Современные инженерные и строительные технологии позволяют возводить уникальные большепролетные сооружения и пространственные конструкции, которые имеют расстояния между несущими опорами более 40 метров, делая их надежными и функциональными. Чаще всего это бывают заводские машиностроительные и судостроительные цеха, ангары, автостоянки, стадионы, здания вокзалов, театров и галерей.
Большепролетные металлические конструкции имеют упругость, позволяют создавать разнообразные виды сопряжений для построения выразительных геометрических форм и архитектурных решений любой сложности. При этом они содержат множество концентраторов напряжений. Правильное и равномерное распределение высокой несущей нагрузки между конструктивными элементами важно, поскольку под действием естественной тяжести конструкции и вилянием внешних факторов могут возникать опасные повреждения.
Сооружения, в основе которых заложены большепролетные балки, при строительстве и в процессе эксплуатации подвержены особенному риску возникновения деформаций и трещин, в последующем ведущих к разрушению. Поэтому требуют постоянного мониторинга в реальном времени и наблюдения за их состоянием для обеспечения условий безопасности.
Типичные причины, которые вызывают проблемы большепролетных зданий:
- неграмотно проведенные геофизические и геодезические изыскания, замена экспериментальных расчетов моделированием;
- ошибки проектирования, просчеты при определении нагрузок и точек расположения геометрических центров, смещения осей, нарушения принципов прямолинейности или жесткости элементов;
- нарушение технологий изготовления или правил монтажа конструкций, неправильные узловые соединения, использование неподходящих строительных материалов (например, выбор вида стали, непригодного для конкретных условий);
- неравномерные осадочные процессы, влияющие на устойчивость и целостность фундаментов, опорных элементов, сводов и перекрытий;
- неправильная эксплуатация, ненормированные нагрузки и аварийные воздействия;
- временной износ;
- влияние неблагоприятных природных факторов (ветрового давления, смещений почвенных пластов и движения грунтовых вод, сейсмических процессов, температурно-влажностных условий, в которых происходит ржавление металлических элементов конструкций, разрушение бетона и т.д.);
- вибрации, создаваемые движением транспорта и ведущимися вблизи строительными работами.
В результате влияния этих факторов и причин происходят деформации основных опор и потеря ими несущих способностей, прогибы и смещения пролетных балок, прогрессирующие разрушения. Это создает опасность для жизни людей и приводит к экономическим потерям, связанным с необходимостью компенсации ущерба от аварий и проведением ремонта.
Мониторинг состояния объектов
Мониторинг большепролетных зданий и сооружений позволяет отслеживать физический износ, снижение несущих способностей инженерных конструкций, выявлять неблагоприятные изменения, появление дефектов и повреждений, обнаруживать опасные напряженно-деформационные состояния, контролировать их выход за предусмотренные проектом предельные значения, вовремя замечать превышения установленных коэффициентов надежности и предельно допустимых величин отклонений наблюдаемых параметров.
Мониторинг осуществляется при помощи специальных высокоточных измерительных инструментов, контрольных приборов, регистраторов значимых параметров и показателей надежности, улавливающих электромагнитные и ультразвуковые колебания, датчиков и геодезических маркеров, компьютеризированных диспетчерских пультов, автоматического оборудования и сигнальных систем оповещения.
Большепролетные здания оборудуются инженерными системами мониторинга и управления, которые информационно связаны с дежурно-диспетчерскими службами МЧС. Такие системы позволяют производить сбор данных одновременно от многих передатчиков и по разным параметрам. Эта информация стекается в единый центр, интегрируется, анализируется при помощи заданных алгоритмов и в итоге выдается схематично и наглядно оформленный результат, свидетельствующий о состоянии исследуемой конструкции.
На основе этого специалисты по мониторингу могут составлять заключения, прогнозы и отчеты с обоснованной диагностикой объектов, рекомендациями и программами эффективных мер по устранению имеющихся дефектов и дестабилизирующих факторов, минимизации рисков и угроз наступления аварийных ситуаций, их избежанию и предотвращению ущерба. В случае возникновения чрезвычайных и нештатных ситуаций, о них оперативно информируются спасательные службы.
Специалисты по инженерно-строительному мониторингу
Компания СМИС Эксперт разрабатывает системные решения для проведения оценки уязвимости и диагностики проблем большепролетных сооружений, мониторингового сопровождения строительства и эксплуатации зданий различного назначения. Имеем большой опыт и высокую квалификацию специалистов. Используем современные научные знания и инновационные технологии. Обеспечиваем профессиональный геодезический мониторинг и исследование любых видов объектов для установления степени их надежности, безопасности и долговечности. Реализуем высокоточное измерительное оборудование и приборы.
Плоскостные конструкции
а
ЛЕКЦИЯ 7. КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
Каркасы промышленных зданий
Стальной каркас одноэтажных зданий
Стальной каркас одноэтажных зданий состоит из тех же элементов, что и железобетонный (рис.)
Рис. Стальной каркас здания
В стальных колоннах различают две основные части: стержень (ветвь) и базу (башмак) (рис.73) .
Рис. 73. Стальные колонны.
а – постоянного сечения с консолью; б – раздельного типа.
1 – подкрановая часть колонны; 2 – надколонник, 3 – добавочная высота надколонника; 4 – шатровая ветвь; 5 – подкрановая ветвь; 6 – башмак; 7 – подкрановая балка; 8 – подкрановый рельс; 9 – ферма покрытия.
Башмаки служат для передачи нагрузки от колонны на фундамент. Башмаки и нижние части колонн, соприкасающиеся с землей, во избежание коррозии обетонивают. Для опирания стен между фундаментами крайних колонн устанавливают сборные железобетонные фундаментные балки.
Стальные подкрановые балки бывают сплошные и решетчатые. Наибольшее применение получили сплошные подкрановые балки, имеющие двутавровое сечение: несимметричное, применяемые при шаге колонн 6 метров, или симметричное при шаге 12 метров.
Основными несущими конструкциями покрытий в зданиях со стальным каркасом являются стропильные фермы (рис. 74).
Рис. 74. Стальные фермы:
а – с параллельными поясами; б – то же; в – треугольная; г – полигональная;
д – конструкция полигональной фермы.
По очертанию они могут быть с параллельными поясами, треугольные, полигональные.
Фермы с параллельными поясами применяют в зданиях с плоскими крышами, а также в качестве подстропильных.
Треугольные фермы применяют в зданиях с кровлями, требующими больших уклонов, например из асбоцементных листов.
Жесткость стального каркаса и восприятие им ветровых нагрузок и инерционных воздействий от кранов обеспечивается устройством связей. Между колоннами в продольных рядах ставят вертикальные связи – крестовые или портальные. Горизонтальные поперечные связи ставят в плоскостях верхнего и нижнего поясов, а вертикальные – по осям опорных стоек и в одной или нескольких плоскостях посередине пролета.
Деформационные швы
В каркасных зданиях деформационные швы расчленяют на отдельные участки каркас здания и все опирающиеся на него конструкции. Различают швы поперечные и продольные.
Поперечные температурные швы устраивают на спаренных колоннах, поддерживающих конструкции смежных, разрезанных швом, участков здания. Если шов является одновременно осадочным, то он устраивается и в фундаментах спаренных колонн.
В одноэтажных зданиях ось поперечного деформационного шва совмещают с поперечной разбивочной осью ряда. Так же решают деформационные швы в перекрытиях многоэтажных зданий.
Продольные температурные швы в зданиях с железобетонным каркасом решают на двух продольных рядах колонн, а в зданиях со стальным каркасом – на одном ряде колонн.
