Общие сведения о стальном каркасе промышленных зданий
Главная / Проектирование стальных конструкций / Стальной каркас промышленных зданий / Общие сведения о стальном каркасе промышленных зданий

Условия проектирования стального каркаса

Стальной каркас промышленного здания (фигура Строительство мартеновского цеха (первая пятилетка) и Кривая вибрационной прочности) является основной несущей конструкцией, поддерживающей кровлю и стены, а также пути мостовых и других кранов, обслуживающих производство; иногда непосредственно на каркас опирается различное технологическое оборудование и рабочие площадки.

Прежде чем приступить к проектированию промышленного здания, следует убедиться в том, что намеченное сооружение целесообразно выполнить из стали. В целях экономии металла Государственный комитет Совета Министров СССР по строительству издал «Технические правила по экономному расходованию металла, леса и цемента в строительстве» (ТП 101-54).

Эти правила допускают применение металлических конструкций для цехов с кранами грузоподъемностью 15 т и более при тяжелом режиме или 30 г и более при среднем и легком режимах работы кранов; кроме того, стальные конструкции допускаются при высоте цеха от пола до низа несущих конструкций покрытия 12 м и более, а также при шаге колонн 12 м и более. Металлические конструкции покрытия по железобетонным колоннам или кирпичным стенам допускаются при пролетах более 15 м.

В настоящее время в связи с освоением предварительно напряженных железобетонных конструкций становится возможным еще более широкое внедрение сборного железобетона в промышленное строительство.

Приступая к проектированию промышленного здания, необходимо уже на стадии составления проектного задания получить ряд сведений как технологического, так и общестроительного характера, касающихся предполагаемой эксплуатации сооружения.

Сведения технологического характера касаются данных о расположении железнодорожных путей в цехе, о расположении крановых путей и грузоподъемности кранов, о специальных габаритах машин, о различных временных нагрузках и их динамических воздействиях, о подземном хозяйстве, о специальных рабочих и ремонтных площадках, о проходах и лестницах, об очередностях строительства и возможностях расширения, о расположении бытовых устройств и т. п.

Сведения общестроительного характера касаются местоположения цеха на генеральном плане, назначения отметки уровня пола, данных о грунтах и отметке уровня грунтовых вод, а также о принятом расчетном сопротивлении грунта, данных о местных строительных материалах, данных об освещении, вентиляции и отоплении и ряда других специальных требований.

Как уже указывалось, всякое проектируемое сооружение должно удовлетворять условиям эксплуатации, должно быть прочным, устойчивым и обладать необходимой пространственной жесткостью. В каждом промышленном здании должны быть созданы нормальные условия для труда работающих (цех должен быть светлым, теплым и хорошо проветриваемым), а также нормальные условия для эксплуатации цеха (необходимая жесткость подкрановых путей, доступ для прочистки оконных поверхностей, хорошие водостоки, надежная работа ворот, окон и дверей, правильный выбор полов и т. д.).

Далее, от всякого сооружения требуется, чтобы оно было запроектировано с минимальным весом при минимальной затрате труда на его осуществление. Для этого необходимо выбирать такие схемы сооружения, чтобы силовой поток усилий, воздействующий на каркас сооружения, проходил в землю по наиболее рациональному пути. Необходимо также, чтобы материал использовался наилучшим образом, что, в частности, ведет к требованию некоторой концентрации его.

Для большей индустриальности и снижения трудоемкости изготовления и монтажа конструкций требуются наибольшая повторяемость элементов и простота их формы.

В результате долголетней практики проектирования промышленных зданий выделились некоторые наиболее часто повторяющиеся схемы сооружений.

Все промышленные здания можно разделить на одноэтажные и многоэтажные. Наибольшее распространение имеют одноэтажные цехи, которые в свою очередь бывают однопролетными и многопролетными.

Выбор конструктивной схемы цехов, как однопролетных, так и многопролетных, в значительной степени зависит от ряда факторов.

Важнейшими из них являются:

  • величина крановых нагрузок, а также режим работы кранов и цеха в целом;
  • высота цеха;
  • величина нагрузки от покрытия (тип кровли, величина снеговой нагрузки). 

В соответствии с этим все цехи можно разбить на три группы: легкие, средней мощности и тяжелые.

Особое значение, преимущественно для металлургических заводов, имеет режим работы цеха, который при наличии тяжелых условий работы предъявляет к сооружению ряд дополнительных конструктивных требований. К металлургическим цехам с тяжелым режимом работы относятся цехи с непрерывной трехсменной работой кранов тяжелого режима работы, в которых ремонт кранов и подкрановых путей должен производиться без перерыва производственного процесса.

К таким цехам относятся, например, главные здания сталеплавильных (мартеновских и др.) цехов, шихтовый двор, здание нагревательных колодцев, некоторые пролеты прокатных цехов, склады чугуна и слитков и т. п. (НиТУ 121-55).

