Рамные конструкции в строительстве

Рамные конструкции;

Рамы, перекрывающие большие пролеты, могут быть двухшарнирные и бесшарнирные.

Бесшарнирные рамы более жестки, экономичнее по расходу металла и удобнее в монтаже; однако они требуют более массивные фундаменты с плотными основаниями для них и более чувствительны к температурным воздействиям и неравномерным осадкам опор.

Рамные конструкции по сравнению с балочными более экономичны по затрате металла и более жестки, благодаря чему высота ригеля рамы имеет меньшую высоту, чем высота балочных ферм.

Рамные конструкции применяются для пролетов до 150м. При дальнейшем увеличении пролетов они становятся неэкономичными.

В большепролетных покрытиях применяются как сплошные, так и сквозные рамы.

Сплошные рамы применяются редко при небольших пролетах (50-60м), их преимущества: меньшая трудоемкость, транспортабельность и возможность уменьшения высоты помещения.

Наиболее часто применяются рамы с шарнирным опиранием. Высоту ригеля рам рекомендуется принимать равной: при сквозных фермах 1/12 – 1/18 пролета, при сплошных ригелях 1/20 – 1/30 пролета.

Рамы рассчитывают методами строительной механики. В целях упрощения расчета легкие сквозные рамы можно приводить к эквивалентным им сплошным рамам.

Тяжелые сквозные рамы (типа тяжелых ферм) должны рассчитываться как решетчатые системы с учетом деформации всех стержней решетки.

При больших пролетах (более 50м) и невысоких жестких стойках необходимо производить расчет рам на температурные воздействия.

Ригели и стойки сплошных рам имеют сплошные двутавровые сечения; их несущая способность проверяется по формулам для внецентренно-сжатых стержней.

В целях упрощения расчета решетчатых рам их распор допускается определять как для сплошной рамы.

Рекомендуется следующий порядок расчета большепролетных рам:

приближенным расчетом устанавливают предварительные сечения поясов рамы;

определяют моменты инерции сечений ригеля и стоек по приближенным формулам;

рассчитывают раму методами строительной механики; расчетную схему рамы следует принимать по геометрическим осям;

определив опорные реакции, находят расчетные усилия во всех стержнях, по которым окончательно подбирают их сечения.

Типы сечений, конструкция узлов и соединения рамных ферм такие же, как и для тяжелых ферм балочных конструкций.

Уменьшение изгибающего момента в ригеле рамы можно получить путем передачи веса стены или покрытия пристроек, примыкающих к главному пролету, на внешний узел стойки рамы.

Другим искусственным приемом разгрузки ригеля является смещение в двушарнирной раме опорных шарниров с оси стойки внутрь.

В этом случае вертикальные опорные реакции создают дополнительные моменты, разгружающие ригель.

Конструкции, активные по сечению. Рамы

Металлоконструкции в архитектуре » Конструкции, активные по сечению. Рамы

Рамой называют каркасную плоскую систему, состоящую из элементов, обеспечивающих пролет – ригелей, и элементов, обеспечивающих высоту – стоек.

Для организации внутреннего функционального пространства плоские рамы располагаются в здании параллельно, воспринимая нагрузки от второстепенной системы настила и прогонов. Пространственная работа каркаса из рам обеспечивается путем обустройства системы вертикальных и горизонтальных связей соответственно по стойкам и ригелям. Также жесткость каркаса можно повысить примыканием к железобетонным элементам и диафрагмам.

Преимущества, которые обуславливают широкое применение рам:

Экономичное перераспределение изгибающих моментов между ригелями и стойками.

Малоэлементность и скорость монтажа.

В то же время рамы имеют некоторые недостатки: небольшую высоту стоек, присутствие сложных жестких узлов и ограниченность использования конструктивной формы.

Классификация рам

По статической схеме различают бесшарнирные, двухшарнирные и трехшарнирные рамы.

По абрису конструктивной формы рамы могут быть:

С вертикальной стойкой и горизонтальным ригелем.

С вертикальной стойкой и наклонным ригелем.

С наклонной стойкой и наклонным ригелем.

С ригелем ломаного очертания.

Выбор того или иного типа очертаний рамы зависит от функционального пространства, конструктивных и архитектурных требований.