Стены промышленных зданий
В зданиях бескаркасных и с неполным каркасом наружные стены являются несущими и выполняются из кирпича, крупных блоков или других камней. В зданиях с полным каркасом стены выполняют из тех же материалов самонесущими по фундаментным балкам или панельными – самонесущими или навесными. Наружные стены располагают с внешней стороны колонн, внутренние стены зданий опирают на фундаментные балки или на ленточные фундаменты.
В каркасных зданиях при значительной протяженности и высоте стен для обеспечения устойчивости между элементами основного каркаса вводят дополнительные стойки, иногда ригели, образующие вспомогательный каркас, называемый фахверком .
При наружном водостоке с покрытий продольные стены промышленных зданий выполняют с карнизами, а торцовые – с парапетными стенками. При внутреннем водоотводе парапеты возводят по всему периметру здания.
Стены из крупных панелей
Железобетонные ребристые панели предназначаются для неотапливаемых зданий и зданий с большими производственными тепловыделениями. Толщина стенки 30 миллиметров.
Панели для отапливаемых зданий применяют железобетонные утепленные или из легких ячеистых бетонов. Железобетонные утепленные панели имеют толщину 280 и 300 миллиметров.
Панели разделяются на рядовые (для глухих стен), панели-перемычки (для установки сверху и снизу оконных проемов) и парапетные.
На рис. 79 показан фрагмент стены каркасного панельного здания с ленточным остеклением.
Рис. 79. Фрагмент стены из крупных панелей
Заполнение оконных проемов панельных зданий производится преимущественно в виде ленточного остекления. Высота проемов принимается кратной 1,2 метров, ширина – равной шагу пристенных колонн.
При отдельных оконных проемах меньшей ширины применяются простеночные панели с размерами 0,75, 1,5, 3,0 метра в соответствии с размерами стандартных переплетов.
Окна, двери, ворота, фонари
Фонари
Для обеспечения освещения удаленных от окон рабочих мест и для аэрации (вентиляции) помещений в промышленных зданиях устраивают фонари.
Фонари бывают световые, аэрационные и смешанного типа:
Световые с глухими остекленными переплетами, служащие только для освещения помещений;
Светоаэрационные с открывающимися остекленными створками, служащие для освещения и проветривания помещений;
Аэрационные без остекления, применяемые только для целей аэрации.
Фонари могут быть различного профиля с вертикальным, наклонным или горизонтальным остеклением.
По профилю фонари бывают прямоугольные с вертикальным остеклением, трапециедальные и треугольные с наклонным остеклением, зубчатые с односторонним вертикальным остеклением. В промышленном строительстве обычно применяют прямоугольные фонари. (рис. 83).
Рис. 83. Основные схемы световых и светоаэрационных фонарей:
а – прямоугольный; б – трапециевидный; в – зубчатый; г – треугольный.
По расположению относительно оси здания различают фонари продольные и поперечные. Наибольшее распространение получили продольные фонари.
Отвод воды с фонарей бывает наружный и внутренний. Наружный применяют при фонарях шириной 6 метров или при отсутствии в здании внутреннего водоотвода.
Конструкция фонарей является каркасной и состоит из ряда поперечных рам, опирающихся на верхние пояса ферм или балок покрытия, и системы продольных связей. Конструктивные схемы фонарей и их параметры унифицированы. Для пролетов 12, 15, и 18 метров применяют фонари шириной 6 метров, для пролетов 24, 30 и 36 метров – шириной 12 метров. Ограждение фонаря состоит из покрытия, боковых и торцовых стенок.
Фонарные переплеты изготавливают стальными длиной 6000 миллиметров и высотой 1250, 1500 и 1750 миллиметров. Переплеты остекляют армированным или оконным стеклом.
Аэрацией называют естественный, управляемый и регулируемый воздухообмен.
Действие аэрации основывается:
На тепловом подпоре, возникающем вследствие разности температур внутреннего и наружного воздуха;
На высотном перепаде (разности центров вытяжных и приточных отверстий);
На действии ветра, который обдувая здание, создает на подветренной стороне разрежение воздуха (рис. 84).
Рис. 84. Схемы аэрации зданий:
а – действие аэрации при отсутствии ветра; б – то же, при действии ветра.
Недостатком светоаэрационных фонарей является необходимость закрывать переплеты с наветренной стороны, так как может происходить задувание ветром загрязненного воздуха обратно в рабочую зону.
Двери и ворота
Двери промышленных зданий по конструкции не отличаются от щитовых дверей гражданских зданий.
Ворота предназначаются для ввода внутрь здания транспортных средств и пропуска больших масс людей.
Размеры ворот определяются в соответствии с размерами перевозимого оборудования. Они должны превышать габариты подвижного состава в груженом состоянии по ширине на 0,5-1,0 метра, а по высоте – на 0,2 – 0,5 метра.
По способу открывания ворота бывают распашные, раздвижные, подъемные, шторные и т.д.
Распашные ворота состоят из двух полотнищ, навешенных посредством петель в воротной раме (рис. 81). Рама может быть деревянной, стальной или железобетонной.
Рис. 81. Распашные ворота:
1 – стойки железобетонной рамы, обрамляющей проем; 2 – ригель.
При отсутствии места для распахивания полотен ворота делают раздвижными. Раздвижные ворота бывают однопольные и двупольные. Полотна их имеют конструкция подобную распашным, но в верхней части снабжены стальными роликами, которые при открывании и закрывании ворот передвигаются по рельсу, прикрепленную к ригелю железобетонной рамы.
Полотна подъемных ворот – цельнометаллические, подвешены на тросах и двигаются по вертикальным направляющим.
Полотнище шторных ворот состоит из горизонтальных элементов, образующих стальную штору, которая при подъеме навертывается на вращающийся барабан, горизонтально расположенный над верхом проема.
Покрытия
В одноэтажных промышленных зданиях покрытия выполняются бесчердачными, состоящими из основных несущих элементов покрытия и ограждения.
В неотапливаемых зданиях и зданиях с избыточными производственными тепловыделениями ограждающие конструкции покрытий выполняются неутепленными, в отапливаемых зданиях – утепленными.
Конструкция холодного покрытия состоит из основания (настила) и кровли. В утепленное покрытие включают пароизоляцию и утеплитель.
Элементы настила подразделяют на мелкоразмерные (длиной 1,5 – 3,0 метра) и крупноразмерные (длиной 6 и 12 метров).
В ограждениях из мелкоразмерных элементов возникает необходимость применения прогонов, которые располагают вдоль здания по балкам или фермам покрытия.
Крупноразмерные настилы укладывают по основным несущим элементам и покрытия в этом случае называют беспрогонными.
Настилы
Беспрогонные железобетонные настилы выполняются из железобетонных предварительно напряженных ребристых плит шириной 1,5 и 3,0 метра и длиной, равной шагу балок или ферм.
В неутепленных покрытиях по верху плит устраивается цементная стяжка, по которой наклеивают рулонную кровлю.
В утепленных покрытиях в качестве утеплителя применяются малотеплопроводные материалы и устраивается дополнительная пароизоляция. Пароизоляция особенно необходима в покрытиях над помещениями с повышенной влажностью воздуха.
Мелкоразмерные плиты могут быть железобетонными, армоцементными или из армированных легких и ячеистых бетонов.
Рулонные кровли выполняются рубероидными. По верхнему слою рулонных кровель устраивается защитный слой гравия, втопленный в битумную мастику.
Также применяются настилы из листовых материалов.
