Металлические каркасные здания и сооружения

Задание.doc

Механическая мастерская
Грузоподъемность = 30т.
Отметка головки рельса = 12.25м.
Давление колеса на крановый рельс
Общий вес крана = 67.5 т.

МеталКаркасЗдания.doc

Инженерно-строительный факультет
Кафедра Энергетических и промышленно-гражданских сооружений.
Пояснительная записка
к разделу комплексного проектирования по дисциплине
“Металлические каркасные здания и сооружения”
Объемно планировочные решения здания4
1. Компоновка цеха металлоконструкций4
2. Высотная компоновка проектируемого здания по металлоконструкциям4
2.1. Выбор грузоподъемности и количества мостовых кранов и определение крановых габаритов4
2.2. Определение отметки головки рельса подкрановой консоли и высоты колонны 5
3. Конструкции каркаса здания5
3.1. Выбор стропильных конструкций и связей и их описание5
3.2. Выбор и описание элементов стеновых и оконных панелей6
3.3. Назначение формы и размеров поперечного сечения колонн и ригелей.6
Расчет усилий в элементах каркаса здания при статических воздействиях9
1. Выбор и обоснование расчетной схемы и метода расчета9
2. Нагрузки действующие на раму каркаса и их сочетания10
3. Расчет усилий в элементах рамы и построение комбинаций усилий в расчетных сечениях11
Расчет несущей способности элементов каркаса12
Приложение 1. Разбивка рамы на узлы и элементы. Составление таблиц по геометрии и топологии15
Приложение 2. Сбор нагрузок16
Приложение 2.1. Постоянные нагрузки16
Приложение 2.2. Крановые нагрузки19
Приложение 2.3. Снеговые нагрузки20
Приложение 2.4. Ветровые нагрузки22
Приложение 3. Результаты расчета усилий в элементах рамы каркаса24
Приложение 3.1. Составление сводной таблицы усилий в расчетных сечениях24
Приложение 3.2. Комбинации усилий и построение огибающих эпюр M и N27
Приложение 4. Расчет несущей способности ступенчатой решетчатой колонны29
Приложение 4.2. Определение расчетных длин участков колонны30
Приложение 4.3. Проверка устойчивости верхней части колонны в плоскости31
Приложение 4.4. Расчет устойчивости нижней части ступенчатой колонны31
Приложение 4.4.1. Разбивка панелей соединительной решетки31
Приложение 4.4.2. Проверка устойчивости ветвей колонны32
Приложение 4.4.3. Расчет усилий в стержнях соединительной решетки32
Приложение 4.4.4. Расчет нижней части колонны на устойчивость как сквозного сжато-изгибаемого стержня33
Объемно планировочные решения здания.
1.Компоновка цеха по металлоконструкциям.
Плановые размеры приведены в начальных условиях для проектирования. Состоят из: одноэтажного однопролетного здания с пролетом 36 метров с шагом 12 метров длины здания равной 60 метров и высотой колонны 156 метра. Тип фермы принимается типовой с прогонным видом покрытия.
2.Высотная компоновка главного корпуса.
Высотная компоновка определяется прежде всего габаритами и размещением оборудования условиями его эксплуатации и монтажа а также выбором отметки пола по отношению к планировочной отметке.
2.1.Выбор грузоподъемности и количества мостовых кранов и определение крановых габаритов.
Берем заданную в задании грузоподъемность крана равную 30 тоннам. По этим данным принят кран типа КМ-30. При этом привязка колонн к координационным осям составит а=250мм. Привязки будут одинаковыми для обеих колонн (симметричны). Конструктивная схема поперечной рамы каркаса на примере ТО представлена на рис. 1.
Все необходимые данные полученные из нормативных документов по крановым габаритам сведены в таблицу 1.
Давление на крановый рельс
2.2.Определение отметки головки рельса подкрановой консоли и высоты колонны.
Принимаем отметку головки подкранового рельса для мостового крана с грузоподъемностью 30т равной 1225 метров согласно выданному заданию.
Тогда высота верхней части колонны:
Нв=в.к. - п.к.=156-105=51 м
Высота нижней части колонны:
3.Конструкции каркаса здания.
3.1.Выбор стропильных конструкций и связей и их описание.
Несущие конструкции покрытий унифицированы для условий блочного монтажа. При этом применяются плоские унифицированные по серии ФС24-1140 фермы полигональные и высотой на опоре hоп=2200мм. Пролет фермы lф=36м. Вид решетки показан на рис. 2.
Размер блока полной заводской готовности 1236м. В состав блока входят 2 плоские фермы с системой связей и распорок кровельные плиты – покрытия полной заводской готовности а также кровельный ковер с гравийной засыпкой.блока заводской готовности 45т.
В дальнейшем при разработке расчетной схемы сквозной ригель заменяется стержнем эквивалентной жесткости.
Пространственная жесткость здания в целом обеспечивается постановкой связей в продольном направлении – вертикальными и диагональными связями по колоннам (установлены в крайних пролетах и в середине здания) горизонтальными и вертикальными связями между фермами продольными балками-распорками дисками покрытия и подкрановыми балками.
3.2.Выбор и описание элементов стеновых и оконных панелей.
В качестве стеновых панелей приняты панели типа ПСЯ толщиной 200мм с γ=1050кгм3. В таком случае gспн=γ*=1050*02=021тсм2.
Оконное заполнение принято унифицированное в виде световой панели с двойным остеклением. Вид световой панели показан на рис. 3. В первом приближении коэффициент светового заполнения принят k=08.
