Архитектура зданий и сооружений

Министерство Образования и Науки Украины Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Кафедра «Архитектура промышленных и гражданских зданий»

Конспект лекций по дисциплине Архитектура зданий и сооружений Составили: к.т.н., доц. Шамрина Г. В.

ст. преп. Сахновская С.А.

Макеевка 2008

Лекция 1. Основы проектирования промышленных предприятий

1.1 Классификация промышленных зданий.

1.1.1 Основные группы промышленных зданий

Промышленное строительство — это область строительства, занимающаяся созданием основных фондов промышленности, включая выполнение комплекса строительно-монтажных работ, связанных с возведением новых, а также расширением, модернизацией и реконструкцией существующих промышленных предприятий.

Промышленное предприятие — совокупность орудий и средств производства, зданий, сооружений и других материальных фондов, используемых для производства какой-либо продукции.

Производственные здания принадлежат к основным фондам соответствующей промышленности, и их классификация построена на основе отраслевой классификации производства.

Классификация отраслей производства в промышленности устанавливается по различным признакам, например, по однородности экономического назначения продукции (производственного или потребительского), виду обрабатываемого сырья, характеру технологического процесса и т. п. Всего насчитывается более 15 крупных отраслей (электроэнергетика, черная металлургия, цветная металлургия, машиностроение, металлообработка и др.)

Отраслевая классификация положена в основу создания сети проектных, научно-исследовательских и производственных организаций в строительстве, таких, например, крупных проектных организаций по проектированию металлургических заводов, как Гипромез, заводов тяжелого машиностроения — Гипротяжмаш, гидротехнических сооружений — Гидропроект, зданий высших учебных заведений — Гипровуз.

Промышленные здания независимо от отрасли промышленности разделяют в соответствии со своим функциональным назначением на следующие основные группы:

производственные,в которых размещают основные технологические процессы предприятия (мартеновские, прокатные, сборочные, ткацкие, кондитерские и др.);

подсобно-производственные, предназначенные для размещения вспомогательных процессов производства (ремонтные, инструментальные, тарные цехи и т. п.);

энергетические, в которых размещают установки, снабжающие предприятие электроэнергией, сжатым воздухом, паром и газом (ТЭЦ, компрессорные, газогенераторные и воздуходувные станции и др.);

транспортные, предназначенные для размещения и обслуживания средств транспорта, находящегося в распоряжении предприятия (гаражи, электровозные депо и др.);

складские, необходимые для хранения сырья, заготовок, полуфабрикатов, готовой продукции, горючесмазочных материалов и пр.;

санитарно-технические, предназначенные для обслуживания сетей водоснабжения и канализации, для защиты окружающей среды от загрязнения (насосные и очистные станции, водонапорные башни, брызгальные бассейны и т. п.);

административные и бытовые здания, предназначенные для размещения административно-конторских помещений, бытовых помещений и устройств (душевых, гардеробных и пр.), пунктов питания и медицинских пунктов.

К специальным сооружениям промышленных предприятий относят резервуары, газгольдеры, градирни, силосы, дымовые трубы, эстакады, мачты и др. Перечисленные группы зданий и сооружений не обязательно строятся на каждом промышленном предприятии, состав их зависит от назначения и мощности предприятий.

Объемно-планировочные и конструктивные решения промышленных зданий зависят от их назначения, характера размещения в них технологических процессов и отличаются значительным разнообразием.

1.1.2 Классификация по определенным признакам

Классификация зданий по определенным признакам способствует более качественному проектированию, так как в пределах определенного класса зданий более целенаправленно решаются задачи по выполнению необходимых требований.

Наиболее широкая группа классификации промышленных зданий базируется на их различных объемно-планировочных и конструктивных решениях, на различных характеристиках технологических процессов и т. д.

Итак, здания классифицируются :

1) по архитектурно-конструктивным признакам.

В этой группе классификации промышленные здания подразделяют на одноэтажные, двухэтажные, многоэтажные и здания смешанной этажности.

Одноэтажные здания.

В одноэтажных зданиях, как правило, размещают производства металлургической и машиностроительной промышленности (сталелитейные, прокатные, кузнечные, термические, механосборочные цехи и др.), характеризующиеся тяжелым и громоздким технологическим оборудованием, крупногабаритными изделиями и большими динамическими нагрузками.

В настоящее время в одноэтажных зданиях размещается около 75% промышленных производств. Однако в перспективе будет возрастать удельный вес многоэтажных зданий, позволяющих уменьшить площадь застройки предприятий.

В свою очередь, одноэтажные промздания подразделяются по следующим признакам:

а) по количеству пролетов одноэтажные здания могут быть однои многопролетными (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Основные типы одноэтажных промышленных зданий.

а — однопролетное без фонарей; б — то же, с мостовым краном; в — двухпролетное без фонарей; г — трехпролетное с повышенным средним пролетом; д — трехпролетное с фонарем; е, ж — многопролетные с фонарями.

Однопролетные здания целесообразны для небольших производственных, энергетических или складских зданий. Они применяются также для размещения производств, требующих значительной величины пролетов (от 36 м и более) и значительной высоты (более 18 м).

Многопролетные — наиболее распространенный тип одноэтажных промышленных зданий.

б) в зависимости от ширины пролетов здания принято считать

мелкопролетными, если ширина пролетов не превышает 12 м,

крупнопролетными — при ширине пролетов более 12 м и

большепролетными — с шириной пролетов 36, 48, 60 м и более.

