Горев - Конструкции зданий. Том 2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Второй том курса металлических конструкций «Конструкции зданий» является непосредственным продолжением первого тома «Элементы конструкций», однако для читателя, знакомого с общими расчетными положениями и основами проектирования элементов конструкций, это не является помехой для усвоения материала. Исключение составляют лишь численные примеры, в которых иногда даны ссылки на формулы и таблицы первого тома, но и в этом случае трудности могут быть преодолены при использовании норм проектирования стальных конструкций.
Содержательная же часть направлена на рассмотрение конструкций и особенностей работы каркасов зданий в целом, и их элементов с позиций выполнения ими конкретных функций в составе здания. В первом томе элементы рассматривались с точки зрения их силового сопротивления внешним воздействиям без учета функциональных особенностей.
Второй том состоит из 10 глав.
В первой главе дана общая характеристика каркасных зданий. Основное внимание уделено увязке архитектурно-строительных и конструктивных требований, описанию основных элементов здания, функций, которые они выполняют в его составе. Изложены вопросы защиты металлоконструкций зданий от коррозии, указаны приемы определения
огнестойкости стальных конструкций и меры повышения пожарной безопасности.
Во второй главе детально рассмотрены вопросы конструирования и расчета металлоконструкций одноэтажных промышленных зданий. Поскольку на примере именно таких конструкций можно наиболее полно изучить все особенности работы несущих конструкций зданий и методологию их проектирования, эта глава занимает центральное место, она хорошо иллюстрирована рисунками и численными примерами.
В третьей главе представлены одноэтажные здания со сплошностенчатыми ригелями. Здесь затронуты лишь основные особенности проектирования облегченных зданий, которые в настоящее время получили широкое распространение. Рассмотрены вопросы компоновки таких зданий и особенности их конструктивного оформления.
В четвертой главе представлены конструкции многоэтажных и высотных зданий с рамными, связевыми и смешанными каркасами. Затронуты вопросы выбора конструктивной схемы, компоновки и проектирования. Указаны особенности расчета на ветровую нагрузку.
Пятая глава содержит материалы по арочным конструкциям зданий. В ней указаны статические и конструктивные особенности арок, приведены методы их расчета и конструирования.
В шестой главе рассмотрены купольные конструкции. Приведены принципы формообразования куполов, их расчета, проектирования узловых соединений. Рассмотрены ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые купола различных систем.
В седьмой главе представлены пространственные стержневые конструкции плоских покрытий. Даны принципы формообразования структурных покрытий, описаны основные типы структур, узловых сопряжений, системы опор. Рассмотрены особенности автоматизированного и ручного расчета стержневых систем регулярной структуры, приведены численные примеры.
Восьмая глава посвящена висячим покрытиям. Изложены основы теории пологой гибкой нити, конструктивного оформления нитей и анкерных устройств. Представлены однопоясные, двухпоясные и перекрестные системы покрытий, в том числе с нитями конечной жесткости и вантовыми фермами. Рассмотрены также мембранные покрытия. По всем типам технических решений даны компоновочные схемы, конструкции,
приемы расчета.
Девятая глава посвящена оценке технического состояния и усиления конструкций эксплуатируемых зданий. Приведены методика обследования конструкций, технические решения различных вариантов усиления, конструктивное оформление деталей, расчет усиленных конструкций.
Десятая глава содержит сведения об ограждающих конструкциях зданий. Основное внимание уделено конструкциям покрытий и стеновых ограждений, кратко рассмотрены перегородки, витражи, окна, двери, ворота, подвесные потолки.
Все главы содержат численные примеры расчета, подкрепляющие основные расчетные положения. В конце глав приведены библиографические списки, дополняющие основной список литературы, единый для всей книги. Основные буквенные обозначения приняты общими для всех глав, они приведены в едином списке и отдельно не оговорены. Иные обозначения пояснены в тексте.
Помимо указанных на обороте титула авторов, в работе над учебником принимали участие кандидаты технических наук, доценты В. Г. Аржаков, В. Г. Беликов, Б. К. Немчинов, В. М. Путилин, В. И. Тур, которые привнесли в учебник свой богатый педагогический и практический опыт.