3.3.Назначение формы и размеров поперечного сечения колонн и ригелей.
На данном этапе назначение формы и размеров колонн и ригелей рассматривается как предварительное так как усилия в элементах каркаса от действующих нагрузок пока еще не определены.
Рис. 4. Схема поперечной рамы каркаса с указанием типов применяемых сечений.
Сечение 1-1. используем прокатный двутавр № 45Б1
Проверка на жесткость hBHB≥112
Так как геометрические характеристика фермы неизвестны то заменяем ферму сплошным стержнем с эквивалентной изгибной жесткостью и совпадение оси с осью нижнего пояса фермы
Iр =4·5691022=22764088 cм4
Сечение 2-2. принимаем прокатный двутавр № 45Б1
Iy2-2=2(10060+4953*461252)=5691022 cм4
Проверка на жесткость hнHн≥122
ЕIy2-2= 1195115 тсм2
Рис. 7.2.Расчет усилий в элементах каркаса здания при статических воздействиях.
1. Выбор и обоснование расчетной схемы и метода расчета.
Сбору нагрузок и выполнению дальнейших расчетов плоской рамы каркаса предшествует построение расчетной схемы т.е. представление реального объекта в виде идеализированной схемы выполненной по геометрическим осям стержней проходящим через центры тяжести назначенных на предварительном этапе сечений элементов. При этом несовпадение центров тяжести верхней и нижней частей колонны учитывается в дальнейшем при подсчете вертикальных нагрузок. Заделка колонн в фундаменты принимается на уровне обреза фундамента т.е. на уровне низа плиты базы колонны. Ферма заменяется сплошным стержнем эквивалентной жесткости ось которого совпадает с осью нижнего пояса фермы. Сопряжение ригеля (сплошного стержня) с колонной принято шарнирным. Узлы сопряжения ригелей междуэтажных перекрытий этажерки с колоннами - жесткие.
Выбор расчетной схемы тесно связан с выбором метода расчета который используется при определении усилий в данной стержневой системе. Действительные усилия в элементах всегда отличаются от полученных в результате даже самого точного расчета. Для рам это связано главным образом с идеализацией условий опирания и сопряжения элементов рамы при составлении расчетной схемы. При расчете это учитывается введением соответствующих коэффициентов условий работы.
В рамках принятой расчетной схемы достаточно точный результат дает метод конечных элементов в варианте перемещений. Для определения усилий используется вычислительный комплекс SCAD.
Принятая расчетная схема показана на рис. 8.
Разбивка рамы на узлы и элементы представлена в П.1.
2. Нагрузки действующие на раму каркаса и их сочетания.
Поперечные рамы каркаса проектируются на действие следующих нагрузок:
-собственный вес элементов рамы
-крановые горизонтальные и вертикальные нагрузки
Нагрузки от собственного веса элементов рамы являются постоянными вертикальное давление от мостовых опорных кранов с пониженным нормативным значением снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением – временными длительно действующими нагрузки от технологического оборудования в переходный период крановые нагрузки с полным нормативным значением снеговые нагрузки с полным нормативным значением ветровые нагрузки – временными кратковременными. При рассмотрении нагрузок строятся основные сочетания. В данном курсовом проекте рассматривается одно сочетание нагрузок.
Это сочетание является наихудшим что известно из опыта проектирования. При этом введены следующие коэффициенты сочетания нагрузок:
для постоянных нагрузок (собственный вес элементов рамы) - =1
для временных кратковременных: крановые нагрузки – =1
ветровые нагрузки – =08
снеговые нагрузки – =06
Сбор нагрузок выполнен в П.2.
3. Расчет усилий в элементах рамы и построение комбинаций усилий в расчетных сечениях.
Расчет усилий в элементах рамы осуществлен методом конечных элементов в варианте перемещений с использованием вычислительного комплекса SCAD. Результаты расчета представлены в П.3. В П.3.1. составлена сводная таблица усилий. Таблица составляется для выбранных трех расчетных сечений (см. рис.9.).
В П.3.1. также представлены эпюры усилий M и N для каждого вида загружения построенные с учетом коэффициентов сочетаний на колонне крайнего ряда. Все это необходимо для построения комбинаций усилий. В нашем случае будем рассматривать 2 комбинации для одного сочетания нагрузок. Первая комбинация строится когда суммируются изгибающие моменты М+max и М -min и соответствующие им Nmax и Nmin. Вторая комбинация строится когда суммируются Nmax и Nmin и соответствующие им M+max и M+min. Цель построения комбинаций – определение наиневыгоднейших максимальных положительных и отрицательных значений суммарных усилий в данных сечениях.
При построении комбинаций все постоянные и временные длительные усилия учитываются во всех комбинациях. И во всех сечениях усилия от кратковременных нагрузок учитываются если они приводят к увеличению M+max или уменьшению M-min в алгебраическом смысле усилия от вертикальной крановой нагрузки могут учитываться без усилий от горизонтальных сил торможения но не наоборот.
Результатом построения таблиц комбинаций являются огибающие эпюр усилий которые представлены в П.3.2.
Расчет несущей способности элементов каркаса.
Рассматривается ступенчатая колонна крайнего ряда рамы каркаса имеющая верхнюю часть в виде стержня сплошного постоянного по высоте сечения (двутавра) и нижнюю часть в виде сквозного стержня также постоянного по высоте сечения. По результатам выполненного расчета имеем что колонна подвергается совместному действию сжатия и изгиба. В связи с этим основной проблемой является проблема обеспечения устойчивости этого стержня от продольного изгиба.
