Одноэтажное производственное здание

Введение
Актуальность исследований:
Промышленное строительство ― это область материального производства, которая ориентирована на формирование основных фондов соответствующей области производственной деятельности. Конечным результатом промышленного строительства является реализация комплекса строительных, монтажных, технологических и пусконаладочных работ, связанных с введением в эксплуатацию новых объектов строительства.
Одним из наиболее значительных показателей формы и объемно-планировочного решения промышленного здания является его этажность.
Одноэтажные промышленные здания формируют условия для рациональной организации технологических процессов, ремонта, замены и модернизации оборудования, в особенности для тех производственных процессов, для которых предусматривается применение тяжелых механизмов и агрегатов, формирующих значительные динамические нагрузки.
Фактор рациональной организации технологических процессов в сочетании необходимостью восприятия значительной величины нагрузки (различной природы и интенсивности) в значительной степени определяет вид и способ организации конструктивной и строительной систем для одноэтажных промышленных зданий.
Одноэтажные производственные здания в наибольшей степени расположены к реализации концепции «гибкого здания», в рамках которой возможно осуществлять многочисленные изменения в расположении технологических систем и производственного оборудования.
Разработка оптимальных параметров конструктивных элементов одноэтажных производственных здания является важной и актуальной задачей формирования функционального качества строительной продукции (зданий и сооружений), предназначенных для использования в соответствующих технологических схемах соответствующих отраслей промышленности.

Цель исследований:
Совершенствование методики принятия решений по проектированию конструктивных систем и реализации соответствующих строительных систем для одноэтажных промышленных объектов.
Объект исследований: параметры конструктивных систем и технологические приемы формирования строительной системы объекта строительства производственного назначения.
Предмет исследований: технико-экономические параметры принятия решений при проектировании и возведении одноэтажного производственного здания.
Задачи исследований:
 обзор нормативной и специализированной литературы на предмет изучения количественных и качественных характеристик современных производственных зданий;
 анализ конструктивных и строительных систем, современных технологий возведения, которые применяются при проектировании и строительстве производственных зданий;
 разработка алгоритма системной оценки параметров напряженно-деформированного состояния несущих конструктивных элементов покрытия одноэтажного производственного здания;
 разработка объемно-планировочных решений, с учетом особенностей обеспечения технологических процессов одноэтажного производственного здания;
 разработка конструктивной системы одноэтажного производственного здания в целом и параметров отдельных конструктивных (несущих и ограждающих) элементов, способов организации их взаимодействия в составе целостной системы;
 разработка приемов и способов формирования строительной системы одноэтажного производственного здания с учетом проектных: объемно-планировочных и конструктивных решений, качественного и количественного состава конструктивных элементов, доступных методов их возведения;
 разработка комплекса мероприятий по обеспечению условий безопасности строительного производства, охране труда и минимизации негативного воздействия на окружающую среду.
Методика исследований:
Для решения поставленных задач предусматривается применение методов системного анализа, вариантного проектирования конструктивных и строительных систем, строительных технологий, численных и аналитических приемов определения параметров и характеристик, как отдельных элементов, так строительного объекта в целом.
Научная новизна:
Алгоритм определения параметров напряженно-деформированного состояния несущих конструктивных элементов покрытия одноэтажного производственного здания.
Теоретическая и практическая значимость.
Положения работы возможно применять в качестве основных положений направления теоретических и прикладных исследований, связанного с применением системного подхода к разработке проектных решений и практической реализации установленных показателей функционального качества объектов строительства производственного назначения.
Предложенные выводы и рекомендации могут быть использованы в работе проектных и строительных организаций для повышения технико-экономических показателей при разработке конструктивных и строительных систем одноэтажных производственных зданий.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка литературы из 29 наименований.
Объём работы: 117 страниц текста. Графическая часть – 6 листов.

