МК Стальной каркас одноэтажного промышленного здания

Графическая часть.dwg

Асфальтная стяжка 20мм
Утеплитель-фибролит-150мм
Пароизоляция-1 слой рубероида
Сборные ж.б.плиты 3*6м.
План горизонтальных связей по верхним поясам ферм
План горизонтальных связей по нижним поясам ферм
Геометрическая схема фермы
Одноэтажное промышленное здание
-2; монтажные планы; узлы; ведомость монтажных элементов
узлы; спецификация металла; геометрическая схема фермы; ПБ
Масса наплавленного металла кг
Спецификация металла
Таблица монтажных элементов
Общая масса конструкции
Технические требования:
Материал подкрановой балки С345 по ГОСТ 2777-88
остальных конструкций С245 ГОСТ 2777-88
Все заводские швы варить полуавтоматической сваркой
в углекислом газе по ГОСТ 8050-85
сварочной проволокой
Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70*
Монтажные швы варить ручной электродуговой сваркой
электроды Э46 по ГОСТ 9467-75
нормальной точности класс 5.8 ГОСТ 7798-70*
Все отверстия D22 мм
Горизонтальные связи
Ведомость монтажных элементов
Стык нижней и верхней частей колонны
Геометрические размеры (в мм)
iОдноэтажное промышленное здание
Все неоговоренные швы катетом 6 мм
Марка стали для рам С245 по ГОСТ-27772-2015
ГОСТ 11533-75в углекислом газе по ГОСТ 8050-85
сварочной проволокой Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70*
электроды Э50А по ГОСТ 9467-75
Все неоговаренные болты класс точности Б М20
Все неоговоренные швы катетом 7 мм.

Пояснительная.docx

Министерство науки и высшего образования РФ
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Кафедра металлических конструкций включая сварку
на тему: «Стальной каркас одноэтажного промышленного здания»
Общие замечание по выполнение курсового проекта ..3
Компоновка конструктивной схемы каркаса .3
Расчет и конструирование подкрановых конструкций .5
Статический расчет рамы . ..16
Расчет и конструирование стропильной фермы . .22
Расчет и конструирование ступенчатой колонны . ..29
Список литературы ..44
Общие замечания по выполнению курсового проекта.
В данном проекте предусматривается разработка стального каркаса одноэтажного производственного здания. Расчету и конструированию подлежат:1) подкрановые конструкции; 2) стропильная ферма покрытия; 3) ступенчатая внецентренно-сжатая колонна.
Грузоподъемность мостового крана: 325 т.
Отметка верха кранового рельса: 19 м.
Несущая конструкция кровли: жб плиты.
Длина здания: 264 м.
Класс бетона фундамента: В 10
Место строительства: Саратов
Утеплитель: Фибролит
Марка стали для рам: 18пс – С245
Марка стали под подкрановые балки: 09Г2С – С345
Компоновка конструктивной схемы каркаса.
При проектировании каркас производственного здания обычно расчленяется на две системы – поперечную и продольную работа в каждой из них под нагрузкой принимается независимой. В состав этих систем включают конструкции работа которых является определяющей для данной системы.
1. Поперечная система каркаса.
В поперечную систему – раму включают только колонны и ригели покрытия. Рама образуется двумя жестко заделанными а фундамент ступенчатыми колоннами и ригелем – жестко опертой стропильной фермой. Стропильная ферма – ферма с параллельными поясами.
Определим вертикальные размеры рамы и ее элементов привязывая размеры к уровню чистого пола.
Размер h1 =19000 мм – отметка верха кранового рельса.
Размер h2 – диктуется вертикальными габаритами мостового крана: h2 = (hc + 100) + a где: hс = 2750 мм. – габаритный размер крана от верха подкранового рельса до верхней точки тележки мостового крана; 100мм – зазор между этой точкой и низом стропильной фермы; а = 200-400мм – возможный прогиб конструкции.
h2 = (2750 + 100) + 200 = 3200мм
Полезная высота цеха: H = h1 + h2 = 19000 + 3200 = 22200мм
Высота верхней части колонны: hu = hb + hr + h2 где hb = 600 мм – высота подкрановой балки; hr = 120 мм – высота рельса.
hu = 600 + 120 + 3200 = 3920мм
Высота нижней части колонны: hd = H – hu + (500-800мм)
hd =22200 – 3920 + 500 = 18780 мм
Общая высота колонны: h = hu + hd + hf = 3920 + 18780 = 22700 мм = 227 м
Размер hf =2250 мм – высота колонны у опоры ригеля.