Как известно при проверке устойчивости в первую очередь определяют расчетную длину стержня lef=l.
Для определения коэффициента примем ряд упрощений:
не будем учитывать влияние неравномерности загружения и жесткости соседних колонн;
расчетные длины определим для одной наиневыгоднейшей комбинации усилий полученные значения используем затем и для других комбинаций;
идеализируем характер соединения элементов (заделка шарнир).
Из четырех существующих схем закрепления верхнего края колонны подходящей является схема с шарнирно неподвижным верхним краем (см. рис. 10.).
Устойчивость ступенчатой колонны рассматриваем как устойчивость верхней и нижней частей по отдельности. Последовательность проверки устойчивости ступенчатой колонны следующая:
определяются наиневыгоднейшие комбинации усилий для каждого участка по отдельности (см. П. 4.1.);
определяются условия закрепления краев колонны и расчетные длины в плоскости и из плоскости действия момента (см. П. 4.2.);
выполняется проверка устойчивости верхней части колонны в плоскости действия момента (см. П. 4.3.);
выполняется проверка устойчивости верхней части колонны из плоскости действия момента (в курсовом проекте не выполняется);
выполняется проверка местной устойчивости стенок и полок для двутаврового сечения (в курсовом проекте не выполняется);
выполняется проверка устойчивости нижней сквозной части колонны:
а) выполняется разбивка панелей соединительной решетки (см. П. 4.4.1.);
б) выполняется проверка устойчивости ветвей колонны в плоскости и из плоскости действия момента (см. П. 4.4.2.);
в) выполняется расчет усилий в стержнях соединительной решетки для подбора их сечения (см. П. 4.4.3.);
г) выполняется расчет устойчивости нижней части колонны как сквозного сжато-изгибаемого стержня в плоскости действия момента (см. П. 4.4.4.)
конструирование и расчет элементов соединения верхней и нижней частей колонны (в курсовом проекте не выполняется).
Все необходимые расчеты приведены в П. 4. Для основных элементов принята сталь С255 с расчетным сопротивлением по пределу текучести Ry=3250 кгссм2 для второстепенных элементов – стали обычных строительных марок (Ст3пс с Ry= 2450кгссм2).
Приложение 1.Разбивка рамы на узлы и элементы.
Составление таблиц по геометрии и топологии
В качестве расчетного метода для рассматриваемой плоской стержневой системы – поперечной рамы каркаса цеха МК выбран метод конечных элементов в перемещениях. Расчет осуществляется с помощью вычислительного комплекса SCAD.
При решении поставленных задач с использованием МКЭ в качестве конечного элемента принят прямолинейный стержень постоянного поперечного сечения с жесткими или шарнирными узлами. В соответствии с этим на рис. 11. показана разбивка рамы на узлы и элементы.
Конечно-элементная схема представлена 5-тью конечными элементами соединенными в 6-ти узлах. Для удобства ввода данных в SCAD составим таблицу координат и таблицу жесткостей:
Таблица координат узловТаблица жесткостей элементов
Приложение 2.Сбор нагрузок
Приложение 2.1.Постоянные нагрузки
При расчете поперечной рамы каркаса ГК к постоянным нагрузкам относятся собственный вес кровельного покрытия ферм и связей вес панелей навесного стенового ограждения вес колонн и подкрановых балок а также вес ригелей плит и элементов междуэтажных перекрытий. Постоянные нагрузки действующие на раму показаны на рис. 12.
Нагрузки от собственного веса кровельного покрытия ферм и связей определены по данным о массе укрупненных блоков полной заводской готовности. Нагрузка от веса элементов покрытия прикладывается в виде сосредоточенных сил GпА и GпБ в узлы в местах опирания ферм на колонны. Линия действия этих сил совпадает с геометрической осью сечения верхней части колонны.
GпА=GпБ=05*Gбл*γf=05*45*11=235тсгде Gбл=45тс – вес монтажного блока полной готовности; γf=11 – коэффициент надежности по нагрузке.
Собственный вес верхней части колонны в пределах высоты Нв. Силы GвкА и GвкБ приняты приложенными как и силы GпА и GпБ.
GвкА=GвкБ=Нв*Ав*γ*γf=51*7623*785*11*10-4=03357 тсгде Ав=7623 см2 (7623*104 м2)– площадь поперечного сечения верхней части колонны; γ=785тсм3 – объемный вес стали.
Собственный вес стеновых панелей в пределах высоты Нв высоты опорной части фермы hоп=220м и парапетной части hп=09м. Силы GвсА и GвсБ приняты приложенными в узлы на уровне подкрановой консоли и направлены по линии действия совпадающей с геометрической осью сечения нижней части колонн.
GвсА=GвсБ=(Нв+hоп+hп)*Вк*gса*γf*k=(51+220+09)*12*021*11*09=2046 тс
где gса=γсп*сп=105*02=021тсм2; γсп=105 тсм3- объемный вес ячеистых стеновых панелей; сп=200мм – толщина стеновых панелей; Вк=12м – шаг рам в продольном направлении; k=09 – коэффициент стенового заполнения.
Собственный вес подкрановой балки по колоннам рядов А и Б. Сила GпбА приложена в узел на уровне подкрановой консоли и направлена по оси подкрановой балки совпадающей с осью сечения подкрановой ветви нижней части колонны. Сила GпбБ приложена также как и GпбА только по ряду Б.
