2.5. Несущие, ограждающие и конструктивные
элементы зданий
Производственные здания для машиностроительных заводов строят по каркасной схеме; реже используется неполный каркас с несущими каменными стенами.
Чаще всего применяются сборные железобетонные предварительно-напряженные конструкции или монолитный каркас, имеющие большую долговечность, не сгораемость и высокую экономичность в эксплуатации. К их недостаткам можно отнести большой собственный вес и значительную стоимость перестройки (рис.2.4).
Рис. 2.4. Схема производственного здания
с железобетонным сборным каркасом
В условиях, когда по какой-либо причине сборный железобетон использовать невозможно, применяют стальные каркасные конструкции. Преимуществами стального каркаса являются относительно малый вес при большой несущей способности, высокая надежность и постоянство механических свойств. Однако относительно высокая стоимость такого каркаса и подверженность коррозии сдерживают применение его в массовом промышленном строительстве.
Несущие каменные конструкции используются в основном в зданиях с малыми пролетами, имеющих небольшую нагрузку на опоры.
Каркас промышленного здания состоит из фундамента и фундаментных балок, колонн, подкрановых и обвязочных балок.
Фундаменты зданий по способу их возведения бывают монолитными и сборными.
Монолитные и ленточные фундаменты дороги. Поэтому здания на таких фундаментах возводят лишь в случае больших динамических нагрузок на здания, а также при строительстве зданий на просадочных грунтах и в районах, подверженных сейсмическим воздействиям.
При каркасной схеме наиболее целесообразны отдельно стоящие железобетонные фундаменты или сборные фундаменты. Обычно применяют одноблочные, двухблочные и многоблочные сборные фундаменты стаканного типа (рис. 2.5).
1 – стакан; 2 – плита.
Рис. 2.5. Конструкции сборных фундаментов
производственных зданий: а) – одноблочные;
б) – двухблочные; в) – составные
Основные размеры фундаментов принимают в зависимости от нагрузок и грунтовых условий. Наиболее грузоподъемными являются многоблочные фундаменты.
На фундаменты опираются колонны и фундаментные балки. Обрез фундамента располагается на уровне планировочной отметки земли; последняя принимается на 0,15м ниже уровня чистого пола. При наличии подвалов фундаменты заглубляют не менее чем на 0,5 м ниже пола подвала.
Кроме того, в целях уменьшения веса и расхода стали применяют сборные фундаменты в виде железобетонных оболочек конической формы, опирающихся на плиту. Для колонн большого сечения или для стальных колонн применяют фундаменты пенькового типа или свайные (рис 2.6).
Рис. 2.6. Типы фундаментов:
а) – фундамент-оболочка; б) – фундамент с подколонником пенькового типа; в) – свайный фундамент
При действии на фундамент изгибающего момента подколоннники с плитой соединяют путем сварки закладных элементов. Место сварки заделывают бетоном.
Применение свайных фундаментов позволяет снизить их стоимость до 50% за счет сокращения объема земляных и бетонных работ.
Фундаментные балки предназначены для опирания наружных и внутренних стеновых конструкций. Балки укладывают между подколонниками фундаментов на бетонные столбики. Применение фундаментных балок позволяет располагать под стенами различные подземные коммуникации. В местах устройства ворот для въезда транспорта балки не устанавливают.
Для индустриального производства разработаны типовые, размеры фундаментных балок в зависимости от шага колонн, толщины и высоты возводимых стен (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Типы фундаментных балок
Колонны промышленных зданий могут быть железобетонными и стальными, а по расположению их в здании – средними и крайними. Крайние колонны отличаются от средних тем, что к ним с наружной стороны примыкают стеновые ограждения, и делятся на основные и фахверковые, служащие только закрепления стен.
В строительстве применяются унифицированные одно- и двухветвевые железобетонные колонны с сечениями от 400 х 400 мм до 600х1400 мм (рис. 2.8) или колонны двутаврового сечения.
