Главная » Литература » Стальные конструкции » Мурашко - Металлические конструкции производственных сельскохозяйственных зданий (1987)
Мурашко - Металлические конструкции производственных сельскохозяйственных зданий (1987)
© Издательство «Высшая школа», 1987.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Продовольственной программой СССР на период до
Дальнейшее развитие получит сельское строительство на основе создания мощностей по выпуску комплектов строительных конструкций повышенной заводской готовности, в частности легких металлических конструкций для сборных зданий [1]. Здесь следует исходить из технико-экономической целесообразности проектных решений для специфических условий сельскохозяйственного строительства, имеющихся производственных баз и материальных ресурсов [2].
Аграрная политика партии предусматривает комплексное, взаимоувязанное развитие сельского хозяйства и обслуживающих его отраслей промышленности, связанных с хранением, транспортировкой и переработкой сельскохозяйственной продукции, т. е. агропромышленного комплекса (АПК) страны.
В Советском Союзе и за рубежом накоплен определенный опыт проектирования и строительства сельскохозяйственных производственных зданий и сооружений с использованием металлических конструкций.
По данным Госагропрома СССР, объем применяемых строительных металлоконструкций для агропромышленного комплекса достигает 1 млн т в год. В последнее время наметилась устойчивая тенденция к его расширению. Возникает задача рационального проектирования строительных металлоконструкций для производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений с учетом новейших достижений строительной науки и специфики сельскохозяйственного производства.
В связи с вышеизложенным в учебном пособии акцентировано внимание на вопросах проектирования легких металлических конструкций с учетом специфических особенностей сельскохозяйственного строительства. Особая роль отводится новым конструктивным формам облегченных балочных и рамных металлических конструкций сельскохозяйственных производственных зданий.
Приводятся примеры их расчета и конструирования. Учебное пособие состоит из трех глав и приложений. В первой главе рассмотрены специфика проектирования, возведения и эксплуатации сельскохозяйственных объектов, а также материалы, номенклатура, особенности применения и защиты от коррозии несущих и ограждающих металлических конструкций в зданиях и сооружениях сельскохозяйственного назначения. Приведены основные положения методики расчета по предельным состояниям.
Вопросы проектирования облегченных балочных конструкций покрытий производственных сельскохозяйственных зданий излагаются во второй главе. Уделяется внимание расчету и конструированию эффективных двутавровых балок и прогрессивных конструкций ферм с использованием круглых профилей, одиночных уголков, труб, широкополочных тавров и двутавров.
Третья глава посвящена проектированию каркасов одноэтажных производственных сельскохозяйственных зданий, оборудованных легкими мостовыми и подвесными кранами.
В приложениях приведены марки стали, номенклатура несущих и основных ограждающих конструкций, применяемых в сельскохозяйственном строительстве, а также характеристики мостовых и подвесных электрических кранов и креплений крановых путей.
Содержание учебного пособия соответствует программе курса «Металлические конструкции», читаемого в строительных вузах по специальности 1205.
При изложении материала учтены требования действующих строительных норм и правил: СТ СЭВ 384—76. Строительные конструкции и основания. Основные положения по расчету; СНиП П-23—81. Стальные конструкции; СНиП П-24—74. Алюминиевые конструкции; СНиП П-6—74. Нагрузки и воздействия. Буквенные обозначения соответствуют СТ СЭВ 1565—"-79.
Глава 1, параграф 2.1 главы 2, параграфы 3.1, 3.2, 3.3,
Авторы выражают благодарность рецензентам — кафедре инженерных конструкций Пензенского инженерно-строительного института (зав. кафедрой, канд. техн. наук, доц. Н. Я. Кузин) и зав. кафедрой металлических и деревянных конструкций Белорусского политехнического института, канд. техн. наук, доц. Ю. С. Мартынову,— сделавшим ценные замечания по улучшению содержания книги.
Авторы.
1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ
1.1. СПЕЦИФИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ВОЗВЕДЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Требование качественно нового подхода к проектированию металлических конструкций для сельскохозяйственных объектов предопределяется специфическими условиями их изготовления, транспортировки, монтажа и эксплуатации, а также технологическими особенностями сельскохозяйственного производства. Данные условия не позволяют в полной мере использовать конструктивные решения, отработанные многолетней практикой промышленного строительства, и требуют разработки новых конструктивных форм.