Основы проектирования рам

Рамы относятся к конструкциям, работающим преимущественно по сечению. В ригелях и стойках рам возникают значительные изгибающие моменты, а также продольные и поперечные силы. Характерной особенностью рам является наличие жесткого карнизного узла. Элементы рам рассчитывают на прочность и общую устойчивость в плоскости и из плоскости как сжатоизогнутые, а также проверяют касательные напряжения и местную устойчивость отдельных участков сечения. Контролю также подлежат горизонтальные и вертикальные перемещения рамы, в соответствии с ограничениями по второму предельному состоянию.

Наибольшее распространение получили рамы, которые имеют наклонные ригели и вертикальные стойки, шарнирно примыкающие к фундаментам. Такие рамы также называются портальными. При этом коньковый узел выполняется, как правило, жестким для увеличения жесткости и уменьшения значений изгибающих моментов в ригеле, однако может быть и шарнирным. Такой тип рам нашел широкое применение благодаря экономичности и наибольшей функциональности в большинстве типов быстровозводимых зданий при пролетах от 20 до 70 м. Портальные рамы, пролетом до 20 м, в основном изготавливают из горячекатаных профилей, а при больших пролетах применяют сварные двутавровые сечения.

В последнее время в рамах находят все более широкое применение перфорированные профили, составные двутавры с гофрированной и гибкой стенкой. Применение эффективных сечений, рационального ломаного очертания и увеличение габаритов в карнизном узле позволяет увеличить пролет рам до 80-100 м. Для усиления ригелей и обеспечения плавности передачи усилий в жестком карнизном и коньковом узлах применяются скошенные элементы – вуты. В случае прокатных элементов вуты представляют собой подваренный тавровый профиль из того же двутавра или листов. В составных сварных профилях вуты представляют собой развитие сечения для достижения необходимых геометрических характеристик.

С точки зрения общей устойчивости каркаса, особенно в процессе монтажа, большое значение для рам имеют кровельные и стеновые прогоны, а также связи. В табл. приведены ориентировочные данные для эскизного проектирования портальных бескрановых рам. Минимальный уклон кровли, с учетом возможных прогибов и обеспечения водостока, как правило, принимается около 6°. Стойки тяжелее ригелей и их высота составляет примерно 1/5 пролета рамы. Шаг рам зависит от действующих нагрузок и принятой системы прогонов.

Рамы как конструктивный инструмент архитектурной формы

Наибольшее использование рамные конструкции нашли в одноэтажных производственных зданиях или складах, для которых актуально наличие больших свободных площадей. Архитектурные требования к конструкциям промышленных объектов обычно невысоки, однако рамы с таким же успехом могут быть использованы в несущих каркасах спортивных и демонстрационных залов, выставочных и торговых павильонов, являясь важным элементом формирования выразительности внешней и внутренней архитектурной среды. Визуальная открытость или закрытость рам в здании главным образом зависит от конфигурации каркаса и внешней формы. В свою очередь, оболочка ограждающих конструкций зависит от их типа, а также архитектурных, конструктивных и экономических требований. Так, каркас с применением рам может быть полностью расположен снаружи здания, что позволяет прозрачно показать конструктивный принцип работы рам и придать строению современный вид объекта технической среды. И, наоборот, рамы могут быть полностью расположены внутри оболочки здания, что дает дополнительные возможности выражения и организации внутреннего пространства. Помимо этих противоположных решений, частичное взаимопроникновение рам и ограждающих конструкций позволяют получить дополнительный спектр желаемых визуальных эффектов.

На схемах показаны основные типы рам по способу взаимодействия с внутренним функциональным пространством. Поскольку рамные конструкции главным образом проектируются для производственных и складских быстровозводимых зданий, в них часто организовываются внутренние антресольные либо внешние пристроенные этажи для размещения вспомогательных, административных и бытовых помещений. Такие этажи могут быть созданы в балочных перекрытиях между рамами либо возведены на собственных несущих конструкциях. Кроме того, дополнительные перекрытия могут потребоваться для оборудования или организации производственного процесса в нескольких уровнях. Для обслуживания производственного процесса в промышленных предприятиях применяется подвесное грузоподъемное оборудование, которое может крепиться к ригелям рам в виде крановых балок – тельферов, либо мостовое, имеющее подкрановые пути, организованные на стойках каркаса. К несущим конструкциям рам может быть присоединено различное транспортное и вспомогательное оборудование.