Одним из таких настилов является стальной оцинкованный профилированный настил, укладываемый на прогонах (при шаге ферм 6 метров) или по решетчатым прогонам (при шаге 12 метров).
Скатные холодные покрытия часто выполняются из асбоцементных волнистых листов усиленного профиля толщиной 8 миллиметров.
Кроме того, применяются листы из волнистого стеклопластика и других синтетических материалов.
Водоотвод с покрытий
Водоотвод продлевает срок эксплуатации здания, предохраняя его от преждевременного старения и разрушения.
Водоотвод с покрытий промышленных зданий может быть наружным и внутренним.
В одноэтажных зданиях наружный водоотвод устраивают неорганизованным, а в многоэтажных – с применением водосточных труб.
Система внутреннего водоотвода состоит из водоприемных воронок и сети расположенных внутри здания труб, отводящих воду в ливневую канализацию (рис. 82).
Рис. 82. Внутренний водоотвод:
а – водоприемная воронка; б – чугунный поддон;
1 – корпус воронки; 2 – крышка; 3 – патрубок; 4 – воротник патрубка; 5 – чугунный поддон; 6 – отверстие для патрубка; 7 – мешковина, пропитанная битумом; 8 – рулонная кровля; 9 – заполнение расплавленным битумом; 10 – железобетонная плита покрытия.
Внутренний водоотвод устраивают:
В многопролетных зданиях с многоскатными крышами;
В зданиях, имеющих большую высоту или значительные перепады высот отдельных пролетов;
в зданиях с большими производственными тепловыделениями, вызывающими подтаивание снега на покрытии.
Полы
Полы в промышленных зданиях выбирают с учетом характера производственных воздействий на них и предъявляемых к ним эксплуатационных требований.
Такими требованиями могут быть: жаростойкость, химическая стойкость, водо- и газонепроницаемость, диэлектричность, неискримость при ударах, повышенная механическая прочность и другие.
Подобрать полы, удовлетворяющие всем необходимым требованиям, иногда бывает невозможно. В таких случаях в пределах одного помещения приходится применять полы различного типа.
Конструкция пола состоит из покрытия (одежды) и подстилающего слоя (подготовки). Кроме того, в конструкцию пола могут входить прослойки различного назначения. Подстилающий слой воспринимает через покрытие передаваемую на полы нагрузку и распределяет ее на основание.
Подстилающие слои бывают жесткие (бетонные, железобетонные, асфальтобетонные) и нежесткие (песчаные, гравийные, щебеночные).
При устройстве полов по междуэтажным перекрытиям основанием служат плиты перекрытий, а подстилающий слой или отсутствует вовсе, или его роль выполняют тепло- и звукоизоляционные слои.
Грунтовые полы применяют в складах и горячих цехах, где они могут подвергаться ударам от падения тяжелых предметов или соприкасаться с раскаленными деталями.
Каменные полы применяют в складах, где возможны значительные ударные нагрузки, или в зонах действия транспорта на гусеничном ходу. Полы эти прочные, но холодные и жесткие. Покрытием таких полов служат обычно брусчатка (рис. 85).
Рис. 85. Каменные полы:
а – булыжные; б – из крупной брусчатки; в – из мелкой брусчатки;
1 – булыжный камень; 2 – песок; 3 – брусчатка; 4 – битумная мастика; 5 – бетон.
Бетонные и цементные полы применяют в помещениях, где пол может подвергаться постоянному увлажнению или действию минеральных масел (рис. 86).
Рис. 86. Бетонные и цементные полы:
1 – бетонная или цементная одежда; 2 – бетонный подстилающий слой.
Асфальтовые и асфальтобетонные полы обладают достаточной прочностью, водостойкостью, водонепроницаемостью, эластичностью, легко ремонтируются (рис. 87). К недостатками асфальтовых полов относят их способность размягчаться при повышении температуры, вследствие чего их не устраивают в горячих цехах. Под действием длительных сосредоточенных нагрузок в них образуются вмятины.
Рис. 87. Асфальтовые и асфальтобетонные полы:
1 – асфальтовая или асфальтобетонная одежда; 2 – бетонный подстилающий слой.
К керамическим полам относятся клинкерные, кирпичные и плиточные полы (рис. 88). Такие полы хорошо сопротивляются действию высокой температуры, стойки против кислот, щелочей и минеральных масел. Их применяют в помещениях, требующих большой чистоты, при отсутствии ударных нагрузок.
Рис. 88. Полы из керамических плиток:
1 – керамическая плитка; 2 – цементный раствор; 3 – бетон.
Металлические полы применяют лишь на отдельных участках, где к полам прикасаются раскаленные предметы и в то же время нужна ровная твердая поверхность и в цехах при сильных ударных нагрузках (рис. 89).
Рис. 89. Металлические полы:
1 – чугунные плитки; 2 – песок; 3 – грунтовое основание.
Так же в промышленных зданиях могут применяться полы дощатые и из синтетических материалов . Применяются такие полы в лабораториях, инженерных корпусах, административных помещениях.
В полах с жестким подстилающим слоем во избежание появления трещин устраивают деформационные швы. Их располагают по линиям деформационных швов здания и в местах сопряжения полов разного типа.
Для прокладки инженерных коммуникаций в полах устраивают каналы.
Примыкание полов к стенам, колоннам и фундаментам станков делают с зазорами для свободной осадки.
В мокрых помещениях для стока жидкостей полам придают рельеф с уклонами по направлению к чугунным или бетонным водоприемникам, которые называются трапами. Трапы соединяют с канализацией. Вдоль стен и колонн необходимо устройство плинтусов и галтелей.
Лестницы
Лестницы промышленных зданий подразделяются на следующие виды:
- основные, применяемые в многоэтажных зданиях для постоянного сообщения между этажами и для эвакуации;
- служебные, ведущие на рабочие площадки и антресоли;
- пожарные наружные , обязательные при высоте здания более 10 метров и предназначенные для подъема на крышу бойцов пожарных команд (рис. 90).
Рис. 90. Пожарная лестница
- аварийные наружные , устраиваемые для эвакуации людей при недостаточном количестве основных лестниц (рис. 91);
Рис. 91. Аварийная лестница
Противопожарные преграды
Классификация зданий и помещений по взрывопожарной и пожарной опасности применяется для установления требования пожарной безопасности, направленных на предотвращение возможности возникновения пожара и обеспечения противопожарной защиты людей и имущества в случае возникновения пожара. По взрывопожарной и пожарной опасности помещения подразделяются на категории А, Б, В1-В4, Г и Д, а здания на категории А, Б, В, Г и Д.
Категории помещений и зданий определяются, исходя из вида находящихся в помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, а также, исходя из объемно-планировочных решений помещений и характеристик проводимых в них технологических процессов.
Противопожарные преграды устраивают с целью предотвратить распространение по зданию огня в случае возникновения пожара. Горизонтальными преградами в многоэтажных зданиях служат несгораемые перекрытия. Вертикальными преградами являются противопожарные стены (брандмауэры).
Брандмауэр предназначается для предотвращения распространения пожара из одного помещения или здания в смежное помещение или здание. Брандмауэры выполняются из несгораемых материалов – камня, бетона или железобетона, и должны иметь предел огнестойкости не менее четырех час. Брандмауэры должны опираться на фундаменты. Брандмауэры делаются на всю высоту здания, разделяя сгораемые и трудносгораемые покрытия, перекрытия, фонари и другие конструкции и должны возвышаться над сгораемыми кровлями не менее чем на 60 сантиметров, а над несгораемыми кровлями на 30 сантиметров. Двери, ворота, окна, крышки люков и другие заполнения проемов в брандмауэрах должны быть несгораемыми с пределом огнестойкости не менее 1,5 часа. Брандмауэры рассчитываются на устойчивость в случае одностороннего обрушения при пожаре перекрытий, покрытий и других конструкций (рис. 92).