В большепролетных зданиях целесообразно размещать производства с быстро изменяющейся технологией или связанные с выпуском, содержанием и хранением крупногабаритной продукции (авиастроение, ангары, гаражи и т. п., рис. 3.2).

Рис. 3.2. Примеры большепролетных одноэтажных зданий:

а — пролетом 60 м; б — пролетом 96 м; в — пролетом 78 м; 1 - железобетонная ферма; 2 — железобетонные плиты; 3 — своды-оболочки; 4 — затяжка; 5 - крановые пути; 6 -остекление; 7 - плоские железобетонные плиты; 8 — стальные ванты.

в) по расположению внутренних опор одноэтажные промышленные здания разделяют на:

— ячейковые;

— пролетные;

— зальные.

В зданиях ячейкового типа преобладает квадратная сетка опор с относительно небольшим продольным и поперечным шагом.

В зданиях пролетного типа,наиболее распространенных в практике строительства, ширина пролетов преобладает над шагом опор.

Здания зального типа характерны для производств, требующих значительной площади без внутренних промежуточных опор. В таких зданиях расстояние между опорами может достигать 100 м и более (большепролетные здания).

Многоэтажные здания.

В многоэтажныхзданиях размещают производства с вертикально направленным технологическим процессом, и материалы могут перемещаться за счет собственного веса (мельницы, агломерационные фабрики, хлебозаводы, химические заводы и др.). Многоэтажные здания сооружают также для предприятий легкой, пищевой, радиотехнической, приборостроительной промышленности, для складов (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Основные виды многоэтажных промышленных зданий.

а — двухэтажное с укрупненной сеткой колонн 2-го этажа; б — с сеткой колонн (6+3+6) м; в, г —с сеткой колонн (6+6+6)х6 м; д — с сеткой колонн (12+12)х6 м; е — многоэтажное с укрупненной сеткой колонн верхнего этажа.

Применение многоэтажных промышленных зданий ограничивается производствами с относительно легким технологическим оборудованием, размещаемым на междуэтажных перекрытиях. Нагрузки на междуэтажные перекрытия в многоэтажных зданиях могут достигать 30−45 кН/м² (3000−4500 кг/м²).

Здания смешанной этажностистроят для производств с горизонтальным и вертикальным технологическим процессами (многие химические производства).

2) по наличию подъемно-транспортного оборудовании:

— бескрановые;

— крановые (с мостовыми кранами или подвесным транспортом).

3) по материалу основных несущих конструкции:

— с железобетонным каркасом (сборным, монолитным, сборно-монолитным);

— стальным каркасом;

— кирпичными несущими стенами и покрытием по железобетонным, металлическим и деревянным конструкциям.

4) по конструктивным схемам покрытий:

— каркасные плоскостные (с покрытием по балкам, фермам, аркам, рамам), рис. 3.4, А;

— каркасные пространственные (с покрытиями — оболочками одинарной и двоякой кривизны, складками), висячие покрытия различных типов, перекрестные, пневматические (рис. 3.4, Б).

Рис. 3.4. Конструктивные схемы покрытий каркасных промзданий:

А — плоскостные: а —по балкам; б — по фермам; в — по рамам; г -по аркам;

Б — пространственные: д - оболочки одинарной кривизны; е —оболочки двоякой кривизны; ж —оболочки двоякой кривизны в виде гиперболического параболоида; и - складки; к — висячее вантовое; л — перекрестное; м —пневматическое воздухоопорное; н - пневматическое воздухонесущее.

Кроме перечисленных классификационных признаков можно выделить еще несколько, определяемых условиями технологического процесса и требуемыми характеристиками среды производственных помещений.

5) по системам отопления:

— неотапливаемые;

— отапливаемые.

6) по системам вентиляции:

— с естественной вентиляцией и аэрацией через специальные проемы в ограждающих конструкциях;

— искусственной приточно-вытяжной вентиляцией, кондиционированием воздуха.

7) по системам освещения:

— с естественным освещением;

— искусственным освещением;

— совмещенным освещением.

8) по профилю покрытии:

— с фонарными надстройками;

— без фонарных надстроек.

9) по капитальности — промышленные здания подразделяют на 4 класса.

В основу классификации положено деление зданий на классы в зависимости от их назначения и значимости. Такая классификация необходима для выбора экономически целесообразных решений при проектировании. К І классу относят здания, к которым предъявляют наиболее высокие требования, а к IV — здания с минимально необходимыми прочностью и долговечностью.

Для каждого класса установлены требуемые эксплуатационные качества, а также долговечность и огнестойкость основных конструкций зданий.

Долговечность конструкций — это срок службы без потери требуемых качеств при заданном режиме эксплуатации и в данных климатических условиях. Установлены три степени долговечности ограждающих конструкций:

І степень — срок службы не менее 100 лет;

ІІ степень — не менее 50 лет;

ІІІ степень — не менее 20 лет.

По огнестойкости здания и сооружения подразделяют на 5 степеней. Степень огнестойкости зданий определяется пределом огнестойкости строительных конструкций. Требуемая степень огнестойкости зданий устанавливается на стадии проектирования по пределам огнестойкости основных конструктивных элементов здания: несущих (колонны, внутренние стены и др.), наружных стен, междуэтажных перекрытий, покрытия и лестничных клеток.

1.2 Требования к промышленным зданиям

Требования к промышленным зданиям подразделяют на:

- технологические (или функциональные);

— технические;

— архитектурно-художественные;

— экологические;

— экономические.

