Прогоны сплошного сечения

Общие сведения

Покрытия зданий предназначены для защиты от атмосферных воздействий (дождя, снега, ветра), для крепления путей подвесного транспорта (кранов, тельферов) и конвейеров, поддержания трубопроводов, вентиляционных шахт, крепления подвесных потолков и приборов освещения и т.п..

 

Покрытие.

Покрытия зданий подразделяются на:

· утепленные покрытия отапливаемых зданий;

· неутепленные покрытия неотапливаемых зданий и зданий с технологией, связанной с повышенным тепловыделением (доменные цеха).

Покрытия состоят из ограждающих и несущих конструкций.

 

Ограждающие конструкции:

· железобетонные плиты;

· металлические или асбестоцементные листы, панели;

· пароизоляция, теплоизоляция, гидроизоляция и т.п.

 

Несущие конструкции:

· прогоны;

· стропильные и подстропильные фермы, балки;

· фонари, связи;

· пространственные, висячие, предварительно напряженные конструкции и т.п.

Покрытие здания выполняется с применением прогонов или без них. В беспрогонном покрытии ограждающая конструкция (железобетонная плита) опирается на верхний пояс фермы при пролете ограждающей конструкции 6 или 12 м (до 18 м) (Рис.1а). При прогонной схеме покрытие состоит из прогонов, которые опираются на фермы. На прогоны укладывают мелкоразмерные кровельные плиты, листы, настилы, при этом пролет ограждающих конструкций (шаг прогонов) 1,5 – 3 м (Рис.1б).

Прогоны опираются на стропильные фермы или балки, которые опираются на колонны. Конструкция покрытия включает в себя системы связей, которые воспринимают горизонтальные усилия от ветровых и сейсмических нагрузок и обеспечивают устойчивость покрытия в целом.

Данная работа посвящена только плоскостным конструкциям покрытия по прогонам.

 

Рис.1 Схемы покрытий.

а – беспрогонное; б – по прогонам; 1 – стропильные фермы; 2 – прогоны; 3 – кровельный настил; 4 – крупнопанельные плиты.

 

Конструкция покрытия по прогонам.

Прогоны устанавливаются в узлы верхнего пояса стропильной фермы. В качестве прогонов применяются прокатные балки, гнутые профили /10/ либо сквозные конструкции (при шаге ферм более 6 м). На прогоны укладывают мелкоразмерные кровельные элементы (настил).

 

Настилы

Настил - это конструкция, которая покрывает пространство между прогонами.

На прогоны укладываются:

· стальной профилированный настил (Рис.2);

· стальной плоский настил /10/;

· мелкоразмерные керамзитобетонные плиты (см. курс железобетонные конструкции);

Рис.2 Кровля со стальным профилированным настилом.

а – профилированный настил; б – комбинированная заклепка; в – узел кровельного покрытия; 1 – стальной стержень; 2 – алюминиевая втулка; 3 – самонарезающий болт; 4 – комбинированная заклепка; 5 - уголок коротыш.

· мелкоразмерные армоцементные плиты (см. курс железобетонные конструкции);

· мелкоразмерные асбестоцементные плиты (см. курс конструкции из дерева и пластмасс);

· трехслойные панели типа сэндвич.

Профилированный настил (рис.2) изготавливают из оцинкованной рулонной стали толщиной t = 0.8; 0.9; 1 мм; высота профиля h = 40; 60; 80 мм; ширина В = 680; 711; 782 мм; длина до 12 м.

Профилированные листы укладывают на прогоны, расположенные через 3 – 4 м. при шаге стропильных ферм 4 м настил может опираться на фермы.

Настил крепится к прогонам самонарезающими болтами d = 6 мм (ТУ 34-5815-70). Между собой листы соединяются комбинированными заклепками. Масса настила 10 – 15 кГ/м².

 

Холодные кровли выполняют из:

· волнистых асбестоцементных листов;

· волнистых и плоских стальных листов;

· волнистых алюминиевых листов.