В цехах с тяжелым режимом работы в верхней части колонн должны предусматриваться проходы (шириной 400 мм) на уровне подкрановых балок. Эти проходы ограждаются перилами со стороны крана на всем протяжении подкранового пути (фигура Строительство трубного цеха (пятая пятилетка) и Тормозная ферма).

Кроме того, как уже указывалось выше, в цехах с тяжелым режимом работы к стальным конструкциям предъявляются несколько более жесткие конструктивные требования. В особенности это касается креплений и соединений, которые должны иметь повышенную надежность (смотрите таблицу Значение коэффициентов а для определения боковых сил от крановых мостов).

Генеральные размеры цеха — пролет, высота до отметки головки подкранового рельса, а также полная высота цеха до низа ригеля рамы назначаются в зависимости от габаритов оборудования и характера технологического процесса проектируемого цеха.

В соответствии с НиТУ 133-55* в зданиях с мостовыми кранами с отметкой подкранового рельса до 8 м высота от уровня пола до головки рельса должна быть кратной 1 м, при больших отметках она должна быть кратной 2 м. При этом высота от уровня пола до низа несущих конструкций покрытия, а также до опоры подкрановой балки должна быть кратной 200 мм. Величина кранового габарита над головкой рельса подкранового пути Нк принимается по ГОСТ на краны.


Колонны с проходами в цехах с тяжелым режимом работы

Колонны с проходами в цехах с тяжелым режимом работы


Полная высота цеха до низа ригеля Н складывается из высоты от уровня пола до головки кранового рельса h1 и высоты h2, включающей крановый габарит Нк и дополнительные 200 — 260 мм, которыми учитывается возможный прогиб стропильных ферм и связей по нижним поясам последних, а также обычная конструкция этих связей с выступающими книзу полками уголков (фиг. 189).

Н а и более устойчивой технической характеристикой, по которой можно судить о том, достаточно ли рационально выполнен проект стального каркаса промышленного здания, является расход металла, отнесенный к 1 м2 здания (вес в кг/м2).

В таблице приведены примерные веса конструкций для различных групп цехов.

Данные о весах стального каркаса

Наименование цехов Грузоподъемность кранов в т Высота до головки кранового рельса в м Вес стальных конструкций в кг/м3
I — легкие 0 — 5 6 — 10 35 — 50
10 — 20 8 — 16 50 — 80
II — средней мощности 30 — 50 10 — 16 75 — 120
75 — 100 16 — 20 90 — 170
III — тяжелые 125 — 175 10 — 20 200 — 300
175 — 350 16 — 26 300 — 400

Основные элементы стального каркаса

Основным элементом несущего стального каркаса промышленного здания, воспринимающим почти все действующие на цех нагрузки, являются плоские поперечные рамы, образованные колоннами и стропильными фермами (ригелями); рамы ставятся одна за другой с определенным расстоянием между ними.


Основные элементы стального каркаса

Основные элементы стального каркаса

Основные элементы стального каркаса промышленного здания. 1 — колонна рамы; 2 — стропильная ферма (решетчатый ригель рамы); 3 — подкрановые балки; 4 — тормозная балка; 5 — фонарь; 6 — вертикальные связи между колоннами; 7 — горизонтальные связи покрытия; 8 — вертикальные связи покрытия; 9 — стеновой каркас (фахверк); 10 — прогоны.


На поперечные рамы опираются продольные элементы каркаса: подкрановые балки, продольный стеновой каркас, прогоны кровли и фонари.

Каркас здания должен обладать пространственной жесткостью, что достигается жестким закреплением ригеля рамы в колоннах, а также устройством связей в продольном и поперечном направлениях.

В многопролетных цехах при необходимости редкого расположения колонн по средним рядам промежуточные стропильные фермы опирают на подстропильные фермы, устанавливаемые по продольным рядам колонн.


Опирание стропильных ферм на подстропильные

Опирание стропильных ферм на подстропильные


Кровля, предназначенная для защиты здания от атмосферных воздействий сверху, вместе с поддерживающими ее конструкциями: прогонами, стропильными и подстропильными фермами, фонарями и т. д. — называется покрытием.

Для конструкций покрытия основными расчетными нагрузками являются: снеговая и собственный вес покрытия. Конструкции, которые укрепляют стену или несут на себе отдельные участки стены, называются стеновым каркасом (фахверком). Для элементов фахверка основными нагрузками являются в вертикальном направлении — вес стены, а в горизонтальном — ветровая нагрузка.

Основными нагрузками для поперечной рамы являются: воздействие от покрытия и стенового каркаса, а также воздействие крановой нагрузки, состоящее из вертикального давления кранов и горизонтальных сил торможения, действующих в поперечном и продольном направлениях.

Для восприятия сил поперечного торможения, действующих на подкрановые балки, устраивают горизонтальные тормозные балки, а сил продольного торможения — вертикальные связи между колоннами. Дополнительной нагрузкой для рамы является воздействие ветровой нагрузки.

* Нормы и технические условия проектирования производственных зданий промышленных предприятий, Госстройиздат, 1956.

«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов