Покрытие промышленного здания на подстропильных рамах

Одноэтажные промышленные здания каркасного типа строятся для многих отраслей промышленности. Вертикальными несущими конструкциями служат колонны, защемленные в фундаментах; на них опираются ригели – стропильные конструкции, перекрывающие пролеты, по которым устраивается настил из ребристых плит. Длина плит 6 или 12 м. Если шестиметровые плиты используются при шаге колонн 12 м, то применяются подстропильные конструкции, направленные вдоль цеха и дающие ригелям дополнительные опоры.

Ребристые плиты, стропильные и подстропильные балки, фермы или арки представляют собой довольно громоздкие предварительно напрягаемые конструкции с высокой трудоемкостью изготовления, транспортирования и монтажа. Строительная высота покрытия превышает 3 м и увеличивает объем здания и затраты на его содержание. Шаг колонн 6 или 12 м не всегда оказывается достаточным для оптимального расположения технологического оборудования цеха. Все это – причины для поиска новых конструктивных решений.

В работе [1] предлагается стропильная конструкция в виде рамы очертания двускатной балки со сборно-монолитным верхним поясом, в состав которого уложенная на монтаже бетонная вставка вовлекает торцевые ребра и часть полки ребристых плит.

В работе [2] предложена пространственная стропильная конструкция небольшой высоты, состоящая из двух плоских рам, соединенных перемычками в местах опирания ребристых плит. Верхний пояс коробчатого сечения шириной 2 м расположен в уровне плит, соединен с ними жестко и выполняет одновременно несущую и ограждающую функции. Шаг поперечных рам здания увеличен до 18 м.

В работах [3–5] стойки стропильной рамы выполнены из двух перекрестных стенок, одни из которых направлены вдоль рамы и сообщают ей наибольшую жесткость, другие перпендикулярны и служат опорами для плит. Между торцами плит укладывается монолитный бетон, включающий их частично в состав ригеля, что и позволяет уменьшить высоту покрытия.

В работах [6, 7] ригель состоит из двух плоских рам и общего верхнего пояса коробчатого сечения шириной 1,8 м, выполняющего одновременно несущую и ограждающую функции. Опираются ригели на спаренные колонны.

В работах [8, 9] рассматривается консольнобалочная подстропильная система одноэтажного промышленного здания, состоящая из балок двух типов: первые опираются на спаренные колонны и имеют консоли в обе стороны, вторые опираются на консоли первых. Торцы смежных балок второго типа соединяются поверху арматурными стержнями, которые при нагружении балок натягиваются и создают разгружающие моменты. Это уменьшает расход бетона и позволяет армировать балки стержневой арматурой классов А500С или А400 без предварительного напряжения, что снижает трудоемкость изготовления и стоимость балок.

В работах [10, 11] приводится экспериментальное исследование сборно-монолитного покрытия и расчет его элементов с учетом физической нелинейности деформирования бетона и арматуры.

Физическая нелинейность учитывается также в работах [12, 13], где расчет перекрестноребристых (кессонных) перекрытий производится на основе комбинации методов конечных разностей и предельного равновесия.

В работе [14] предлагается сборномонолитное покрытие одноэтажного производственного здания при пролетах 18, 24, 30 м и увеличенном шаге поперечных осей. Настил из ребристых плит заменяется сплошной монолитной плитой толщиной 25 или 35 мм, устраиваемой по несъемной опалубке в виде сплошного настила из обрезных деревянных досок толщиной 40 мм, вложенных в четверти верхних полок стропильных балок. Между досками с определенным шагом зажимаются поставленные на ребро металлические пластины шириной 65 или 75 мм и толщиной – по расчету. Они замоноли-чиваются на всю толщину плиты, выступают вниз на 40 мм и служат поперечными ребрами, позволяющими при расчете стропильных балок включать плиту в состав верхней полки на ширину, равную расстоянию между балками. Мы предлагаем принять такое решение и дополнить его подстропильной конструкцией в виде рамы из верхнего и нижнего поясов и вертикальных стоек.