1. Анализ параметров напряженно-деформированного состояния и конструктивные решения основных несущих элементов покрытия одноэтажного производственного здания

Наиболее значительным показателем особенности принятого объемно-планировочного решения промышленного здания является его этажность [1.2].
Одноэтажные промышленные здания являются наиболее распространенным типом промышленных предприятий и производств. По некоторым экспертным оценкам доля одноэтажных промышленных зданий составляет 7580 % в объеме современного промышленного строительства [1.3].
Эффективность применения каркасной схемы для одноэтажного промышленного здания сводится к анализу целесообразности формирования соответствующей конструктивной схемы из металлических (стальных) конструктивных элементов.
Основным элементом конструктивной системы каркасного одноэтажного промышленного здания из стальных прокатных профилей являются плоские поперечные рамы. образованные вертикальными несущими элементами (колоннами каркаса) и горизонтальными несущими элементами (балками или фермами покрытия).
Типовой шаг для колонн каркаса составляет: 6.0 м. типовую длину пролета допускается принимать из следующего ряда значений: 18.0 м. 21.0 м. 24.0 м. 27.0 м. 30.0 м. 33.0 м. 36.0 м. 42.0 м.
Пространственная жесткость и устойчивость конструктивной системы стального каркасного одноэтажного здания обеспечивается устройством связей в продольном и поперечном направлениях (плоскостях) приложения нагрузки. В некоторых случаях дополнительно предусматривается жесткое защемление колонн каркаса в столбчатых фундаментах здания.

1.1. Характеристика основных объемно-планировочных и конструктивных решений одноэтажного производственного здания
Алгоритм проектирования металлических (стальных) ферм покрытий представлен на примере одноэтажного здания производственного назначения.
Основные объемно−планировочные и конструктивные решения представлены на Рисунках 1.1÷1.2.

Основные характеристики объемно−планировочных решений. географических и инженерно−геологических условий для проектируемого производственного здания:
1. Размер здания в плане, м: 36х48.0
2. Количество пролетов: 2
3. Длина пролета, м: 18.0
4. Количество этажей: 1
5. Высота этажа, м: 11.0
6. Район строительства: II зона
7. Вариант покрытия: малоуклонное
(плоское), совмещенное
8. Тип несущего основания покрытия: плита «2Т»
9. Номинальная длина панели, м: 6.0
10. Номинальная ширина панели, м: 3.0
11. Тип металлического покрытия: беспрогонное
12. Сечение элементов поясов фермы покрытия: двутавр
широкополочный
13. Сечение элементов решетки фермы покрытия: профиль
замкнутый, квадратный
гнутосварной
14. Марка стали для элементов фермы: ВСт3сп



Рисунок 1.1 ‒ Поперечный разрез здания (вариант с двумя пролетами)

