В одноэтажном здании несущий остов представляет собой поперечные рамы, соединенные продольными элементами. Продольные элементы воспринимают горизонтальные нагрузки (от ветра, от торможения кранов) и обеспечивают устойчивость остова (каркаса) в продольном направлении.
Несущая поперечная рама каркаса составлена из вертикальных элементов - стоек, жестко закрепленных в фундаменте и горизонтального элемента - ригеля (балки, фермы), опертого на стойки. К продольным элементам остова относятся: подкрановые, обвязочные и фундаментные балки, несущие конструкции покрытия(в т.ч. подстропильные) и специальные связи (рис. 25.1).
Многоэтажные здания сооружают в основном с использованием сборного железобетонного каркаса, главными элементами которого являются колонны, ригели, плиты перекрытия и связи (рис. 25.2). Сборные междуэтажные перекрытия выполняют балочными или безбалочными. Сборные балочные перекрытия нашли применение для 2-5 этажных зданий с нагрузкой на перекрытие от 10 до 30 кПа.
Перекрытия обеспечивают пространственную работу каркаса в качестве горизонтальных диафрагм жесткости. Они воспринимают горизонтальное силовое воздействие от ветра и распределяют его между элементами каркаса. Вертикальными связями служат железобетонные продольные и поперечные внутренние стены, лестнично-лифтовые клетки и коммуникационные шахты, а также стальные крестообразные элементы, устанавливаемые между колоннами.
Наружные стены одно- и многоэтажных зданий выполняются навесными или самонесущими.
При рассмотрении соотношения относительной стоимости (в % от общей стоимости строительно-монтажных работ) основных элементов промзданий несущие конструкции каркаса составляют для одноэтажных зданий 28% и для многоэтажных 17%, соответственно, стены и покрытия - 28% и 24 % (перекрытия 30%), кровля - 11% и 4%.
Конструктивная схема покрытия может выполняться в двух вариантах: с использованием прогонов (дополнительных элементов) и без прогонов. В первом варианте вдоль здания, по балкам (фермам) укладывают прогоны (в основном, таврового сечения длиной б м), на которые опирают плиты сравнительно небольшой длины.
Во втором, более экономичном, беспрогонном варианте применяют крупноразмерные плиты длиной, равной шагу балок (ферм). В строительстве используют два типа конструкций плит длиной, равной пролету: плиты П-образного сечения с плоскими скатами, плиты типа 2Т и сводчатая, типа КЖС (рис. 25.3, 25.4). Применение таких элементов позволяет отказаться от балок в покрытии.
Каркасы одноэтажных промышленных зданий выполняют, в основном, из железобетона (преимущественно, сборного), реже - из стали. В отдельных случаях используют монолитный железобетон, алюминий, древесину. Каждый из этих материалов обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому, выбор материала осуществляется на основе всесторонней оценки его соответствия комплексу требований к возводимому зданию, с учетом его последующей эксплуатации.
Конструкции из железобетона обладают долговечностью, несгораемостью и малой деформативностью; их применение позволяет экономить сталь, не требует больших эксплуатационных затрат.
К недостаткам относятся: большая масса, трудоемкость выполнения стыковых соединений. Представляет сложность и требует дополнительных затрат выполнение монолитных железобетонных конструкций в зимних условиях.
Снижению массы и повышению несущей способности железобетонных конструкций способствует использование высокопрочного бетона и предварительно напряженной высокопрочной арматуры. Это позволило получить эффективные тонкостенные конструкции, существенно расширить область применения железобетона (рис. 25.5, 25.6, 25.7).
Все большее применение в строительстве промышленных зданий находят легкие несущие и ограждающие конструкции. Легкими называют конструкции, суммарная масса которых, приходящаяся на 1 м2 ограждающей поверхности здания, составляет не более 100-150 кг. К ним относятся конструкции из стали и алюминиевых сплавов, из клееной древесины.
Использование легких конструкций ведет к существенному (на 10 — 15%) снижению массы производственных объектов и их стоимости, повышается эффективность строительства; стимулируется поиск новых конструктивных решений несущих и ограждающих элементов, разработка и внедрение новых эффективных теплоизоляционных материалов. Расширяется прогрессивный метод строительства зданий (секций) из комплектно поставляемых унифицированных строительных конструкций заводского изготовления - стальных пространственных, решетчатых (перекрестных), рамных и пр. Наряду с этим увеличивается количество зданий из смешанных конструкций (колонны — из железобетона, фермы, балки — металлические, из клееной древесины и т.п.).
Стальные конструкции (рис. 25.8) по своим свойствам более предпочтительны перед железобетонными. Они обладают меньшей массой и большей несущей способностью, высокой индустриальностью изготовления и сравнительно малой трудоемкостью монтажа, меньших затрат требует их усиление. Недостатками являются: подверженность коррозии и потеря несущей способности при пожаре под действием высоких температур, хрупкость при низких температурах.
