Состав, назначение и область применения каркасов промышленных зданий
Промышленную продукцию производят в специальных зданиях, называемых производственными зданиями или цехами.
Производственные здания могут быть одноэтажными и многоэтажными. Наибольшее распространение получили одноэтажные производственные здания. Эти здания обычно оборудуют мостовыми электрическими кранами. В ряде случаев используют подвесной электрический транспорт.
Мостовые краны и подвесной транспорт могут обслуживать практически весь цех, обеспечивая функционирование различных технологических процессов.
Современные технологические процессы предъявляют к производственным зданиям различные требования по высоте пролета (до 50 м), ширине (до 120 м), по грузоподъемности кранов (до 50 т, а для уникальных сооружений - до 600 т и более).
Конструкции производственного здания воспринимают различные нагрузки: от веса ограждающих конструкций (кровли, стеновых панелей, переплетов остекления), атмосферные нагрузки (снег, ветер) и крановые нагрузки. Зачастую на конструкции производственного здания передаются нагрузки от технологического оборудования, установленного в цехе.
Комплекс несущих конструкций, воспринимающих атмосферные и эксплуатационные нагрузки, образует каркас здания.
Каркас здания в зависимости от его размеров, грузоподъемности и режима работы кранов, условий технологического процесса может быть выполнен из стали или железобетона. Часто применяют смешанные каркасы производственных зданий, в которых часть конструктивных элементов, например покрытия и подкрановые балки, делают из стали, а колонны - из сборного железобетона. Производственные здания могут быть однопролетными и многопролетными.
Рассмотрим пример стального двухпролетного производственного здания. Основу каркаса составляют поперечные рамы, состоящие из колонн, жестко закрепленных в фундаменте, и ригелей (стропильных ферм), жестко или шарнирно соединенных с колоннами. Расстояние между осями колонн в поперечном направлении здания называют пролетом. Расстояние между рамами называют шагом рам (колонн). В продольном направлении на рамы опираются подкрановые балки, элементы покрытия и фонари.
Для обеспечения устойчивости каркаса и его отдельных элементов применяют систему вертикальных и горизонтальных связей.
Вертикальные связи по колоннам воспринимают продольные усилия от воздействия ветра на торец здания и от сил продольного торможения кранов.
Горизонтальные, а в некоторых случаях и вертикальные связи по шатру здания обеспечивают устойчивость конструкций покрытия.
К элементам каркаса крепятся ограждающие конструкции. По ригелям рам и фонарю закрепляют конструкции покрытия. Для поддержания стен, оконных переплетов и ворот используют элементы стенового каркаса - фахверк, закрепляя его к рамам.
В зависимости от назначения здания и применяемого технологического процесса производственное здание может быть оборудовано мостовыми кранами в двух ярусах с устройством рабочих площадок для обслуживания тяжелого оборудования, что требует существенного усложнения несущих конструкций каркаса здания.
На работу каркаса здания большое воздействие оказывают краны. Под воздействием динамических, многократно повторяющихся и достигающих значительных крановых нагрузок отдельные конструктивные элементы каркаса здания часто подвергаются преждевременному износу и выходят из строя. В частности, наибольшему воздействию подвергаются подкрановые балки. Поэтому при проектировании каркаса здания особое внимание уделяют эксплуатационному режиму работы мостовых кранов, который зависит прежде всего от производственного назначения здания.
Различают пять режимов работы кранов: с ручным приводом (Р); с машинным приводом - легкого режима (Л); среднего (С), тяжелого (Т) и весьма тяжелого (ВТ).
Краны с ручным приводом (Р) ввиду их незначительной грузоподъемности в современных производственных зданиях почти не применяют (лишь для вспомогательных и ремонтных работ).
Краны легкого режима работы (Л) применяют для монтажа оборудования и выполнения ремонтных работ. Используют с большими перерывами в работе и редко поднимают грузы предельной нагрузки.