Рисунок 1.2 ‒ Фрагмент плана этажа (в объеме температурного блока)
1.2. Определение параметров напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов стальной фермы покрытия
Конечным результатом проектирования несущей стропильной фермы покрытия (из стальных прокатных профилей) является подбор сечений конструктивных элементов (верхнего. нижнего поясов опорных и рядовых раскосов. стоек) в зависимости от установленной марки стали.
При расчете сечений элементов фермы в соответствующей расчетной схеме принимается, что все стержни в узлах фермы соединены шарнирно. несмотря на конструктивное решение. предусматривающее применение фасонных элементов и сварных швов.
Нагрузка. постоянного (от собственного веса конструктивных элементов фермы) и временного (от снегового покрова для рассматриваемого района строительства) видов моделируется узловой. сосредоточенной нагрузкой. приложенной в узлы фермы на верхнем поясе расчетной схемы.
Допускается моделирование нагрузки посредством использования единичных узловых нагрузок (расположенных на одной стороне фермы симметричной формы) с последующим переводом значений единичных усилий в конструктивных элементах к фактическим значениям (в зависимости от установленной грузовой площади).
Расчёт и определение усилий (единичных или фактических) в конструктивных элементах фермы целесообразно производить при помощи прикладного программного обеспечения (например. программного обеспечения SCAD Office) [4].
Подбор сечений конструктивных элементов фермы покрытия производится после расчета усилий от фактической величины нагрузки по аналитическим зависимостям для центрального растяжения или сжатия.
Площадь поперечного сечения растянутых элементов определяется по расчетным формулам, исходя из условия прочности.
Площадь поперечного сечения сжатых элементов определяется по расчетным формулам, исходя из условия устойчивости.
1.2.1. Формирование расчетной схемы стальной фермы покрытия в программной среде SCAD Office
В Таблице 1.1 представлена информация и видах и величине нагрузки. которая воздействует на ферму покрытия (с учетом коэффициента ответственности γп = 0.95) [5.6].
Таблица 1.1 − Сбор нагрузок на ферму покрытия
Вид нагрузки Нагрузка при
γf= 1. кН/м2 Коэффици¬ент надежности по нагрузке γf Нагрузка при
γf. кН/м2
Постоянные:
- Слой гравия. втопленного в мастику.
0.016 ∙ 9.81 ∙ 0.95
- Три слоя толи на мастике.
0.01 ∙ 9.81 ∙ 0.95
- Стяжка из асфальта (20 мм).
1.8 ∙ 0.02 ∙ 9.81 ∙ 0.95
- Утеплитель – пенобетон (100 мм).
0.5 ∙ 0.1 ∙ 9.81 ∙ 0.95
- Обмазочная изоляция

0.149

0.093

0.336

0.466
0.05

1.3

1.3

1.3

1.3
1.3

0.194

0.121

0.436

0.606
0.065
Итого: 1.094 - 1.422
Вес 1 м2 плиты покрытия (см. расчет ниже) 1.736 1.1 1.909
Всего: gn =2.830 g =3.332
Временные:
- Снег для ІІ климатического района
0.95
1.4
s=1.33

На Рисунке 1.3 представлены геометрические характеристики сборной железобетонной плиты покрытия типа «2Т».

Рисунок 1.3 ‒ Геометрические характеристики плиты покрытия типа «2Т»
Определяем массу плиты перекрытия. Площадь поперечного сечения составляет:

Рисунок 1.4 ‒ Площадь поперечного сечения плиты покрытия типа «2Т»
Масса плиты при плотности бетона ρ = 2.5 т/м3 с учетом номинальной длины плиты 6.0 м:

Нагрузка от веса плиты при γf = 1 и γn = 0.95: на 1 м2 покрытия составляет:

Расчетная стержневая конечноэлементная модель фермы покрытия формируется с учетом особенностей моделирования в программной среде SCAD Office [4].
Этапы формирования расчетной схемы (математической модели) фермы покрытия представлены на Рисунках 1.5÷1.12.

Рисунок 1.5 ‒ Номера узлов (всего: 26 узлов) расчетной схемы (геометрической модели)

Рисунок 1.6 ‒ Номера конечных элементов (всего: 49 элементов) расчетной схемы (геометрической модели)

Формирование граничных условий (связей в узлах примыкания к оголовкам колонн):
− для узла №3 (см. Рисунок 1.7): запрет линейных перемещений по направлениям: X. Z;
− для узла №17 (см. Рисунок 1.8): запрет линейных перемещений по направлению: Z.