Сравнительные характеристики железобетонного и стального каркасов приведены в табл. 25.1.
Конструкции из алюминиевых сплавов обладают легкостью и высокой несущей способностью, а также стойкостью против коррозии. Алюминий так же пластичен, как и сталь, менее хрупок при низких температурах, при ударных воздействиях не образуется искр. К недостаткам алюминиевых конструкций относят высокий коэффициент температурного расширения, малую огнестойкость (уже при +300 °С полностью теряет прочность), относительную трудоемкость соединения элементов, высокую стоимость. Экономически выгодно применять алюминиевые сплавы в качестве ограждающих конструкций, а как несущие — в большепролетных конструкциях(для существенного уменьшения их собственного веса).
Деревянные конструкции, напротив, обладают низким коэффициентом температурного расширения. Они значительно дешевле железобетонных и стальных. Главное их достоинство - высокая стойкость в химически агрессивных средах, что позволяет их применять в производственных зданиях химических предприятий. Вместе с тем, деревянные конструкции подвержены возгоранию, гниению, значительным деформациям под действием нагрузок вследствие разбухания и усушки. Наиболее прогрессивны клееные деревянные конструкции, в которых тонкие доски склеиваются синтетическими клеями и пропитываются минеральными солями, что делает их достаточно огнестойкими и неувлажняемыми. Наибольшее применение для промышленных зданий нашли деревянные балки, перекрывающие пролеты 6-12 м и сегментные фермы на пролеты 12-24 м. Применяются также клееные деревянные арки и рамы, которыми можно перекрыть пролеты до 48 м.
Конструкции из пластмасс отличаются легкостью, стойкостью к коррозии, инду-стриальностью. Применяются в составе ограждающих конструкций.
Каркасы одноэтажных промышленных зданий массового строительства выполняются в основном из железобетона. Стальные конструкции применяют в особых случаях, а именно:
А) колонны: высотой более 18 м; в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью 50 т и более, независимо от высоты колонн; при тяжелом режиме работы кранов; при двухъярусном расположении мостовых кранов; при шаге колонн более 12 м; могут применяться в качестве стоек фахверка; в качестве несущих и ограждающих конструкций комплектной поставки; для зданий, возводимых в труднодоступных районах при отсутствии базы производства железобетонных конструкций.
Б) стропильные и подстропильные конструкции: в отапливаемых зданиях с пролетами 30 м и более; в неотапливаемых зданиях с легкой кровлей и подвесными кранами грузоподъемностью до 3,2 т с пролетами 12 м и 18 м; в зданиях с пролетами 24 м и более.
Использование в железобетонном каркасе одноэтажного здания линейных элементов. независимых по своему назначению (колонн от ферм, плит покрытия и т.д.) создает определенные преимущества как в изготовлении элементов на заводах ЖБИ, так и при монтаже на стройплощадке. Это также позволяет проводить их унификацию и типизацию.
Колонны каркаса опирают на отдельные фундаменты, в основном, стаканного типа. В некоторых случаях, - при слабых, просадочных грунтах, - устраивают фундаменты ленточные под ряды колонн или в виде сплошной плиты под все здание.
По способу возведения и конструкции фундаменты разделяют на сборные и монолитные. Сборные фундаменты устраивают из одного блока, состоящего из подколон-ника со стаканом или из блока(подколонника) и плиты. Блоки выполняют высотой 1,5; 1,8-4,2 м с градацией через 0,3 м, подколонники имеют размеры в плане 0,9x0,9...1,2x2,7 м с градацией через 0,3 м. Размеры стакана соотнесены с размерами поперечного сечения и глубиной заделки колонн. При этом, размеры стакана в плане поверху на 150 мм и понизу на 100 мм превышают размеры сечения колонн, а его глубина составляет 800, 900, 950 и 1250 мм. При установке колонн зазор заполняется бетоном, что обеспечивает жесткое соединение фундамента с колонной.
Элементы сборного фундамента укладываются на растворе и скрепляются друг с другом сваркой стальных закладных деталей.
В случаях, когда масса сборных элементов фундамента превышает грузоподъемность транспортных и монтажных средств, он сооружается из нескольких блоков и плит. При устройстве температурных швов на один фундаментный блок могут опираться от двух до четырех колонн. Одноблочные фундаменты заводского изготовления имеют массу до 12 т. Тяжелые фундаменты массой до 22 т обычно изготавливают монолитными непосредственно на стройплощадке.