Для внутреннего естественного освещения основного пространства и антресольных этажей могут быть эффективно применены зенитные фонари, шедовые покрытия и солнцеводы. Двух- и более пролетные рамы проектируют по принципу чередования, когда поперечники имеют общую стойку в местах сопряжения. Для экономии внутреннего пространства в многопролетных рамах шаг внутренних стоек может быть разрежен. При этом в местах отсутствия стоек под ригели подводятся подстропильные балки или фермы, которые передают нагрузку на оставшиеся стойки, сечение которых соответственно должно быть увеличено.

Большепролетные рамы, как правило, кроме вутов, имеют переменное сечение и изменяемый угол наклона ригеля, который формируется из отдельных линейных элементов разной жесткости. Ригель ломаного очертания приближает работу рам к арочным конструкциям и дает свободу в организации архитектурной формы. Вместо наклонных ригелей могут быть также использованы криволинейные. Радиус изгиба при этом должен позволять установку ограждающих конструкций кровли. Гибка ограждающих элементов может быть выполнена на заводе либо непосредственно на строительном участке. Последнее может оказаться невыполнимым для некоторых систем ограждающих конструкций, имеющих значительную жесткость, например, для толстых многослойных панелей.

Наглядный пример достижения архитектурной выразительности за счет рам каркаса, выступающих за пределы оболочки здания, представлен на рис. В данном случае перфорированный ригель и стояки переменного сечения подчеркивают легкость конструкции, сохраняя при этом свою первичную конструктивную функцию.

Строительные конструкции.

По функциональному назначению строительные конструкции подразделяются на несущие и ограждающие. Существуют также такие конструкции, как арки, фермы или рамы. Они являются несущими. А такие строительные конструкции как панели для стен, оболочки, своды соединяют в себе и ограждающие и несущие функции.

Типы и виды строительных конструкций.

Несущие строительные конструкции в зависимости от расчетной схемы делятся на плоские (балки, фермы, рамы и др.) и пространственные (оболочки, своды, купола и др.). Пространственные строительные конструкции обладают более выгодным распределением усилий, в сравнении с плоскими конструкциями. Это, в свою очередь, требует меньшего расхода материалов, однако сборка и производство таких строительных конструкций является крайне трудоемким. На сегодняшний день появились новые типы пространственных конструкций – структурные конструкции, изготовленные из прокатных профилей, закрепленных болтовыми соединениями. Такой тип строительной конструкции обладает простотой изготовления и монтажа, экономичностью.

Строительные конструкции по виду материала бывают:

Это наиболее встречающиеся виды строительных конструкций на данный момент.

Современное строительство применяет железобетон в виде сборных конструкций. Сфера применения таких конструкций: строительство жилых, производственных зданий, различных сооружений. Целесообразное применение монолитного железобетона — это различные гидротехнические постройки, покрытия дорог, аэродромов, строительство фундаментов под промышленное оборудование, всевозможные резервуары, элеваторы и т. п.

При возведении сооружений, которые эксплуатируются в условиях агрессивной внешней среды или особых климатических условиях (например, повышенная температура, влажность), используют специальные виды бетона и железобетона. К примеру такими сооружениями являются тепловые агрегаты, здания химической промышленности и другие.

В железобетонных строительных конструкциях за счет использования особо прочных бетонов, арматуры, увеличения изготовления напряженных конструкций допустимо уменьшение массы конструкции, понижение цены и расхода материалов, увеличение сфер применения лёгких и ячеистых бетонов.

Области применения строительных конструкций.

Сфера применения стальных строительных конструкций иногда совпадает с использованием железобетонных конструкций. Это, в частности, каркасы большепролетных зданий, цеха с тяжелым и громоздким оборудованием, промышленные резервуары больших емкостей, мосты и др. Выбор типа строительной конструкции зависит от его стоимости, района строительства, расположения предприятия. Главное преимущество стальных строительных конструкций от железобетонных – малая масса. Это позволяет применять данные конструкции в малодоступных районах: на Крайнем Севере, в районах с повышенной сейсмической активностью, пустынных, горных районах и т. д.