Рисунок 1.7 ‒ Граничные условия для узла №3 Рисунок 1.8 ‒ Граничные условия для узла №17

Для моделирования физико-механических характеристик (жесткостей) стержневых элементов конечноэлементной модели стальной фермы предусматривается использование двух типов жесткостей. обеспеченных сечениями соответствующих стальных прокатных профилей [7.8]:

Рисунок 1.9 ‒ Жесткости конечных элементов. Тип 1

Рисунок 1.10 ‒ Жесткости конечных элементов. Тип 2

Распределение типов жесткостей по стержневым элементам конечноэлементной модели стальной фермы (для элементов верхнего и нижнего поясов) представлено на Рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 ‒ Типы жесткостей конечных элементов расчетной схемы (геометрической модели)
Расчет усилий в элементах фермы производится при помощи программного комплекса SCAD Office на воздействие от единичной сосредоточенной нагрузки, приложенной в узлы верхнего пояса фермы покрытия. в соответствии с расчетной схемой (Рисунок 1.12).





Рисунок 1.12 ‒ Расчетная схема приложения нагрузки к узлам элементов верхнего пояса (модели) фермы покрытия (на половину пролета)

Таким образом, исходные данные для определения параметров напряженно-деформированного состояния фермы покрытия составили (см. Рисунок 1.13÷1.16):

Рисунок 1.13 ‒ Исходные данные. Элементы и узлы





Рисунок 1.14 ‒ Исходные данные. Жесткости


Рисунок 1.15 ‒ Исходные данные. Координаты узлов и связи

Рисунок 1.16 ‒ Исходные данные. Нагрузки

1.2.2. Экспертиза корректности формирования расчетной схемы стальной фермы покрытия
Результаты автоматизированной проверки (экспертизы) исходных данных приведены на Рисунке 1.17.


Рисунок 1.17 ‒ Экспертиза корректности исходных данных
1.2.3. Результаты расчета параметров напряженно-деформированного состояния элементов конечноэлементной модели фермы.
Результаты расчета конечноэлементной модели фермы покрытия от воздействия единичной нагрузки (приложенной в узлы верхнего пояса на половине пролета) представлены в Таблицах 1.2÷1.5 и на Рисунках 1.18÷1.22.
Таблица 1.2 – Усилия и напряжения в элементах модели (начало)
Единицы измеpения усилий: T
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| У С И Л И Я /НАПРЯЖЕНИЯ/ В ЭЛЕМЕНТАХ |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 2-3 3-1 3-2 3-3 4-1 |
| 1 1 1 1 1 1 3 3 3 3 |
| 2 2 2 3 3 3 2 2 2 4 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N -.5 -.5 -.5 -5. -5. -5. 3. |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 4-2 4-3 5-1 5-2 5-3 6-1 6-2 6-3 7-1 7-2 |
| 3 3 2 2 2 2 2 2 4 4 |
| 4 4 5 5 5 4 4 4 5 5 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N 3. 3. -3. -3. -3. 3. 3. 3. -3.75 -3.75 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 7-3 8-1 8-2 8-3 9-1 9-2 9-3 10-1 10-2 10-3 |
| 4 5 5 5 5 5 5 7 7 7 |
| 5 6 6 6 7 7 7 6 6 6 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N -3.75 -5.25 -5.25 -5.25 2. 2. 2. -2.49999 -2.49999 -2.49999 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 11-1 11-2 11-3 12-1 12-2 12-3 13-1 13-2 13-3 14-1 |
| 7 7 7 6 6 6 6 6 6 8 |
| 8 8 8 9 9 9 8 8 8 9 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N 6.75 6.75 6.75 -6.75 -6.75 -6.75 1. 1. 1. -1.25 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 14-2 14-3 15-1 15-2 15-3 16-1 16-2 16-3 17-1 17-2 |
| 8 8 4 4 4 9 9 9 9 9 |
| 9 9 7 7 7 10 10 10 11 11 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N -1.25 -1.25 5.25 5.25 5.25 -7.5 -7.5 -7.5 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 17-3 18-1 18-2 18-3 19-1 19-2 19-3 20-1 20-2 20-3 |
| 9 11 11 11 11 11 11 10 10 10 |
| 11 10 10 10 12 12 12 13 13 13 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N 7.5 7.5 7.5 -7.5 -7.5 -7.5 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 21-1 21-2 21-3 22-1 22-2 22-3 23-1 23-2 23-3 24-1 |
| 10 10 10 12 12 12 13 13 13 12 |
| 12 12 12 13 13 13 14 14 14 14 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N -1. -1. -1. 1.25 1.25 1.25 6.75 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 24-2 24-3 25-1 25-2 25-3 26-1 26-2 26-3 27-1 27-2 |
| 12 12 8 8 8 15 15 15 15 15 |
| 14 14 11 11 11 16 16 16 17 17 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N 6.75 6.75 7.5 7.5 7.5 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------