В первую очередь это относится к проектированию животноводческих и птицеводческих производственных зданий со специфической производственной средой.
Внедрение комплексной механизации трудоемких процессов и стремление создания такого универсального здания, которое позволило бы вести производственный процесс с изменением технологической схемы, предъявляют ряд специфических требований к архитектурно-планировочным решениям и конструкциям сельскохозяйственных зданий.
Должны учитываться назначение и специфика сельского строительства, рассредоточенность и удаленность объектов строительства от производственной базы. В большинстве случаев строительство ведется вдали от крупных населенных пунктов силами передвижных механизированных колонн. Поэтому большое значение приобретает снижение трудовых затрат на строительной площадке, в частности за счет применения сборных элементов зданий повышенной заводской готовности. Конструкции сборных элементов и узлы их сопряжений должны быть простыми, унифицированными и обеспечивать быстрый и надежный монтаж. Все элементы заводского изготовления должны иметь повышенную транспортабельность. К их габаритам следует также предъявлять жесткие требования с учетом сохранности конструкций при многократных перегрузках, доставке на большие расстояния, как правило, по дорогам с грунтовым покрытием.
Характерны условия и для ряда специальных инженерных сооружений сельскохозяйственного назначения: силосов, элеваторов, теплиц, складов минеральных удобрений, аэротенков и др. Так, к проектированию силосов предъявляются особые требования по соблюдению специальной технологии силосования, в основе которой лежат сложные химикобактериологические процессы.
Таким образом, строительство и эксплуатация сельскохозяйственных зданий и сооружений характеризуются рядом специфических особенностей, которые влияют на выбор объемно-планировочных и конструктивных схем, а также проектирование строительных объектов и конструкций.
Основные из них:
1. Малые расчетные нагрузки на несущие конструкции, сравнительно небольшие пролеты и размеры конструкций по высоте. Применение вместо тяжелых конструкций из железобетона облегченных конструкций из стали и алюминиевых сплавов позволяет существенно (на порядок) снизить их собственную массу, а также массу всего здания благодаря высоким прочностным характеристикам этих материалов (масса стальных конструкций составляет в среднем около 10% массы соответствующих железобетонных, что позволяет уменьшить массу здания в 5—7 раз). Ввиду применения небольших пролетов и длин несущих металлоконструкций проблема устойчивости сжатых элементов, являющаяся основной при использовании металла, решается без существенного увеличения строительного коэффициента.
2. Небольшая высота сельскохозяйственных производственных зданий, необходимость устройства вентилируемых покрытий и широкое применение кровель из асбестоцементных волнистых листов, оказывающих существенное влияние на конфигурацию конструкций. Выбор несущих конструкций каркасов сельскохозяйственных зданий также определяется малым влиянием неравномерных осадок фундаментов, относительно небольшими габаритами и объемной массой монтажных элементов, отвечающих реальной производственной базе, грузоподъемности механизмов и транспортных средств.
3. Эксплуатационная среда зданий и сооружений, характеризующаяся переменным температурно-влажностным режимом и наличием агрессивной атмосферы, вызывающих коррозию металлов. Относительная влажность воздуха большинства сельскохозяйственных производственных зданий составляет более 60%, а в некоторых животноводческих зданиях — 85% (в определенные периоды она достигает 95—100%)- В течение года в помещениях наблюдаются существенные сезонные колебания температуры и влажности воздуха, образование конденсата и оседающей кормовой пыли на поверхности конструкций. В составе атмосферы животноводческих помещений, кормоцехов, очистных и силосных сооружений, складов минеральных удобрений, квасильно-засолочных пунктов, зданий санитарных боен, мясокомбинатов, холодильников наблюдается также присутствие агрессивных газов: аммиака, углекислоты и сероводорода [3].