Далее устанавливаем горизонтальные размеры с привязкой их к разбивочным осям. Привязка наружной грани колонны к разбивочной оси – b0 = 250мм
Ширина верхней части колонны назначается из конструктивных соображений: bu = b0 + 200мм = 250 + 200 = 450 мм
Ширина верхней части колонны из условия обеспечения необходимой изгибной жесткости: bu 112 450 327мм
Расстояние от оси колонны до оси подкрановой балки.
B1 + (bu - b0) + (60-75мм) где B1 = 300мм – часть кранового моста выступающая за ось рельса; 60-75 мм – зазор между краном и колонной.
0 + (450 – 250) + 60 = 560 мм; = 750мм
Ширина нижней части колонны: bd = + b0 = 750 + 250 = 1000 мм; bd 120 h; 1000 ≤ 1135мм тогда bd=1250 мм
2. Продольная система каркаса.
В продольную систему каркаса входят колонны подкрановые балки вертикальные связи и те из продольных элементов которые выполняют роль связевых обеспечивая устойчивость и неизменяемость каркаса в продольном направлении. В продольной системе колонны проектируются шарнирно опертыми на фундамент при этом геометрическая неизменяемость обеспечивается постановкой по колоннам вертикальных связей.
Вертикальные связи по колоннам проектируются двух типов: основные располагаемые по всей высоте колонны от верхнего конца до фундаментов; верхние располагаемые в пределах верхних участков колонн от верха подкрановых балок.
Основные связи следует располагать в средней части здания или температурного блока здания.
Верхние связи устанавливают по краям здания или температурного блока а также в тех местах где расположены поперечные горизонтальные связи между ригелями покрытия. Рекомендуется применение связей с обычной крестовой решёткой. Примыкание связей к колоннам осуществляется по оси колонны при условии что ширина колонны не превышает 600мм. При большей ширине колонны и при сквозных колоннах применяются парные связи примыкающие к каждой полке или к каждой ветви колонны.
Связи по покрытию предусматриваются: в уровне верхних поясов стропильных ферм; в уровне нижних поясов стропильных ферм; вертикальные связи между стропильными фермами.
Связи по верхним поясам стропильных ферм состоят из продольных элементов - распорок и горизонтальных поперечных связевых ферм. Последние помещают по торцам здания или температурного блока. Узлы связевых ферм должны совпадать с узлами стропильных ферм. Коньковые узлы раскрепляются распорками.
Связи по нижним поясам стропильных ферм состоят из горизонтальных поперечных и продольных связевых ферм. Поперечные связевые фермы по нижним поясам ставятся под поперечными связевыми фермами по верхним поясам стропильных ферм.
Вертикальные связевые фермы располагают и местах установки поперечных связевых ферм.
Расчет и конструирование подкрановых конструкций.
К подкрановым конструкциям относятся: 1) подкрановые балки; 2) тормозные балки; 3) вертикальные и горизонтальные связи обеспечивающие необходимую жесткость и неизменяемость конструкции; 4) крановые рельсы с креплениями и упорами.
Подкрановые балки работают на подвижную динамическую нагрузку от мостовых кранов воспринимая большие сосредоточенные силы давления крановых колес и испытывая одновременное воздействие вертикальных и горизонтальных (от торможения крановой тележки) нагрузок.
1. Определение действующих нагрузок.
Расчетные внутренние усилия.
Расчет подкрановой балки обычно производят на совместное действие двух сближенных кранов с грузовыми тележками тормозящими вблизи балки.
Расчетные значения вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок определяют по формулам: F = Fn f n kd1 ; T = Tn f n kd2 где Tn= T0n0..
Здесь Fn =260 кН – нормативная сила вертикального давления колеса крана на рельс; f = 12 – коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок; n = 1 – коэффициент надежности по ответственности; kd1 =11 и kd2 =11 – коэффициенты динамичности; = 085 – коэффициент сочетаний; Tn – нормативная горизонтальная нагрузка приходящаяся на одно колесо крана; T0 – полная нормативная горизонтальная нагрузка вызываемая торможением тележки крана; n0 = 2 – число колес с одной стороны крана Tn определяется по следующей формуле: Tn = (Q + G)no
где = 005; Q = 320 кН – грузоподъемность крана G = 87 кН – масса тележки.
Tn = 005 (320 + 87)2= 10175 кН
F = 260*12*1*11*085 = 29172 кН
T = 10175*12*1*11*085 = 1142 кН
Максимально возможные внутренние усилия в подкрановой балке:
Максимально возможный изгибающий момент в разрезной балке нагруженной системой взаимосвязанных подвижных грузов возникает в том случае если равнодействующая этой системы грузов и ближайший к ней груз равноудалены от середины пролета балки. Максимальный изгибающий момент возникает в этом случае в сечении под этим грузом (правило Винклера).