Создание продуктивных объемных конструкций (из тонколистовой стали), увеличение объемов применения сталей высокой прочности и экономичных профилей проката сделают возможным уменьшить вес зданий и сооружений.

Главная область применения каменных строительных конструкций – возведение стен и перегородок. Архитектурные сооружения и здания из кирпича, мелких блоков и природного камня меньше соответствуют требованиям промышленного строительства, чем крупнопанельные здания, поэтому их доля во всех объемах строительства, падает.

В строительстве также применяют клееные деревянные конструкции двух видов: несущие и ограждающие. Несущие конструкции состоят из нескольких слоев древесины и склеены между собой. Зачастую их усиливают путем вставления арматуры.

Изготовление клееных деревянных конструкций осуществляется в заводских условиях, все процессы производятся механическим путем

Основная тенденция в изменении деревянных конструкций – это переход к строительным конструкциям из клееной древесины. Допустимость промышленного изготовления и получения элементов определенной конструкции нужных размеров с помощью их склеивания дает преимущества в сравнении с деревянными конструкциями других типов. Клееные строительные конструкции находят широкое применение в сельскохозяйственном строительстве.

В тенденциях современного строительства широкое распространение получают новые виды промышленных строительных конструкций: асбестоцементные, пневматические, конструкции из легких сплавов. Достоинствами данных конструкций являются: низкая удельная масса, возможность заводского изготовления на механических поточных линиях. Более легкие трехслойные панели начинают применяться как ограждающие конструкции вместо тяжелых железобетонных и керамзитобетонных панелей.

Требования, предъявляемые к строительным конструкциям.

По соображениям требований эксплуатации, строительные конструкции должны быть огнеустойчивыми, коррозиестойкими, удобными, экономичными и безопасными в использовании. С увеличением масштабов и темпов строительства к строительным конструкциям предъявляют требования их изготовления в заводских условиях, конструкции должны быть экономными по стоимости и оптимальными по расходу материалов, удобными при транспортировке и отличаться быстротой и простотой сборки на объекте строительства.

Большое значение уделяется снижению трудоемкости, как при изготовлении строительных конструкций, так и в процессе сооружения из них зданий.

Важной задачей современного строительства является уменьшение массы строительных конструкций за счет применения легких производительных материалов и развитии различных конструктивных решений.

Расчет строительных конструкций.

Строительные конструкции при проектировании рассчитываются на прочность, устойчивость и колебания. При расчете учитываются воздействия сил, которым подвергаются конструкции при эксплуатации: собственный вес, внешние нагрузки, влияние температурных факторов, смещение опор конструкции, усилия, которые появляются при транспортировке и установке строительных конструкций.

Вопрос 26. Деревянные рамные конструкции одноэтажных промышленных зданий.

Рамные конструкции являются одним из наиболее распространенных типов несущих конструкции. Они хорошо вписываются в поперечное сечение большинства производственных и общественных зданий.

Рамные конструкции относятся к классу распорных.

Деревянные рамы обычно применяют однопролетными при пролетах 12…30 м.

В мировой практике строительства встречаются рамы пролетом до 60 м.

Деревянные рамные конструкции двутаврового профиля. а, в, г — гвоздевые с перекрестной стенкой или клееные с фанерной стенкой: б—клееные пакетного профиля .
Вопрос 27. Классификация покрытий и требования к ним.

Конструктивный элемент, ограждающий здание сверху, называют покрытием. Основными видами покрытий являются чердачные крыши, бесчердачные покрытия, большепролетные плоские и пространственные покрытия. Исходя из основного назначения покрытия — защиты здания от атмосферных осадков в виде дождя и снега, а также от потерь теплоты в зимнее время и перегрева в летнее время, оно состоит из несущих конструкций, воспринимающих передаваемые нагрузки от вышележащих элементов, и ограждающей части. К покрытиям предъявляют следующие основные требования. Конструкция покрытия должна обеспечивать восприятие постоянной нагрузки (от собственной массы), а также временных нагрузок (от снега, ветра и возникающих при эксплуатации покрытия). Ограждающая часть покрытия (кровля), служащая для отвода осадков, должна быть водонепроницаемой, влагоустойчивой, стойкой против воздействия агрессивных химических веществ, содержащихся в атмосферном воздухе и выпадающих в виде осадков на покрытие, солнечной радиации и мороза, не подвергаться растрескиванию и расплавлению. Конструкции покрытия должны иметь степень долговечности, согласованную с нормами и классом здания. Важными требованиями к покрытиям являются экономичность их устройства и обеспечение расхода минимальных денежных средств на их эксплуатацию. Особое значение имеет применение индустриальных методов при устройстве покрытий, что снижает трудозатраты на строительной площадке и способствует повышению качества строительно-монтажных работ. Для обеспечения отвода осадков покрытия устраивают с уклоном. Уклон зависит от материала кровли, а также климатических условий района строительства. Так, в районах с сильными снегопадами уклон определяется условиями снегоотложения и удаления снега; в районах с обильными дождями уклон кровли должен обеспечивать быстрый отвод воды; в южных районах уклон покрытия, а также выбор материала кровли определяются с учетом солнечной радиации.