Рис. 2.8. Типы железобетонных колонн:
а) – для зданий без опорных кранов; б) – для зданий
с опорными кранами 10 – 30 т при пролетах 18, 24 и 30 м;
в) – для зданий с опорными кранами 30 – 50 т при
пролетах 24 и 30 м.
Высота колонн выбирается исходя из высоты цеха и глубины заделки в стакан фундамента, последняя колеблется от 0,76 м до 1,35 м в зависимости от назначения колонн.
Стальные колонны выпускаются промышленностью в различных вариантах: сплошные и сквозные, постоянного и переменного сечений, смешанного типа (рис. 2.9).
Колонны постоянного сечения применяются при строительстве зданий с небольшими крановыми нагрузками.
Фахверковые колонны устанавливают в торцах зданий и между основными колоннами крайних продольных рядов при
Рис. 2.9. Типы стальных колонн и решеток:
а) – колонны постоянного сечения; б) – колонны
переменного сечения; в) – раздельные колонны;
г) – решетки: 1 – треугольная; 2 – раскосная;
3 – крестовая; 4 – полураскосная
шаге 12 м и длине стеновых панелей 6 м. Они воспринимают вес ограждающих стен и ветровые нагрузки на стену. Фахверковые колонны изготавливают стальными и железобетонными. Их жестко заделывают в фундаментах и шарнирно крепят к элементам покрытия (рис. 2. 10).
Подкрановые балки предназначены для размещения на них рельсов мостовых кранов. Прочно соединенные с колоннами, они придают каркасу здания дополнительную пространственную жесткость.
Подкрановые балки изготавливают из железобетона (рис. 2.11) или стали (рис.2.12). При шаге колонн 12 м и больше применение железобетонных балок эффективнее.
Подкрановые балки унифицированы. Выбор типа кранового рельса и его крепления к балке зависит от грузоподъемности крана и режима его работы. Крепление рельсов к подкрановым балкам может быть подвижным и неподвижным.
Рис. 2.10. Фахверковые колонны:
а) – схема торцевого фахверка; б) – схема продольного
фахверка; в) – стальные надставки фахверковых колонн
для крепления ферм и плит покрытий
Рис. 2.11. Железобетонные и подкрановые балки:
а) – сечения типовых балок; б) – крепление балок к колоннам
Рис. 2.12. Стальные подкрановые балки:
а) – сплошного сечения; б) – решетчатого типа
Перепад подкрановых балок в стыках допускается не более 2 мм. Для уменьшения шума и динамических нагрузок на балки под рельсы укладывают прорезиненные прокладки. Через каждые 750 мм рельсы крепят стальными парными лапками (рис.2.13). Во избежание ударов о торцевые стены здания на концах рельсов устанавливают стальные упоры.
Рис. 2.13. Способы крепления рельсов к железобетонным и стальным балкам: а) – лапками; б) – крюками; в) – планками.
Обвязочные балки предназначены для опирания кирпичных и мелкоблочных стен в местах перепадов высот здания или под оконными проемами. Для опирания балок применяют консоли из уголка со скрытым ребром жесткости, находящимся между торцами балок. Общий вид и крепление балок представлены на рис. 2.14. Крепление балок к типовым железобетонным колоннам производится с помощью закладных деталей.
Рис. 2.14. Обвязочная балка: а) – общий вид; б) – сечение
Фермы, балки и арки покрытий. Несущие конструкции покрытий подразделяются на стропильные и подстропильные. Стропильные конструкций перекрывают пролет и поддерживают настил кровли. Подстропильные конструкции перекрывают 12-метровый шаг колонн и образуют промежуточные опоры для стропильных конструкций (рис. 2.15).
Рис. 2.15. Сопряжение стропильных ферм
с подстропильными
Балки, фермы и арки покрытий изготавливают из железобетона или стали. Для пролетов 12 м и 18 м одно- и двухскатной конструкции (рис. 2.16) применяются балки покрытий, изготовленные из железобетона или в виде стального двутавра, а для пролетов 18 м и более – железобетонные и стальные фермы (рис. 2.17 и 2.18). В железобетонных фермах предусмотрены закладные металлические детали. Стальные фермы изготавливают из сортового проката и листа. Элементы ферм соединяются, как правило, с помощью сварки. Иногда используются трубчатые заготовки.