Для примера рассматриваются здания с пролетами 30 и 24 м в третьем снеговом районе. В первом случае стропильные балки двутаврового поперечного сечения высотой 1,3 м (с плитой - 1,335 м) устанавливаются с шагом 1,5 м (рис. 1). Расчетная нагрузка с учетом снега, изоляционных слоев покрытия и собственного веса стропильной балки равна 0,0103 МН/м. Из расчета на прочность при шарнирном опирании на подстропильные конструкции определяется армирование балки A s = 0,00229 м² (9 0 18F5OOC), коэффициент армирования ц = 0,026.

Расчеты по второй группе предельных состояний выполнялись с учетом физической нелинейности деформирования бетона и арматуры на основе следующих предпосылок [15]:

• 1.    Гипотеза плоских сечений.

• 2.    В сжатой зоне бетон деформируется в соответствии с рекомендованной СП трехлинейной диаграммой состояния.

• 3.    В растянутой зоне работа бетона учитывается косвенно – с помощью коэффициента M

• 4.    Арматура класса А500С деформируется по рекомендованной СП двухлинейной диаграмме.

V = 1 — 0,8----, повышающего модуль упруго- sM

E сти арматуры до величины s , где Mcrc – мо-ψs мент образования трещин, M – момент от нагрузки, Es – модуль упругости арматуры.

Момент образования трещин определялся с учетом неупругих деформаций в бетоне растянутой зоны при следующих предпосылках [15]:

• 1.    Гипотеза плоских сечений.

• 2.    В сжатой зоне бетон работает упруго при начальном модуле упругости E_b .

• 3.    В растянутой зоне напряжения в бетоне возрастают упруго до величины R_{bt , ser} , при дальнейшем деформировании остаются постоянными.

• 4.    Деформации наиболее напряженного волокна растянутой зоны равны 0,00015.

• 5.    Арматура деформируется упруго.

Алгоритм такого расчета, подробно описанный в работе [11], успешно прошел проверку: сравнение вертикальных перемещений ребристой плиты в составе покрытия, полученных расчетом и определенных экспериментально, показало хорошее совпадение [10].

На рис. 1 приводятся эпюры изгибающих моментов, вертикальных перемещений и изгибных жесткостей стропильной балки при действии длительной нагрузки q = 0,00757 МН/м. Максимальный прогиб в середине пролета 0,111 при предельно допустимом значении 0,110 м.

Подстропильной конструкцией служит плоская рама, нумерация стержней и узлов которой показана на рис. 2. Верхний пояс выполняется из элементов сечением 300 х 700 мм при симметричном армировании As = aS = 0,00305 м2, (12018A500 C), ц = ц = 0,0156. As,ц,As,ц - сечение арматуры и коэффициент армирования растянутой и сжатой зон. Сечение стоек и нижнего пояса 300 х 800 мм, As = As = 0,00305 м2, кроме элемента № 8, для которого As = As = 0,00356 . Опирается рама на спаренные колонны, соединенные короткой балкой. Крайние стойки имеют плечики для опирания коротких балок, дающих недостающие опоры стропильным балкам (см. рис. 2). Шаг поперечных осей здания 18 м, пролет подстропильной рамы – 15 м, опирание шарнирное.

Рама рассчитывается поэлементно по методу, описанному в работе [16]. Граничными условиями для каждого элемента служат угловые и линейные перемещения узлов рамы, примыкающих к элементу. Применяется метод конечных разностей в сочетании с методом упругих решений: в каждом

Рис. 1. Стропильная балка пролетом 30 м: а – поперечное сечение сборной части; б – расчетная схема; в – эпюра изгибающих моментов; г – эпюра вертикальных перемещений; д – эпюра жесткости

приближении для каждой из нанесенных на стержень точек определяются кривизна изогнутой оси стержня, высота сжатой зоны, изгибающий момент и жесткость для следующего приближения. Определяются также моменты, передаваемые стержнем на примыкающие узлы и вызывающие их повороты, и поперечные силы, вызывающие линейные перемещения узлов. Решение показыва- ет устойчивую сходимость. На рис. 3 приводятся эпюры внешней нагрузки, изгибающих моментов, жесткостей элементов рамы и вертикальных перемещений верхнего пояса от расчетной нагрузки q = 0, 222 МН/м.

