5. Выбор конструктивной схемы и материалов каркасов

производят на начальном этапе разработки архитектурно-строительной части проекта.

Основанием для выбора конструктивной схемы служат: объемно-пла¬нировочная структура здания, обеспечивающая рациональную организа¬цию производственно-технологического процесса; нагрузки на здания; требования прочности, устойчивости и долговечности.

Для большинства одноэтажных промышленных зданий характерны два варианта каркасной конструктивной схемы - с поперечными и про¬дольными рамами (рис. XI-2, и, б).

Конструктивная схема с поперечными рамами является наиболее рас¬пространенной. По такой схеме поперечная рама каркаса, образуемая жестко заделанными в фундаменте колоннами и поперечными ригелями, обеспечивает жесткость и устойчивость. В продольном направлении жесткость и устойчивость здания обеспечиваются совместной работой колонн, вертикальных связей между ними и диском покрытия.

Конструктивная схема с продольными рамами состоит из колонн и продольных элементов (подстропильные конструкции, подкрановые бал¬ки, вертикальные связи и др.), которые вместе обеспечивают устойчи¬вость и жесткость здания в продольном направлении. В поперечном на¬правлении жесткость и устойчивость здания обеспечиваются совместной работой колонн и элементов покрытия, например панелями покрытия "на пролет".

Сопряжения элементов каркаса друг с другом различают шарнирные, жесткие и комбинированные.

Шарнирные сопряжения упрощают форму горизонтальных элементов (ригели, подстропильные конструкции и др.) и стык их с колоннами. При таком сопряжении поперечные нагрузки вызывают изгибающие моменты только в тех элементах, к которым они приложены (рис. XI-2, в, г). Это обстоятельство очень важно при использовании унифицированных и типовых конструкций.

Жесткие сопряжения применяют в тех случаях, когда нельзя обеспе¬чить достаточную общую жесткость рамы или когда их применение дает заметное снижение расходов материала на раму.

Железобетон, в котором совместная работа бетона и стальной арматуры обеспечивает ему хорошие физико-механические свойства, об¬ладает высокой несущей способностью на сжатие и изгиб, долговеч¬ностью, огнестойкостью, стойкостью против атмосферных воздействий, сопротивляемостью против динамических нагрузок, малыми эксплуата¬ционными расходами. В силу почти повсеместного наличия крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона, железобетон доступен к применению практически во всех райо¬нах строительства. На изготовление железобетона расходуется в 2-3 раза меньше металла, чем на стальные конструкции.

В числе основных недостатков железобетона главным является боль¬шая собственная масса - качество во многих случаях нежелательное. Так, например, большая масса несущих конструкций покрытия (фермы, бал¬ки, плиты) влечет за собой необходимость устройства колонн с больши¬ми размерами сечений, а колонны, в свою очередь, - устройства массив¬ных фундаментов. В целях снижения массы железобетона используют высокопрочные бетоны и стали, тонкостенные и пустотелые конструк¬ции, а также конструкции с бетоном на пористых заполнителях.

По способу выполнения железобетонные конструкции каркасов мо¬гут быть сборные, монолитные и сборно-монолитные.

Сборные железобетонные конструкции каркасов получили самое широ¬кое применение вследствие наилучшего соответствия требованиям инду¬стриализации и сокращения сроков строительства. Строительство из сборного железобетона можно производить круглый год без существен¬ного удорожания в зимний период.

Для массового строительства одноэтажных промышленных зданий разработаны типовые унифицированные конструкции элементов карка¬сов, позволяющие использовать их в определенных условиях по парамет¬рам здания (высота, пролет, шаг колонн), наличию или отсутствию под¬весных и опорных кранов соответствующей грузоподъемности, географи¬ческим условиям (скоростной напор ветра, расчетные температуры наружного воздуха, вес снегового покрова), наличию агрессивности воз¬душной среды и условий микроклимата помещений (отапливаемые и не¬отапливаемые здания).