1.2.1 Функциональные требования

Функциональные требования заключаются в том, чтобы промышленное здание наиболее полно удовлетворяло своему назначению, т. е. заданным параметрам размещаемого в нем технологического процесса.

Технологический процесс является основным фактором, определяющим решение здания, т. е. его размеры, форму, конструкции, санитарно-техническое оборудование и внешний облик.

Производство, т. е. технологический процесс, ставит ряд вполне определенных требований к той материально организованной среде, т. е. к промышленному зданию, которое создается строителями. Эти требования вытекают из двух основных положений:

— обеспечение таких параметров среды, при которых технологический процесс протекает в наиболее благоприятных условиях и при которых обеспечивается высокое качество продукции;

— обеспечение таких параметров среды, которые являются оптимальными для деятельности человека с санитарно-гигиенической точки зрения, т. е. при условии сохранения здоровья человека, высокой производительности труда и снижения утомляемости.

К технологическим (функциональным) следует отнести требования:

а) к пространству,размеры которого должны быть достаточными, чтобы разместить технологическое и подъемно-транспортное оборудование и обеспечить перемещение материалов и изделий, а также технологического оборудования при его монтаже или демонтаже;

б) к рабочему пространству для людей, занятых на производстве, и к пространству для передвижения людей в помещении (проходы). При этом общее пространство здания (согласно СН 245−71) должно составить не менее 15 м³ на одного работающего, а площадь — не менее 4,5 м²/чел;

в) к воздушной среде для обеспечения здоровых условий труда человека, требуемого качества продукции или сохранности технологического оборудования, на которое может влиять температура воздуха, его влажность, степень загрязнения вредными веществами;

г) к световому режиму для обеспечения требуемой освещенности пространства цеха, рабочих мест и необходимого спектрального состава света (СН245−71);

д) к акустическому режимудля обеспечения требуемого уровня шума и изоляции от посторонних звуков, превышающих допустимых уровень, мешающих технологическому процессу и утомляющих рабочих (СНиП ІІ-12−77).

1.2.2 Технические требования

К техническим требованиям относятся:

а) требования к прочности, устойчивости (жесткости) строительных конструкций, долговечности материалов и основных конструкций здания, зависящей от ряда факторов, таких как ползучесть, морозостойкость, влагостойкость, коррозиестойкость и биостойкость;

б) требования по взрывной, взрыво-пожарной и пожарной опасности, поскольку технологические процессы могут представлять опасности побочного рода. По этим признакам производства классифицируют на шесть категорий: А. Б, В, Г, Д, Е (СНиП 2.09.02−85. Производственные здания).

Производства категории, А наиболее взрывоопасные, так как к ним отнесены технологические процессы, в которых участвуют горючие газы и горючие жидкости с низкими пределами взрываемости и температурами вспышки паров. При смешении они образуют взрывоопасные смеси, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой и кислородом воздуха.

Для взрывоопасных производств (категорий А. Б, Е) наружные ограждающие конструкции целесообразно делать «легкосбрасываемыми» взрывной волной, образующейся при взрыве.

К легкосбрасываемым относятся окна с обычным стеклом, двери, распашные ворота, фонарные переплеты, легкие ограждения с применением асбестоцементных, алюминиевых и стальных листов с легкими утеплителями и т. п.

в) требования к санитарно-техническому и инженерному оборудованию здания, которые в зависимости от технологического процесса предусматривают отопление, ту или иную систему вентиляции или кондиционирования воздуха, водоснабжение устройство лифтов для работающих и т. п.

1.2.3 Архитектурно-художественные требования

а) градостроительные,если производственные предприятия или промышленные здания предлагается возводить в системе городской застройки;

б) к архитектуре комплекса, предполагающие, что само промышленное предприятие должно представлять собой выразительный в архитектурно-художественном отношении ансамбль;

в) к архитектуре здания, предполагающие выразительное, привлекательное по внешнему облику решение каждого здания или сооружения, входящего в состав промышленного комплекса;

г) к интерьеру, который, как и внешний вид здания, должен быть привлекательным, создавать по всем показателям среду, соответствующую условиям высокопроизводительного труда.

1.2.4 Экологические требования

Экологические требования в промышленном строительстве применяются на трех этапах:

а) при разработке схем размещения и развития промышленных отраслей и производств по территории страны;

б) разработке генеральных планов городов и проектов планировки промышленных зон и промрайонов;

в) при разработке проектов конкретных предприятий.

1.2.5 Экономические требования

К экономическим требованиям относятся:

а) экономичность объемно-планировочных решений;

б) экономичность конструктивных решений;

в) экономичность архитектурно-художественных решений.

Экономичность указанных решений для промышленных зданий устанавливается по показателю экономической эффективности капитальных вложений, который, как известно, выражается через приведенные затраты.

1.3 Внутрицеховое подъемно-транспортное оборудование

Для перемещения внутри зданий сырья, полуфабрикатов и готовой продукции их оборудуют подъемно-транспортными средствами, необходимыми также для монтажа и демонтажа технологических установок.

Внутрицеховой транспорт подразделяют на две группы: периодического и непрерывного действия.

К первой группе относят: напольный безрельсовый и рельсовый транспорт (автокары, автопогрузчики и т. п.), подвесной транспорт (тали, кошки, подвесные краны), сюда также входят мостовые и другие виды кранов.