GпбА=GпбБ=Вк*Апб*γ*γf=12*270*785*11*10-4=279774 тс где Апб =23*2+160* *14=270 см2 – площадь поперечного сечения подкрановой балки
Собственный вес нижней части колонны в пределах высоты Нн.
GнкА=GнкБ=Нн*Ан*γ*γf=105*15246*785*11*10-4=138 тс где Ан=1524см2 – площадь поперечного сечения нижней части колонны.
Собственный вес навесных панелей стенового ограждения в пределах высоты Нн. Сила GнсА принята приложенной в виде местной сосредоточенной силы на уровне середины высоты Нн по оси сечения стеновой панели. Определена сила в предположении что стеновые панели навешены на колонны по всей высоте Нн. Сила также создает момент с плечом есА (см.рис.П.2.2.)
GнсА=GнсБ=Нн*Вк*gса*γf*k=105*12*021*11*09=2619тс
МнсА=МнсБ=05*GснА*есА=05*2619*051=6678 тс*м.
Определим сосредоточенные моменты МGА и MGБ возникающие вследствие внецентренного действия сил и приложенные в узел на уровне подкрановой консоли колонны А и Б соответственно (см. рис. 13.):
МGA=МGБ=(GпА+GвкА)*екА+GвсА* *есА-GпбА*епбА=(235+03357)* 0379 +2046*0445-2798*07=1618 тс*мгде екА=екБ=05*(hн-hв)=05* *(1190-0433)=03785 м; есА=есБ= 05*(hкн+сп)=05*(490+400)=0445 м; епбА=епбБ=05hн=05*1400=07м.
Найденные силы и моменты суммируются в узлах в соответствии с принятой нумерацией в конечно-элементной схеме рамы с учетом направлений их действия
Окончательные результаты подсчета собственных весов элементов рамы занесены в табл. 7. в строки соответствующие первому загружению.
Приложение 2.2.Крановые нагрузки
При работе опорного мостового крана на крановый рельс и далее на элементы каркаса цеха МК в общем случае передаются силы трех направлений.
Вертикальная сила Рk. Сила зависит от массы крана массы груза на крюке крана и положения грузовой тележки на крановом мосту. Наибольшее вертикальное нормативное давление на одно колесо Рk ma nc=085 – коэффициент сочетаний при работе двух кранов; Yi – ордината линии влияния под силой Pk max определяемая из подобия треугольников.
Для нашего случая (см. рис. 14):Y1=1; Y2=06034; Y3=0134; Y4=0687.
Силу Pk max Pk min принимаем из таблицы 1 крановых габаритов
Dmax=γа*тс*хЗ1*(Н1+Н3)+З*(Н2+Н4)ъ=11*085*х360*(1+0134)+128*(0602+ +0687)ъ=5360 тс
Далее приняв=(Q+Gкр+Gтел)2(Р1+Р)-1=(30+565+12)2(360+128)-1=00922 находим расчетную силу Dmin=Dmax=00922*5360=494 тс.
Силы Dmax и Dmin приложены по оси подкрановой балки на уровне подкрановой консоли поэтому передают на колонны сосредоточенные моменты:
МmaxA=MmaxБ=Dmax*eпб=5360*07=3752 тс*м
MminA=МminБ=Dmin*eпб=494*07=3458 тс*м
Горизонтальная сила Т возникает при торможении и начале движения с места грузовой крановой тележки. Эта сила считается приложенной к головке подкранового рельса и на этом же уровне тормозными конструкциями передается на колонну поровну распределяясь между колесами моста крана. При этом принимается что она приложена только к одной стойке причем к той где действует Dmax. Полную расчетную горизонтальную силу Т можно определить с помощью линии влияния при тех же самых расположениях колес:
Т=γf*n0*Tk*SYi=11*085*105*(1+0134+0687+0602)= 238 тс где Tk=0.05(Q+ +Gтел)n0=005*(30+12)2=105тс – нормативная горизонтальная сила приходящаяся на одно колесо одного крана.
Продольная горизонтальная сила Fk возникает от трения колес о рельс и от сил торможения моста крана вдоль здания и при расчете плоской поперечной рамы каркаса не рассматривается.
Таким образом при расчете на крановые нагрузки учитываем 6 возможных схем загружения. Результаты расчета крановых нагрузок внесены в табл. 7. в строки соответствующие 2 загружениям.
Приложение 2.3. Снеговые нагрузки
Снеговые нагрузки определяются по рекомендациям норм для заданного района строительства (Ростовская обл.) с учетом повышения снегового давления на покрытие отделений в местах перепада высот и у парапетов. Высота парапета hп=09м. Нормативное снеговое давление для 1 снегового района S0=70 кгсм2. Схема приложения нагрузки показана на рис. 15 (а). Снеговое давление представляет собой комбинацию равномерно распределенных и распределенных по треугольному закону нагрузок. Для расчета эти нагрузки приводятся к узловым (см. рис. 15.(б)). Для получения узловых сил и моментов прежде всего определяются необходимые ординаты погонных нагрузок в местах перепада высот у парапетов и в средних частях пролетов отделений.
Погонные равномерно распределенные нагрузки:
qсн.т.=qсн.э.=*S0*γf*Вк=1*70*12*14=1176 кгсмгде =1 – коэффициент перехода снегового давления от поверхности земли на поверхность покрытия здания для кровли с уклоном менее 20°; γf=14- коэффициент надежности по снеговой нагрузке.
