Связи. Назначение. Типы.

Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении (воспринимая при этом некоторые нагрузки), а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам.

Для выполнения этих функций необходимы хотя бы один вертикальный жесткий диск по длине температурного блока и система продольных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему. В жесткие диски (рис. 11.5) включены две колонны, подкрановая балка, горизонтальные распорки и решетка, обеспечивающая при шарнирном соединении всех элементов диска геометрическую неизменяемость. Решетка чаще проектируется крестовой (см. рис. 11.5,а), элементы которой работают на растяжение при любом направлении сил, передаваемых на диск, и треугольной (см. рис. 11.5,6), элементы которой работают на растяжение и сжатие. Схема решетки выбирается-так, чтобы ее элементы было удобно крепить к колоннам (углы между вертикалью и элементами решетки близки к 45°). При больших шагах колонн в нижней части колонны целесообразно устройство диска в виде двухшарнирной решетчатой рамы, а в верхней — использование подстропильной фермы (см. рис. 11.5, в). Распорки и решетка при малых высотах сечения колонн (например, в верхней части) располагаются в одной плоскости, а при больших высотах (нижняя часть колонны) — в двух плоскостях. На связевые диски передаются крутящие моменты, и поэтому при расположении вертикальных связей в двух плоскостях они соединяются горизонтальными решетчатыми связями.

При размещении жестких дисков (связевых блоков) вдоль здания нужно учитывать возможность перемещений колонн при температурных деформациях продольных элементов (рис. 11.6, а). Если поставить диски по торцам здания (рис. 11.6,6), то во всех продольных элементах (подкрановые конструкции, подстропильные фермы, распорки связей) возникают значительные температурные усилия Ft.

Поэтому при небольшой длине здания (температурного блока) ставится вертикальная связь в одной панели (рис. 11.7, а). При большой длине здания (или блока) для колонн в торцах возрастают неупругие перемещения за счет податливости креплений продольных элементов к колоннам. Расстояние от торца до диска ограничивается с целью закрепления колонн, расположенных близко к торцу, от потери устойчивости. В этих случаях вертикальные связи ставятся в двух панелях (рис. 11.7,6), причем расстояния между их осями должно быть таким, чтобы усилия Ft не были очень велики. Предельные расстояния между дисками зависят от возможных перепадов температур (разных для отапливаемых и неотапливаемых зданий, строящихся в районах с разными

расчетными зимними температурами) и установлены нормами (табл. 11.2).

По торцам здания крайние колонны иногда соединяют между собой гибкими верхними связями (рис. 11.7,а). Вследствие относительно малой жесткости надкрановой части колонны расположение верхних связей в торцовых панелях лишь незначительно сказывается на температурных напряжениях. Верхние торцовые связи также делают в виде крестов (рис. 11.7,6"), что целесообразно с точки зрения монтажных условий и однотипности решений.

Верхние вертикальные связи следует размещать не только в торцовых панелях здания, но и в панелях, примыкающих к температурным швам, так как это повышает продольную жесткость верхней части каркаса; кроме того, в процессе возведения цеха каждый температурный блок может в течение некоторого времени представлять собой самостоятельный конструктивный комплекс.

Вертикальные связи между колоннами ставят по всем рядам колонн здания; располагать их следует между одними и теми же осями.

При проектировании связей по средним рядам колонн в подкрановой части следует иметь в виду, что довольно часто по условиям "технологии необходимо иметь свободное пространство между колоннами. В этих случаях конструируют портальные связи (см. рис. 11.5, в).

Связи, устанавливаемые в пределах высоты ригелей в связевом блоке и торцовых шагах, проектируют в виде самостоятельных ферм (монтажного элемента), в остальных местах ставят распорки.

Особое внимание следует уделять компоновке связей между колоннами в горячих цехах при применении неразрезных подкрановых балок или большом внутреннем шаге колонн, несущих мощные продольные конструкции (например, подкраново-подстропильные фермы). В этих случаях полностью отсутствует узловая податливость продольных конструкций, система связей становится близкой к рамной и ее температурные деформации стеснены. Обследования и экспериментальные исследования работы таких цехов показывают, что, несмотря на выполнение требований норм проектирования, вэлементах каркаса (колоннах и подкрановых балках) возникают большие дополнительные напряжения, а иногда наблюдается и разрушение связей.