Рис. 2.16. Несущие железобетонные балки покрытий:
а) – односкатная; б) – двухскатная решетчатая
Рис. 2.17. Типы железобетонных ферм покрытия:
а) – сегментная; б) – безраскосая
Рис. 2.18. Типы стальных ферм покрытия
Для придания цеху пространственной жесткости в плоскостях нижних и верхних поясов ферм размещают горизонтальные связи.
Панели покрытий, применяемые для промышленных зданий, изготавливают из железобетона с основными размерами 3х12 м и 1,5х12 м или 3х12 м и 1,5х6 м с высотой ребер 0,3 м и 0,45 м (рис.2.19). Панели укладывают по осям средних рядов при опирании на ригель. Крепление плит к ригелям осуществляется сваркой закладных элементов с последующим заполнением швов бетоном.
Рис. 2.19. Типы железобетонных ребристых плит:
а) – рядовая (3 х 12 м); б) – доборная (1,5 х 12 м)
Покрытие зданий (кровля) бывают скатными и плоскими. Скатные кровли чаще всего выполняют со светоаэрационными фонарями, а плоские – со световыми фонарями или плафонами. Плоские кровли рекомендуется применять для многопролетных зданий с внутренним водостоком. В качестве утеплителя покрытий используется пенобетон объемной массой 500 кг/м3. В отапливаемых зданиях применяются плиты из керамзита и ячеистого бетона. По несущим или утеплительным плитам укладывается цементная или асфальтовая стяжка. Стяжку покрывают водоизоляционным ковром, состоящим из рубероида на горячей мастике, четырех слоев толь-кожи на дегтевой мастике и двух защитных слоев из гравия, вдавленного в мастику.
В последнее время в целях уменьшения массы покрытия начали применять профилированный металлический настил.
Стены являются ограждающими элементами здания. К ним предъявляются следующие основные требования:
1) рациональное сохранение температурно- влажностного режима, необходимого для технологического процесса, с учетом обеспечения нормальных условий труда;
2) прочность и устойчивость под действием статических и динамических нагрузок;
3) огнестойкость, долговечность, экономичность и надежность в эксплуатации.
Кроме того, необходимо учитывать и архитектурно- композиционные требования.
Выбор материала стен зависит от климатических условий района строительства и перечисленных выше требований. Толщина стен промышленных зданий колеблется от 200 до 500 мм.
Стены промышленных зданий делятся на ненесущие, самонесущие и несущие.
Ненесущие (навесные) стены выполняют в основном ограждающие функции и передают свой вес колоннам каркаса. Исключение составляет лишь подоконный ярус, опирающийся на фундаментные балки. Наиболее эффективны ненесущие стены из легких крупноразмерных панелей, выполненных из асбестоцемента и металлических листов. Стены такого типа применяются в не отапливаемых зданиях, в зданиях с избыточным тепловыделением или в зданиях, имеющих большие динамические нагрузки.
Самонесущие стены полностью несут свой вес и передают его фундаментным балкам. При самонесущих стенах заполнение стараются размещать перед наружными гранями колонн, что обеспечивает защиту элементов каркаса от воздействия атмосферы. В последнее время самонесущие стены изготавливают комбинированными: нижнюю часть – из панелей, а верхнюю – из остекления, что увеличивает глубину бокового освещения.
Несущие стены выполняют из кирпича, блоков и штучных материалов. Применяются они в зданиях с малыми пролетами. Несущие стены, выполняя функции несущей и ограждающей конструкций, воспринимают вес покрытия, ветровые усилия и транспортные нагрузки.
Стены могут возводиться из кирпича или кирпичных блоков; проемы в стенах перекрываются железобетонными перемычками. При кладке стен часто вводят обвязочные балки и детали для крепления стены к колоннам.