Листы укладываются на прогоны, расположенные с шагом 1,25 – 1,5 м. Масса асбестоцементных листов в среднем 20 кГ/ м². Стальные волнистые листы изготавливают из холоднокатаной стали толщиной 1 – 1,8 мм. Высота волны h =30; 35 мм. Масса листов 15 – 20 кГ/ м². Алюминиевые волнистые листы имеют толщину 0,6 – 1,2 мм, массу 5 – 7 кГ/ м². Волнистые листы крепятся к прогонам с помощью специальных упругих кляммеров или крюков из круглой стали (рис. 3)

При применении кровель из плоских стальных листов. Стыки между листами сваривают сплошными швами с использованием автоматической сварки. Уклон кровли из плоских листов 1/8 – 1/12. толщина листов 3 – 4 мм.

Для обеспечения водоотвода:

· нахлест листов друг на друга 150 -200 мм;

· уклон кровли для асбестоцементных листов более 25% (¼) - без уплотнения швов, более 16 % - при уплотнении швов, более 8% - для районов с сухим жарким климатом с уплотнением швов теплостойкими мастиками;

· уклон кровли для стальных и алюминиевых листов более 1/6;

Против электрохимической коррозии:

· используют специальные грунтовки;

· изолирующие прокладки;

· стальные метизы для крепления листов оцинковывают или кадмируют.

 

Рис.3 Узлы крепления волнистых (а) и плоских (б) стальных листов к прогонам.

1 – гнутый лист t = 8-10 мм; 2 – кляммеры; 3 – волнистые листы; 4 – стальной лист t = 3-4 мм; 5 – верхний пояс стропильной фермы.

 

Теплые кровли (рис. 4) выполняют из:

· профилированного стального настила;

· парогазоизоляционного слоя (один слой рубероида на битумной мастике);

· теплоизоляционный слой;

· защитный слой (асфальтовая стяжка или цементная стяжка 20 мм);

· водоизоляционный ковер (три слоя рубероида на кровельной мастике);

· защитный слой из гравия на битумной мастике.

 

Рис. 4. Теплая кровля.

 

В качестве утеплителя используют жесткие плиты толщиной 30 - 50 мм из полимерных материалов или плиты повышенной жесткости из минеральной ваты или стеклянного волокна на полимерной связке.

 

Прогоны

Прогоны воспринимают нагрузку от кровли (настила) и передают ее на стропильные конструкции.

Прогоны бывают:

· сплошного сечения (при шаге ферм до 6 м);

· решетчатого сечения (при шаге ферм более 6 м).

Прогоны сплошного сечения изготавливаются из прокатных швеллеров, реже из двутавров, из гнутых профилей швеллерного, С – образного и Z – образного сечения (рис.5)

Рис.5 Типы сечений прогонов.

а – прокатные; б – гнутые; в – составные (по коньку или в ендовых).

 

Гнутые прогоны могут применяться:

· при легкой кровле;

· при небольших снеговых нагрузках;

· при пролете прогона (шаге ферм) от 6 до 12 м.

Прогоны решетчатого сечения применяются при больших нагрузках и значительных пролетах. По типу они бывают:

· в виде перфорированного двутавра (сквозного двутавра) (рис.6).

Изготавливается из сплошного двутавра путем зигзагообразного раскроя стенки

· в виде фермы.

 

Прогоны сплошного сечения

а). Расчетная схема.

Расчетная схема сплошных прогонов это разрезная или неразрезная балка. При малоуклонной кровле (i = 1,5%) прогон работает, как обычная прокатная балка на вертикальную нагрузку, расчет и конструирование которой приведен в Методических рекомендациях /10/.

Рис.6 Перфорированный прогон

а – перфорированный прогон; б – схема раскроя стенки прокатного двутавра для перфорированного прогона.

 

При кровле с большим уклоном прогоны работают на изгиб в двух плоскостях (косой изгиб) (рис.7,а).

Для уменьшения изгибающего момента в прогоне относительно плоскости y-y прогоны раскрепляют тяжами из круглой стали диаметром 18 – 22 мм. (рис.7,б). Тяжи работающие в плоскости y-y для прогона, изменяют его расчетную схему и превращают его в неразрезную балку относительно плоскости y-y (рис.7,в). Тяжи устанавливаются между всеми прогонами кроме конькового. В коньке тяжи закрепляются к стропильной ферме или к коньковому прогону у опоры. В коньке устанавливаются спаренные прогоны, соединенные между собой.