Рис. 92. Брандмауэры:
а – в здании с несгораемыми наружными стенами; б – в здании со сгораемыми или трудносгораемыми наружными стенами; 1 – гребень брандмауэра; 2 – торцовый брандмауэр.
1. Назовите конструктивные схемы промышленных зданий.
2. Назовите основные типы каркасов промышленных зданий.
3. Какие существуют виды стен промышленных зданий?
ЛЕКЦИЯ 8 . КОНСТРУКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Теплицы и парники
Теплицы и парники представляют собой застекленные сооружения, в которых искусственно создаются нужные климатические и почвенные условия, позволяющие выращивать ранние овощи, рассаду и цветы.
Здания теплиц строят преимущественно из сборных железобетонных остекленных панелей, скрепленных между собой сваркой закладных деталей.
Конструкция парника состоит из сборных железобетонных рам, устанавливаемых в грунт по длине парника и сборных железобетонных парубней (продольный лежень парника), укладываемых на консоли рам. Съемные остекленные парниковые рамы выполняются деревянными (рис. 94).
Рис. 94. Парник из сборных железобетонных элементов:
1 – железобетонные рамы; 2 – железобетонный парубень северный; 3 – то же, южный;
4 – песок; 5 – питательный слой грунта; 6 – отопительные трубы в слое песка;
7 – остекленная деревянная рама.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Маклакова Т. Г., Нанасова С. М. Конструкции гражданских зданий: Учебник. – М.: Издательство АСВ, 2010. – 296 с.
2. Будасов Б. В. , Георгиевский О. В., Каминский В. П. Строительное черчение. Учеб. для вузов / Под общ. ред. О. В. Георгиевского. – М.: Стройиздат, 2002. – 456 с.
3. Ломакин В. А. Основы строительного дела. – М.: Высшая школа, 1976. – 285 с.
4. Красенский В.Е., Федоровский Л.Е. Гражданские, промышленные и сельскохозяйственные здания. – М.: Стройиздат, 1972, – 367 с.
5. Короев Ю. И Черчение для строителей: Учеб. для проф. Учеб. заведений. – 6-е изд., стер. – М.: Высш. шк., Изд. Центр «Академия», 2000ю – 256 с.
6. Чичерин И. И. Общестроительные работы: учебник для нач. проф. Образования. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 416 с.
ЛЕКЦИЯ 6. КОНСТРУКЦИИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
В зависимости от конструктивной схемы и статической работы несущие конструкции покрытий можно разделить на плоскостные (работающие в одной плоскости) и пространственные.
Плоскостные конструкции
К этой группе несущих конструкций относятся балки, фермы, рамы и арки. Они могут выполняться из сборного и монолитного железобетона, а также металлическими или деревянными.
Балки и фермы совместно с колоннами образуют систему поперечных рам, продольная связь между которыми осуществляется плитами покрытия и ветровыми связями.
Наряду со сборными рамами в ряде зданий уникального характера при повышенных нагрузках и больших пролетах применяют монолитные железобетонные или металлические рамы (рис. 48).
Рис. 48. Большепролетные конструкции:
а - рама железобетонная монолитная двухшарнирная.
Для перекрытия пролетов свыше 40 метров целесообразно использовать арочные конструкции. Арки конструктивно можно разделить на двухшарнирные (имеющие шарниры на опорах), трехшарнирные (с шарнирами на опорах и в середине пролета) и бесшарнирные.
Арка работает в основном на сжатие и передает на опоры не только вертикальную нагрузку, но и горизонтальное давление (распор).
По сравнению с балками, фермами и рамами арки имеют меньший вес и экономичнее по расходу материалов. Арки применяются в конструкциях в сочетании со сводами и оболочками.
Большепролетные покрытия бывают плоскими, пространственными и пневматическими. Эти покрытия применяются в общественных и промышленных зданиях.
Плоские конструкции выполняются из балок, ферм, рам, арок, которые изготовляют из клееной древесины, стального проката, монолитного и сборного железобетона.
Железобетонные балки применяют для перекрытия пролетов до 24 м. Балки используют таврового и П-образного сечения.
Фермами и рамами (бесшарнирными и шарнирными) из дерева, стали и железобетона перекрывают пролеты до 60 м.
Бесшарнирные рамы жестко заделываются в фундамент. Они очень чувствительны к неравномерным осадкам. Поэтому их применяют на прочных и однородных грунтах. Шарнирные рамы менее чувствительны к неравномерным осадкам грунтов. Бывают одно-, двух- и трехшарнирные рамы. Одношарнирные - шарнир в середине пролета. Двухшарнирные - шарниры в опорах.
Арки - эффективные конструкции для перекрытия больших пролетов, т.к. их очертания можно приблизить к кривой давления и за счет этого оптимально использовать материал. Горизонтальные усилия (распор), возникающие в арочных конструкциях, уменьшаются при увеличении радиуса очертания арки. При этом увеличивается стрела подъема арки, а, следовательно, и строительный объем здания. Это ведет к увеличению затрат на отопление и приведенных затрат. Арки широко распространены в покрытиях спортивных зданий больших пролетов.
Пространственные конструкции - перекрестные покрытия, купола, оболочки, висячие покрытия.
Перекрестные покрытия бывают складчатые и сетчатые.
Для покрытий больших пролетов применяют складчатые покрытия из железобетона (до 50 м) и армоцемента (до 60 м). Они образуются плоскими взаимопересекающимися элементами поперек пролета. Складки бывают: прямоугольные и цилиндрические; пилообразные; в виде треугольных плоскостей; призматического типа; трапециевидного профиля и т.д.
Сетчатые покрытия из железобетона проектируют при пролетах до 50 м, а из стальных элементов - до 100 м. В этих покрытиях пересекаются железобетонные и стальные треугольники. Элементы работают в двух направлениях поэтому их высота меньше, чем балочных, - это уменьшает объем здания.
Перекрестные конструкции и системы с плоскими фермами и рамами делают открытыми внутрь помещений. Часто делают подвесные потолки, которые укрепляют к низу ферм.
Купол - наиболее древняя конструкция. Его применяли, т.к. можно подобрать такие очертания, при которых в элементах свода не возникают растягивающие усилия. В залах, где желательно создать большое воздушное пространство (рынки, спортзалы) и где нет больших текущих затрат на отопление, применяют различного вида купольные конструкции из монолитного или сборного железобетона, куполы-мембраны из стального листа толщиной 3 мм с подклеенным снизу утеплителем. Во временных залах выставок - из клеенопластиковых конструкций.
Висячие покрытия перекрывают пролеты до 100 м. Основные элементы этих покрытий работают на растяжение и передают нагрузки от покрытия на анкеры. Они имеют криволинейные очертания и представляют собой гибкие или жесткие нити, мембраны или висячие фермы. По конструктивным особенностям различают висячие покрытия: однопоясные; двупоясные; гипары (гиперболические параболоиды) и вантовые.
В висячих покрытиях несущими элементами являются стальные тросы. Они натягиваются через какую-либо опорную конструкцию и укрепляются растяжками. Достоинства висячих конструкций - экономия металла и более эффективное использование несущих элементов по сравнению с балочными и рамными конструкциями, т.к. тросы работают на растяжение. Недостатки: у висячих покрытий низкая жесткость, поэтому кровельный настил часто деформируется; трудно обеспечить отвод атмосферной влаги.