Поэтому в горячих цехах с неразрезными подкрановыми балками или тяжелыми подкраново-подстропильными фермами целесообразно предусматривать специальные конструктивные мероприятия (например, уменьшение длины температурных блоков).

Продольные элементы связей в точках крепления к колоннам обеспечивают несмещаемость этих точек из плоскости поперечной рамы (рис. 11.8,а). Эти точки в расчетной схеме колонны (рис. 11.8,6) могут быть приняты шарнирными опорами. При большой высоте нижней части колонны бывает целесообразна установка дополнительной распорки (рис. 11.8, б), которая закрепляет нижнюю часть колонны посередине ее высоты и сокращает расчетную длину колонны (рис. 11.8,г).

Связи, кроме условных поперечных сил, возникающих при потере устойчивости колонн из плоскости поперечных рам, воспринимают также усилия от ветра, направленного на торец здания, и от продольных воздействий мостовых кранов.

Ветровая нагрузка на торец здания воспринимается стойками торцевого фахверка и частично передается на связи по нижнему поясу ферм. Связи шатра передают силу .FBT в ряды колонн.

На рис. 11.9 выделены элементы связей и колонны, которые передают силу FBt на фундамент.

В точке А (см. рис. 11.9, а) гибкий элемент связей 1 не может воспринимать сжимающую силу, и поэтому FBt передается более короткой и достаточно жесткой распоркой 2 в точку Б. Здесь сила раскладывается на направление колонны и растянутого элемента 3, который передает усилие в точку В. В этой точке усилие воспринимается колоннами и подкрановыми балками 4, передающими силу FBT на связевый блок в точку Г. Аналогично работают связи и На силы продольных воздействий кранов FKn (рис. 11.9,6). Сечения связей выполняются из уголков, швеллеров, прямоугольных и круглых труб.

При большой длине элементов связи, воспринимающие небольшие усилия, рассчитываются по предельной гибкости, которая для сжатых элементов связей ниже подкрановой балки равна 210—60 а, где а — отношение фактического усилия в элементе связей к его несущей способности, выше — 200; для растянутых — соответственно 200 и 300.

Связи по покрытию

Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают: устойчивость сжатых элементов ригеля из пло
скости ферм; перераспределение местных нагрузок ^например, крановых), приложенных к одной из рам, на соседние рамы; удобство монтажа; заданную геометрию каркаса; восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

Система связей покрытия состоит из горизонтальных И вертикальных связей. Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижнего, верхнего поясов ферм и верхнего пойса фонаря. Горизонтальные связи состоят из поперечных и продольных (рис. 11.10 и 11.11).

Элементы верхнего пойса стропильных ферм сжаты, поэтому, необходимо обеспечить их устойчивость из плоскости ферм. Ребра кровельных плит и прогоны могут рассматриватьсй как опоры, препйтствующие смещению верхних узлов из плоскости фермы при условии, что они закреплены от продольных перемещений связями.

Для закрепления плит и прогонов от продольных смещений устраиваются поперечные связи по верхним поясам ферм, которые целесообразно располагать в торцах цеха с тем, чтобы они (вместе с поперечными горизонтальными связями по нижним поясам ферм и вертикальными связями) обеспечивали пространственную жесткость покрытия. При большой длине здания или температурного блока (более 144 м) устанавливаются дополнительные поперечные связевые фермы. Это уменьшает поперечные перемещения поясов ферм, возникающие вследствие податливости связей.