Поэлементный расчет конструкции дополняется рассмотрением сквозного сечения между стойками, где изгибающий момент действует на

Рис. 2. Подстропильная рама: а – нумерация элементов и узлов, б – схема опирания смежных рам на спаренные колонны

раму в виде пары сил, одна из которых усиливает сжатие верхнего пояса, другая – растяжение нижнего. Величины этих сил определяются делением момента на расстояние между поясами N = M 1 /H, где M j = qx ( l - x ) , H = 2,1 м, q -интенсивность нагрузки, х – продольная координатная ось, l – пролет рамы. В нижнем поясе эта сила N должна восприниматься арматурой; применяется условие прочности N <  R_s ( A + A ‘ ) , где R_s – расчетное сопротивление арматуры. Для верхнего пояса распределение сил показано на рис. 4, где M – момент, возникающий в сечении элемента от местной нагрузки, N – одна из сил пары, создаваемой моментом сквозного сечения. Уравнение равновесия элемента dx запишется в виде:

M ⁺ Nh—a = R b ^a m b^{h 2} + ra ⁽ h ₀ — a ' ).

Здесь h0 – полезная высота поперечного сечения, a' - расстояние от центра арматуры до кромки бетона в сжатой зоне, Rb – расчетное сопротивление бетона сжатой зоны, b – ширина поперечного сечения элемента, Rsc – расчетное сопротивле- ние арматуры на сжатие, Rbambh2 - момент равнодействующей напряжений в бетоне сжатой зоны, RscAS (ho - a') - момент предельного усилия в арматуре сжатой зоны.

Определенная из уравнения величина a m не должна превышать своего предельного значения a r , соответствующего граничной относительной высоте сжатой зоны бетона ^ r :

a R =^ R ( 1 -0, ^ R ) .

Условием прочности служит неравенство ^a m <^a R .

Рама показывает высокую жесткость: длительная нагрузка q = 0,166 МН/м вызывает максимальный прогиб 0,0200 м при предельно допустимом значении 0,0667 м.

Собственный вес подстропильной конструкции 0,217 МН.

Во втором случае, при пролетах здания 24 м, плита принята толщиной 25 мм, стропильные балки высотой 1000 мм (с плитой - 1025 мм) и расчетной нагрузкой 0,0919 МН/м располагаются с шагом 1,5 м. Из расчета на прочность определено

Рис. 3. Деформирование подстропильной рамы: а – расчетная схема, б – эпюра изгибающих моментов, в – жесткость элементов, г – вертикальные перемещения

Рис. 4. К расчету на прочность сжатого верхнего пояса подстропильной рамы одиночное армирование A = 0,00181 м2, ц = 0,0304. Жесткость балки достаточна: максимальный прогиб составляет 0,086 м при предельно допустимом значении 0,096 м.

Подстропильная рама пролетом 15 м имеет высоту в осях верхнего и нижнего поясов 1,8 м и выполняется из элементов сечением 300 х 700 мм с симметричным армированием A s = A S = = 0,002545 м², ц = ц' = 0,0131. Начальная жесткость элементов – 400 МНм; при моментах, равных M crc : 255 МНм - в расчетах на прочность, 319 МНм - в расчетах по прогибам. Эпюры изгибающих моментов, жесткостей элементов и вертикальных перемещений рамы аналогичны полученным для первого случая (см. рис. 3). Максимальное перемещение от длительной нагрузки q = 0,130 МН/м равно 0,0132 м при предельно допустимом значении 0,0667 м.

Собственный вес подстропильной конструкции – 0,192 МН.

Выводы

Предложено сборно-монолитное покрытие одноэтажного промышленного здания в виде сплошной монолитной плиты по стропильным балкам высотой 1,3 и 1,0 м при пролетах 30 и 24 м соответственно, расположенным с шагом 1,5 м. Подстропильными конструкциями служат рамы с параллельными поясами и вертикальными стойками высотой 2,1 м в первом случае и 1,8 м во втором. Сечения элементов рам в первом случае 0,3 х 0,7 м для верхнего пояса и 0,3 х 0,8 м - для стоек и нижнего пояса, во втором - 0,3 х 0,7 м для всех элементов. Покрытие имеет небольшую строительную высоту, стропильные и подстропильные конструкции армируются арматурой А500С без предварительного напряжения, нетрудоемки в изготовлении и монтаже. Вес стропильных балок и подстропильных рам при пролетах здания 30 м 0,105 и 0,217 МН соответственно; при пролетах 24 м – 0,065 и 0,192 МН.