В промышленном строительстве очень распространено строительство зданий по схеме каркасного здания с поперечной рамой.

Рама каркаса здания представляет собой плоскую конструкцию, состоящую из колонн и ригеля (или фермы). Рама в поперечном направлении не имеет связей, а жесткость конструкции обеспечивается жестким защемлением колонны в фундаменте или жестким креплением ригеля к колонне. Отсутствие связей позволяет свободно использовать пространство между колоннами, что является бесспорным преимуществом данной схемы.

Схемы однопролетной рамы

Рассмотрим основные схемы однопролетной рамы, применяемые в строительстве.

 Рисунок 1. Основные схемы однопролетной рамы

На рисунке 1а представлена однопролетная рама с жестким защемлением колонн в фундаменте и шарнирным соединением с ригелем или фермой.

Преимуществами данной схемы является простота монтажа (нет необходимости жестко соединять колонну с ригелем), простота изготовления элементов. При больших пролетах вместо балки может использоваться ферма.

На рисунке 1б представлена однопролетная рама с жестким соединением колонны с ригелем и жестким защемлением колонны в фундаменте.

Преимуществом данной схемы является экономия металла ригеля т.к. при тех же пролетах что и по схеме 1а напряжения в ригеле будут в 2-а раза меньше. Однако несмотря на эти преимущества данная схема на деле практически не применяется т.к. монтаж требует особой точности, а малейшие деформации фундамента вызывают дополнительные напряжения в схеме.

На рисунке 1в представлена однопролетная рама с жестким соединением ригеля и колонны и шарнирным соединением колонны и фундамента.

Преимуществом данной схемы над 1а является экономия металла на ригеле и возможность сделать балку тоньше, соответственно увеличивается полезная высота помещения. При этом данная схема менее чувствительна к деформациям фундамента чем схема 1б. Из недостатков можно отметить, что узел крепления ригеля и колонны выполнить сложнее чем по схеме 1а, а передача момента на колонны, а следственно увеличение его сечения, может свести на нет экономию металла на ригеле.

Продольная схема каркаса здания 

Стойки рамы из ее плоскости считаются закрепленными шарнирно. Поэтому неизменяемость каркаса из плоскости рамы обеспечивается вертикальными связями по колоннам.

Рисунок 2. Вертикальные связи по колоннам и фермам.

Конструктивно они выполняются в виде ферм с крестовой решеткой и должны устанавливаться во всех продольных рядах колонн в одном створе, в том числе с вертикальными связями по колоннам и вертикальными связями по фермам, образуя жесткий во всех направлениях блок. Наклон раскосов, выполняемых из одиночных уголков, должен быть близким к 45°, этим определяется количество панелей вертикальных связей по высоте. Горизонтальные элементы, работающие на сжатие, выполняются из парных уголков. Расположенные по всей длине они могут сокращать расчетную длину нижней части колонны из плоскости рам. Вертикальные связи по колоннам воспринимают и передают на нижележащие элементы конструкций ветровое давление на торец здания и силы продольного торможения кранов, эти нагрузки должны учитываться при их расчете.

Рисунок 3. Каркас одноэтажного здания.

Связи устанавливают в центре здания или температурного блока. Если расположить связи по торцам здания, то при повышении температуры и отсутствии свободы деформации возможна потеря устойчивости сжатых элементов (рисунок 4,а).

Рисунок 4. Установка связей в торцах и по центру здания.

Если же установить одну связь по центру, то при изменении температуры прогоны смогут свободно деформироваться (рисунок 4,б) при этом расстояние от торца здания до оси ближайшей вертикальной связи должно быть не больше чем указано в таблице 44 СП 16.13330.2011.

В каркасах с портальными кранами, согласно расчёту, устанавливают связи в нескольких пролетах, но стараются установить их ближе к центру.

В не слишком протяженных зданиях могут быть варианты установки связей по торцам здания при необходимости.