Стены из легких бетонных блоков имеют лучшие технико-экономические показатели (600-1000 кг/м3). Наружную поверхность блоков покрывают декоративным бетоном. Крепление стен из блоков к колоннам осуществляется с помощью Т-образных гибких анкеров (рис. 2.20).
Рис. 2.20. Крепление блоков к колонне
Блоки делятся на рядовые, угловые и перемычечные. Они унифицированы и выпускаются строительной промышленностью.
Для зданий больших размеров выгоднее использовать крупные стеновые панели. Панели бывают самонесущими и навесными, предназначенными для не отапливаемых и отапливаемых помещений. Для стен не отапливаемых зданий панели изготавливают из железобетона, преимущественно с ребрами (рис. 2.21).
1 – петля для подъема; 2 – закладная деталь
для крепления панели
Рис. 2.21. Стеновые панели: а) – железобетонная плоская
длиной 6 м для не отапливаемых зданий; б), в) – из ячеистого или легкого бетона длиной соответственно 6 и 12 м
Стены отапливаемых зданий возводят из многослойных утепленных и сплошных панелей (рис. 2.22). Для изготовления панелей используются обычные, ячеистые и легкие бетоны (керамзитобетон, перлитобетон, аглопоритобетон и др.). Каркасы панелей выполняют сварными пространственными. Размеры панелей регламентированы сериями; основные размеры панелей 1200х6000 мм и 1800х6000 мм. Панели сплошного сечения применяют при шаге колонн 12 м. По месторасположению стеновых панелей в здании их делят на рядовые, перемычечные, простенные, парапетные и карнизные.
Для не отапливаемых зданий возводят стены из асбесто-цементных волнистых листов и панелей, которые располагают в верхних участках стен. Листы укладывают в нахлест и крепят при монтаже крюками и скобами.
Рис. 2.22. Панели для стен отапливаемых зданий:
а) – трехслойная железобетонная; б) – сплошная из ячеистого или легкого бетона; в) – керамзитовая
Кроме того, для возведения стен не отапливаемых зданий, изготавливают плоские асбестопенопластовые и асбестодеревянные панели с утеплителями из минеральной ваты, фибролита и пенопласта (рис. 2.23).
Стены из асбестоцементных волнистых листов и панелей по сравнению с другими имеют преимущества в весе, стоимости, индустриальности и стойкости к динамическим воздействиям.
Конструкция окон цеха зависит от его назначения. В металлообрабатывающих и подобных им цехах окна служат для естественного освещения и аэрации. Оконные переплеты могут изготавливаться из дерева, стали, железобетона, легких сплавов, пластмасс и прессованных материалов. Номинальные размеры оконных проемов промышленных зданий по ширине принимаются кратными 600 и 300 мм, а по высоте – 600 мм. По конструкции оконные переплеты бывают глухими и створными. Для аэрации помещения часть переплетов может иметь открывающиеся створки (рис. 2.24). Открытие створок производится дистанционно или автоматически.
Рис. 2.23. Асбестоцементные стеновые панели:
а) – асбестопенопластовые; б) – асбестодеревяные
Рис. 2.24. Способы навески и открытия оконных переплетов производственных зданий: а), б) – створки соответственно с горизонтальной и вертикальной осью навески
Цехи сборки авиадвигателей, прецизионных агрегатов и им подобные строят без оконных проемов. Связано это с определенными требованиями по поддержанию температурно- влажностного режима и сокращению содержания пыли в помещении.
Деревянные переплеты применяются в зданиях с нормальными температурно-влажностными режимами; стальные – в горячих цехах и в цехах с повышенной влажностью; железобетонные – в обоих случаях; легкие пластмассовые переплеты и переплеты из прессованных материалов – в основном внутри цехов. Переплеты остекляются прозрачным, рифленым, призматическим или матовым листовым стеклам. Иногда окна выполняют беспереплетными. В этом случае оконные проемы заполняют стеклоблоками, стеклопластиками, профильным стеклом (стеклопрофилиты замкнутого и незамкнутого профиля), а также стекложелезобетонными панелями, имеющими стандартизованные размеры.
