

Анализ статистических схем показал, что наиболее экономич­ными по расходу металла являются рамы с затяжкой в уровне карнизных узлов. Трехшарнирная рама с затяжкой имеет несколь­ко большие расчетные моменты по сравнению с двухшарнирной, однако проще в изготовлении и монтаже. Статистически неопреде­лимая схема двухшарнирной рамы и рамы с жесткими узлами мо­жет привести к значительным перераспределениям напряжений в случае неравномерной осадки опор, что весьма вероятно в услови­ях строительства на просадочных грунтах второго типа при нали­чии мокрых процессов в период эксплуатации. Следует отметить, что применение затяжек в уровне карнизных узлов лишает смысла идею рамной конструкции с точки зрения использования свобод­ного объема помещения.

По форме конструктивных элементов рам существующие пред­ложения можно классифицировать следующим образом:

1) сечения из сварных двутавров;

2) сечения из развитых по высоте прокатных двутавров (в том числе из широкополочных);

3) сечения замкнутые гнутосварные с тонкими стенками, уси­ленными гофрами.

Наиболее индустриальными и экономичными являются сечения из развитых двутавров и гнутосварные, которые и были рекомен­дованы Укрпроектстальконструкцией и Укрниигипросельхозом для дальнейшей разработки.

Все предлагаемые рамные конструкции имеют постоянную вы­соту сечения по всей длине ригеля и стойки. Такое сечение оп­равдано при смещении центрации оси ригеля с затяжкой в карниз­ных узлах. При этом действие изгибающего момента по всей длине ригеля практически выравнивается. В случае, если затяжка отсут­ствует (что является технологически обоснованным требованием), величина изгибающего момента в карнизном узле в несколько раз превышает момент в пролете.

Если сечение подбирать по усилиям, действующим в карнизном узле, то на участке элемента длиной более 2/3 полупролета (зона конькового узла) напряжения во много раз меньше предельных. Если сечение подбирать по усредненным усилиям, то зону, примы­кающую к карнизному узлу, необходимо усилить наварными ли­стами, что в значительной мере повышает трудоемкость изготов­ления конструкции.

На основании проведенного анализа металлоконструкций уста­новлено следующее:

1. По совокупности факторов, характеризующих эффективность стальных конструкций каркасов, лучшими являются конструкции из развитых по высоте широкополочных и обычных двутавров со сквозной стенкой постоянного сечения, позволяющие сократить, по сравнению со стропильными фермами, до 20 % расход металла и до 45 % трудозатраты на изготовление; однако и эти конструкции недостаточно отвечают специфике современного сельскохозяйствен­ного строительства.

2. Самой рациональной схемой здания, позволяющей обеспе­чить необходимый транспортный габарит при минимальной высоте стен, является рамный поперечник с ломаным (вспарушенным) очертанием ригеля; высота стен уменьшается на 19 % по сравне­нию с горизонтальным расположением нижнего пояса несущих кон­струкций покрытия.

3. Сочетание различных по материалу конструкций, например железобетонных колонн и стальных ферм, исключает возможность изготовления и комплектной поставки специализированными за­водами конструкций полносборных зданий. Вместе с тем примене­ние коротких стальных колонн экономически нецелесообразно.

Источник: Дробязко Л.Е. “Легкие конструкции сельскохозяйственных зданий”