Покрытие промышленного здания с консольно-балочной подстропильной системой

Покрытия одноэтажных промышленных зданий выполняются обычно из типовых ребристых плит длиной 6 или 12 м, опирающихся на стропильные конструкции. Шаг колонн в типовом решении 6 или 12 м. В последнем случае при плитах длиной 6 м вдоль цеха устанавливаются подстропильные конструкции: балки или фермы пролетом 12 м. Размещение технологического оборудования или модернизация производства могут потребовать увеличения шага колонн, но типового решения этой задачи пока нет.

В работе [1] предлагается стропильная конструкция в виде двускатной рамы, стойки которой выполняются в виде перекрестных стенок, одна из которых сильно вытянута в направлении ребристых плит. Плиты опираются на эти стенки и крепятся к ним сваркой закладных металлических частей в двух точках, отстоящих друг от друга на 1200 мм. Плита оказывается неразрезной трехпролетной, расчетный пролет ее и возникающие моменты уменьшаются, что позволяет увеличить шаг стропильных конструкций и колонн до 18 м.

В работах [2, 3] используется ригель в виде двускатной рамы со сборно-монолитным верхним поясом, жестко соединяющим между собой ригель и торцевые ребра смежных плит.

В работах [4, 5] для решения такой задачи предлагаются ригели увеличенной ширины, опирающиеся на спаренные колонны и выполняющие одновременно несущую и ограждающую функции. Ригели состоят из двух плоских рам двускатного очертания, объединенных общим верхним поясом коробчатого сечения шириной 1,8 м. Стойки ригеля выполняются из пластин, вытянутых в плоскости рам и сообщающих им наибольшую изгибную жесткость, и стенок, развитых в поперечном направлении. Ребристые плиты опираются на эти стенки продольными ребрами и жестко соединяются с ригелем сваркой закладных деталей. Разработаны и рассчитаны по предельным состояниям первой и второй групп два варианта таких конструкций – для шага поперечных координатных осей здания 15 и 18 м.

Ригели в виде пространственной рамы и спаренные колонны с расстоянием между колоннами в паре 1500 мм применяются в работе [6] при шаге поперечных осей здания 18 м.

В работах [7–10] рассматриваются особенности применения стеклопластиковой арматуры, комплексного армирования изгибаемых элементов, определения предельных деформаций бетона растянутой и сжатой зон.

В нашей работе предлагается решить задачу увеличения шага колонн с помощью консольнобалочной подстропильной системы, состоящей из балок двух типов. Первые имеют длину 6,4 м, опираются на спаренные колонны и имеют консоли в обе стороны. Вторые опираются на консоли первых и имеют длину 18,4 м, обеспечивая шаг поперечных осей здания 24 м. Стропильные балки пролетом 24 м располагаются с шагом 6 м и опираются на вторые из подстропильных (рис. 1).

На рис. 2 приводятся поперечные сечения, схемы нагружения и технические характеристики балок покрытия. Расчеты выполнялись на нагрузки, соответствующие третьему снеговому району: полная расчетная нагрузка – 4,09 кПа, нормативная – 3,3 кПа, длительная – 2,97 кПа с учетом веса типовых ребристых плит длиной 6 м и слоев кровельного ковра. Для балок принят бетон класса В40 с расчетным сопротивлением на сжатие Rb =19,8 МПа (с учетом у b 1 = 0,9 ), предварительно напряженная арматура класса К-7, Rs = 1390 МПа.

Рис. 1. Схема покрытия

7=24,Ом; й=1,4м; собств. вес G=0,l 47МН;

На опоре: М=0,9МН-м; А=0,00178м², 7018 А500,/<=0,0138;

В пролете: М=1,27МН-м; Л^О;00085м², 6015 К-7, //=0,00654;

Раскрытие трещин: «_сг^0,102мм - на опоре; «а-с=0,126мм - в пролете;

асгс,и=0 ,200мм;

Прогиб: /=44,8мм; /«=96,0мм.

7=18,4м; й=1,6м; собств. вес G=0,184MH;

9=0,011МН/м; F=0,749MH;

Л/=4,94МН м; A_s=0, 00283м², 20015 К-7, /<=0,0189;

Раскрытие трещин: а_Сгс=0,11мм, «_с._{ге и}=0,20мм;

Прогиб: /=46,9мм; /«=76,9мм.

/=6,4м; /?=0,9м; собств. вес G=0,0552MH;

9=0,0095МН/м; F=1,6MH; М=1,93МНм;

A_sp=0, 00212м², 15015 К-7,/<=0,00885;

Раскрытие трещин: «сгс=0,121 мм, а_СГС11=0, 200мм;

Прогиб: /=3,18мм; /«=22,5мм.