Для периодической промывки стекол и панелей предусматриваются специальные приспособления.
Фонарями в промышленных зданиях называются специальные проемы и устройства в покрытиях. По своему назначению они делятся на световые, аэрационные и светоаэрационные, а по расположению – на продольные, устанавливаемые вдоль конька проемов, и поперечные, устанавливаемые перпендикулярно коньку крыши.
Фонари могут быть прямоугольными, трапециевидными, треугольными, шедовыми, зенитными и в виде иллюминаторов. Прямоугольные фонари имеют вертикальное остекление. В трапециевидных фонарях стекла располагают под углом 70 - 80о, а в треугольных – 45о к горизонту. Шедовые фонари выполняют с вертикальным или наклонным (70 - 80о) остеклением. Зенитные фонари и фонари-иллюминаторы наиболее перспективны. Различные конструкции фонарей имеют свои положительные и отрицательные качества (рис. 2.25).
Из-за больших размеров двери промышленных зданий называют воротами. Ворота необходимы для въезда и выезда транспортных средств и прохода больших масс людей. Размеры ворот зависят от габаритов транспорта и перевозимых грузов. Ворота могут быть металлическими, деревянными и деревянными с металлическим каркасом. По способу открытия ворота делятся на распашные, раздвижные, многостворчатые, подъемные и шторные (рис. 2.26). При необходимости ворота должны быть оборудованы тамбурами, воздушными, воздушно-тепловыми и душевыми завесами.
Рис. 2.25. Типы световых фонарей: а) – прямоугольный;
б) – трапециевидный; в) – треугольный; г) – шедовый;
д) – зенитные; е) – фонари-иллюминаторы
Рис. 2.26. Типы ворот: а) – распашные; б) – раздвижные;
в) – многостворчатые; г) – подъемные; д) – шторные
Двери промышленных зданий, предназначенные для прохода людей, делятся на эвакуационные и запасные, наружные и внутренние. Размеры их по ширине составляют 1 м; 1,5 м и 2 м; по высоте – 2,4 м. В зависимости от категории пожароопасности наружные двери располагают на расстоянии 30 … 100 м друг от друга.
Вид покрытия пола выбирается в зависимости от характера воздействия на пол и специальных требований, предъявляемых к нему (прочность, ровность, долговечность, беспыльность, бесшумность, эластичность, водостойкость и др.).
Полы располагают на грунте или на перекрытиях. Полы состоят из нескольких конструктивных элементов: грунтов основания, тепло-, звуко- и гидроизоляции, стяжки, прослоек, подстилок и покрытий. Тепло- и звукоизоляцию выполняют из сыпучих материалов, ячеистых бетонов и древесно- стружечных плит; гидроизоляцию – из специальных мастик, щебни, пропитанного битумом или дегтем, асфальтобетона, изола и т.п.; стяжки – из цементно-песчаного раствора или легкого бетона (для выравнивания поверхности пола); прослойки и подстилки – из песка, шлака, щебня, гравия, бетона и звукоизоляционных материалов.
Покрытия полов могут быть сплошными или составными. Толщина покрытия обусловливается нагрузкой на пол, материалом покрытия и основой тела. Сплошные полы делают из бетона, цемента, асфальта, пластмассы, щебня и т. п., составные – из штучных материалов: плит, плиток, брусчатки, шашек, досок, рулонных материалов и т. п. Различные покрытия полов имеют свои преимущества и недостатки. В связи с этим выбор покрытия пола занимает особое место при проектировании.
При необходимости в цехах роют каналы, траншеи и подвалы. Например, в цехах термической обработки, гальванических покрытий, испытательных станций устраивают подвалы, ямы, траншеи для трубопроводов и систем инженерной связи и энергоснабжения. Размеры их зависят от применяемого оборудования и назначения. Для удобства обслуживания сетей, трубопроводов и оборудования, размещенных в каналах и траншеях, последние делают проходными. Наличие в зданиях траншей, каналов и подвалов удорожает строительство.