Ординаты погонных нагрузок q`т. у парапетов в местах образования «снеговых мешков»:
q`сн.т.=1*S0*γf*Вк=27*70*14*12=302232кгсм где 1=200hпS0=200*0.970=27 > 3 => принимаем 1=27.
Зона действия «снегового мешка» принимается равной b1=2hп=2*09=18м.
Узловые силы и моменты по ряду А: GснА – приложена в узел на уровне верха колонны действует по оси ее верхней части.
Gсн.А=Gсн.т.+Gсн.1=22344+1662=22346 тсгде Gсн.т.=qсн.т.* Gсн.1=(q`сн.т.-qсн.т.)*b12=(302232-1176)*182=1662 тс
Сила создает момент МснА на уровне подкрановой консоли:
МснА=GснА*екА=21168 *03785 =801 тс*м
Узловые силы и моменты по ряду Б: Gсн.Б=Gсн.А=21168 тс; Мсн.Б=Мсн.А=801 тс*м
Результаты расчета снеговых нагрузок занесены в табл. 7. в строки соответствующие 3 схеме загружения.
Приложение 2.4. Ветровые нагрузки
Ветровая нагрузка передаваемая стенами здания на элементы каркаса в общем случае определяется как сумма двух составляющих – статической и динамической. В данном случае рассматривается только статическая составляющая соответствующая установившемуся скоростному напору. На рис. П.17. представлены схемы распределения ветрового давления на погонный метр высоты здания на примере ветра слева. При переходе от схемы а к схеме б на рис. П.17. необходимо выполнить следующее:
Фактическую эпюру ветровой нагрузки представить в виде ступенчатой по принципу осреднения в пределах выделенных по высоте здания 10-метровых участков. (рис. 16). Тогда расчетную ветровую нагрузку на каждом участке можно определить по формуле:q q0=38кгсм2 – нормативное значение скоростного напора для 3 ветрового района; γf=14 – для ветровой нагрузки; k – коэффициенты учитывающие изменение скоростного напора по высоте; i=2 – число участков осреднения.
Для наветренной стороны:
q1=c*q0*Вк*γf*(k0+k1)2=0.8*36*12*1.4*(1+1)2=48384кгсм
q2=c*q0*Вк*γf*(k1+k2)2=0.8*36*12*1.4*(1+125)2=54432кгсм
Для заветренной стороны:
q1=c*q0*Вк*γf*(k0+k1)2=0.6*36*12*1.4*(1+1)2=36288кгсм
q2=c*q0*Вк*γf*(k1+k2)2=0.6*36*12*1.4*(1+125)2=40824кгсм
Ступенчатая эпюра ветрового давления заменяется эквивалентной равномерно распределенной по всей высоте с ординатами q и q`. При этом руководствуемся равенством моментов в заделке при ступенчатой и равномерно распределенной эпюрах:
W1=q1*h1=48384*10=48384кгс*м; W2=q2*h2=54432*78=42457кгс*м
Момент в заделке будет:
МА=W1*l1+W2*l2 =48384*5+42457*139=8321 тс*м
при этом МА=qН22 откуда q=2МАН2=2*83211782=52525 кгсм2.
Для заветренной стороны:
W1=q1*h1=36288*10=36288кгс*м; W2=q2*h2=40824*78=31843 кгс*м
Момент в заделке будет:
МА=W1*l1+W2*l2=36288*5+31843*139=6241 тс*м
при этом МА=qН22 откуда q=2МАН2=2*62411782=39395 кгсм2.
Сосредоточенные силы WA WБ учитывающие ветровое давление на поперечную раму в пределах опорной части фермы и парапетов прикладываем в верхние узлы рамы как показано на рис. П.2.8.
WА=q*(hоп+hп)+q`*hп=52525 *(21+09)+ 39395 *09=0193тс
WБ=q*hп+q`*(hп+hоп)= 52525 *09+39395 *(09+21)=0165тс
При ветре справа значения сил q и q` остаются теми же силы WA=WБ=0165тс WБ=WA=0193 тс. Схема загружения при ветре справа показана на рис. 17.
Значения ветровых нагрузок занесены в табл. 7. в строки соответствующие 4 и 5 загружению.
Приложение 3. Результаты расчета усилий в элементах рамы каркаса
Приложение 3.1. Составление сводной таблицы усилий в расчетных сечениях
Расчет рамы завершился получением распечатки усилий в узлах элементов рамы которые необходимо определенным образом упорядочить. Для этого составляется сводная таблица усилий для сечений выбраных участков балки (табл. 8.). В таблицу заносятся значения M Q N в расчетных сечениях для каждой схемы загружения с учетом коэффициентов сочетаний. После этого материал представляется графически для чего составляется таблица эпюр усилий (табл. 9.) на рассматриваемом элементе от каждого вида загружения. Ограничимся построением только эпюр М и N рассматриваемого участка колонны.
Единицы измерения усилий: T;
Единицы измерения напряжений: Tм2;
Единицы измерения моментов: T*м;
Единицы измерения pаспpеделенных моментов: T*мм4;
Единицы измерения pаспpеделенных пеpеpезывающих сил: Tм;
Единицы измерения перемещений поверхностей в элементах: м
Вес снега в зимний период
Ветровое давление при ветре справа
Ветровое давление при ветре слева
Утвердил: Кретов М.Г.Управление
Максимальные усилия элементов расчетной схемы т м
Усилия и напряжения элементов т м
Расчет выполнен с помощью проектно-вычислительного комплекса SCAD. Комплекс реализует конечно-элементное моделирование статических и динамических расчетных схем проверку устойчивости выбор невыгодных сочетаний усилий подбор арматуры железобетонных конструкций проверку несущей способности стальных конструкций. В представленной ниже пояснительной записке описаны лишь фактически использованные при расчетах названного объекта возможности комплекса SCAD.