Однопоясные покрытия применяются чаще других, т.к. они технологичны в изготовлении, просты в монтаже. Ими можно придавать сооружению самую разную форму. Однопоясные покрытия состоят из системы радиальных или перекрещивающихся растяжек, которые передают горизонтальные усилия на жесткие рамы, рамы-стойки или балки-затяжки замкнутого контура. На растяжки навешивают плиты, и под этой нагрузкой нити-растяжки растягиваются. В это время между плитами омоноличивают швы, стыки заваривают. За счет упругих деформаций нитей происходит обжатие плит, и конструкция начинает работать как монолитная оболочка. В цилиндрических покрытиях создают небольшую кривизну покрова в направлении, перпендикулярном осям нитей. Это делается для отвода дождевых вод. С параболических систем в форме перевернутого купола вода поступает к центру покрытия и ее отводят внутренним водостоком. Стояки устраивают по периметру зала, а горизонтальные разводящие трубопроводы прячут в подвесном потолке. Самый простой отвод воды - с шатровых покрытий.
В двупоясных покрытиях применяют два вогнутых пояса, соединенных напряженными нитями. Наиболее распространены циркульные в плане конструкции. Нити по периметру крепят к внешнему кольцу, а в центре - к внутреннему. В зависимости от высоты центрального кольца систему можно делать вогнутой или выпуклой. Выпуклая система позволяет поднять центральную часть покрытия и за счет этого отвести воду к наружным стенам, не прибегая к горизонтальной разводке водостоков, и применить складчатую систему покрытия.
Гипары (гиперболические параболоиды) - это седловидные висячие покрытия. Они формируются в решетчатые мембраны двумя видами нитей. Одни нити несущие, а вторые - напрягающие. По периметру нити заделывают в замкнутый контур. По нитям укладывают плиты или диски. Их омоноличивают, предварительно подгружая балластом или натягивая несущие тросы домкратами. После этого напрягающие нити получают наибольшее напряжение и стыки плит, перпендикулярные этим нитям раскрываются. Их заделывают раствором на расширяющемся цементе. В результате конструкцию превращают в жесткую оболочку. Гипарами перекрывают сооружения, имеющие циркульное очертание плана.
Вантовые покрытия состоят из растянутых элементов - вант; конструкций, работающих на сжатие, - стоек и изгиб - балок, ферм, плит и оболочек. Эти покрытия могут иметь не только пространственную конструктивную схему, но и плоскую. В них используют прямолинейные стержни - ванты. Поэтому вантовые конструкции жестче, кинематические перемещения их элементов меньше, чем у других висячих покрытий.
Оболочки - одинарной и двоякой кривизны. Одинарной кривизны - цилиндрические или конические поверхности. Двоякой кривизны - выполняется в виде купола, эллипсоида. По структуре оболочки бывают: гладкие, ребристые, волнистые, сетчатые, монолитные и сборные.
Применяются еще пневматические перекрытия для перекрытия пролетов до 30 м. Они используются для временных сооружений. Бывают трех видов: воздухоопорные оболочки; пневматические каркасы; пневматические линзы. Воздухоопорные оболочки - это баллоны из прорезиненных или синтетических тканей. Внутри них создается избыточное давление воздуха. Применяются для спортивных сооружений, выставок. Пневматические каркасы - это удлиненные баллоны в виде отдельных арок с избыточным давлением воздуха. Арки соединяются в непрерывный свод с шагом 3-4 м. Пневматические линзы - это большие подушки, надутые воздухом, которые подвешиваются к жестким каркасным конструкциям. Используются для устройства летних цирков, театров.
К большепролетным зданиям относятся здания театров, концертных и спортивных залов, выставочных павильонов, гаражей, ангаров, самолетостроительных и судостроительных заводов и другие здания с пролетами основньщ несущих конструкций 50 м и более. Как правило, такие здания проектируют однопролетными. Перекрывают их балочными системами (в основном фермами), рамами, арками, вантов"ыми (висячими), комбинированными и другими конструкциями.
В стержнях ферм больших пролетов возникают значительные усилия, поэтому вместо традиционных сечений из двух уголков применяют двухстенчатые составные сечения. Высоту ферм назначают в пределах l/s-Vis пролета, при этом она получается более 3,8 м. Перевозить фермы такой высоты по железной дороге нельзя, их собирают на строительной площадке.-
Рамы применяют в покрытиях зданий пролетами 60-120 м. Благодаря жесткому сопряжению ригеля со стойками изгибающие моменты в пролете будут меньше, чем в балочной конструкции:, Это позволяет не только уменьшить площадь сечения поясов, но и высоту ригеля, а следовательно, и высоту здания. Применяют как бесшарнирные, так и двухшариирные рамы. Бесшарнирные легче двухшарнирных, однако для них требуются фундаменты больших размеров и они более чувствительны к изменениям температуры и осадкам опор. Применять их при просадочных грунтах не рекомендуется. Двухстенчатые сечения поясов ферм
Арки применяют в покрытиях ч большепролетных Зданий с пролетами до:200 м. Они выгоднее балочных и рамных систем. Арки бывают: сплошные и сквозные; бесшарнирные, двухшариирные и трех-шарнирные. Бесшарнирные арки при одной и той же нагрузке легче двухшарнирных, но для них, как и для бесшарнирных рам, требуются массивные фундаменты и они так. же более чувствительны к изменениям"температуры и осадке опор.
Чаще всего применяют сквозные двухшарнирные арки со стрелой подъема, равной Vs-Ve. пролета. При увеличении стрелы подъема уменьшается продольная сила в арке и увеличивается изгибающий момент;
Сечения стержней арки могут быть одностенчатыми или двухстенчатыми
Устойчивость основных несущих конструкций (ферм, рам, арок) обеспечивается горизонтальными и вертикальными связями. В первую очередь должны, быть поставлены связи, закрепляющие сжатые пояса сквозных конструкций
Рамы и арки являются статически неопределимыми системами. Бесшарнирные рамы и арки-трижды статически неопределимы, двухшарнирные-однажды статиг чески неопределимы. Обычно за лишнее неизвестное принимают распор - усилие, приближенное значение которого для сквозных рам и арок можно найти по формулам, приведенным в справочнике проектировщика.
Зная распор, определяют изгибающие моменты М, продольные N и поперечные Q силы в раме или арке как в статически определимой конструкции, а по ним - и усилия в стержнях.
Усилия в стержнях сквозных рам и арок можно также определять построением диаграмм усилий. По полученным усилиям подбирают сечения стержней, рассчитывают узлы и сопряжения аналогично тому, как это делают для ферм.
Собственный вес несущих конструкций и вес кровли в< большепролетных сооружениях является основной нагрузкой, существенно влияющей на расход металла на покрытие, поэтому при выборе их конструктивной фор-» мы следует отдавать предпочтение более легким конструкциям. Особенно следует стремиться к снижению соб-» ственного веса кровли, применяя алюминиевые и другие панели покрытий с легким эффективным утеплителем.
Висячими и вантовыми называют покрытия, в которых в качестве несущей конструкции применяют гибкие нити, в основном тросы.
Основные несущие конструкции висячей системы - ванты - работают только на растяжение, поэтому в них полностью используется несущая способность материала
и представляется возможность применять сталь самой высокой прочности.