Ко второй — конвейеры всех видов, пневматический и гидравлический транспорт.

Вид транспорта влияет на конструкции и объемно-планировочное решение промышленного здания.

Выбор того или иного вида внутрицехового транспорта зависит от технологического процесса, характера грузов, необходимости модернизации процесса производства.

Следует учитывать, что при проектировании промышленных зданий целесообразно применять принципы независимой от строительных конструкций передачи крановых нагрузок на основание — применением в основном напольного подъемно-транспортного оборудования многофункционального назначения, используемого для монтажа строительных конструкций и оборудования, а также для технологического обслуживания производства.

В качестве напольных грузоподъемных транспортных средств применяют козловые, полукозловые, пневмоколесные, портальные, гусеничные краны серийного производства, внутрицеховые краны башенного типа, мостовые краны на самостоятельных эстакадах.

Выбор кранов, их характеристик и зон перемещения решается при проектировании технологической части.

Отказ от традиционной схемы передачи крановых нагрузок на каркасы зданий существенно снижает их материалоемкость. Важно и то, что при модернизации или полной замены технологии основного производства одновременно можно заменить и крановое оборудование без какой-либо реконструкции каркасов зданий.

В данном курсе рассматривается только подъемно-транспортное оборудование, которое влияет на объемно-планировочное решение здания и решение его конструкций, т. е. талей, подвесных, мостовых и специальных кранов.

Тали выполняют с ручным приводом или электроприводом, стационарными или передвижными, с открытыми и закрытыми кабинами и без них.

Тали электрические или тельферы выполняют грузоподъемностью 0,125−10 т с высотой подъема груза до 18 м.

Тали состоят из 3-х основных узлов: механизмов подъема, тележки с механизмом передвижения и обоймы с крюком.

Кошка представляет собой таль, закрепленную на тележке, которая может передвигаться по нижней полке двутавровой балки (монорельсу) при помощи ручной цепной передачи. Грузоподъемность кошек — 0,5 до 10 т.

Кошки и тали обслуживают лишь узкую полосу рабочего пространства вдоль монорельса, в этом их недостаток.

Подвесные краны (кран-балки) применяют при пролетах зданий до 30 м и при небольшой массе поднимаемого груза (до 10 т). Они состоят из основной двутавровой стальной балки, снабженной на концах катками, которые движутся по нижней полке стальных балок (рельсов), подвешенных к несущим элементам покрытия (рис. 3.5, а).

Мостовые краны в одноэтажных промзданиях — наиболее распространенное средство транспорта. Они просты в управлении и обладают несложной системой электропитания. Однако при применении мостовых кранов увеличивается высота здания и усложняется его конструктивное решение, поэтому их применение допускается лишь при соответствующем обосновании.

Мостовой кран состоит из несущего моста, перекрывающего пролет помещения, механизмов передвижения и передвигающейся вдоль моста тележки с механизмом подъема (рис. 3.5, б).

По конструкциям их делят на краны общего назначения и специального. К кранам общего назначения относят электрические опорные мостовые краны, которые состоят из сварного моста с механизмом передвижения и тележки с механизмом подъема и передвижения.

Грузоподъемность мостовых кранов достигает 630 т, а пролеты — 50 м.

Мостовые двухбалочные краны могут быть малой грузоподъемности — до 5 т, средней — до 50 т, большой — 250 т и более.

Чаще используют краны грузоподъемностью 5−32 т. В тех цехах, где требуется перемещать грузы разной массы и с разной скоростью, предусматривают краны с двумя механизмами подъема. Грузоподъемность кранов обозначают двумя цифрами, например 50/10 т.

Мостовые краны в зависимости от интенсивности их работы разделяют на краны весьма тяжелого непрерывного, весьма тяжелого, тяжелого (коэффициент использования 0,4−0,8), среднего (около 0,25), легкого (около 0,15) режимов работы.

При использовании кранов с тяжелым режимов работы для их работы без перерыва в работе вдоль крановых путей устраивают проходы размером (400×1800 мм).

Грузоподъемность, габариты и основные параметры мостовых и подвесных кранов даются в ГОСТах.

В промышленных зданиях устанавливают также специальные мостовые краны: литейные, краны-штабеллеры, консольные (консольно-поворотные, консольно-катучие), козловые краны (рис. 3.5, в) и др.

Вид кранов выбирают в зависимости от характера и массы грузов, интенсивности технологического процесса, ширины пролетов и с учетом будущей модернизации производства.

Рис. 3.5. Здания с подвесным, мостовым и козловым кранами:

а — пример размещения в пролетах длиной 18 м двух однопролетных и одного двухпролетного подвесных кранов; б -то же. в здании пролетом 24 м мостового крана; в - расположение козлового крана в одноэтажном здании; 1 — несущая балка; 2 — механизм передвижения; 3 — подвесной путь; 4 — электроталь; 5 — кабина крановщика; 6 — механизм передвижения вдоль кранового пути; 7 — несущий мост; 8 — тележка с грузоподъемным механизмом; 9 — подкрановый путь; 10 — токопровод.

Лекция 2. Унификация промышленных зданий и их конструкций

2.1 Цель и этапы унификации в промышленном строительстве

Из предыдущих лекций курса «Архитектура промышленных и гражданских зданий» Вам уже известно, что унификация предусматривает приведение к единообразию и взаимосочетанию размеров объемно-планировочных компонентов зданий и их конструкций с целью уменьшения объемно-планировочных параметров и количества типоразмеров элементов (по форме и конструкции).