Для определения максимально возможной перезывающей силы в балке от вертикальной нагрузки краны располагают таким образом чтобы одно из колес находилось непосредственно над опорой а остальные – как можно ближе к ней.
Максимально возможный момент.
Максимально возможная перерезывающая сила:
Расчетные внутренние усилия в балке от действия вертикальных крановых нагрузок с учетом собственного веса подкрановых конструкций MF и QF получают умножением величин Mmax и Qmax на коэффициент 1 = (1.05 1.07).
MF = Mmax * 1 = 700134 * 106 = 742142 кг*м
QF = Qmax * 1 = 525096 * 106 = 5566018 кг
Расчетные изгибающий момент MT и перерезывающая сила QT от горизонтальной нагрузки вызываемой торможением тележки определяются по формулам:
MT = (T F) * Mmax = (1142 29172) *700134 = 274082 кг*м
QT = (T F) * Qmax = (1142 29172) * 525096 = 20556 кг
2. Подбор сечения бисимметричной сплошной подкрановой балки.
Компоновка сечения тормозной конструкции.
Подбор сечения начинаем с определения требуемого момента сопротивления крайних фибр: где MF=7421420 кг*см Ry=3000кгсм2; . .
Затем назначаются ориентировочные значения t и h: где Здесь B = 6м – пролет подкрановой балки. h = 600 мм;
Из условия наименьшего расхода стали определяется оптимальная высота балки:
Принимаем высоту балки: h = 850 мм.
Далее устанавливается минимальная толщина стенки из условия среза: Rs расчетное сопротивление стали сдвигу:
Кроме этого толщина стенки должна удовлетворять условиям: и
Принимаем толщину стенки балки:
Ориентировочная площадь сечения поясного листа балки:
Схема сечения подкрановой конструкции с бисимметричной балкой.
Принимаемые размеры полки должны удовлетворять условиям: ;
Окончательно принимаем следующие размеры сечения поясных листов подкрановой балки: tf = 16мм; bf = 300мм.
В состав тормозной конструкции (балки) входят верхний пояс подкрановой балки горизонтальный лист поддерживающий швеллер. Тормозные балки при ширине до 125-15м (расстояние от оси подкрановой балки до грани поддерживающего швеллера) обычно проектируют со стенкой из рифленого листа (ГОСТ 8568-57* «Сталь листовая рифлёная») толщиной tsh = 6-8 мм с рёбрами жёсткости из полосовой стали расположенными через 1.5м по длине балки (ширина ребра не менее 65мм толщина не менее 6мм). Ширина тормозной балки назначается из конструктивных соображений. Поддерживающий швеллер №16 при шаге колонн 6м обычно располагается наружной гранью стенки по наружной грани колонны (если не предусматриваются фахверковые стойки)
3. Проверка принятого сечения подкрановой конструкции.
По назначенным размерам сечения подкрановой конструкции вычисляются фактические геометрические характеристики поперечного сечения подкрановой балки: Sx – статический момент полусечения подкрановой балки относительно оси X-X:
Jxn – момент инерции сечения подкрановой балки относительно оси X-X:
Wxn – момент сопротивления крайних фибр сечения нетто относительно оси X-X:
Jy1n – фактический момент инерции сечения тормозной балки относительно центральной оси Y1-Y1:
Для упрощения последующих расчётов несколько в запас прочности общепринято условно считать что на восприятие вертикальных крановых нагрузок работает только подкрановая балка а на восприятие горизонтальных крановых нагрузок – только тормозная конструкция. При этом если специальная тормозная конструкция отсутствует её роль выполняет верхний пояс подкрановой балки.
Расчет по первой группе предельных состояний.
) Проверка уровня максимальных нормальных напряжений в крайних от колонны фибрах: . Здесь Ry - расчетное сопротивление по пределу текучести материала пояса подкрановой балки определяемое при фактической его толщине (25мм).
) Проверка уровня максимальных касательных напряжений у опор балки
=где RS = 058*3000=1740кгссм2 – расчетное сопротивление сдвигу материала стенки определяемое при фактической её толщине(10мм).
) Проверка уровня местных вертикальных нормальных напряжений в стенке под колесом крана где γf1 = 11 – дополнительный коэффициент надежности учитывающий возможное перераспределение нагрузки между колёсами и повышенную динамичность в местах стыков рельсов; - расчетная сила вертикального давления колеса без учета коэффициентов динамичности и сочетаний; F’ = 26000*11*095 = 27170кг
=см – условная длина распределения местного давления здесь J1f – сумма моментов инерции сечений верхнего пояса балки и кранового рельса относительно собственных горизонтальных центральных осей.