Таблица 1.2 – Усилия и напряжения в элементах модели (окончание)
Единицы измеpения усилий: T
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| У С И Л И Я /НАПРЯЖЕНИЯ/ В ЭЛЕМЕНТАХ |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 27-3 28-1 28-2 28-3 29-1 29-2 29-3 30-1 30-2 30-3 |
| 15 17 17 17 17 17 17 16 16 16 |
| 17 16 16 16 18 18 18 19 19 19 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N -1.875 -1.875 -1.875 1.125 1.125 1.125 -1.125 -1.125 -1.125 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 31-1 31-2 31-3 32-1 32-2 32-3 33-1 33-2 33-3 34-1 |
| 16 16 16 18 18 18 19 19 19 19 |
| 18 18 18 19 19 19 20 20 20 21 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N 1.5 1.5 1.5 -1.875 -1.875 -1.875 -2.25 -2.25 -2.25 1.5 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 34-2 34-3 35-1 35-2 35-3 36-1 36-2 36-3 37-1 37-2 |
| 19 19 21 21 21 21 21 21 20 20 |
| 21 21 20 20 20 22 22 22 23 23 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N 1.5 1.5 -1.875 -1.875 -1.875 3.375 3.375 3.375 -3.375 -3.375 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 37-3 38-1 38-2 38-3 39-1 39-2 39-3 40-1 40-2 40-3 |
| 20 20 20 20 22 22 22 18 18 18 |
| 23 22 22 22 23 23 23 21 21 21 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N -3.375 1.5 1.5 1.5 -1.875 -1.875 -1.875 2.25 2.25 2.25 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 41-1 41-2 41-3 42-1 42-2 42-3 43-1 43-2 43-3 44-1 |
| 23 23 23 23 23 23 25 25 25 25 |
| 24 24 24 25 25 25 24 24 24 26 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N -4.5 -4.5 -4.5 1.5 1.5 1.5 -1.875 -1.875 -1.875 5.625 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 001_ 44-2 44-3 45-1 45-2 45-3 46-1 46-2 46-3 47-1 47-2 |
| 25 25 24 24 24 24 24 24 26 26 |
| 26 26 13 13 13 26 26 26 13 13 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N 5.625 5.625 -5.625 -5.625 -5.625 1.5 1.5 1.5 -1.875 -1.875 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1_ 47-3 48-1 48-2 48-3 49-1 49-2 49-3 |
| 26 26 26 26 22 22 22 |
| 13 14 14 14 25 25 25 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------
| 1 - ( zz) |
| N -1.875 6.75 6.75 6.75 4.5 4.5 4.5 |
----------------------------------------------------------------------------------------------------

Таблица 1.3 – Максимальные значения усилий и напряжений. зафиксированные в элементах модели
Единицы измеpения усилий: T
------------------------------------------------------------------------
| МАКСИМАЛЬНЫЕ УСИЛИЯ /НАПРЯЖЕНИЯ/ В ЭЛЕМЕНТАХ |
| РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ |
------------------------------------------------------------------------
| | max + | max - |
| Имя |----------------------------------------------------------------|
| | Величина | Элем.| Сеч.| Нагp. | Величина | Элем.| Сеч.| Нагp. |
------------------------------------------------------------------------
| N 7.5 19 1 1 -7.5 16 1 1 |
------------------------------------------------------------------------