Транспортирование и монтаж их значительно, упрощаются, что удешевляет сооружение. Отмеченное выше является весьма важным преимуществом висячих систем по сравнению с фермами, рамами и арками. Однако у висячих конструкций есть и серьезные недостатки: они обладают повышенной деформативностью и нуждаются в устройстве специальных опор, для погашения распора.
Для уменьшения деформативности вант применяют различные способы их стабилизации. Например, в двух- поясных вантовых системах жесткость вант увеличивают благодаря устройству так называемых стабилизирующих вант, соединяемых с несущими вантами подвесками и распорками или решеткой из гибких предварительно-напряженных элементов.
Распор зависит от отношения ///. При ///>Ую приращение стрелы провисания нити с увеличением нагрузки незначительно и им можно пренебречь. В этом случае распор можно определять по формуле. По усилию Т подбирают сечение ванты.
Для вант применяют стальные канаты, пучки и пряди из высокопрочной проволоки, круглую горячекатаную сталь повышенной прочности И тонкие листы.
В комбинированных системах сосредоточенные силы передаются на гибкую нить через жесткий элемент, что позволяет значительнр уменьшить их деформативность.
Для большепролетных зданий, в частности для ангаров, применяют консольную комбинированную систему,состоящую из жесткого элемента и подвесок. В качестве Жесткого элемента служит ферма] которая перераспределяет сосредоточенные силы между подвесками. Последние служат ферме промежуточными опорами, и она работает как неразрезная балка на упруго-оседающих опорах. .
Достоинством консольной комбинированной системы является то, что для жесткого элемента (фермы) не требуется устраивать жесткую опору на втором конце. Благодаря этому для ангаров можно легко создать конструкцию ворот больших размеров.
Большепролетные здания могут быть перекрыты также пространственными системами в виде сводов, складок и куполов.
Общие положения
Большепролетными считаются здания, у которых расстояние между опорами (несущих конструкций) покрытий составляет более 40 м.
К таким зданиям относятся:
− цехи заводов тяжелого машиностроения;
− сборочные цехи судостроительных, машиностроительных заводов, ангары и т.п.;
− театры, выставочные залы, крытые стадионы, вокзалы, крытые стоянки автотранспорта и гаражи.
1. Особенности большепролетных зданий:
а) большие размеры зданий в плане, превосходящие радиус действия монтажных кранов;
б) специальные способы монтажа элементов покрытия;
в) наличие в отдельных случаях под покрытием больших частей и конструкций здания, этажерок, трибун крытых стадионов, фундаментов под оборудование, громоздкого оборудования и т.п.
2. Методы возведения большепролетных зданий
Применяются следующие методы:
а) открытый;
б) закрытый;
в) комбинированный.
2.1. Открытый метод заключается в том, что сначала возводят все конструкции здания, находящиеся под покрытием, т.е.:
− этажерки (одно – или многоярусное сооружение под покрытием промзданий для технологического оборудования, контор и т.п.);
− конструкции для размещения зрителей (в театрах, цирках, крытых стадионах и т.п.);
− фундаменты под оборудование;
− иногда громоздкое технологическое оборудование.
Затем устраивают покрытие.
2.2. Закрытый метод состоит в том, что сначала устраняют покрытие, а потом возводят все конструкции, находящиеся под ним (рис. 18).
Рис. 18. Схема возведения спортзала (поперечный разрез):
1 – вертикальные несущие элементы; 2 – мембранное покрытие; 3 – встроенные помещения с трибунами; 4 – передвижной стреловой кран
2.3. Комбинированный метод состоит в том, что на отдельных участках (захватках) на каждом выполняют сначала все конструкции, находящиеся ниже покрытия, а потом устраивают покрытие (рис. 19).
Рис. 19. Фрагмент стройгенплана:
1 – смонтированное покрытие здания; 2 – этажерка; 3 – фундаменты под оборудование; 4 – подкрановые пути; 5 – башенный кран
Применение методов возведения большепролетных зданий зависит от следующих основных факторов:
− от возможности расположения грузоподъемных кранов в плане по отношению к возводимому зданию (вне здания или в плане);
− от наличия и возможности применения кранбалок (мостовых кранов) для возведения внутренних частей конструкций здания;
− от возможности устройства покрытий при наличии выполненных частей здания и конструкций, находящихся под покрытием.
При возведении большепролетных зданий особую трудность составляет устройство покрытий (оболочек, арочных, купольных, вантовых, мембранных).
Технология устройства остальных конструктивных элементов обычно не составляет трудностей. Производство работ по их устройству расмотрено в курсе "Технология строительных процессов".
Рассмотрена в курсе ТСП и не будет рассматриваться в курсе ТВЗ и С и технология устройства балочных покрытий.
3.1.3.1. ТВЗ в виде оболочек
За последние годы разработано и внедрено большое количество тонкостенных пространственных железобетонных конструкций покрытий в виде оболочек, складок, шатров и т.п. Эффективность таких конструкций обусловлена более экономным расходом материалов, меньшим весом и новыми архитектурными качествами. Уже первый опыт эксплуатации таких сооружений позволил обнаружить два основных достоинства пространственных тонкостенных железобетонных покрытий:
− экономичность, являющуюся следствием более полного, по сравнению с плоскостными системами, использования свойств бетона и стали;
− возможность рационального применения железобетона для покрытия больших площадей без промежуточных опор.
Железобетонные оболочки по методу возведения разделяют на монолитные, сборочно-монолитные и сборные. Монолитные оболочки целиком бетонируются на месте строительства на стационарной или передвижной опалубке. Сборно-монолитные оболочки могут состоять из сборных контурных элементов и монолитной скорлупы, бетонируемой на передвижной опалубке, чаще всего подвешиваемой к смонтированным диафрагмам или бортовым элементам. Сборные оболочки собирают из отдельных, заранее изготовленных элементов, которые после установки их на место стыкуются между собой; причем соединения должны обеспечить надежную передачу усилий от одного элемента к другому и работу сборной конструкции как единой пространственной системы.
Сборные оболочки могут быть разделены на следующие элементы: плоские и криволинейные плиты (гладкие или ребристые); диафрагмы и бортовые элементы.
Диафрагмы и бортовые элементы могут быть как железобетонными, так и стальными. Следует отметить, что выбор конструктивных решений оболочек находится в тесной взаимосвязи со способами строительства.
Оболочки двоякой (положительной гауссовой) кривизны , квадратные в плане, образуются из сборных железобетонных ребристых скорлуп и контурных ферм . Геометрическое очертание оболочек двоякой кривизны создает выгодные условия статической работы, так как 80 % площади скорлупы оболочки работает только на сжатие и лишь в угловых зонах имеются растягивающие усилия. Скорлупа оболочки имеет форму многогранника с ромбовидными гранями. Поскольку плиты плоские, квадратные, ромбовидная форма граней достигается замоноличиванием швов между ними. Средние типовые плиты формуют размером 2970×2970 мм, толщиной 25, 30 и 40 мм, с диагональными ребрами высотой 200 мм, а с бортовыми – 80 мм. Контурные и угловые плиты имеют диагональные и бортовые ребра той же высоты, что и средние, а у бортовых ребер, примыкающих к краю оболочки, сделаны утолщения и пазы для выпусков арматуры контурных ферм. Соединение плит между собой осуществляется сваркой выпусков каркасов диагональных ребер и замоноличиванием швов между плитами. В угловых плитах оставлен треугольный вырез, который замоноличивается бетоном.