Необходимо обращать особое внимание на завязку узлов ферм в пределах фонаря, где нет кровельного настила. Здесь для раскрепления узлов верхнего пояса ферм из их плоскости предусматриваются распорки, причем такие распорки в коньковом узле фермы обязательны. Распорки прикрепляются к торцовым связям в плоскости верхних поясов ферм. В процессе монтажа (до установки плит покрытия.или прогонов) гибкость верхнего пояса из плоскости фермы не должна быть более 220. Если коньковая распорка не обеспечивает этого условия, между ней и распоркой в плоскости колонн ставится дополнительная распорка. Связи по верхнему поясу фонаря (см. рис. 11.11) проектируются аналогично.

В зданиях с мостовыми кранами необходимо обеспечить горизонтальную жесткость каркаса как поперек, так и вдоль здания. При работе мостовых кранов возникают усилия, вызывающие поперечные и продольные деформации каркаса цеха. Если поперечная жесткость каркаса недостаточна, краны при движении могут заклиниваться, и нарушается нормальная их эксплуатация. Чрезмерные колебания каркаса создают неблагоприятные условия для работы кранов и сохранности ограждающих конструкций. Поэтому в однопролетных зданиях большой высоты (#0>18 м), в зданиях с мостовыми кранами грузоподъемностью^ 10 т, с кранами тяжелого и весьма тяжелого режимов работы при любой грузоподъемности обязательна система Связей по нижним поясам ферм.

Горизонтальные силы от мостовых кранов воздействуют в поперечном направлении на одну плоскую раму или две-три смежные. Связи обеспечивают совместную работу системы плоских рам, вследствие чего поперечные деформации каркаса от действия сосредоточенной силы значительно уменьшаются (рис. 11.12, а). Жесткость этих связей должна быть достаточной для того, чтобы вовлечь в работу соседние рамы, и их ширина обычно назначается равной длине первой панели нижнего пояса фермы.

Прилегающие к опорам панели нижнего пояса ферм, особенно при жестком сопряжении ригеля с колонной, могут быть сжатыми, и в этом случае продольные связи обеспечивают устойчивость нижнего пояса из плоскости ферм.

Поперечные связи закрепляют продольные, а в торцах здания они необходимы и для восприятия ветровой нагрузки, направленной на торец здания.

Стойки фахверка передают ветровую нагрузку Fвф в узлы поперечной горизонтальной торцовой фермы, поясами которой служат нижние пояса торцовой и смежной с ней стропильных ферм (см. рис. 11.12, а).

Опорные реакции торцовой фермы FBT воспринимаются связями между колоннами и передаются на фундамент (см. рис. 11.9).

В плоскости нижних поясов также устраиваются промежуточные поперечные связи, расположенные в тех же панелях, что и поперечные связи по верхним поясам ферм.

Чтобы избежать вибрации нижнего пояса ферм вследствие динами-ческдго воздействия мостовых кранов, ограничивается гибкость растянутой части нижнего пояса из плоскости рамы: при кранах -с числом циклов загружения 2X106 и более —величиной 250, для прочих зданий — величиной 400. Для сокращения свободной длины растянутой части нижнего пояса приходится в некоторых случаях предусматривать растяжки, закрепляющие нижний пояс в боковом направлении (см. рис

Стропильные фермы обладают незначительной боковой жесткостью, а потому процесс монтажа без их предварительного взаимного раскрепления недопустим. Поэтому необходимо устраивать вертикальные связи между фермами, располагающиеся в плоскости вертикальных стоек стропильных ферм (см. рис. 11.10,в); для удобства крепления элементов связей эти стойки часто проектируют крестового сечения (из двух уголков). Обычно устраиваются одна-две вертикальные связи по ширине пролета (через 12—15 м).

При опирании опорного нижнего узла стропильных ферм на оголовок колонны (железобетонной или стальной) сверху вертикальные связи необходимо располагать также по опорным стойкам ферм.

Вертикальные связи вместе с поперечными связевыми фермами по верхним и нижним поясам обеспечивают создание жестких пространственных блоков у торцов здания. К этим блокам распорками и растяжками привязывают промежуточные фермы.