Несмотря на разнообразие протекающих в промзданиях технологических процессов, при их проектировании в большинстве случаев применяются унифицированные объемно-планировочные и конструктивные решения, основанные на Единой Модульной Системе (ЕМС).

Для удобства унификации объем промздания расчленяется на отдельные части или элементы: объемно-планировочный элемент (ОПЭ), температурный блок.

Унифицированные объемно-планировочные и конструктивные решения зданий не являются чем-то застывшим. Их совершенствуют с учетом прогрессивных норм и методов производства, развития строительных конструкций и технологии строительного производства, изменения норм проектирования, архитектурно-художественных и экономических требований.

Для унификации производят отбор таких зданий, объемно-планировочные схемы и конструктивные решения которых обеспечивают в наибольшей мере функциональные, технические, архитектурно-художественные и экономические требования.

2.1.1 Линейная унификация

Развитие унификации происходило поэтапно. На начальном этапе производился отбор и взаимоувязка линейных параметров зданий (пролет, шаг колонн, высота здания, крановая нагрузка). На этой стадии для многих отраслей промышленности были разработаны габаритные схемы зданий, имевшие строго ограниченную номенклатуру. Благодаря этому число типоразмеров конструкций сократилось до технически необходимого и экономически целесообразного минимума.

2.1.2 Объемно-пространственная унификация

В дальнейшем был осуществлен поиск путей перехода на пространственную и объемную унификацию зданий. Были разработаны унифицированные типовые секции (УТС).

Параметры УТС (размеры в плане, сетка колонн, высота, вид и грузоподъемность внутрицехового транспорта) приняты с учетом требований производства на основе габаритных схем и номенклатуры унифицированных конструкций. Из УТС компонуют здания с размерами, определяемыми технологическими требованиями, условиями специализации, кооперирования и блокировки производств. Номенклатура секций для каждой отрасли промышленности строго ограничена, что позволяет дополнительно сократить число типоразмеров конструкций. Чаще всего такая секция представляет собой температурный блок здания. Поэтому максимальная ее длина равна расстоянию между поперечными температурными швами, а максимальная длина — предельному расстоянию между продольными температурными швами.

Для ряда отраслей производства (заводы по производству сборного железобетона, здания ТЭЦ и др.), где использование крупноразмерных УТС не оправдано, были разработаны унифицированные типовые пролеты (УТП).

Для унифицированных типовых пролетов и секций разработаны следующие проектные материалы: чертежи типовых конструкций (ТК) и типовых деталей (ТД), предназначенных для заводов-изготовителей; чертежи типовых монтажных деталей (ТДМ) и их сопряжений, применяемые строителями-монтажниками; чертежи типовых архитектурно-строительных деталей (ТДА), предназначенные для проектировщиков и строителей.

Использование УТС и УТП позволяло значительно упростить процесс проектирования зданий, сократить число типоразмеров конструкций и деталей и самих видов зданий, осуществлять изготовление основных сборных элементов по единому каталогу.

Однако практика проектирования показала, что применение УТС и УТП в отдельных случаях значительно завышает площади и объемы производственных зданий.

2.1.3 Межвидовая унификация

Дальнейшее совершенствование унификации промышленных зданий было направлено на переход к разработке зданий широкой универсальности (межвидовая унификация), увеличение степени независимости строительных решений зданий от технологического процесса.

В этом случае предоставляется возможность строительства зданий по единому каталогу типовых стандартных конструкций и изделий со значительно меньшим числом типоразмеров, чем предусмотрено каталогом для УТС и УТП.

При разработке унифицированных конструкций следует стремиться к возможно большей их взаимозаменяемости.

Примерами взаимозаменяемости конструкций могут служить: замена стальных ригелей железобетонными или деревянными, покрытий с прогонами — беспрогонными, стеновых блоков — крупноразмерными панелями и т. п. необходимым условием взаимозаменяемости является выработка единой системы допусков на изготовление и монтаж конструкций.

Высшей формой унификации является создание универсальных конструкций, пригодных для различных объектов и конструктивных схем (например, использование колонн одного типоразмера в зданиях с различными пролетами, применение одних и тех же панелей для стен и покрытий и т. п.).

2.2 Модульная система и параметры зданий

Как известно, унификация объемно-планировочных и конструктивных решений возможна только на базе единого подхода к правилам назначения основных параметров здания, расположения модульных разбивочных (координационных) осей и строгого соблюдения правил привязки к ним несущих и ограждающих конструкций.

Назначение основных параметров зданий (шаг, пролет и высота) производят в соответствии с действующей единой модульной системой в строительстве (ЕМС) и ГОСТами.

Исходя из функциональных, экономических и архитектурных требований, размеры пролетов L_o, шагов B_o и высот этажей H_o объемно-планировочных элементов зданий назначают кратными укрупненным модулям. Основные линейные размеры унифицированных объемно-планировочных элементов принимаются в зависимости от этажности здания и наличия в нем подъемно-транспортного оборудования для трех основных случаев:

§ Для одноэтажных зданий без кранов и с подвесными кранами грузоподъемностью до 5 тонн;

§ Для одноэтажных крановых зданий;

§ Для многоэтажных промзданий.

Для первого случая высота колонн H_o обычно принимается от 3 до 18 м; пролет основных несущих конструкций L_o от 6 до 30 м; шаг B_o от 6 до 18 метров. Наиболее часто используется L_o=18 и 24 м и B_o=6 м.