) Проверку уровня приведенных напряжений в стенке в уровне верхнего поясного шва следует производить в двух сечениях при соответствующих положениях кранов: в опорном с в пролётном с Mmax. При кранах с группами режимов работы до 6К включительно:
- в пролётном сечении где: x – нормальные напряжения изгиба в стенке на уровне верхнего поясного шва для бисимметричной балки: - нормальные напряжения перпендикулярные оси балки.
- среднее касательное напряжение в стенке QM = 26255 кг – поперечная сила в сечении с максимальным изгибающим моментом Mma здесь Ry и Rs – расчетные сопротивления определяемые при фактической толщине стенки: ;
в опорном сечении аналогично при здесь - среднее касательное напряжение в стенке в опорном сечении.
) Проверка обеспечения общей устойчивости бисимметричной подкрановой балки при наличии тормозной конструкции не производится (общая устойчивость обеспечена) если ширина тормозной конструкции (расстояние от внутреннего края верхнего пояса балки до наружной грани поддерживающего швеллера) h1 = 866см> B16 (B – пролёт балки).
) Проверка обеспечения местной устойчивости элементов сечения подкрановой балки производится так же как для обычных балок. Отличие состоит в том что при решении вопроса об устойчивости стенки необходимо рассматривать несколько положений кранов (грузов) на балке наихудшим образом загружающих рассматриваемые отсеки.
Местная устойчивость верхнего сжатого пояса обеспечена и не требует специальной проверки. Перед решением вопроса об устойчивости стенки нужно убедиться в необходимости постановки поперечных основных рёбер жёсткости а также в необходимости проведения самой проверки устойчивости. Условная гибкость стенки поэтому её следует укреплять поперечными основными рёбрами жёсткости кроме того поэтому требуется проверка обеспечения местной устойчивости стенки. Т.к. поэтому расстояние между поперечными ребрами ma
Устойчивость стенки в приопорном отсеке:
- усредненное по высоте стенки касательное напряжение
критическое нормальное напряжение потери устойчивости стенки в пределах отсека при отсутствии местных напряжений
критические касательные напряжения потери устойчивости в пределах отсека
Проверка местной устойчивости в пролетном отсеке
Устойчивость стенки в пролетном отсеке:
) Определение наибольшего прогиба подкрановой балки при действии на нее вертикальных крановых нагрузок от одного крана
Статический расчет рамы.
1. Расчетная схема рамы
За геометрические оси ступенчатых колонн в расчётной схеме рамы принимают линии проходящие через центры тяжести сечений верхней и нижней частей колонны. Решётчатый ригель заменяется эквивалентным сплошным ось которого совмещается с осью нижнего пояса ригеля.
Рама является статически неопределимой системой для расчета которой как известно необходимо знать хотя бы соотношения жёсткостей стержней её составляющих.
2. Нагрузки на раму.
При расчете рамы следует установить расчетные постоянные нагрузки от массы ограждающих и несущих конструкций расчетные временные технологические и атмосферные нагрузки.
2.1. Расчетные постоянные нагрузки.
Нагрузка от массы всех ограждающих и несущих конструкций покрытия принимается равномерно распределенной по длине ригеля. Обычно величина этих нагрузок определяется в табличной форме.
Наименование нагрузки
Гидроизоляционный ковер
Расчетная постоянная погонная нагрузка на ригель рамы
g = 3774*6*1 = 22644 Нм=22644 кгм
2.2. Расчетная снеговая нагрузка.
При расчете рамы нагрузка от веса снега принимается равномерно распределенной по длине ригеля. Нормативное значение снеговой нагрузки на 1 м2 горизонтальной проекции покрытия определяют по формуле: Sn = S0 где S0 = 180кгсм2 – нормативное значение веса снегового покрытия на 1 м2 горизонтальной поверхности земли ( для города Саратов III снеговой район); =1 – коэффициент перевода веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.
Расчетную снеговую нагрузку на ригель рамы определяют по формуле: S = f Sn B n где f = 1.4 – коэффициент надежности по нагрузке для снеговой нагрузки.
S = 14*180*6= 1512 кгм.
2.3. Нагрузка от мостовых кранов.
Вертикальное давление подкрановых конструкций на рассматриваемую раму определяют от двух сближенных кранов при их невыгодном для колонны расположении. Считается что грузовые тележки максимально приближены к одной стороне рамы.