Вопрос 28. Конструктивные решения бесчердачных покрытий. При устройстве бесчердачных покрытий следует применять несущие конструкции, способствующие меньшему скоплению пыли, например, клееные многослойные балки, составные балки на пластинчатых нагелях, большепанельные металлодеревянные фермы с нижним поясом из круглой стали, кружально-сетчатые своды и т. п. При повышенной пожарной опасности в помещениях с бесчердачными покрытиями в целях повышения огнестойкости несущие деревянные конструкции следует проектировать из массивных элементов— бревен, брусьев и клееных пакетов досок. В условиях воздействия химических реагентов, вызывающих коррозию металла, рекомендуется применять безметальные деревянные конструкции, например, клееные конструкции, балки на пластинчатых нагелях, фермы на лобовых врубках и деревянных нагелях, безметальные кружально-сетчатые своды без металлических затяжек и т. п.

Стальные детали, не защищенные от коррозии, следует применять лишь в качестве монтажных (нерабочих) связей, а также стяжных болтов, замена которых возможна без разгрузки конструкций. Не защищенные от атмосферных воздействий конструкции следует выполнять из бревен или брусьев с зазорами между элементами вне зоны соединений, способствующими лучшей просушке их. Узловые соединения таких конструкций не должны способствовать застою в них влаги и пыли, а металлические части необходимо защищать от коррозии окраской, покрытием лаком или оцинковкой. В бесчердачных покрытиях необходимо устройство внутреннего пароизоляционного слоя, предохраняющего утеплитель от увлажнения. Для удаления влаги, попавшей в толщу утеплителя, следует устраивать в ее верхней части вентилируемые воздушные прослойки в виде прямоугольных или цилиндрических каналов (рис. 7.3), по которым скопившая влага сможет уйти из совмещенного покрытия. Без этих вентиляционных каналов выход влаги значительно затруднен, и она скапливается под гидроизоляционным ковром в виде конденсата. В зимнее время в период оттепели наблюдается резкий переход от минусовой к плюсовой температуре наружного воздуха. Скопившаяся под гидроизоляционным ковром влага при минусовых температурах замерзает и превращается в лед (рис. 7.4). При положительных температурах она оттаивает. Такое попеременное замораживание и оттаивание влаги в материале приводит к разрушению сцепления между гидроизоляционным ковром и цементно-песчаным слоем стяжки. Вследствие этих процессов разрушается кровля в совмещенном бесчердачном покрытии. Кроме того, повышение влажности теплоизоляционных материалов приводит к увеличению его коэффициента теплопроводности и снижению теплозащитных свойств совмещенного покрытия.

Рис. 7.3. Бесчердачные покрытия с вентилируемыми каналами
1 — кровля; 2 — легкий бетон; 3 — вентлнриуемые цилиндрические каналы; 4 — железобетонная плита; J — вентилируемая воздушная прослойка; б — утеплитель; 7 — несущая железобетонная плита.

Рис. 7.4. Образование льда под кровельным ковром бесчердачного покрытия
а — проникновение водяных паров из внутреннего помещения через бесчердачное перекрытие и их конденсация под гидроизоляционным ковром; б — отрыв гидроизоляционного ковра от перекрытия в результате расширения замерзшей воды; 1 — кровля; 2 — стяжка; 3 — керамзитобетонные плиты; 4 — железобетонные плиты.