4. Большое разнообразие объектов со специфическими технологическими процессами и относительно небольшими удельными капвложениями, а также мелкосерийность производства и недостаточное развитие производственных мощностей. Это приводит к появлению большого количества объемно-планировочных и конструктивных схем, что затрудняет унификацию и типизацию конструкций и снижает степень их индустриальности.
5. Комплексность конструктивных решений и применение различных материалов в несущих и ограждающих конструкциях одного объекта, а также широкое использование местных строительных материалов, позволяющих учесть особенности региона, его материально-техническую и производственную базы.
6. Технологическая связь между процессами комплексного изготовления конструкций и деталей, индустриальными методами сборки сельскохозяйственных зданий и сооружений на строительных площадках и монтажом инженерного оборудования с использованием поточных методов, осуществляемая одной специализированной организацией. Применение облегченных несущих металлических конструкций позволяет использовать при их монтаже механизмы небольшой грузоподъемности и высокой мобильности.
7. Многообразие экономико-географических факторов, и прежде всего большие расстояния и неудовлетворительное состояние дорог, обусловливающие значительные транспортные расходы при перевозке конструкций автотранспортом. Применение несущих металлических конструкций в условиях рассредоточенности строительства сельскохозяйственных объектов имеет большие преимущества вследствие их относительной легкости, транспортабельности н высокой степени индустриальности.
8. Использование несущих металлоконструкций в качестве элементов технологического оборудования, т. е. совмещение их функций. Это достигается благодаря плотности, свариваемости и хорошей обрабатываемости металла. Так, при строительстве культивационных сооружений элементы несущих конструкций из стальных труб одновременно применяются в качестве сети центрального отопления, водоснабжения для полива растений, пароснабжения, стерилизации почвы и т. п. Совмещение функций несущих конструкций с функциями отопительной системы приводит к сокращению расхода металла на строительство теплицы, а расположение труб с теплоносителем под остеклением препятствует заносу кровли снегом, замерзанию стекол и образованию наледи.
9. Использование сборно-разборных инвентарных временных зданий для укрытия кочующих животных на отгонных пастбищах (кошары, загоны для лошадей и т. п.), под крытые механизированные тока, полевые станы во время посевной и уборочной страды и т. п. Заметим, что металлические конструкции наилучшим образом отвечают требованиям сборно-разборности зданий и сооружений.
Указанная специфика производственных сельскохозяйственных зданий и сооружений обусловливает необходимость создания новых металлоконструкций, отличающихся от применяемых в промышленном и гражданском строительстве.
1.2. НОМЕНКЛАТУРА И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
По виду конструктивной формы и назначению можно выделить пять областей применения металлоконструкций. Производственные одноэтажные сельскохозяйственные здания. Эта область включает бескаркасные здания, здания со смешанным каркасом, здания с цельнометаллическим каркасом.
Бескаркасные здания. Несущими конструкциями покрытия являются металлические балки, прутковые фермы-прогоны, стропильные фермы и арки с затяжкой треугольного очертания. Несущие стены выполняются из местных строительных материалов.
Здания со смешанным каркасом. Несущими конструкциями покрытия, помимо указанных выше, могут служить металлические фермы с параллельными поясами (рис. 1.1) и решетчатые арки кругового очертания (рис. 1.2). Конструкции покрытия опираются на железобетонные колонны.
Бескаркасные здания и здания со смешанным каркасом находят применение в животноводческих комплексах, птичниках, складских помещениях, хранилищах, предприятиях первичной обработки сельхозпродукции, зданиях для ремонта, техобслуживания и хранения сельскохозяйственной техники, автотранспорта и т. п.
Согласно ТП 101-81 [2], стальные несущие конструкции покрытий одноэтажных сельскохозяйственных отапливаемых зданий могут применяться только при легких ограждающих конструкциях покрытия массой не более 100 кг/м2 и относительной влажности воздуха внутренних помещений не выше 75%.