Контурные элементы оболочки изготавливают в виде цельных ферм или предварительно напряженных раскосных полуферм, стык которых в верхнем поясе выполняется сваркой накладок, а в нижнем – сваркой выпусков стержневой арматуры с последующим их обетонированием. Оболочки целесообразно использовать для покрытия больших площадей без промежуточных опор. Железобетонные оболочки, которым практически можно придать любую форму, способны обогатить архитектурные решения как общественных, так и производственных зданий.
 |
На рис. 20 представлены геометрические схемы сборных железобетонных оболочек, прямоугольных в плане.
Рис. 20. Геометрические схемы оболочек:
а – разрезка плоскостями, параллельными контуру; б – радиально-кольцевая разрезка; в – разрезка на ромбовидные плоские плиты
На рис. 21 представлены геометрические схемы покрытия зданий с прямоугольной сеткой колонн оболочками из цилиндрических панелей.
В зависимости от типа оболочки, размера ее элементов, а также размеров оболочки в плане монтаж осуществляют различными методами, отличающимися в основном наличием или отсутствием монтажных лесов.
Рис. 21. Варианты образования сборных цилиндрических оболочек:
а – из криволинейных ребристых панелей с бортовыми элементами; б – то же с одним бортовым элементом; в – из плоских ребристых или гладких плит, бортовых балок и диафрагм; г – из криволинейных панелей больших размеров, бортовых балок и диафрагм; д – из арок или ферм и сводчатых или плоских ребристых панелей (короткая оболочка)
Рассмотрим пример возведения двухпролетного здания с покрытием из восьми квадратных в плане оболочек двоякой положительной гауссовой кривизны. Габариты элементов конструкций покрытия представлены на рис. 22, а . Здание имеет два пролета, каждый из которых содержит по четыре ячейки размером 36 × 36 м (рис. 22, б ).
Значительный расход металла на опорные леса при монтаже оболочек двоякой кривизны снижает эффективность применения этих прогрессивных конструкций. Поэтому для возведения таких оболочек размером до 36 × 36 м применяют катучие телескопические кондукторы с сетчатыми кружалами (рис. 22, в ).
Рассматриваемое здание является однородным объектом. Монтаж оболочек покрытия включает следующие процессы: 1) установку (перестановку) кондуктора; 2) монтаж контурных ферм и панелей (установку, укладку, выверку, сварку закладных деталей); 3) замоноличивание оболочки (заливку швов).
Рис. 22. Возведение здания с покрытием из сборных оболочек:
а – конструкция оболочки покрытия; б – схема расчленения здания на участки; в – схема работы кондуктора; г – последовательность монтажа элементов покрытия одного участка; д – последовательность возведения покрытия по участкам здания; I–II – номера пролетов; 1 – контурные фермы оболочки, состоящие из двух полуферм; 2 – плита покрытия размером 3×3 м; 3 – колонны здания; 4 – телескопические башни кондуктора; 5 – сетчатые кружала кондуктора; 6 – шарнирные опоры кондуктора для временного крепления элементов контурных ферм; 7 – 17 – последовательность монтажа контурных ферм и плит покрытия.
Поскольку при монтаже покрытия используют катучий кондуктор, перемещаемый лишь после выдерживания раствора и бетона, то за монтажный участок принимается одна ячейка пролета (рис. 22, б ).
Монтаж панелей оболочки начинают с наружных, опирающихся на кондуктор и контурную ферму, затем монтируют остальные панели оболочки (рис. 22, г , д ).
3.1.3.2. Технология возведения зданий с купольными покрытиями
В зависимости от конструктивного решения монтаж куполов выполняют с использованием временной опоры, навесным способом или в целом виде.
Сферические купола возводят кольцевыми ярусами из сборных железобетонных панелей навесным способом. Каждый из кольцевых ярусов после полной сборки обладает статической устойчивостью и несущей способностью и служит основанием для вышележащего яруса. Таким способом монтируют сборные железобетонные купола крытых рынков.
Панели поднимают башенным краном, установленным в центре здания. Временное крепление панелей каждого яруса осуществляют при помощи инвентарного приспособления (рис. 23, б ) в виде стойки с оттяжками и стяжной муфтой. Число таких приспособлений зависит от числа панелей в кольце каждого яруса.
Работы производят с инвентарных подмостей (рис. 23, в ), устраиваемых снаружи купола и перемещаемых по ходу монтажа. Смежные панели соединяют между собой болтами. Швы между панелями заделывают цементным раствором, который сначала укладывают по краям шва, а затем растворонасосом нагнетают в его внутреннюю полость. По верхней кромке панелей собираемого кольца устраивают железобетонный пояс. После того как раствор швов и бетон пояса приобретут требуемую прочность, стойки с оттяжками снимают, а цикл монтажа повторяют на следующем ярусе.
Сборные купола навесным способом монтируют также последовательной сборкой кольцевых поясов при помощи передвижной металлической фермы-шаблона и стоек с подвесками для удерживания сборных плит (рис. 23, г ). Этот способ применяют при монтаже сборных железобетонных куполов цирков.
Для монтажа купола в центре здания устанавливают башенный кран. На башню крана и кольцевой рельсовый путь, расположенный по железобетонному карнизу здания, устанавливают передвижную ферму-шаблон. Башню крана для обеспечения большей жесткости расчаливают четырьмя расчалками. При недостаточном вылете стрелы и грузоподъемности одного крана на кольцевом пути возле здания устанавливают второй кран.
Сборные панели купола монтируют в следующем порядке. Каждую панель в наклонном положении, соответствующем ее проектному положению в покрытии, поднимают башенным краном и устанавливают нижними углами на наклонно приваренные накладки узла, а верхними - на установочные винты фермы-шаблона.
Рис. 23. Возведение зданий с купольными покрытиями:
а – конструкция купола; б – схема временного крепления панелей купола; в – схема крепления подмостей для возведения купола; г – схема монтажа купола при помощи передвижной фермы-шаблона; 1 – нижнее опорное кольцо; 2 – панели; 3 – верхнее опорное кольцо; 4 – стойка инвентарного приспособления; 5 – оттяжка; 6 – стяжная муфта; 7 – монтируемая панель; 8 – смонтированные панели; 9 – подкос с отверстиями для изменения уклона кронштейна подмостей; 10 – стойка для перил; 11 – ригель кронштейна; 12 – проушина для крепления кронштейна к панели; 13 – монтажные стойки; 14 – расчалки стоек; 15 – подвески для удержания плит; 16 – ферма-шаблон; 17 – расчалки крана; 18 – панелевоз
Далее производят выверку верхних кромок закладных деталей верхних углов панели, после чего стропы снимают, панель крепят подвесками к монтажным стойкам и подвески натягивают при помощи стяжных муфт. Затем установочные винты фермы-шаблона опускают на 100 – 150 мм и передвигают ферму-шаблон в новое положение для монтажа смежной панели. После монтажа всех панелей пояса и сварки узлов стыки замоноличивают бетоном.
Следующий пояс купола монтируют после приобретения бетоном стыков нижележащего пояса требуемой прочности. По окончании монтажа верхнего пояса снимают подвески с панелей нижележащего пояса.
В строительстве применяют также метод подъема в целом виде забетонированных на земле покрытий диаметром 62 м при помощи системы домкратов, установленных на колоннах.
3.1.3.3. Технология возведения зданий с вантовыми покрытиями
Наиболее ответственным процессом при возведении таких зданий является устройство покрытия. Состав и последовательность выполнения монтажа вантовых покрытий зависит от их конструктивной схемы. Ведущим и наиболее сложным процессом при этом является монтаж вантовой сети.
Конструкция висячего покрытия с системой вантов состоит из монолитного железобетонного опорного контура; закрепленной на опорном контуре вантовой сети; сборных железобетонных плит, уложенных на вантовой сети.