Гл. 1 написана чл.-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф. В. В.Горевым при участии чл.-корр. РАН, д-р техн. наук, проф. В. В.Филиппова; §1.6 — канд. техн. наук, доц. В. М. Путилиным; гл. 2 — чл.-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф. Л. В. Енджиевским и канд. техн. наук, проф. Б. Ю. Уваровым при участии В.В.Филиппова; гл. 3 — В. В. Филипповым и канд. техн. наук, проф. В. Г. Аржаковым; гл. 4 — канд. техн. наук, доц. В. Ф. Сабуровым; гл. 5, 6 — д-р техн. наук, проф. Г.И. Бель»1, §5.4 — канд. техн. наук, доц. В. Г. Беликовым, §§ 6.2 и 6.3 — канд. техн. наук, доц. В. И. Туром; гл. 7 — акад. РААСН, д-р техн. наук, проф. Я. И. Ольковым; гл. 8 — В. В. Горевым, §8.4 — канд.техн. наук, доц.
Б. К. Немчиновым; гл. 9 — канд. техн. наук, доц. В.Н. Валем; гл. 10 — канд. техн. наук, проф. И. И. Крыловым.
Авторы выражают глубокую благодарность чл.-корр. РААСН, д-р техн. наук, проф. A.M. Болдыреву и сотрудникам кафедры металлических конструкций и сварки в строительстве ВГАСА, д-р техн. наук, проф. Ю. И. Кудишину, принявшим участие в рецензировании книги. Авторы будут благодарны также читателям, которые сочтут возможным высказать свои замечания и пожелания по содержанию учебника.
Авторы
Глава 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЗДАНИЙ
Конструктивные элементы, из которых состоит здание, в соответствии с их назначением делят на две группы: несущие и ограждающие конструкции. Несущие конструкции воспринимают все действующие на здание нагрузки с передачей их через фундаменты на основание.
Ограждающие конструкции защищают здание от внешних атмосферных воздействий, изолируют происходящие в здании процессы и работающих в нем людей от внешнего пространства, обеспечивая оптимальные технологические и санитарно-гигиенические условия. Некоторые конструктивные элементы, например профилированный настил, сочетают в себе несущие и ограждающие функции. Такие элементы мы будем относить к несущим или к ограждающим в зависимости от контекста.
Конструктивные схемы здания с объединением несущих конструкций в единую самостоятельную систему каркас называют каркасными. Здания, где функции несущих элементов выполняют стены, называют бескаркасными.
По способу восприятия горизонтальных воздействий схемы каркасов подразделяют на рамные, связевые и рамно-связевые. Наибольшее распространение в одноэтажных и малоэтажных зданиях получила рамно-связевая схема с рамами в поперечном направлении и с вертикальными связями — в продольном. Связевые схемы часто применяют в каркасах высотных зданий.
1.1. Каркас и ограждающие конструкции здания
1.1.1.Элементы каркаса
Несущие элементы каркаса показаны на рис. 1.1. Основу рамно-связевого каркаса составляют поперечные рамы, которые размещают вдоль здания друг за другом обычно с одинаковым расстоянием, называемым шагом рам. На ригели рам опирают прогоны, по которым укладывают профилированный настил или другие несущие конструкции кровли. При беспрогонном решении покрытия пролет между рамами перекрывают крупноразмерными панелями, совмещающими в себе несущие и ограждающие функции. Стеновые панели крепят к горизонтальным ригелям (на рисунке не показаны), которые, в свою очередь, прикрепляют к стойкам рам и к стойкам фахверка.
Поперечные рамы воспринимают и передают на фундаменты все вертикальные нагрузки и горизонтальные нагрузки, действующие в их плоскостях. Вертикальные постоянные нагрузки (от собственного веса гидроизоляционного ковра, утеплителя, профилированного настила, прогонов) и временные нагрузки от веса снегового покрова, отложений производственной пыли передаются на прогоны, а затем трансформируются в сосредоточенные силы Р с передачей их на ригели рам. Горизонтальная ветровая нагрузка с наветренной стороны здания передается от стеновых панелей на стойки рам; с подветренной стороны действует аналогичная нагрузка меньшей интенсивности (на рисунке не показана). В производственных зданиях, оборудованных мостовыми кранами, кроме того, в зоне работы крана на поперечные рамы будут передаваться вертикальные нагрузки от веса крана с груз(ш и горизонтальные инерционные силы, возникающие при разгоне и торможении тележки крана с грузом (силы поперечного торможения).