б). Нагрузки.

Вертикальная нагрузка q на прогоне от кровли может быть разложена на q_х, действующую в плоскости х-х и q_y, действующую в плоскости y-y.

 

Рис.7 Прогон на скатной кровле

а – сечение прогона, расположенного на наклонной плоскости; б - раскрепление прогона тяжами в плоскости y-y; в – расчетные схемы прогона в плоскостях х-х и y-y ; 1 – верхний пояс фермы; 2 – прогоны; 3 – тяжи.

Вертикальная нагрузка на прогон

 

(1)

где q_кр – расчетная нагрузка от веса 1 м² кровли, кН/ м²,(табл.1); α – угол наклона кровли к горизонту; где s_o=(0,5÷2,5) кН/м² - нормативное давление снега на 1м² горизонтальной поверхности земли, принимается по п. 5.2/2/ в зависимости от района строительства; γ_f=(1,4÷1,6) коэффициент надежности по нагрузке принимается по п. 5.7/2/(В некоторых нормативных источниках приводятся расчетные значения снеговой нагрузки, в этом случае принимается расчетное значение вместо произведения = s_o γ_f); μ - коэффициент перехода от веса снегового покрова на уровне земли к снеговой нагрузке на покрытии, принимается по п.п.5.3-5.6/2/. Коэффициент μ рекомендуется применять для прогонов, расположенных в местах возможного увеличения снегового покрова (снеговые мешки); а – расстояние между прогонами, м; ρ_п = (0,02–0,04)q – собственный вес прогона, кН/м.

 

Нагрузки, действующие на прогон в плоскости х-х и y-y

 

и (2)

 

в). Статический расчет.

Статический расчет прогона производится по правилам строительной механики (рис.7) /8/. Необходимо построить эпюры моментов в плоскостях х-х, y-y и поперечных сил.

 

г). Подбор сечения.

Подбор сечения прогона производится по методике приведенной в Методических рекомендациях /8/. Одним из вариантов сечения прогонов может быть конструктивное решение, приведенное на рис. 8.

 

д). Проверки прочности и жесткости.

Проверка прочности прогона при изгибе в двух плоскостях в упругой стадии:

 

(38/1/) (3)

 

 

Рис.8 Примеры конструкций прогонов совмещенных с настилом

1 – лист; 2 – ребро; 3 – гнутый лист.

 

допускается учитывать развитие пластических деформаций по сечению, тогда:

 

(40/1/), (4)

где W_x , W_y – моменты сопротивления прогона относительно осей х-х и y-y; с_x =(1,19-1,04), с_y =1,47 – коэффициенты учитывающие развитие пластических деформаций по сечению (табл.66/1/); R_y – расчетное сопротивление стали прогона (табл.51/1/) в зависимости от ее марки. Прогон относится к третьей группе конструкций (табл.50/1/).

 

Прочность прогона допускается проверять только на нагрузку q_х в случае крепления кровельного настила к прогонам:

· жестко сварными швами;

· самонарезающими болтами и листы соединены между собой заклепками.

В этом случае скатная сила q_y воспринимается кровлей, тяжи устанавливать не требуется, общая устойчивость прогонов в плоскости y-y обеспечивается.

 

Проверка предельного прогиба производится от нормативной нагрузки q^н_х, действующей в плоскости х-х .

 

(5)

где f _x – прогиб прогона в плоскости х-х от действия нормативной нагрузки q^н_х, определяется по правилам строительной механики /10/; [f] =(l/150 – l/200)– предельно допустимый прогиб (табл.19/2/).

 

е). Крепление прогонов к верхним поясам ферм выполняется при помощи уголков коротышей, планок, гнутых элементов из листовой стали и т.п. (рис. 2; 3).

 

Решетчатые прогоны

При шаге стропильных ферм более 6 м применяются:

· сквозные прогоны (двутавр с перфорированной стенкой) (рис.6, 9, 10, 11);

· тонкостенные сварные прогоны (рис.12)

· сквозные прогоны (решетчатые прогоны) (рис.13).