Монолитные железобетонные конструкции до настоящего времени, главным образом, использовались в тех случаях, когда требовалось обе¬спечить наибольшую жесткость каркаса в условиях высоких динамических нагрузок и сейсмики или когда параметры возводимого каркаса отличались нестандартностью. К монолитным железобетонным конст¬рукциям обращались и в тех случаях, когда в данном месте строительства полностью отсутствовала возможность использования сборных конструк¬ций. В условиях преимущественного развития индустриального строи¬тельства долгое время преобладала тенденция сокращения доли моно¬литного строения. Однако отечественный и особенно зарубежный опыт показывают, что использование монолитного железобетона имеет ряд за¬метных преимуществ перед сборным. Он обеспечивает создание более жестких конструктивных систем, кроме того, такие конструкции обходят¬ся значительно дешевле, так как их изготовление производится на месте строительства и они не требуют создания дорогостоящих заводов по про¬изводству сборных конструкций. К числу недостатков монолитных железобетонных конструкций сле¬дует отнести заметные дополнительные расходы на их возведение в зим¬них условиях (обогрев бетона при его твердении) и несколько большие сроки строительства.

Сборно-монолитные конструкции представляют собой рациональное сочетание основных сборных элементов каркаса с монолитным железо¬бетоном, при котором обеспечивается их работа как единое целое. В одноэтажных промышленных зданиях сборно-монолитные конструкции находят оправданное применение при реконструкции и возведении при¬строек к существующим производственным объектам, а также при строи¬тельствах, осуществляемых в сейсмических районах.

Монолитные участки в таких конструкциях могут выполнять различ¬ные функции: замоноличивание стыков (узлов) сборных элементов; добе-тонирование и замоноличивание до полного поперечного сечения конст¬рукций, ослабленных по каким-либо причинам (пазовые стыки и т.п.); полное устройство отдельных элементов каркаса, например балок при наличии сборных железобетонных колонн.

Металлические материалы нашли применение в карка¬сах зданий в виде стальных и алюминиевых сплавов.

Стали представляют собой сплавы различного химического состава. В строительных конструкциях применяют углеродистые и легированные стали, первые из которых в зависимости от содержания углерода подраз¬деляют на низко-, средне-, высокоуглеродистые, а последние - на низко- и высоколегированные в зависимости от количества элементов -марганца, хрома, никеля и др.

Использование сталей в каркасах зданий, как впрочем и в других конструктивных элементах, требует специальных знаний их свойств, за¬висящих от способа выплавки (мартеновские, кислородно-конверторные, электросталеплавильные), от способа разлива в изложницы (кипящие, полуспокойные и спокойные), состоянию поставки (металлопрокат -после горячей прокатки, в термически обработанном состоянии, с очи¬щенной от окалины поверхностью) и др.

Для строительных металлоконструкций применяют сталь только группы В.

В зависимости от этих факторов стали маркируют. Выбор марок стали для конструкций каркаса является одним из от¬ветственных моментов проектирования. Назначение марок для стальных конструкций производят в зависимости от степени ответственности кон¬струкций зданий и сооружений, особенностей климатического района строительства и условий эксплуатации (отапливаемые, неотапливаемые и др.).

По степени ответственности стальные конструкции зданий и соору¬жений разделены на четыре группы. К первой группе отнесены сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях или подвергающие¬ся непосредственному воздействию динамических, вибрационных или подвижных нагрузок (подкрановые балки, балки рабочих площадок и др.). Ко второй группе относятся сварные конструкции либо их элемен¬ты, работающие при статической нагрузке (фермы, ригели рам, балки по¬крытий и перекрытий и др.), а к третьей - работающие в таких же усло¬виях колонны, стойки, опоры под оборудование и др. В четвертую группу входят вспомогательные конструкции зданий и сооружений (связи, эле¬менты фахверка, лестницы и др.).

Такой дифференцированный подход к выбору марок стали позволяет более рационально обеспечить надежность здания в разнообразных усло¬виях эксплуатации.

Профили классифицируют также по способам изготовления. Основ¬ная масса профилей изготавливается методом горячей прокатки. Гофри¬рованные и гнутые профили изготавливают методом непрерывного холодного профилирования из листовой рулонной заготовки. Сварные профили, среди которых наиболее распространены двутавровые, изготав¬ливают из трех полос универсальной или листовой стали на специальных поточных линиях. Наиболее дешевым способом изготовления профилей является горячая прокатка.

Стальные конструкции обладают многими достоинствами. По сравне¬нию с железобетонными они характеризуются значительно меньшей мас¬сой при равной несущей способности, высокой технологичностью, инду-стриальностью и сравнительной легкостью усиления. Вследствие высоких прочностных и других физико-механических свойств сталей из них мож¬но создавать надежные и разнообразные по форме и параметрам конст¬рукции, позволяющие особенно эффективно использовать их в высоких (более 18 м) и большепролетных зданиях, а также в неотапливаемых зда¬ниях и в зданиях с кранами грузоподъемностью более 50 т, в том числе и с расположением их в два яруса.