Рис. 2. Поперечные сечения, схемы нагружения и технические характеристики балок покрытия: а – стропильная балка; б – подстропильная балка ( l = 18,4 м); в – подстропильная балка ( l = 6,4 м)

Расчеты выполнялись в соответствии с СП [11]. Высота сжатой зоны для всех балок ограничивалась высотой полки. Стропильные балки опираются на широкие полки подстропильных и соединяются с ними жестко сваркой закладных металлических деталей. В опорных сечениях возникают отрицательные моменты 0,9 МНм; в верхней полке закладывается 7 0 18 A500, As = 0,00178 м 2 , ц = 0,0138. Длина стержней 3,0 м. Максимальный момент в пролете M = 1,27 МНм; принимается предварительно напряженная арматура 6 0 15 К-7, As = 0,00085 м 2 , ц = 0,00654. Наиболее напряженными оказались вторые из подстропильных балок: максимальный момент M = 4,94 МНм, армирование: 20 0 15 К-7, As = 0,00283 м², ц = 0,0189. В первых подстропильных M = 1,93 МНм, армирование - 15 0 15 К-7, As = 0,00212 м², ц = 0,00885.

Расчеты по предельным состояниям второй группы выполнялись также в соответствии с исходными предпосылками, принятыми в СП [11]. Моменты образования трещин определялись с учетом неупругих деформаций бетона растянутой зоны.

На рис. 3 приводится второй вариант подстропильной системы – с внешним армированием подстропильных балок второго типа – смежные балки длиной 18,4 м соединяются между собой поверху арматурными стержнями - (6020 А1000).

При нагружении балок крайние сечения их поворачиваются, стержни натягиваются и оказывают сопротивление деформированию: увеличивается момент образования трещин, и уменьшается прогиб балки. Напряжения в стержнях определялись из условия совместности их деформирования с балками в предположении что сечения остаются плоскими и поворачиваются относительно центра арматуры растянутой зоны (рис. 4).

На рис. 5 приводятся поперечное сечение, схема нагружения и технические характеристики подстропильной балки второго типа с внешним армированием. В опорных сечениях возникают отрицательные моменты 1,8 МНм; в верхней полке закладывается 6 0 20 A1000, A_s = 0,001885 м², ц = 0,0157. Длина стержней в пределах балки 2,0 м. Со стержнями внешнего армирования они соединяются сваркой. Максимальный момент в пролете M = 3,05 МНм; принимается предварительно напряженная арматура 15 0 15 К-7, As = 0,00212 м², ц = 0,0177.

Рис. 3. Схема покрытия с внешним армированием подстропильной системы

Рис. 4. К определению усилия в стержнях внешнего армирования

/=18,4м; /?=1,Зм; собств. вес G=0,1485MH;

у=0,00888МН/м; F=0,749MH; /У=1,64МН;

На опоре: М=1,8МНм; ^0,001885м², 6020 А1000, //=0,0157;

В пролете: М=3,05МН-м; Л_ф=0,00212м², 15015 К-7, /7=0,0177;

Раскрытие трещин: а_сгс=0,18мм, а_сго „=0,20мм;

Прогиб: /=71,7мм; /«=76,9мм.

Рис. 5. Поперечное сечение, схема нагружения и технические характеристики подстропильной балки покрытия с внешним армированием

Сравнение вариантов покрытия здания размерами 72 x 240 м (S=17280 м²) по массе конструкций и расходу продольной рабочей арматуры

Вид покрытия		Стропильные конструкции		Подстропильные конструкции		Итого (в скобках данные на 1 м2 пола)
		Масса, т	Рабочая арматура, т	Масса, т	Рабочая арматура, т	Масса, т	Рабочая арматура, т
Типовое (балка стропильная двускатная пролетом 18 м; балка подстропильная пролетом 12 м)		9,1 x 164= =1492,4	38,87 П-7	12,0 x 100= =1200,0	32,0 П-7	2692,4 (0,1558)	70,87 (0,0041) П-7
3 сЗ сЗ Ч Ч с	Вариант 1. Без внешнего армирования	14,7 x 123= =1808,1	10,33 А500 19,24 К-7	18,4 x 40+ +5,52 x 44= =978,88	20,58 К-7	2787,0 (0,1613)	10,33 (0,0006) А500 39,82 (0,0023) К-7
	Вариант 2. С внешним армированием	14,7 x 123= =1808,1	10,33 А500 19,24 К-7	14,85 x 40+ +5,52 x 44= =836,88	5,93 А1000 16,58 К-7	2645,0 (0,1531)	10,33 (0,0006) А500 5,93 (0,00034) А1000 35,82 (0,00207) К-7

В таблице приводится сравнение типового покрытия с шагом колонн 12 м и предлагаемых вариантов покрытий на спаренных колоннах и консольно-балочной подстропильной системе при шаге поперечных осей здания 24 м. Принято здание размерами 72 x 240 м, имеющее в типовом решении [12] 4 пролета по 18 м, в предлагаемых – 3 пролета по 24 м. Сравнивается расход продольной рабочей арматуры и масса несущих элементов покрытия (без ребристых плит).

Заключение

Разработаны консольно-балочная подстропильная система и покрытие в целом для производственного здания каркасного типа с пролетами 24 м, позволяющие увеличить шаг поперечных координатных осей до 24 м. В сравнении с типовым решением на основе стропильных и подстропильных балок для зданий с пролетами 18 м получена существенная экономия рабочей арматуры. Сокращено число монтажных единиц, создаются условия для более эффективного использования площади цеха.