В зданиях с подвесным транспортом вертикальные связи способствуют перераспределению между фермами крановой нагрузки, приложенной непосредственно к конструкциям покрытия. В этих случаях, а также когда к стропильным фермам подвешены электрические кранбал-ки значительной грузоподъемности, целесообразно вертикальные связи между фермами располагать в плоскостях подвески непрерывно по всей длине здания.

В многопролетных цехах связи по верхним поясам ферм и вертикальные ставятся во всех пролетах, а горизонтальные по нижним поясам— по контуру здания и некоторым средним рядам колонн через 60—90 м по ширине здания (рис. 11.13). В зданиях, имеющих перепады по высоте, продольные связевые фермы ставят и вдоль этих перепадов.

Конструктивная схема связей зависит главным образом от шага стропильных ферм. Для горизонтальных связей при шаге ферм 6 м обычно применяют крестовую решетку, раскосы которой работают только на растяжение (рис. 11.14,а). При этом получается довольно экономичное решение, если стойки связевых ферм законструировать из двух уголков (обычно крестового сечения), а раскосы — из одиночных уголков. В последнее время начали применять при этом же шаге связевые фермы с треугольной решеткой (рис. 11.14,6). Здесь раскосы работают как на сжатие, так и на растяжение, поэтому их проектируют из труб или гнутых профилей. При таком типе решетки связи получаются несколько тяжелее и дороже в изготовлении, однако монтаж их упрощается. При шаге стропильных ферм 12 м диагональные элементы связей, даже работающие только на растяжение, получаются слишком тяжелыми. Поэтому систему связей проектируют так, чтобы наиболее длинный элемент был не более 12 м, и этими элементами поддерживают диагонали. На рис. 11.14, в приведена еще одна система, жесткость которой больше, чем жесткость указанных систем. На рис. 11.14, г показана схема связей, где диагональные элементы вписываются в квадрат размером 6 м и опираются на продольные элементы длиной 12 м, служащие поясами связевых ферм. Эти элементы приходится делать составного сечения или из гнутых профилей.

Обеспечить крепление продольных связей можно и без решетки связей по верхнему поясу ферм, которая не дает возможности использовать сквозные прогоны. В этом случае в жесткий блок входят элементы покрытия (листы, прогоны, панели), стропильные фермы и часто расположенные вертикальные связи (рис. 11.14,5). Такое решение является в настоящее время типовым.

Вертикальные связи между фермами и фонарями лучше всего делать в виде отдельных транспортабельных ферм, что возможно, если их высота будет менее 3900 мм. Возможные схемы вертикальных связей показаны на рас. 11.14.

Элементы связей шатра рассчитываются, как правило, по гибкости. Предельная гибкость для сжатых элементов этих связей — 200, для растянутых—400 (при кранах с числом циклов 2X106 и более—300). Определить, растянут элемент связей или сжат, можно, если учесть, что связи воспринимают условные поперечные силы Qycn (как при эксплуатации, так и при монтаже), ветровые воздействия на торец здания FBT, продольные и поперечные воздействия мостовых кранов и что все эти силы могут быть направлены в одну или другую сторону (см. рис. 11.12).

На рис. 11.12 показаны знаки усилий, возникающие в элементах связей покрытия при определенном направлении ветровой нагрузки, местных горизонтальных усилий, условных поперечных сил. Многие элементы связей могут быть сжаты или растянуты. В этом случае их сечение подбирается по худшему случаю — по гибкости для сжатых элементов связей.

Распорки в коньке' верхнего пояса ферм (элемент 3 на рис. 11.12,6) обеспечивают устойчивость верхнего пояса из плоскости ферм как во время эксплуатации, так и при монтаже. В последнем случае они прикреплены только к одной поперечной связи и сечение их подбирается исходя из сжатия.

Растянутый нижний пояс ферм не может потерять устойчивость, и поэтому растяжки (элемент 4 на рис. 11.12, е) ставятся для уменьшения колебаний нижнего пояса во время эксплуатации цеха. В этот период уже имеются поперечные связи по двум торцам и растяжки работают только на растяжение.

Сечение раскосов крестовой решетки (см. рис. 11.12, е) подбирается по гибкости для растянутых элементов связей.