Алюминиевые сплавы в строительных конструкциях промышленных

зданий стали применять относительно недавно (около 50 лет назад). По прочности они близки к стали и в сравнении с нею обладают почти в 3 раза меньшей массой и более высокой устойчивостью против коррозии.

И отличие от стальных конструкций в алюминиевых сплавах понижение температуры ведет к повышению механических свойств. Большим досто¬инством является возможность получения из них разнообразных прессо¬ванных профилей, изготавливаемых методом выдавливания мощными прессами через матрицы (экструзия).

Алюминиевые сплавы целесообразно использовать: в конструкциях покрытий крупных высотных и большепролетных сооружений; в сборно-разборных конструкциях, предназначенных для многократного исполь¬зования в разных местах и при транспортировании на далекие расстоя¬ния; в климатических районах с холодным и суровым климатом, а также в районах с повышенной сейсмичностью. Особенно эффективны алюми¬ниевые сплавы в стеновых и кровельных конструкциях, в конструкциях подвижного состава (краны различного назначения), больших ворот, оконных и фонарных заполнений.

Недостатками алюминиевых сплавов, ограничивающими область их применения, являются: меньший (почти в 3 раза, чем у стали) модуль продольной упругости; высокий коэффициент температурного расшире¬ния; ухудшение механических свойств в условиях повышенных темпера¬тур и относительная сложность выполнения соединений.

Деревянные конструкции обладают рядом достоинств в силу хороших физико-механических свойств древесины, которая имеет небольшую массу, незначительные коэффициенты температурного рас¬ширения и теплопроводности, высокую стойкость в различных химиче¬ских средах. Она легко поддается обработке и соединению, обладает вы¬сокими эстетическими и художественными качествами. Учитывая боль¬шие местные запасы древесины, во многих регионах России конструкции из дерева оказываются намного дешевле железобетонных и стальных конструкций.

Наибольшее применение древесина в каркасах одноэтажных зданий получила в форме клееных конструкций (рамы, балки, арки и металлоде-ревянные формы). К достоинствам клееных деревянных конструкций от¬носят: возможность использования маломерных и низкосортных пилома¬териалов и создание из них разнообразных по форме сечения и длине элементов конструкций; повышенную огнестойкость по сравнению с обычной древесиной; меньшую подверженность растрескиванию и ко¬роблению; возможность создания элементов с повышенной несущей спо¬собностью и др. Вместе с тем изготовление клееных конструкций требует специализированных условий (теплые помещения, тщательный контроль качества на всех стадиях изготовления, совершенное оборудование и др.)-

свай-стоек, навесов и т.п.

Существенными недостатками деревянных конструкций являются: подверженность загниванию, возгораемость, потери свойств под воздей¬ствием нагрузок, температур и влажности.

Среди других материалов, которые могут быть использованы в кон¬струкциях каркасов, можно выделить каменные конструк¬ции из природных и искусственных камней и блоков.

Область применения каменных конструкций в качестве несущих эле¬ментов до последнего времени была ограничена вследствие большой тру¬доемкости и сравнительно невысокой несущей способности. Однако в настоящее время, когда значительно возросла потребность в развитии мелких производств, применение каменных конструкций в каркасах зда¬ний следует считать рациональным (несущие стены, опоры и др.). Ка¬менные конструкции из кирпича, мелких и крупных блоков из местных строительных материалов природного происхождения обладают в боль¬шинстве своем хорошей долговечностью и огнестойкостью, из них мож¬но компоновать стены с надежной теплоизоляцией и совершенными ар¬хитектурными формами.

К недостаткам каменных конструкций следует отнести невысокую прочность, вследствие чего их можно применять только в мелкопролет¬ных зданиях без мостовых кранов.

При выборе материала каркасов нередко определяющим фактором выступает способ возведения здания. Технология возведения зданий за¬висит от многих обстоятельств: уровня местной материально-техниче¬ской базы, условий строительной площадки (в стесненных условиях сло¬жившейся застройки или на свободных территориях).

Поэтому окончательное назначение материала для несущих конструк¬ций должно производиться на основе глубокого комплексного анализа всех сторон, обеспечивающих прочность, надежность, долговечность, эксплуатационность, эстетичность и простоту возведения.