Для второго случая принимается H_o от 6 до 18 м; L_o от 12 до 36 м и B_o также от 6 до 18 метров. Наиболее часто используется L_o=18 и 24 м и B_o=6 м.

Для третьего случая высота этажа H_o принимается от 3,6 до 7,2 м; пролет L_o — от 6 до 12 м и шаг B_o=6м. Наиболее часто распространены сетки колонн 6×6 и 9×6м и высота этажа 4,8 и 6,0 м. Кроме того, в многоэтажных зданиях выбор размеров пролета и шага колонн (сетки колонн) производят с учетом нормативной полезной нагрузки на 1 м² перекрытия.

Укрупненные модули лежат в основе назначения номинальных размеров конструктивных элементов зданий (стеновые блоки и панели, плиты покрытий и перекрытий и др.).

2.3 Привязка конструктивных элементов зданий к разбивочным осям

Использование унифицированных объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий требует соблюдения единых правил привязки конструктивных элементов к разбивочным осям. Под размером привязки понимают расстояние от разбивочной оси до грани или геометрической оси сечения конструктивного элемента.

Рассмотрим основные правила привязок для одноэтажного многопролетного промздания с различным расположением в пространстве смежных пролетов.

Одноэтажное промышленное здание может иметь разное число параллельных пролетов, отделенных друг от друга рядами колонн. Иногда по условиям технологического процесса требуется взаимно перпендикулярное расположение пролетов. В этом случае пролеты одного направления, составляющие большую часть от общего числа пролетов в здании, являются продольными, а перпендикулярные им пролеты — поперечными (рис. 4.1)

Рис. 4.1. Аксонометрическая схема одноэтажного промышленного здания с разновысокими параллельными и взаимно перпендикулярными пролетами.

Перепады высот в многопролетных зданиях менее 1,2 м обычно не устраивают, поскольку они значительно усложняют и удорожают решение здания. Перепады более 1,2 м, необходимые по технологическим условиям, обычно совмещают с температурными швами.

Основные размеры в плане измеряются между разбивочными осями, которые образуют геометрическую основу плана здания.

Оси, идущие вдоль пролетов здания и располагаемые параллельно нижней кромке чертежа, называются продольными; оси, пересекающие пролеты, называются поперечными.

Система пересекающихся осей здания в плане образует сетку модульных разбивочных осей, которая служит системой координат для плана здания (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схематический план сетки координационных осей и расположения колонн одноэтажного трехпролетного промышленного здания с одним поперечным пролетом.

В одноэтажных каркасных зданиях при привязке колонн крайних и средних рядов, наружных продольных и торцевых стен, колонн в местах устройства температурных швов, а также в местах перепада высот между пролетами и примыкания взаимно перпендикулярных направлений пролетов используют привязки «0», «250» и «500».

«Нулевая» привязка должна быть преимущественной, так как при ней исключается применение доборных ограждающих и несущих элементов в местах устройства температурных швов, высотных перепадов и примыкания пролетов различного направления. Ее используют при всех видах материалов каркаса в бескрановых зданиях и в зданиях с подвесными и опорными мостовыми кранами, если высота от пола до низа несущих конструкций не превышает 14,4 м, грузоподъемность кранов — 30 т, а шаг колонн — 6 м.

При «нулевой» привязке внешние грани колонн крайних продольных рядов совмещают с разбивочными (координационными) осями (рис. 4.3, а, б).

При привязке «250» и более (кратной 50) внешние грани колонн смещают наружу с разбивочной оси на 250 мм. Такая привязка допускается в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью более 32 т, при высоте пролета более 14,4 м и шаге колонн 12 м. В таких зданиях использование привязки «250» и более вызвано увеличением размеров сечения колонн и подколонников, а в ряде случаев необходимостью устройства проходов для ремонта и обслуживания подкрановых путей мостовых кранов (рис. 4.3, в).

В торцах зданий геометрические оси сечения основных колонн средних и крайних рядов смещают с разбивочной оси внутрь на 500 мм. Такое правило привязки позволяет производить конструктивно оправданное размещение фахверковых колонн у торцевых стен и стропильных и подстропильных конструкций без доборных элементов (рис. 4.3, г).

Поперечный температурный шов. Поперечные температурные швы в зданиях с пролетами равной высоты устраивают на спаренных колоннах с использованием привязки колонн к одной или двум разбивочным осям. Привязки к двум разбивочным осям применяют в зданиях со сборным железобетонным каркасом и при расстоянии между поперечными температурными швами более 144 м. В обоих случаях привязка предусматривает смещение геометрических осей сечения колонн на 500 мм в обе стороны от разбивочных осей (рис. 4.3, д, е).

Рис. 4.3. Привязка элементов одноэтажных промзданий к продольным и поперечным разбивочным осям. а, б — нулевая привязка колонн и наружных стен к продольным разбивочным осям; в— то же, привязка «250»; г — привязка к поперечным разбивочным осям в торцах зданий; д, е — то же, в местах поперечных температурных швов.

Продольный деформационный шов. В зданиях с пролетами равной высоты осуществляют, предусматривая две разбивочные оси со вставкой между ними. Размер вставки зависит от способов привязок в примыкающих пролетах (рис. 4.4)

Рис. 4.4. Привязка колонн и вставки между продольными осями в местах продольных температурных швов в зданиях с пролетами одинаковой высоты.