Краткая характеристика методики расчета
В основу расчета положен метод конечных элементов с использованием в качестве основных неизвестных перемещений и поворотов узлов расчетной схемы. В связи с этим идеализация конструкции выполнена в форме приспособленной к использованию этого метода а именно: система представлена в виде набора тел стандартного типа (стержней пластин оболочек и т.д.) называемых конечными элементами и присоединенных к узлам.
Тип конечного элемента определяется его геометрической формой правилами определяющими зависимость между перемещениями узлов конечного элемента и узлов системы физическим законом определяющим зависимость между внутренними усилиями и внутренними перемещениями и набором параметров (жесткостей) входящих в описание этого закона и др.
Узел в расчетной схеме метода перемещений представляется в виде абсолютно жесткого тела исчезающе малых размеров. Положение узла в пространстве при деформациях системы определяется координатами центра и углами поворота трех осей жестко связанных с узлом. Узел представлен как объект обладающий шестью степенями свободы - тремя линейными смещениями и тремя углами поворота.
Все узлы и элементы расчетной схемы нумеруются. Номера присвоенные им следует трактовать только как имена которые позволяют делать необходимые ссылки.
Основная система метода перемещений выбирается путем наложения в каждом узле всех связей запрещающих любые узловые перемещения. Условия равенства нулю усилий в этих связях представляют собой разрешающие уравнения равновесия а смещения указанных связей - основные неизвестные метода перемещений.
В общем случае в пространственных конструкциях в узле могут присутствовать все шесть перемещений:
- линейное перемещение вдоль оси X;
- линейное перемещение вдоль оси Y;
- линейное перемещение вдоль оси Z;
- угол поворота с вектором вдоль оси X (поворот вокруг оси X);
- угол поворота с вектором вдоль оси Y (поворот вокруг оси Y);
- угол поворота с вектором вдоль оси Z (поворот вокруг оси Z).
Нумерация перемещений в узле (степеней свободы) представленная выше используется далее всюду без специальных оговорок а также используются соответственно обозначения X Y Z UX UY и UZ для обозначения величин соответствующих линейных перемещений и углов поворота.
В соответствии с идеологией метода конечных элементов истинная форма поля перемещений внутри элемента (за исключением элементов стержневого типа) приближенно представлена различными упрощенными зависимостями. При этом погрешность в определении напряжений и деформаций имеет порядок (hL)k где h — максимальный шаг сетки; L — характерный размер области. Скорость уменьшения ошибки приближенного результата (скорость сходимости) определяется показателем степени k который имеет разное значение для перемещений и различных компонент внутренних усилий (напряжений).
Для задания данных о расчетной схеме могут быть использованы различные системы координат которые в дальнейшем преобразуются в декартовы. В дальнейшем для описания расчетной схемы используются следующие декартовы системы координат:
Глобальная правосторонняя система координат XYZ связанная с расчетной схемой
Локальные правосторонние системы координат связанные с каждым конечным элементом.
Расчетная схема определена как система с признаком 2. Это означает что рассматривается плоская рамная система расположена в плоскости XOZ и основные неизвестные представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей X и Z а также их поворотами вокруг оси Y.
Количественные характеристики расчетной схемы
Расчетная схема характеризуется следующими параметрами:
Количество узлов — 6
Количество конечных элементов — 5
Общее количество неизвестных перемещений и поворотов — 12
Количество загружений — 11
Количество комбинаций загружений — 9
Выбранный режим статического расчета
Статический расчет системы выполнен в линейной постановке.
Набор исходных данных
Детальное описание расчетной схемы содержится в документе "Исходные данные" где в табличной форме представлены сведения о расчетной схеме содержащие координаты всех узлов характеристики всех конечных элементов условия примыкания конечных элементов к узлам и др.
Возможные перемещения узлов конечно-элементной расчетной схемы ограничены внешними связями запрещающими некоторые из этих перемещений. Наличие таких связей помечено в таблице "Координаты и связи" описания исходных данных символом #.
Условия примыкания элементов к узлам
Точки примыкания конечного элемента к узлам (концевые сечения элементов) имеют одинаковые перемещения с указанными узлами.
Характеристики использованных типов конечных элементов
В расчетную схему включены конечные элементы следующих типов.
Стержневые конечные элементы для которых предусмотрена работа по обычным правилам сопротивления материалов. Описание их напряженного состояния связано с местной системой координат у которой ось X1 ориентирована вдоль стержня а оси Y1 и Z1 — вдоль главных осей инерции поперечного сечения.
Некоторые стержни присоединены к узлам через абсолютно жесткие вставки с помощью которых учитываются эксцентриситеты узловых примыканий. Тогда ось X1 ориентирована вдоль упругой части стержня а оси Y1 и Z1 — вдоль главных осей инерции поперечного сечения упругой части стержня.
К стержневым конечным элементам рассматриваемой расчетной схемы относятся следующие типы элементов:
Элемент типа 2 (стержень плоской рамы расположенный в плоскости XOZ) который работает по плоской схеме и воспринимает продольную силу N изгибающий момент М и поперечную силу Q.