После проектного натяжения вантовой сети и замоноличивания швов между плитами и вантами оболочка работает как единая монолитная конструкция.
Вантовая сеть состоит из системы продольных и поперечных вант, расположенных по главным направлениям поверхности оболочки под прямым углом друг к другу. В опорном контуре ванты закрепляют при помощи анкеров, состоящих из гильз и клиньев, с помощью которых обжимают концы каждого ванта.
Вантовую сеть оболочки монтируют в следующей последовательности. Каждую ванту с помощью крана устанавливают на место в два приема. Сначала с помощью крана один ее конец, снятый с барабана траверсой, подают к месту установки. Анкер ванты протягивают сквозь закладную деталь в опорном контуре, потом закрепляют и раскатывают оставшуюся на барабане часть ванты. После этого двумя кранами поднимают ванту до отметки опорного контура, одновременно подтягивая лебедкой второй анкер к опорному контуру (рис. 24, а ). Анкер протягивают через закладную деталь в опорном контуре и закрепляют гайкой с шайбой. Ванты поднимают вместе со специальными подвесками и контрольными грузами для последующей геодезической выверки.
Рис. 24. Возведение здания с вантовым покрытием:
а – схема подъема рабочей ванты; б – схема взаимоперпендикулярного симметричного натяжения вант; в – схема выверки продольных вант; г – детали окончательного крепления вант; 1 – электролебедка; 2 – оттяжка; 3 – монолитный железобетонный опорный контур; 4 – поднимаемая ванта; 5 – траверса; 6 – нивелир
По окончании монтажа продольных вант и предварительного натяжения их на усилие 29,420 – 49,033 кН (3 – 5 тс) выполняют геодезическую поверку их положения путем определения координат точек вантовой сети. Заранее составляют таблицы, в которых для каждой ванты указывают расстояние точек крепления контрольных грузов на гильзе анкера от начала отсчета. В этих точках на проволоке подвешивают контрольные грузы массой 500 кг. Длины подвесок различны и подсчитаны заранее.
При правильном провисании рабочих вант контрольные грузы (риски на них) должны находиться на одной отметке.
После выверки положения продольных вант устанавливают поперечные. Места их пересечения с рабочими вантами закрепляют постоянными сжимами. Одновременно с этим устанавливают временные оттяжки, закрепляющие положение мест пересечения вант. Затем повторно проверяют соответствие проекту поверхности вантовой сети. После этого вантовую сеть натягивают в три этапа при помощи 100-тонных гидравлических домкратов и траверс, присоединенных к гильзоклиновым анкерам.
Последовательность натяжения определяют из условий натяжения вант группами, одновременного натяжения групп в перпендикулярном направлении, симметричности натяжения групп относительно оси здания.
По окончании второго этапа натяжения, т.е. при достижении усилий, определенных проектом, на вантовую сеть укладывают сборные железобетонные плиты в направлении от нижней отметки к верхней. При этом на плитах до их подъема устанавливают опалубку для замоноличивания швов.
3.1.3.4. Технология возведения зданий с мембранными покрытиями
К металлическим висячим покрытиям относят тонколистовые мембранные, совмещающие несущие и ограждающие функции.
Достоинствами мембранных покрытий являются их высокая технологичность изготовления и монтажа, а также характер работы покрытия на двухосное растяжение, что позволяет перекрывать 200-метровые пролеты стальной мембраной толщиной всего 2 мм.
Висячие растянутые элементы обычно закрепляют за жесткие опорные конструкции, которые могут быть в виде замкнутого контура (кольца, овала, прямоугольника), опирающегося на колонны.
Рассмотрим технологию монтажа мембранного покрытия на примере покрытия спорткомплекса “Олимпийский” в Москве.
Спортивный комплекс "Олимпийский" решен в виде пространственной конструкции эллиптической формы 183×224 м. По наружному контуру эллипса с шагом 20 м расположены 32 стальные решетчатые колонны, жестко связанные с наружным опорным кольцом (сечением 5×1,75 м). К наружному кольцу подвешено мембранное покрытие – оболочка со стрелой провисания 12 м. Покрытие имеет 64 радиально расположенные с шагом по наружному контуру 10 м стабилизирующие фермы высотой 2,5 м, соединенные кольцевыми элементами – прогонами. Лепестки мембраны крепили между собой и к радиальным элементам "постели" высокопрочными болтами. В центре мембрана замыкается внутренним металлическим кольцом эллиптической формы размером 24×30 м. Мембранное покрытие крепилось к наружному и внутреннему кольцам высокопрочными болтами и сваркой.
Монтаж элементов мембранного покрытия производили крупными пространственными блоками башенным краном БК – 1000 и двумя шеврами-установщиками (грузоподъемностью 50 т), перемещавшимися по наружному опорному кольцу. По длинной оси на двух стендах производилась сборка одновременно двух блоков.
Все 64 стабилизирующие фермы покрытия были объёдинены попарно в 32 блока девяти типоразмеров. Один такой блок состоял из двух радиальных стабилизирующих ферм, прогонов по верхним и нижним поясам, вертикальных и горизонтальных связей. В блок были вмонтированы трубопроводы систем вентиляции и кондиционирования. Масса блоков стабилизирующих ферм в сборе достигала 43 т.
Поднимали блоки покрытия с помощью траверсы-распорки, которая воспринимала усилие распора от стабилизирующих ферм (рис. 25).
Перед подъемом блоков ферм выполняли предварительное напряжение верхнего пояса каждой фермы на усилие около 1300 кН (210 МПа) и закрепляли их при этом усилии к опорным кольцам покрытия.
Установка преднапряженных блоков производилась поэтапно путем симметричной установки нескольких блоков по радиусам одного диаметра. После монтажа восьми симметрично установленных блоков вместе с траверсами-распорками производилось одновременное их раскружаливание с передачей усилий распора равномерно наружному и внутреннему кольцам.
Блок стабилизирующих ферм поднимали краном БК – 1000 и шевром-установщиком примерно на 1 м выше наружного кольца. Затем шевр перемещали к месту установки данного блока. Расстроповку блока производили только после его полного проектного закрепления на внутреннем и наружном кольцах.
Мембранная оболочка массой 1569 т состояла из 64 секторных лепестков. Лепестки мембраны монтировали после окончания монтажа системы стабилизации и закрепляли высокопрочными болтами диаметром 24 мм.
Полотнища мембраны поступали на монтажную площадку в виде рулонов. Стеллажи для раскатывания располагались на месте сборки стабилизирующих ферм.
Рис. 25. Схема монтажа покрытия укрупненными блоками:
а – план; б – разрез; 1 – шевр-установщик; 2 – стенд для укрупнительной сборки блоков; 3 – траверса-распорка для подъема блока и предварительного напряжения верхних поясов ферм с помощью рычажного устройства (5); 4 – укрупненный блок; 6 – монтажный кран БК – 1000; 7 – центральное опорное кольцо; 8 – центральная временная опора; I – V – последовательность монтажа блоков и демонтажа траверс-распорок
Монтаж лепестков выполняли в последовательности установки стабилизирующих ферм. Натяжение лепестков мембраны осуществляли двумя гидравлическими домкратами усилием по 250 кН каждый.
Параллельно с укладкой и натяжением лепестков мембраны вели сверление отверстий и установку высокопрочных болтов (97 тыс. отверстий диаметром 27 мм). После сборки и проектного закрепления всех элементов покрытия производилось его раскружаливание, т.е. освобождение центральной опоры и плавное включение в работу всей пространственной конструкции.