Решетчатые прогоны могут иметь разнообразные конструктивные решения.

Рис. 9. Компоновка сквозного двутавра.

а – схема роспуска исходного двутавра (заготовки); б – схема готового сквозного двутавра; в – вставка из полосы;

 

Рис.10 Компоновка сквозного двутавра с симметричным относительно середины двутавра расположением отверстий в стенке.

а – схема роспуска исходного двутавра (заштрихована отрезаемая часть заготовки); б – схема готового сквозного двутавра.

 

Наиболее оптимальным, рекомендуется трех панельный прогон. Верхний пояс этого прогона образован из двух швеллеров, остальные элементы состоят из одного швеллера, узловые соединения – на дуговой сварке или контактной сварке.

Решетчаты прогоны рассчитывают, как фермы с неразрезным верхним поясом. Верхний пояс при этом работает на сжатие с изгибом, остальные элементы работают на продольные усилия растяжение или сжатие (подробный расчет ферм приведен ниже).

 

Рис.11 Компоновка бистального сквозного двутавра (верхний пояс из малоуглеродистой стали, нижний пояс из стали повышенной прочности)

а, б – схемы роспуска исходного двутавра соответственно для верхнего и нижнего пояса; в – схема готового бистального сквозного двутавра; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 – стороны двутавра в момент раскроя и после соединения.

Рис 12 Тонкостенная балка.

Тонкая стенка при потере устойчивости образует волну, которая совместно с поперечными ребрами жесткости превращает балку в раскосную ферму

 

Рис13 Решетчатые прогоны.

а, б, в – схемы прогонов; г – узлы.

Связи покрытия.

Связи – это важнейший элемент здания, которые необходим для:

· обеспечения пространственной жесткости каркаса здания;

· обеспечения устойчивость ферм;

· восприятия горизонтальных ветровых нагрузок;

· восприятия горизонтальных сейсмических нагрузок;

· восприятия горизонтальных крановых нагрузок;

· обеспечения правильности установки конструкций в вертикальное положение при монтаже.

Система связей состоит из:

· горизонтальных связей по нижним поясам ферм;

· горизонтальных связей по верхним поясам ферм;

· вертикальных связей.

· распорок, растяжек, прогонов.

Связи по покрытию и формы потери устойчивости поясов приведены на рис. 14.

В скатных кровлях при покрытии из сборных железобетонных плит, связи по верхнему поясу стропильных ферм могут отсутствовать. Железобетонные плиты приваренные к верхнему поясу стропильных ферм с замоноличенными стыками образуют жесткий диск, который обеспечивает устойчивость покрытия в целом.

 

Температурный блок

Температурный блок это часть здания, расположенного между температурными швами. Система связей покрытия располагается в пределах одного температурного блока. Устойчивость конструкций здания в пределах температурного блока обеспечивается связевыми блоками по фермам (СБФ), которые между собой соединяются распорками, растяжками, прогонами. Пример схемы расположения связей покрытия в температурном блоке приведен на рис. 15.

В пределах одного температурного блока в конструкции покрытия устанавливают СБФ: два по торцам здания и один в средней части здания. Остальные фермы крепятся к СБФ распорками, растяжками, прогонами. В случае, когда длина или ширина здания превышают предельные размеры температурного блока здание разбивается на несколько температурных блоков с размерами не превышающих допустимые (рис.16). Предельные размеры температурного блока приведены в табл.1 (табл.42/1/). В случае, когда здание короткое в средней части покрытия может быть установлен один СБФ, или два по торцам при этом должны выполняться условия табл.1.

Рис.14 Связи по покрытию и формы потери устойчивости поясов.

1 – ферма; 2 – прогоны; 3 – горизонтальные связи; 4 - горизонтальные связи по верхним поясам ферм; 5 – горизонтальные связи по нижним поясам ферм; 6 – вертикальные связи; 7 – пространственный блок (связевый блок); 8 – возможная форма потери устойчивости верхнего пояса фермы.