Длина температурного блока здания

Длина здания не должна быть выше чем в таблице 44 СП 16.13330.2011:

Таблица 44 СП 16.13330.2011

Характеристика			Наибольшее расстояние lu, м, при расчетной температуре воздуха, °С, (см. 4.2.3)
здания и сооружения	направления		t ≥ -45	t < -45
Отапливаемое здание	между температурными швами	вдоль блока (по длине здания)	230	160
		по ширине блока	150	110
	от температурного шва или торца здания до оси ближайшей вертикальной связи		90	60
Неотапливаемое здание и горячий цех	между температурными швами	вдоль блока (по длине здания)	200	140
		по ширине блока	120	90
	от температурного шва или торца здания до оси ближайшей вертикальной связи		75	50
Открытая эстакада	между температурными швами вдоль блока		130	100
	от температурного шва или торца здания до оси ближайшей вертикальной связи		50	40
Примечание — При наличии между температурными швами здания или сооружения двух вертикальных связей расстояние между последними в осях не должно превышать: для зданий 40 — 50 м и для открытых эстакад 25 — 30 м, при этом для зданий и сооружений, возводимых при расчетных температурах t < -45 °С, должны приниматься меньшие из указанных расстояний.

Если длина здания превышает эту максимальную длину температурного блока, то здание делят на несколько температурных блоков.

Например, длина отапливаемого здания должна быть 300 м, расчётная температура наружного воздуха (температура наиболее холодных суток с обеспеченностью 0,98 согласно СП 131.13330.2012 «Строительная климатология») равна -35°С.

Максимальная длина температурного блока равна 230 м, поэтому здание мы разделим на 2-а температурных блока по 150 м.

Эти 2-а каркаса полностью независимы друг от друга и соединяются при помощи деформационного шва.

Рисунок 5. Температурный блок здания

 Деформационный шов обеспечивает свободное перемещение 2-х отсеков здания друг относительно друга и при этом защищает от внешних воздействий окружающей среды.

Рамы с переменным сечением

Т.к. нагрузки в сечении переменны, то для экономии металла применяют ригели и колонны с переменным сечением.

Рисунок 6. Схема рамы с переменным сечением

В данном случае рама имеет шарнирное закрепление в фундаменте, за счёт чего мы имеем нулевой изгибающий момент в основании колонны, и жесткое соединение колонны и ригеля.

В колонне изгибающий момент увеличивается к верху, соответственно увеличивается высота сечения.

Ригель имеет максимальные моменты в месте закрепления ригеля к колонне и по центру, соответственно в этих точках высота сечения максимальна, а в пролете ригеля можно уменьшить высоту ригеля.

Рисунок 7. Рама с переменным сечением.

Преимуществом данного решения является то, что оно позволяет снизить расход металла для строительства здания, снизить нагрузки, тем самым сэкономить средства на строительство.

Из недостатков можно отметить, что данные профиля не являются серийными и их необходимо сваривать на заводе, что подразумевает наличие завода-изготовителя в районе строительства. Расчёт такой рамы также более трудоёмкий, чем расчёт обычной рамы.

Проектирование и расчёт каркаса здания

Проектирование каркаса начинается с описания требований к будущему зданию. Необходимо определить необходимую длину пролета здания, высоту, площадь, внутреннюю температуру, наличие портального крана, необходимость проезда техники и других параметров, влияющих на каркас здания.

В зависимости от назначения здания, условий его эксплуатации, оборудования которое будет установлено в данном здании, участка земли, требований строительных норм, назначается длина пролета, высота помещения, архитектура здания.

Далее согласно строительным нормам принимается снеговая, ветровая, полезная нагрузка, сейсмическое воздействие (если здание будет возведено в районе с повышенной сейсмической опасностью).

Потом разрабатываем компьютерную модель рамы или всего каркаса здания. В большинстве случаев достаточно рассчитать каркас продольном и поперечном направлении, но современные средства позволяют легко просчитать каркас в 3-х мерном моделировании.

По данным расчёта разрабатывается проектная документация (схемы, узлы, сметы).

В дальнейшем я подготовлю пару примеров расчёта рамы в программных комплексах.