Таблица 1.4 – Перемещения узлов модели
Единицы измеpения линейных перемещений: мм
------------------------------------------------------------
| П Е Р Е М Е Щ Е Н И Я У З Л О В |
------------------------------------------------------------
| Узел Загp. X Z |
-------------------------------------------------- ----------
| |
| 1 1 1.121 -.031 |
| |
| 2 1 1.121 -1.325 |
| |
| 4 1 .055 -1.511 |
| |
| 5 1 1.066 -2.632 |
| |
| 6 1 0.969 -3.612 |
| |
| 7 1 0.151 -2.756 |
| |
| 8 1 0.275 -3.674 |
| |
| 9 1 0.845 -4.223 |
| |
| 10 1 0.708 -4.445 |
| |
| 11 1 0.412 -4.223 |
| |
| 12 1 0.55 -4.383 |
| |
| 13 1 0.57 -4.278 |
| |
| 14 1 0.673 -4.278 |
| |
| 15 1 0.261 |
| |
| 16 1 0.261 -0.816 |
| |
| 17 1 1.107 |
| |
| 18 1 1.086 -0.909 |
| |
| 19 1 0.281 -1.694 |
| |
| 20 1 0.323 -2.51 |
| |
| 21 1 1.045 -1.787 |
| |
| 22 1 0.983 -2.603 |
| |
| 23 1 0.385 -3.233 |
| |
| 24 1 0.467 -3.833 |
| |
| 25 1 0.9 -3.326 |
| |
| 26 1 0.797 -3.926 |
-------------------------------------------------------------

Таблица 1.5 – Максимальные значения перемещений. зафиксированные в узлах модели
Единицы измеpения линейных перемещений: мм
------------------------------------------------------------------------
| М А К С И М А Л Ь Н Ы Е П Е Р Е М Е Щ Е Н И Я У З Л О В |
| Р А С Ч Е Т Н О Й С Х Е М Ы |
------------------------------------------------------------------------
| | max + | max - |
| Имя |---------------------------------------------------------------|
| | Величина | Узел | Нагp. | Величина | Узел | Нагp. |
------------------------------------------------------------------------
| X 1.1209735 1 1 |
| Z -4.445684 10 1 |
------------------------------------------------------------------------


Рисунок 1.18 ‒ Эпюра продольных сил (N) и номера соответствующих конечных элементов


Рисунок 1.19 ‒ Эпюра продольных сил (N) и количественные значения зафиксированных усилий


Рисунок 1.20 ‒ Эпюра моментов (М) и количественные значения зафиксированных усилий


Рисунок 1.21 ‒ Эпюра перерезывающих сил (Q) и количественные значения зафиксированных усилий

Рисунок 1.22 ‒ Исходное и деформированное состояние модели


Рисунок 1.23 ‒ Количественные значения зафиксированных перемещений (по направлению Z) в узлах модели

Полученные параметры напряженно-деформированного состояния приняты в качестве расчетного обоснования для разработки конструктивных решений в отношении формирования параметров элементов фермы от воздействия расчетного сочетания нагрузки (см. Таблицу 1.1).

1.3. Конструктивные решения элементов стальной фермы покрытия
Расчетные значения усилий, действующих в элементах фермы покрытия от расчетного сочетания нагрузки (см. Таблицу 1.1), определяются произведением значения усилия (см. Таблицу 1.2. Рисунок 1.19) от единичной узловой нагрузки и величины нагрузки с грузовой площади размерами LxS, где:
− L = 1.5 м ― расстояние между узлами элементов верхнего пояса фермы;
− S = 6.0 м ― расстояние между смежными фермами.
Постоянная нагрузка с грузовой площади:
=29.9 кН.
Временная нагрузка с грузовой площади:
= 11.9 кН.
Расчет расчетных усилий в элементах фермы покрытия с грузовой площади приведен в Таблице 1.6.