Рамой называют каркасную плоскую систему, состоящую из элементов, обеспечивающих пролет – ригелей, и элементов, обеспечивающих высоту – стоек.
Для организации внутреннего функционального пространства плоские рамы располагаются в здании параллельно, воспринимая нагрузки от второстепенной системы настила и прогонов. Пространственная работа каркаса из рам обеспечивается путем обустройства системы вертикальных и горизонтальных связей соответственно по стойкам и ригелям. Также жесткость каркаса можно повысить примыканием к железобетонным элементам и диафрагмам.
Преимущества, которые обуславливают широкое применение рам:
В то же время рамы имеют некоторые недостатки: небольшую высоту стоек, присутствие сложных жестких узлов и ограниченность использования конструктивной формы.
Классификация рам
По статической схеме различают бесшарнирные, двухшарнирные и трехшарнирные рамы.
По абрису конструктивной формы рамы могут быть:
Выбор того или иного типа очертаний рамы зависит от функционального пространства, конструктивных и архитектурных требований.
Основы проектирования рам
Рамы относятся к конструкциям, работающим преимущественно по сечению. В ригелях и стойках рам возникают значительные изгибающие моменты, а также продольные и поперечные силы. Характерной особенностью рам является наличие жесткого карнизного узла. Элементы рам рассчитывают на прочность и общую устойчивость в плоскости и из плоскости как сжатоизогнутые, а также проверяют касательные напряжения и местную устойчивость отдельных участков сечения. Контролю также подлежат горизонтальные и вертикальные перемещения рамы, в соответствии с ограничениями по второму предельному состоянию.
Наибольшее распространение получили рамы, которые имеют наклонные ригели и вертикальные стойки, шарнирно примыкающие к фундаментам. Такие рамы также называются портальными. При этом коньковый узел выполняется, как правило, жестким для увеличения жесткости и уменьшения значений изгибающих моментов в ригеле, однако может быть и шарнирным. Такой тип рам нашел широкое применение благодаря экономичности и наибольшей функциональности в большинстве типов быстровозводимых зданий при пролетах от 20 до 70 м. Портальные рамы, пролетом до 20 м, в основном изготавливают из горячекатаных профилей, а при больших пролетах применяют сварные двутавровые сечения.
В последнее время в рамах находят все более широкое применение перфорированные профили, составные двутавры с гофрированной и гибкой стенкой. Применение эффективных сечений, рационального ломаного очертания и увеличение габаритов в карнизном узле позволяет увеличить пролет рам до 80-100 м. Для усиления ригелей и обеспечения плавности передачи усилий в жестком карнизном и коньковом узлах применяются скошенные элементы – вуты. В случае прокатных элементов вуты представляют собой подваренный тавровый профиль из того же двутавра или листов. В составных сварных профилях вуты представляют собой развитие сечения для достижения необходимых геометрических характеристик.
С точки зрения общей устойчивости каркаса, особенно в процессе монтажа, большое значение для рам имеют кровельные и стеновые прогоны, а также связи. В табл. приведены ориентировочные данные для эскизного проектирования портальных бескрановых рам. Минимальный уклон кровли, с учетом возможных прогибов и обеспечения водостока, как правило, принимается около 6°. Стойки тяжелее ригелей и их высота составляет примерно 1/5 пролета рамы. Шаг рам зависит от действующих нагрузок и принятой системы прогонов.
Рамы как конструктивный инструмент архитектурной формы
Наибольшее использование рамные конструкции нашли в одноэтажных производственных зданиях или складах, для которых актуально наличие больших свободных площадей. Архитектурные требования к конструкциям промышленных объектов обычно невысоки, однако рамы с таким же успехом могут быть использованы в несущих каркасах спортивных и демонстрационных залов, выставочных и торговых павильонов, являясь важным элементом формирования выразительности внешней и внутренней архитектурной среды. Визуальная открытость или закрытость рам в здании главным образом зависит от конфигурации каркаса и внешней формы. В свою очередь, оболочка ограждающих конструкций зависит от их типа, а также архитектурных, конструктивных и экономических требований. Так, каркас с применением рам может быть полностью расположен снаружи здания, что позволяет прозрачно показать конструктивный принцип работы рам и придать строению современный вид объекта технической среды. И, наоборот, рамы могут быть полностью расположены внутри оболочки здания, что дает дополнительные возможности выражения и организации внутреннего пространства. Помимо этих противоположных решений, частичное взаимопроникновение рам и ограждающих конструкций позволяют получить дополнительный спектр желаемых визуальных эффектов.
На схемах показаны основные типы рам по способу взаимодействия с внутренним функциональным пространством. Поскольку рамные конструкции главным образом проектируются для производственных и складских быстровозводимых зданий, в них часто организовываются внутренние антресольные либо внешние пристроенные этажи для размещения вспомогательных, административных и бытовых помещений. Такие этажи могут быть созданы в балочных перекрытиях между рамами либо возведены на собственных несущих конструкциях. Кроме того, дополнительные перекрытия могут потребоваться для оборудования или организации производственного процесса в нескольких уровнях. Для обслуживания производственного процесса в промышленных предприятиях применяется подвесное грузоподъемное оборудование, которое может крепиться к ригелям рам в виде крановых балок – тельферов, либо мостовое, имеющее подкрановые пути, организованные на стойках каркаса. К несущим конструкциям рам может быть присоединено различное транспортное и вспомогательное оборудование.
Для внутреннего естественного освещения основного пространства и антресольных этажей могут быть эффективно применены зенитные фонари, шедовые покрытия и солнцеводы. Двух- и более пролетные рамы проектируют по принципу чередования, когда поперечники имеют общую стойку в местах сопряжения. Для экономии внутреннего пространства в многопролетных рамах шаг внутренних стоек может быть разрежен. При этом в местах отсутствия стоек под ригели подводятся подстропильные балки или фермы, которые передают нагрузку на оставшиеся стойки, сечение которых соответственно должно быть увеличено.
Большепролетные рамы, как правило, кроме вутов, имеют переменное сечение и изменяемый угол наклона ригеля, который формируется из отдельных линейных элементов разной жесткости. Ригель ломаного очертания приближает работу рам к арочным конструкциям и дает свободу в организации архитектурной формы. Вместо наклонных ригелей могут быть также использованы криволинейные. Радиус изгиба при этом должен позволять установку ограждающих конструкций кровли. Гибка ограждающих элементов может быть выполнена на заводе либо непосредственно на строительном участке. Последнее может оказаться невыполнимым для некоторых систем ограждающих конструкций, имеющих значительную жесткость, например, для толстых многослойных панелей.
Наглядный пример достижения архитектурной выразительности за счет рам каркаса, выступающих за пределы оболочки здания, представлен на рис. В данном случае перфорированный ригель и стояки переменного сечения подчеркивают легкость конструкции, сохраняя при этом свою первичную конструктивную функцию.