Ветровая нагрузка на торец здания передается на стойки торцового фахверка. В местах сопряжения этих стоек с ригелем рамы действуют сосредоточенные силы W, численно равные опорным реакциям стоек в верхних узлах. Для восприятия этих сил устраивают ветровую ферму путем объединения ригелей соседних рам с помощью диагональных связей.
Суммарную горизонтальную силу от ветра, собранную с ветровой фермы и численно равную ее опорной реакции, следует передать на фундаменты. Наиболее просто вы можете сделать это с помощью вертикальных связей между колоннами в концевых отсеках, показанных на рисунке пунктирными линиями. Однако эти связи будут сдерживать температурные перемещения и в продольных элементах каркаса появятся дополнительные температурные напряжения. Лучше не используйте такое решение: оно возможно при небольших размерах температурных блоков, при условии, что дополнительные напряжения будут учтены расчетом. Для исключения температурных напряжений вертикальные связи между колоннами лучше разместить в середине температурного блока, а силу передать на эти связи с помощью распорки вертикальных связей, устойчивость которой следует проверить расчетом.
В промышленных зданиях, оборудованных мостовыми опорными кранами, силу можно передать на связи между колоннами и далее на фундаменты с помощью подкрановой балки. Для этого следует предусмотреть ветровую вертикальную связь, с помощью которой сила Fy, будет передана от ветровой фермы к подкрановой балке. Не забудьте, что в этом случае на вертикальные связи между колоннами кроме ветровой нагрузки будет передаваться также нагрузка от продольного торможения кранов.
Основные параметры здания — пролет, высоту, длину назначают в соответствии с эксплуатационными и архитектурными требованиями. В производственных зданиях кроме того необходимо учитывать габариты технологического оборудования, расположение и грузоподъемность подъемно-транспортных средств. Точный учет всех обстоятельств приведет к большому многообразию основных размеров здания: пролетов, высот, отметок крановых рельсов и т.п., что скажется на разнообразии размеров несущих и ограждающих конструкций. Сокращение стоимости и сроков строительства возможно при индустриальном процессе, основой которого является унификация типоразмеров и типизация строительных конструкций для возможности многократного применения одних и тех же типовых размеров в объектах различного назначения. Исходя из этого, вводится единая модульная система в строительстве (ЕМС), которая представляет совокупность правил координации размеров объемно-планировочных и конструктивных элементов зданий и сооружений на базе модуля
Габаритные схемы.
В настоящее время требования по унификации носят рекомендательный характер и при индивидуальном проектировании в обоснованных случаях возможны отклонения размеров от стандартных. Но, взяв на себя ответственность за отказ от требований унификации, Вы должны очень внимательно следить на всех этапах архитектурно-строительного проектирования за увязкой размеров несущих и ограждающих конструкций, самостоятельно разрабатывать доборные элементы, назначать допуски на изготовление конструкций и решать целый комплекс других вопросов, которые уже были решены специалистами при создании единой модульной системы.
1.1.2. Деформационные швы
При больших размерах зданий колебания температуры приводят к значительным температурным деформациям, что может вызвать образование трещин в ограждающих конструкциях и перенапряжение элементов несущих конструкций. Такое же влияние может оказать неравномерная осадка основания из-за неоднородности грунтов на площадке застройки, что особенно проявляется при строительстве на просадочных грунтах, в районах геологических и горных выработок, а также в тех случаях, когда отдельные участки здания имеют резко выраженную разницу в нагрузке на основание.
Для предупреждения дополнительных напряжений и появления трещин в конструкциях предусматривают деформационные швы, к которым относят температурные и осадочные. Температурные швы разделяют здание на отдельные отсеки (рис. 1.2). При этом конструкции здания разрезают по вертикали от уровня земли, а в плане — вдоль и поперек здания. Фундаменты при этом не разрезают, так как они не подвергаются температурным изменениям. Осадочными швами разделяют здание, включая фундаменты с тем, чтобы обеспечить отсекам здания независимую осадку. Обыкновенно температурные швы стремятся совместить с осадочными. Такие швы носят название температурно-осадочных; они обеспечивают как горизонтальные, так и вертикальные перемещения отдельных отсеков здания.
...