Здания с цельнометаллическим каркасом в виде плоских систем-рам со сплошным (рис. 1.3) и сквозным ригелем и пространственных систем типа структур и складок. Эти здания должны возводиться при условии комплектной поставки легких металлических конструкций. Однако на практике находят применение легкие металлические конструкции и некомплектной поставки. Цельнометаллические каркасы в основном применяются для зданий по ремонту и техническому обслуживанию сельскохозяйственных машин, птичников, зерноочистительно-сушильных комплексов, хранилищ, цехов сборки и предпродажной подготовки сельхозтехники и т. д. Такие здания получили название универсальных сельскохозяйственных зданий комплектной поставки.
Типовые легкие несущие конструкции комплектной поставки (включая ограждающие) допускается также применять на строительстве объектов по производству пищевой и плодоовощной продукции и товаров народного потребления в колхозах, совхозах [2].
Под легкими металлическими конструкциями одноэтажных зданий понимают серийно изготовляемые на специализированных заводах стальные конструкции каркасов зданий пролетами 18 и
К несущим и ограждающим легким металлическим конструкциям комплектной поставки относятся конструкции зданий, номенклатура и габаритные схемы которых рекомендованы Госстроем СССР к первоочередному применению. Они изготавливаются на поточных линиях специализированных предприятий и комплектно поставляются на строительство. Здания из легких металлических конструкций некомплектной поставки имеют различные пролеты с применением легких кровель из асбестоцементных и стальных профилированных листов с эффективным утеплителем и слоистыми стеновыми панелями. Изготовление этих конструкций выполняется на универсальных заводах в традиционном и частично «легком» исполнении.
В последнее время при строительстве сельскохозяйственных производственных зданий получили распространение несущие особо легкие стальные конструкции (ОЛСК) [5]. Расход металла на такие конструкции должен находиться на уровне (или даже ниже) расхода арматуры железобетонных конструкций, приведенного к расходу СтЗ, и быть значительно меньше, чем на традиционные стальные конструкции.
Номенклатура несущих металлических конструкций производственных зданий представлена в прил. I. Для несущих конструкций производственных зданий, используемых в сельскохозяйственном строительстве, расход металла составляет порядка 65% от общего объема.
Культивационные сооружения. Это — здания теплиц и оранжерей со светопрозрачными ограждениями из стекла, предназначенные для круглогодичного выращивания овощей, плодов, цветов и рассады. Системы и конструктивные формы культивационных сооружений проектируются в виде блочных и ангарных рамных
конструкций сплошного и решетчатого типов из облегченных открытых гнутых профилей специального назначения, выполненных из стали и алюминиевых сплавов. Основным типом несущих конструкций теплиц является металлический каркас из тонкостенных гнутых профилей.
На строительство культивационных сооружений расходуется около 15% применяемых металлоконструкций. Листовые конструкции. Разновидности данных конструкций: элеваторы (рис. 1.4), силосы (рис. 1.5, а, б), бункеры (рис. 1.6), сенажные башни, резервуары (рис. 1.7), газгольдеры, баки водонапорных башен. Особую группу составляют листовые конструкции куполов (рис. 1.8) в покрытиях различных вариантов башенных хранилищ для фуражного зерна, гранулированных, брикетированных кормов, минеральных удобрений и др.
Объем применения листовых конструкций для сельского хозяйства составляет более 10% Башни и мачты. Сюда можно отнести водонапорные башни (рис. 1.9), дымовые, вытяжные и вентиляционные трубы, осветительные вышки, молниеотводы, норийные вышки элеваторов, опоры ЛЭП и распределительных устройств электрических подстанций, навигационные знаки. На возведение высотных сооружений в сельской местности расходуется около 6% металлоконструкций.
Специальные конструкции. К ним относятся конструкции пленочных, капельных и брызгальных градирен, конструкции с применением растянутых поверхностей из тонколистовой стали, вант, арматуры и струн в сочетании с жесткими конструктивными элементами, пешеходные мосты и мосты для автогужевого транспорта небольшой грузоподъемности в виде висячих и вантовых систем, затворы мелиоративных сооружений и -прудовых хозяйств рыбхозов, конструкции поливочных устройств и т.д. На специальные конструкции идет до 5% общего расхода металла в сельскохозяйственном строительстве.