В настоящем отчете результаты расчета представлены выборочно. Вся полученная в результате расчета информация хранится в электронном виде.
Вычисленные значения линейных перемещений и поворотов узлов от загружений представлены в таблице результатов расчета «Перемещения узлов».
Правило знаков для перемещений
Правило знаков для перемещений принято таким что линейные перемещения положительны если они направлены в сторону возрастания соответствующей координаты а углы поворота положительны если они соответствуют правилу правого винта (при взгляде от конца соответствующей оси к ее началу движение происходит против часовой стрелки).
Вычисленные значения усилий и напряжений в элементах от загружений представлены в таблице результатов расчета «Усилиянапряжения элементов».
Для стержневых элементов усилия по умолчанию выводятся в концевых сечениях упругой части (начальном и конечном) и в центре упругой части а при наличии запроса пользователя и в промежуточных сечениях по длине упругой части стержня. Для пластинчатых обьемных осесимметричных и оболочечных элементов напряжения выводятся в центре тяжести элемента и при наличии эапроса пользователя в узлах элемента.
Правило знаков для усилий (напряжений)
Правила знаков для усилий (напряжений) приняты следующими:
Для стержневых элементов возможно наличие следующих усилий:
N - продольная сила;
MKP - крутящий момент;
MY - изгибающий момент с вектором вдоль оси
QZ - перерезывающая сила в направлении оси Z1 соответствующая моменту
MZ - изгибающий момент относительно оси
QY - перерезывающая сила в направлении оси Y1 соответствующая моменту
RZ - отпор упругого основания.
Положительные направления усилий в стержнях приняты следующими:
для перерезывающих сил QZ и QY - по направлениям соответствующих осей Z1 и
для моментов MX MY MZ - против часовой стрелки если смотреть с конца соответствующей оси X1 Y1
положительная продольная сила N всегда растягивает стержень.
На рисунке показаны положительные направления внутренних усилий и моментов в сечении горизонтальных и наклонных (а) а также вертикальных (б) стержней.
Знаком “+” (плюс) помечены растянутые а знаком ”-” (минус) - сжатые волокна поперечного сечения от воздействия положительных моментов My и Mz.
Суммарные значения приложенных нагрузок по нагружениям.
В протоколе решения задачи для каждого из нагружений указываются значения суммарной узловой нагрузки действующей на систему.
Сводная таблица эпюр М и N элементов схемы.
Приложение 3.2. Комбинации усилий и построение огибающих эпюр M и N
Цель построения таблиц комбинаций состоит в определении наиневыгоднейших суммарных положительных и отрицательных (в алгебраическом смысле) усилий в заданных сечениях рамы при самых неблагоприятных но физически возможных сочетаниях нагрузок. В данном случае строятся две комбинации усилий: первая комбинация строится когда суммируются изгибающие моменты М+max и М -min и соответствующие им Nmax и Nmin вторая комбинация строится когда суммируются Nmax и Nmin и соответствующие им M+max и M+min.Все расчеты представлены в табличной форме:
По данным таблиц 10. строятся огибающие эпюр M и N (см. рис. 18.)
Приложение 4. Расчет несущей способности ступенчатой решетчатой колонны
Приложение 4.1. Определение наиневыгоднейших комбинаций усилий в сечениях колонны
Рассмотрим верхнюю часть колонны. В сечении 3-3:
1=N311A+M311Wy=4673*10376.23+2510*1051073=295125 кгсм2 321=N321A+M321Wy=051*10376.23+614*1051073=5789 кгсм2
Таким образом для сечения 3-3 наиневыгоднейшими являются M=4673 тс*м и N=2510 тс.
Рассмотрим нижнюю часть колонны. Здесь будем рассматривать оба сечения – 1-1 и 2-2 и каждую ветвь колонны по отдельности.
Nн1=N1112+M111hн=196922+457610=14422 тс
Nп1=N1212+M121hн=0342+15010=167 тс
Таким образом для наружной ветви в сечении 1-1 наиневыгоднейшими являются М=4576 тс*м и N=19692 тс для подкрановой ветви – М=15 тс*м и N=034 тс.
Nн2=N2112+M211hн=0342+08410=101 тс
Nп2=N2212+M221hн=126962+366010=10008 тс
Таким образом для наружной ветви в сечении 2-2 наиневыгоднейшими являются М=3660 тс*м и N=12696 тс для подкрановой ветви – М=084 тс*м и N=034 тс.
Приложение 4.2. Определение расчетных длин участков колонны
Определим расчетные длины в плоскости действия момента:
Коэффициенты 1 и 2 определяются по нормам как для стержня с шарнирно неподвижным верхним краем. При
I1I2=2493995691022169=0438;
N1-1N3-3=196924673=421 > 3 где
N1-1=19692 тс – максимальное усилие в сечении 1-1 из всех комбинаций;
N3-3=4673 тс – усилие в сечении 3-3 соответствующее комбинации из которой выбрано N1-1 можно воспользоваться рекомендациями СНиПа и принять 1=25 и 2=16.
Тогда lef1=1*l1=51*25=1275 м и lef2=2*l2=16*105=168 м.
Определим расчетные длины участков колонны из плоскости:
lx2=*Hн3=1*1053=35 м
Приложение 4.3. Проверка устойчивости верхней части колонны в плоскости действия момента
Характеристики сечения известны. А=7623 см2; Iy=24939998 см4; ρy=2482cм (см. рис. 6.)