Если в здании с железобетонным или смешанным каркасом соседние параллельные пролеты имеют разную высоту, то по линии их сопряжения устанавливается два ряда колонн, поскольку конструкции типовых железобетонных колонн не допускают опирания покрытия на одну колонну на разных уровнях (рис. 4.5). Следует отметить, что для стальных колонн это требование не является безусловным.

Размер вставки в продольном температурном шве зависит от способов привязок в примыкающих пролетах и может составлять 500, 750 и 1000 мм.

Рис. 4.5. Привязка колонн и вставки между разбивочными осями в местах перепада высот параллельных пролетов.

промышленный строительство здание унификация Привязку колонн к осям в месте сопряжения двух разновысоких пролетов осуществляют к двум продольным разбивочным осям со вставкой между ними. Привязка колонн к этим осям должна соответствовать правилам привязок «0» или «250». Размер вставки С (мм) должен быть кратным 50 мм (но не менее 300 мм) и равняться сумме следующих размеров:

С = «0» («250») х 1(2) + d + е + 50,

где d — толщина стены;

е — зазор между наружной гранью колонн повышенного пролета и внутренне плоскостью стены, мм (обычно 30 мм);

50 мм — зазор между наружной плоскостью стены и гранью колонн пониженного пролета.

Рис. 4.6. Привязка колонн и вставки между разбивочными осями при взаимном примыкании пролетов.

В местах примыкания взаимно перпендикулярных пролетов привязку колонн осуществляют также к двум разбивочным осям со вставкой между ними (рис. 4.6). Размер вставки С (мм) зависит от способа привязки в поперечном (более высоком) пролете («0» или «250») и может быть определен из выражения

С = 0(250) + е + d + 50.

Этот размер округляют до кратности 50 мм, но не менее 300 мм.

При наличии продольного температурного шва между пролетами, примыкающими к перпендикулярному пролету, этот шов продлевают до пролета, где он будет поперечным швом. При этом вставка между разбивочными осями в продольном и поперечном швах должна иметь одинаковую величину (500, 750 или 1000 мм), а каждую из парных колонн по линии поперечного шва смещают с ближайшей парной оси на 500 мм.

В многоэтажных зданиях с балочными перекрытиями размер привязки колонн крайних рядов к продольным разбивочным осям зависит от нормативных нагрузок на покрытия. Так, в зданиях с нагрузками на них 5−10 кН/м² внешнюю грань колонн смещают с разбивочной оси наружу на 200 мм (рис. 4.7).

В зданиях с нагрузками на перекрытия 10−25 кН/м² внешние грани колонн совмещают с разбивочной осью (рис. 4.8).

В торцах многоэтажных зданий внешние грани колонн относят от крайних поперечных разбивочных осей на 200 мм или геометрические оси сечения крайних колонн смещают с разбивочных осей внутрь на 500 мм.

Поперечные температурные швы устраивают на двух рядах колонн со вставкой между ними 1000 мм или без нее. В первом случае геометрические оси сечения парных колонн совмещают с разбивочными осями, а во втором — температурный шов совмещают с одинарной разбивочной осью и каждую из парных колонн смещают с разбивочной оси на 500 мм.

Колонны средних продольных и поперечных рядов многоэтажных зданий различных конструктивных решений привязывают так, чтобы геометрические оси сечения колонн совпадали с разбивочными осями.

Рис. 4.7. Привязка колонн и наружных стен многоэтажных промзданий с нормативными нагрузками на перекрытия 5…10 кН/м² к продольным и поперечным разбивочным осям и в местах температурных швов. 1 — торцовая стена; 2 — продольная стена.

Рис. 4.8. Привязка колонн и наружных стен многоэтажных промзданий с нормативными нагрузками на перекрытия 10…25 кН/м² к продольным и поперечным разбивочным осям и в местах температурных швов. 1 — торцовая стена; 2 — продольная стена.

Лекция 3. Железобетонный каркас одноэтажных промышленных зданий

3.1 Железобетонный каркас ОПЗ

Железобетонные каркасы одноэтажных промышленных зданий проектируют как плоскостные стоечно-балочные системы, монтируемые из сборных железобетонных элементов заводского изготовления. Они должны обладать необходимой прочностью и пространственной устойчивостью.

Сборный вариант железобетонного каркаса одноэтажного здания состоит из поперечных рам, объединенных в пространственную систему продольными конструктивными элементами — фундаментными, подкрановыми и обвязочными балками, несущими конструкциями ограждающей части покрытия и специальными связями (между стойками и между несущими конструкциями покрытия) (рис. 5.1, 5.2, 5.3).

Рис. 5.1. Железобетонный каркас со стропильными фермами: 1 — фундамент; 2 — колонна; 3 — подстропильная ферма; 4 — стропильная ферма; 5 — температурный шов; 6 — плита покрытия; 7 — утеплитель по пароизоляции; 8 — стяжка; 9 — кровельный ковер; 10 — стеновая панель; 11- простеночная панель; 12 — окно; 13 — подкрановая балка; 14 — фундаментная балка; 15 — связи по колоннам.

Рис.5.2. Железобетонный каркас со стропильными балками:

1 — фундамент; 2 — колонна; 3 — подстропильная балка; 4 — стропильная балка; 5 — стойка фахверка.