1.3. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ ТРЕБОВАНИЯ
Разнообразие конструктивных форм и статических схем представленных конструкций (см. п. 1.2) обусловлено функциональным назначением, особенностями эксплуатации зданий и сооружений, а также характером технологических процессов и действующих нагрузок. Однако для всех указанных конструкций исходным материалом является металл, выпускаемый по единому сортаменту в соответствии с действующими ГОСТами: лист, уголок, швеллер, двутавр (обычный и широкополочный), тавр, труба и т. п. В результате гибки и вальцовки образуются тонколистовые профили открытого и замкнутого сечений (уголки и швеллеры с отгибами, трубы квадратного и прямоугольного сечения) и профилированный настил. Из сортамента компонуется все разнообразие конструктивных форм, указанное в номенклатуре. Кроме того, металлоконструкции объединяются общим технологическим процессом изготовления, в основе которого лежат холодная обработка металла и соединение деталей в конструктивные элементы. Соединения элементов металлоконструкций выполняются сварными либо болтовыми (в том числе на высокопрочных болтах). На монтаже предпочтение отдается последним.
Преимущество металлических конструкций заключается прежде всего в их относительной легкости, обусловливаемой удельной прочностью (отношением расчетного сопротивления материала к его плотности: c = Rfp м. Чем больше удельная прочность, тем относительно легче конструкция).
Металлические конструкции из алюминиевых сплавов, несмотря на их высокую стоимость и дефицитность, также применяются в сельскохозяйственном строительстве благодаря малой массе, высокой стойкости против коррозии, долговечности и высоким прочностным характеристикам. Более низкий модуль упругости алюминиевых сплавов по сравнению со сталью не является препятствием для их применения, так как соответствующим выбором формы можно обеспечить достаточную жесткость конструкции. Применение алюминиевых сплавов в сжатых элементах конструкций не менее рационально, чем из стали повышенной прочности. Это подтверждается их удельной жесткостью е = Е/р и удельной податливостью d=R/E.
Следует отметить, что в специфических условиях строительства в северной строительно-климатической зоне и труднодоступных районах первостепенное значение отводится применению металлических конструкций, и в особенности из алюминиевых сплавов, которые наилучшим образом удовлетворяют условиям транспортировки, технологии возведения и его темпам (ТП 101—81 [2]).
Использование металлических конструкций дает возможность обеспечить высокую сборность сооружений, что устраняет длительные и трудоемкие операции на строительной площадке, позволяет механизировать монтаж и тем самым высвободить трудовые ресурсы, а также повысить эффективность за счет сокращения сроков строительства и ввода объектов в эксплуатацию. К недостаткам металлических конструкций следует отнести подверженность стали коррозии и ее ограниченную огнестойкость (сталь переходит в термопластическое состояние при f= +
К металлическим конструкциям предъявляют следующие требования: соответствие конструктивной формы условиям эксплуатации, экономия металла, технологичность, транспортабельность, скоростной монтаж, долговечность и эстетичность.
Экономия материала в металлических конструкциях сельскохозяйственных зданий и сооружений, как и в промышленных, достигается за счет использования наиболее экономичных прокатных и гнутых профилей, снижения веса ограждающих конструкций, применения облегченных конструкций комплектной поставки, совершенствования методов расчета и конструктивных решений.
В отличие от металлоконструкций промышленного назначения в конструкциях сельскохозяйственного строительства применение низколегированных и высокопрочных сталей нерационально ввиду малой нагруженности элементов. Исключение могут составить системы с растянутыми элементами и поверхностями, и только при условии, что их сечение не лимитируется конструктивными соображениями.
Для сельского строительства разработаны типовые решения унифицированных габаритных схем одноэтажных производственных и складских зданий с прямоугольной модульной системой координат (ГОСТ 23840—79). Стандарт устанавливает основные размеры: пролет, шаг колонн и высоту зданий.
В результате унификации сельские строительные комбинаты (ССК) увеличили выпуск годовой продукции в 2,5 раза, производительность труда при этом возросла в 1,5 раза [6]. На основе унификации в СССР разработаны рекомендации по сооружению блочных теплиц с созданием специализированной производственной базы, что позволило снизить затраты труда в строительстве более чем в 2 раза и сократить расход металла в 3—5 раз [7].