Подошва блока фундамента имеет в плане квадратную или прямоугольную форму размерами от 1,5х1,5 м до 6,6x7,2 м с градацией 0,3 м. Площадь подошвы фундамента определяется расчетом и зависит от величины передаваемой нагрузки и несущей способности грунта основания.
Сборные фундаменты требуют большого расхода бетона и стали. В целях снижения этих расходов применяют сборные облегченные ребристые и пустотелые фундаменты. Широко применяются свайные фундаменты с монолитным или сборным ростверком, который используется и как подколонник.
Самонесущие стены промышленного здания опираются на фундаментные балки, которые устанавливают между подколонниками на специальные бетонные столбики сечением 300 х 600 мм. Фундаментные балки имеют высоту 450 мм для шага колонн 6м и 600 мм для шага 12 м. Поперечное сечение фундаментных балок бывает тавровым, прямоугольным и трапециевидным. Наибольшее распространение получили балки таврового сечения как более экономичные по расходу бетона и стали. Ширина балки поверху принимается 260, 300, 400 и 520 мм, исходя из толщины панелей наружных стен. Чтобы исключить возможную деформацию фундаментной балки под действием пучинистых грунтов балку на всю длину с боков и снизу засыпают шлаком. Эта мера также предохраняет пол от промерзания вдоль наружных стен.
Для одноэтажных зданий используют унифицированные колонны сплошного прямоугольного сечения высотой от 3,0 до 14,4 м бесконсольные (для зданий без мостовых кранов и с подвесными кранами), высотой от 8,4 до 14,4 м с консолями (для зданий с мостовыми кранами) а также двухветвевые высотой 15,6-18,0 м для зданий с опорными, подвесными кранами и бескрановых.
Подкрановые балки устанавливают в зданиях (пролетах) с опорными кранами для крепления к ним крановых рельсов. Они жестко крепятся (болтами и сваркой закладных деталей) к колоннам и обеспечивают пространственную жесткость здания в продольном направлении. Подкрановые балки выполняются из металла и железобетона. Последние имеют ограниченное применение, - при шаге колонн 6 и 12 м и грузоподъемности мостовых кранов до 30 т.
Каркас многоэтажного здания должен обладать долговечностью, прочностью, устойчивостью, огнестойкостью. Этим требованиям отвечает железобетон, из которого и выполняют каркасы большинства промышленных многоэтажных зданий. Стальной каркас применяется при больших нагрузках, при динамических воздействиях от работы оборудования, при строительстве в труднодоступных районах; каркас требует защиты от воздействия огня жаропрочной футеровкой, обкладкой кирпичом.
Для производственных зданий с небольшой нагрузкой на перекрытия (до 145 кН/м) и вспомогательных зданий(бытовых, административных, лабораторных, конструкторских бюро и т.п.) используется связевой каркас межвидового назначения. Каркас имеет сетку колонн 6x6, (6+3+6)х6 и (9+3+9)х6 м; высоты этажей от 3,6 до 7,2 м. Разработаны единые унифицированные элементы - колонны, плиты междуэтажных перекрытий, лестницы, стеновые панели.
Колонны многоэтажных зданий по типу разделяют на крайние и средние, высотой в два этажа. Для зданий с нерегулярными, разными по высоте этажами разработана дополнительная номенклатура колонн - на один этаж, которые можно применить начиная с третьего этажа. При этом стыки колонн размещают на 600 — 1000 мм выше уровня перекрытия, что делает более удобным их выполнение. Сечение колонн 400x400 мм и 400x600 мм, плиты перекрытий плоские с пустотами высотой 220 мм и ребристые высотой 400 мм, шириной 1,0; 1,5 и 3,0 м (основные) и 750 мм (доборные). Ригели - прямоугольного и таврового сечения с полками понизу, соответственно, высотой 800 мм и 450 и 600 мм.
Балки железобетонные стропильные принимают: таврового сечения для пролета 6 м, двутаврового сечения для пролетов 9, 12, 18 и 24 м, а также подстропильные балки пролетом 12 м. Фермы используют для пролетов 24 м. Плиты покрытий ребристые плоские имеют размеры Зх6 м и Зх12 м.
Безбалочный каркас состоит из колонн высотой на один этаж сечением 400x400 и 500x500 мм с квадратными капителями с размерами 2,7x2,7 м; 1,95х2,7 м и высотой 600 мм, а также пролетных надколонных плит с размерами 3,1x3,54x0,18 м; 2,15x3,54x0,18 м и 3,08x3,08x0,15 м. Капители опираются на четырехсторонние консоли колонн и крепятся к ним сварными соединениями. Пролетные плиты укладывают на капители или консоли колонн и также крепят сваркой стальных элементов с последующим замоноличиванием швов бетоном. Используются квадратная сетка колонн 6x6м и высоты этажей 4,8 м и 6,0 м (рис. 25.9).