Краны среднего режима работы (С) работают в более интенсивных условиях. Как правило, это крюковые крапы механо-сборочных цехов и ремонтно-механических предприятий со среднесерийным производством.
Краны тяжелого режима работы (Т) - крюковые краны литейных, ковочных и завалочных цехов, работающие в более интенсивном режиме, близком к предельному.
Краны весьма тяжелого режима работы (ВТ) характеризуются весьма интенсивным режимом работы и нагрузкой предельной величины. К этой группе относятся: мостовые краны металлургических цехов; литейные; колодцевые краны для раздевания слитков; грейферные; магнитные с жесткой и гибкой траверсой: магнитогрейферные; краны шихтовых, скрапных и копровых отделений; краны с лапами и траверсами на жестком подвесе.
Каркасы зданий, в которых эксплуатируются краны «особого» режима работы, подвергают интенсивным нагрузкам динамического характера. При расчетах и проектировании таких каркасов учитывают особые условия - особые коэффициенты условий работы, меньшие предельные гибкости, прогибы и деформации, конструктивные ограничения.
В процессе эксплуатации каркас здания подвергают коррозионному воздействию со стороны внутрицеховой среды. Различают три степени скорости коррозии, измеряемой в мм/год: слабая (до 0,1), средняя (до 0,5) и сильная (свыше 0,5).
Характер агрессивной среды оказывает влияние на характер конструктивных решений. Так, для средней и сильной степени агрессивности применяют по возможности открытые элементы, позволяющие легко осуществлять очистку и окраску. Выбирают лакокрасочные материалы с соответствующими свойствами.
Каркасы зданий, эксплуатируемых в условиях низких температур (климатические пояса с расчетными температурами - 40 °С до -65 °С). рассчитывают только по упругой стадии работы, в проектах таких каркасов предусматривают дополнительные конструктивные элементы (связи), обеспечивающие жесткость каркаса, уменьшают размеры температурных отсеков, принимают меры по снижению концентрации напряжений.
При проектировании конструкций здания необходимо учитывать экономические факторы, включающие затраты на возведение сооружения, стоимость материалом, стоимость изготовления, перевозки и монтажа металлоконструкций. Учитывается эффект от сокращения сроков строительства, а также затраты, связанные с обеспечением условий его нормальной эксплуатации в течение всего срока службы.
Экономические факторы весьма сложны, порой противоречивы - расход стали и трудоемкость изготовления конструкций; затраты на возведение сооружения и расходы на поддержание конструкций в необходимом состоянии и т. д.
Выбор материала каркаса (металлический, железобетонный или смешанный) определяется эксплуатационными требованиями и экономическими факторами.
Металлические каркасы наиболее рациональны для производственных зданий с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы, так как в условиях непрерывно повторяющихся динамических нагрузок металлические конструкции наиболее надежны.
Наибольшие преимущества стальных каркасов для производственных зданий в большей степени проявляются на объектах, возводимых в труднодоступных районах при значительном удалении строящихся объектов от производственных баз, так как стальные каркасы собираются из стальных конструктивных элементов относительно малой массы.
Стальные конструкции позволяют воздвигать здание в более короткий срок по сравнению с железобетонными, что снижает стоимость строительства и сокращает сроки введения объекта в эксплуатацию.
Наиболее рационально применять металлические каркасы для производственных зданий с большими пролетами (30 м и более, а в неотапливаемых зданиях - 18 и и более), значительной высоты (расстояние от низа ферм более 14 м), при большом шаге колонн (12 м и более), в зданиях с тяжелыми кранами (грузоподъемностью более 50 т), при двухъярусном расположении кранов.
Смешанные каркасы обычно применяют для зданий с кранами легкого и среднего режима работы (грузоподъемностью до 30 т), с меньшими пролетами и высотой.
Железобетонный вариант каркаса выбирают при еще меньших параметрах зданий. Однако подкрановые балки в этом случае выполняют стальными.