В поперечном направлении прочность и устойчивость обеспечиваются системой одноили многопролетных рам, стойки которых чаще всего жестко защемлены в фундамент, а вверху имеют шарнирную связь с несущими элементами покрытия — ригелями (рис. 5.1, 5.2). Шарнирное крепление вверху обусловлено тем, что обеспечить жесткую связь ригеля с колонной значительно сложнее, чем шарнирную, и, кроме того, возникают большие возможности типизации элементов каркаса.

В продольную раму каркаса включаются все колонны поперечных рам температурного блока, находящиеся на одной оси, с расположенными по ним подкрановыми балками или распорками и вертикальными связями, установленными между колоннами (рис. 5.1). На устойчивость каркаса в продольном направлении оказывают влияние высота здания, наличие мостовых кранов, а также высота несущего элемента покрытия (ригеля) на опоре. Для придания покрытию свойств жесткого диска, обеспечивающего равномерное распределение горизонтальных усилий, возникающих при ветре и торможении мостовых кранов, железобетонные настилы, укладываемые по ригелям рам температурного блока, привариваются к их верхнему поясу. Швы между настилами замоноличиваются.

Членение каркаса на конструктивные элементы производится с таким расчетом, чтобы общее их количество и количество монтажных стыков были возможно меньшими, сечение экономичным, а изготовление, транспортировка и монтаж технологичны и удобны. Поэтому традиционное решение каркаса включает: фундаменты под колонны; фундаментные балки; колонны; подкрановые балки; подстропильные и стропильные конструкции; обвязочные балки, связи (рис. 5.1 и 5.2). В зависимости от характера производства, вида внутрицехового транспорта, сетки колонн, характера ограждающих конструкций некоторые из перечисленных элементов могут отсутствовать или появляться дополнительные.

В интересах сокращения количества монтажных единиц и снижения материалоемкости каркаса могут применяться длинномерные настилы покрытия. Для их укладки непосредственно по колоннам крайних и средних рядов (рис. 5.3) используют ригели, играющие роль подстропильных конструкций.

Рис. 5.3. Железобетонный каркас с плитами на «пролет»:

1 — фундамент; 2 — колонна; 3 — ригель; 4 — длинномерный настил; 5 — светоаэрационный фонарь; 6 — крановый рельс.

3.2 Конструктивные элементы железобетонного каркаса ОПЗ

Каркасная конструкция производственного здания обусловливает необходимость устройства самостоятельного фундамента под каждую колонну. Размер его определяется нагрузкой, приходящейся на колонну, предельно допустимым давлением на грунт под подошвой фундамента и глубиной промерзания грунта.

3.2.1 Фундаменты. Фундаментные балки

Фундаменты под сборные железобетонные колонны устраивают в основном в виде отдельных опор с отверстиями стаканного типа. Ленточные фундаменты по продольным рядам колонн или сплошную фундаментную плиту под все здание применяют в исключительных случаях, когда фундаменты в виде отдельных опор не обеспечивают необходимую прочность и устойчивость или когда это целесообразно по условиям обеспечения «гибкости» и универсальности размещаемого производства.

Конструкции фундаментов относятся к числу материалоемких элементов здания. На их устройство требуется до 20% общего расхода бетона, а стоимость их возведения составляет от 5 до 20% от стоимости здания.

Фундаменты под колонны в виде отдельных опор по способу возведения подразделяют на монолитные и сборные.

Монолитные фундаменты более предпочтительны, так как располагают лучшими возможностями получения нужных форм и размеров, диктуемых нагрузками и местными условиями строительства. В большинстве своем они экономичнее сборных вследствие меньшего расхода стали и затрат на транспортирование и монтаж.

Монолитный фундамент состоит из подколонника с отверстием (стаканом) для заделки колонн и ступенчатой плитной части (рис. 5.4). В целях ограничения типоразмеров опалубочных элементов, а также для более четкой градации арматурных изделий, все опалубочные размеры унифицированы.

Высота унифицированных фундаментов составляет 1,5 и от 1,8 до 4,8 м с градацией через 0,6 м,

Размеры подошвы в плане от 1,5×1,5 до 6,6×7,2 с модулем 0.3 м.

Размеры подколонника в плане — от 0,9×0,9 до 1,2×2,7 м (через 0,3 м).

Высоту ступеней принимают 0,3 и 0,45 м с совмещением уступов, обеспечивающих уклон 2:1.

Рис. 5.4 Монолитный фундамент под железобетонные колонны.

Сборные фундаменты под колонны применяют, когда их можно сделать из одного блока ограниченной массы (обычно не более 6 т). В случае необходимости сборные фундаменты могут быть установлены на опорные плиты (рис. 5.5). Размеры сборных фундаментов подчинены тем же модулям, что и монолитные.

Рис. 5.5 Сборный фундамент под железобетонные колонны.

Под спаренные колонны в местах деформационных швов устраивают монолитные фундаменты с двумя раздельными стаканами (рис. 5.6, а). Установлены следующие размеры стаканов: глубина 0,8, 0,9 и 1,25 м. Размеры по верху и дну соответственно на 150 и 100 мм больше размеров сечения колонн (рис. 5.6, б). После установки колонн стаканы заливают бетоном класса В20 или В25 на мелком гравии. На изготовление монолитных и сборных фундаментов используют бетоны классов В10 и В15. Под монолитные фундаменты делают подготовку толщиной 100 мм из бетона класса В7,5 или из щебня с проливкой цементным раствором. Это предотвращает вытекание цементного молока из бетонной смеси и перемешивание бетонной смеси с грунтом.