2.3. Виды и характеристика промышленных зданий.
В зависимости от назначения цеха различают здания сплошной и павильонной застройки.
Здания сплошной застройки отличаются значительными размерами как по длине, так и по ширине. Они могут выполняться со световыми или аэрационными фонарями или беcфонарными, с крановым оборудованием или без него, отапливаемыми или неотапливаемыми, с плоскими или скат ными крышами, с наружным или внутренним отводом атмосферных вод с кровли. В зданиях подобного типа размещают большинство цехов механической обработки. Нередко в одном таком здании объединяют целую группу цехов.
При павильонной застройке зданий предусматривается ограниченное число пролетов или даже один пролет. Естественное освещение и аэрация осуществляется через боковые проемы и фонари. В зданиях павильонной застройки размещают заготовительные, термические и сборочные цехи, а также склады (см. рис. 2.2 ).
Рис. 2.2. Основные виды промышленных одноэтажных
зданий пролетного типа: а) – многопролетные сплошной
застройки; б) – ячейковые; в) – зальные; г) – павильонные.
Одноэтажные здания проектируют с полным или неполным каркасом или с несущими стенами. В зданиях с полным каркасом несущим элементом являются колонны, а ограждающими – стены. В зданиях с неполнымкаркасом наружные стены являются несущими и ограждающими элементами, а колонны – несущими элементами, расположенными внутри здания.
По характеру расположения внутренних колонн здания делятся на пролетные (размер пролета преобладает над шагом колонн), ячейковые (с квадратной сеткой колонн) и зальные (без внутренних колонн).
Пролетом промышленного здания называется расстояние между осями вертикальных несущих конструкций в направлении силовых ферм или балок, а шагом колонн – расстояние между осями пролетов. Ширина пролета L и шаг колонн t являются основными строительными параметрами здания в плане. Сочетание ширины пролета с шагом колонн образует сетку колонн (L x t). В вертикальном разрезе здания определяющим параметром становится высота пролета h – расстояние от чистого пола до низа несущих конструкций покрытий (см.рис.2.2а). При определении высоты здания учитываются требования санитарных норм, по которым на каждого работающего должно приходиться 4,5 м2 площади и 15м3 промышленного здания.
Длина пролетов, шаг колонн, высота и конструктивные элементы зданий и строительных изделий устанавливаются на основе единой модульной системы (ЕМС), принятой у нас в стране. Ширина пролетов и шагов колонн принимается соответственно кратной 6 и 3 м, а высота (в зависимости от назначения здания) – кратной 0,3 м, 0,6 м и 1,2 м.
В производственных зданиях учитывают значительную длину и неодинаковые по характеру нагрузки в разных местах здания на отдельные части. Расстояние между поперечными швами составляет 72 м, а между продольными – 144 м.
2.4. Типизация и унификация зданий.
В практику строительства все шире внедряются прогрессивные методы возведения зданий, увеличивается заводская готовность строительных конструкций, применяются новые материалы и облегченные конструкции, снижается себестоимость строительства, улучшается его качество. Все это требует применения типового проектирования.
Типовое проектирование позволяет многократно применять опробованные и экономически выгодные объемно-планировочные и конструктивные решения промышленных зданий. При этом типизация зданий неразрывно связана с унификацией его конструктивных элементов, т.е. с ограничением выбора и применением единообразных по форме и размерам строительных конструкций, изготовляемых индустриальными методами.
Типовые и унифицированные детали и конструкции, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации, включены в каталоги типовых изделий и обязательны для применения.
Существует «Общесоюзный каталог типовых индустриальных железобетонных и бетонных изделий», в который включены следующие сборники: К-1 «Одноэтажные здания»; К-2 «Многоэтажные здания»; К-3 «Инженерные сооружения».
На основе «Общесоюзного каталога» проектировщиками определены оптимальные размеры блоков, из которых можно компоновать производственные здания необходимых размеров для вполне определенного вида производства. Например, для цехов механосборочного производства на заводах авиадвигателестроения приняты следующие типы основных секций зданий:
1. Размеры в плане – 144x72 и 72x72 м с сеткой колонн 24x12 и 18x12 м;
2. Высота пролетов бескрановых и с подвесным транспортом грузоподъемностью до 5т – 6 м и 7,2 м;
3. Высота пролетов с мостовыми кранами грузоподъемностью до 30т – 10,8 м и 12,6 м.
Помимо основных секций зданий приняты и дополнительные секции для поперечных пролетов. В некоторых случаях компонуют здания с разнообразными объемно- планировочными решениями. На рис. 2.3 в качестве примера приведены схемы компоновки зданий из унифицированных типовых секций.
Рис. 2.3. Вариант компоновки зданий из унифицированных
типовых секций, блоков:
1) – основные секции; 2) – доборные секции.
На современном этапе развития НТР, когда машиностроительная техника быстро морально устаревает, часто приходится реконструировать и совершенствовать заводы. В этой связи особое значение придается созданию универсальных цехов, объемно-планировочное и конструктивное решение которых позволяет не производить реконструкцию здания даже при полном изменении всего технологического процесса. Главная особенность такого цеха состоит в укрупненной сетке колонн, созданной в основном за счет увеличения их шага. Другой особенностью универсального цеха является отказ от световых фонарей традиционной конструкции и замена их искусственным освещением или сочетание искусственного освещения с использованием современных зенитных фонарей.
К особенностям универсального цеха можно отнести также применение вместо фундаментов под отдельные виды оборудования одной фундаментной плиты под все виды оборудования, что создает удобства для быстрой перестановки станков.
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, несгораемость 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 неотапливаемых зданиях, в зданиях с избыточным тепло-выделением 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 неотапливаемых и отапливаемых помещений. Для стен неотапливаемых 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 неотапливаемых 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 неотапливаемых зданий возводят стены из асбесто-цементных волнистых листов и панелей, которые располагают в верхних участках стен. Листы укладывают внахлест и крепят при монтаже крюками и скобами.