Наиневыгоднейшая комбинация усилий определена ранее: M=4673 тс*м и N=2510 тс.
Определяем гибкость: λy=lef1iy=1275*103313.3=407
Определяем условную гибкость: λy=λy√(RyE)=4070*√(32502.1*106)=161
Определяем начальный эксцентриситет: е=MN=28793871=732мм
Определяем относительный эксцентриситет: m=eρy=7322482=3
Определяем приведенный относительный эксцентриситет для чего примем коэффициент влияния формы сечения и учета упруго-пластических свойств материала =13: mef=m*=3*13=39
по λy и mef по СНиП 11-23-81* табл.74 определяем φеf=0.312
проверяем устойчивость верхней части колонны:
ruccv2 Ry=3250ruccv2
Приложение 4.4. Расчет устойчивости нижней части ступенчатой колонны
Приложение 4.4.1. Разбивка панелей соединительной решетки
Разбивку панелей соединительной решетки
Принимаем а=10 м а1=01м hтр=11м тогда
Таким образом расчетная длина для участков ветвей колонны
в плоскости чертежа lefa=a=1*10=10 м
из плоскости – lefx=*Hн3=1*1053=35 м.
Приложение 4.4.2. Проверка устойчивости ветвей колонны
Характеристики сечения: Ан=Ап=15246 см2; (см. рис. 8.)
Проверка осуществляется и в плоскости действия момента и из плоскости. Ранее были найдены наиневыгоднейшие усилия сжатия каждой ветви. Т.к. ветви одинаковые то для расчета выбираем максимальные: Nп=19692 тс. Действующее усилие с помощью траверсы перераспределяется между ветвями т.е. ветви испытывают центральное сжатие.
определяем гибкость в плоскости рамы: λа=lefaiyп=1750554=3559
определяем гибкость из плоскости рамы: λx=lefxixп=31003133=1245
по табл. 72 СНиП 11-23-81* определяем φа=0911 и φx=0984. В расчет вводим минимальное значение т.е. φx=0911
проверяем устойчивость ветви из плоскости:
кгссм2 Ry=3250 кгссм2
ветви колоны не выйдут из плоскости.
Приложение 4.4.3. Расчет усилий в стержнях соединительной решетки
Расчет выполняется на действие суммарных поперечных сил. Рассматриваем сечение 1-1 для него необходимо найти 4 значения поперечной силы в соответствии со схемами загружения: Q111=-602 тс; Q121=602 тс; Q112=-602 тс; Q122=602 тс
Усилие в раскосах будет: S= тсгде d==168 м
Для того чтобы подобрать сечение раскоса зададимся гибкостью λ=90 и определим φ=0612 а также выберем для их изготовления сталь с Ry=2450 кгссм2. Тогда Атр==450см2
По сортаменту выбираем равнополочный уголок 63*5 с А=613 см2.
Усилия в стойках нулевые поэтому выбираем сразу уголок 50*5.
Приложение 4.4.4. Расчет нижней части колонны на устойчивость как сквозного сжато-изгибаемого стержня
Характеристики сечения: А==7623 см2; Iy=24939998 см4; Wy=63758 см3
Расчет осуществляется только в плоскости рамы. Проверка делается на все 4 пары усилий для сечения 1-1. В первую очередь определяется приведенная гибкость сквозной колонны:
λef= где λefy= SАр=2Ауг=2*613=1226 см2
Приведенная гибкость будет: λef=λef*√(RyE)=4057*√(32502.1*106)=16
Теперь выполняется проверка устойчивости нижней части колонны для каждой пары усилий:
М=4576 тс*м; N=19692 тс
e=MN= 457619692=023 м
m=eАWy=023*1524663758=001
=41398 кгссм2 > Ry=3250 кгссм2
Так как проверка не выполняется то увеличим сечение. Выберем для ветвей колонны двутавр 60Б1. Характеристики сечения:
=78695 кгссм2 Ry=3250 кгссм2
М=1485 тс*м; N=15 тс
m=eАWy=99*27052637563=042
=6 кгссм2 Ry=3250 кгссм2
Альбом чертежей конструкций и деталей промышленных зданий. 3-е издание перераб. и доп. М.: Стройиздат 1980г.
СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия.
СНиП 11-23-81* Стальные конструкции.
Сортамент стандартных прокатных профилей.
Сортамент стандартных сварных профилей.
Вычислительный программный комплекс рабочие файлы на дисках.
Методические указания по оформлению пояснительных записок к курсовым и дипломным проектам – Л.:ЛПИ 1985.
Строительство АЭС под ред. В.Б.Дубровского. М:. Энергоатомиздат 1979 1987.

МеталКаркасЗдания Чертеж_А1_001P.dwg

корпуса АЭС ВВЭР - 91
Плановая компоновка главного
АЭС с реактором ВВЭР_91
Склад свежего топлива
Деаэраторное отделение
Габорит опорного мостового крана
Комплексный курсовой проект
Цех метоллоконструкций
в республике Татарстан
Плановая компановка цеха МК
расчетная и кон.-эл. схемиы
Конечно-элементная схема
Плановая компонока цеха метплоконструкций М 1:250
Блоки кровельного покрытия
Расчетная схема рамы
Огибающие эпюр изгибающих
моментов и продольных сил для
первой комбинации усилий
второй комбинации усилий
Примыкание фермы к колонне
Опирание подкрановой
Примечание: 1. Колонны в плане показаны схематично. 2. Сварка соединительной решетки условно не показана.