Наибольшее расчетное вертикальное давление на колонну рамы ближайшую к грузовым тележкам определяется по формуле: Dma где F = 29170 кг – расчетное значение вертикальной нагрузки; GП.К.- вес подкрановой конструкции
Dmax = 29170*(1+08+015) +15185=58400 кг
Расчетное горизонтальное давление на колонну рамы Tk от торможения тележек кранов с грузом определяется как произведение горизонтальной крановой нагрузки на сумму ординат линии влияния: Tk = = 1142*(1+08+015) =2227 кН*м
Наименьшее расчетное вертикальное давление на противоположную колонну рамы: Dm где f = 11 – коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок; n = 095 – коэффициент надежности по ответственности; kd1 =11 – коэффициент динамичности; = 085 – коэффициент сочетаний; Fn min – вертикальная нормативная сила минимального давления крана на рельс определяемая по формуле:
Dmin = 12*085*11*1*11400 (1+08+015) +15185=2646056 кг
2.4. Ветровая нагрузка.
Расчетные значения статической составляющей ветровой погонной нагрузки с наветренной и подветренной сторон на колонны рамы определяют по формулам: = n f 0 ’ = n f 0 kc’B где: f =095 – коэффициент надежности по ответственности; f =14 – коэффициент надежности по нагрузке для ветровой нагрузки; 0 = 38 кгсм2 – нормативное значение ветрового давления для данного района строительства; k – коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте; с = 08 и с’ = 05 – аэродинамические коэффициенты для наветренной и подветренной сторон соответственно.
Нагрузка действующая на участке hf от низа ригеля до наиболее высокой точки цеха заменяется сосредоточенными силами приложенными в уровне низа ригеля:
2. Статический расчет рамы.
Определение расчетных внутренних усилий.
В современной инженерной практике статический расчет рамы выполняется с использованием ЭВМ отдельно на каждый вид загружения. Результаты статического расчета рамы оформляются в виде сводной таблицы внутренних усилий найденных в характерных сечениях одной колонны (обычно левой). В этой же таблице во второй ее части производится определение расчетных внутренних усилий в этих сечениях колонны. Расчетными внутренними усилиями считаются такие которые возникая при некоторой комбинации загружений приводят к самому необходимо мощному сечению колонны (или анкерных болтов) при его компоновке. Соответственно комбинация (сочетание) загружений приводящая к возникновению расчетных внутренних усилий в рассматриваемом сечении является расчетной для него.
Обычно рассматриваются два типа основных сочетаний загружений: 1) основное сочетание в котором учитываются загружение всеми постоянными нагрузками и одно наиболее неблагоприятное кратковременное загружение внутренние усилия от которого принимаются с коэффициентом сочетания = 1; 2) основное сочетание в котором учитываются загружение всеми постоянными нагрузками и не менее двух наиболее неблагоприятных кратковременных загружений внутренние усилия от последних принимаются с коэффициентом сочетания =0.9.
Для выявления расчетного сочетания загружений в рассматриваемом сечении следует вначале скомпоновать ограниченный крут вариантов сочетаний куда непременно попадёт расчетное.
Эти несколько вариантов компонуются следующим образом.
) Отбирается наиболее неблагоприятное кратковременное загружение (загружения) по одному из нижеперечисленных критериев; 1.1) наибольший возможный положительный момент +Mma 1.2) наибольший по абсолютной величине возможный отрицательный момент -Mma 1.3) наибольшая возможная сжимающая сила - Nma 1.4) наибольшая возможная сжимающая сила - Nmax и соответствующие ей значения - М и Q.
) Затем внутренние усилия вызываемые отобранным кратковременным загружением (загружениями) складываются с соответствующими внутренними усилиями вызываемыми загружением всеми постоянными нагрузками.
При выборе кратковременных загружений входящих в искомую комбинацию следует учитывать следующее: 1) комбинация загружений должна быть реальной (ветер не может действовать одновременно и справа и слева; Dma 2) вертикальное крановое давление и поперечное торможение считается одним кратковременным загружением;3) поперечное торможение не может действовать отдельно от вертикального кранового давления и напротив вертикальное крановое давление может действовать отдельно от поперечного торможения.
Наиболее неблагоприятное сочетание загружений для расчёта участков колонны выявляется сравнением внутренних усилий вызываемых тем или иным сочетанием.
Для расчета анкерных болтов работающих на растяжение расчетным сочетанием будет такое при котором возникающий момент в опорном сечении будет иметь возможно большее по абсолютной величине значение а нормальная сила - наименьшее.
Учитывая возможную изменчивость нагрузок от собственного веса в меньшую сторону от нормативных при расчете анкерных болтов все постоянные нагрузки должны приниматься с коэффициентом надежности по нагрузке γf = 0.9.
Для выполнения этого условия в курсовом проекте внутренние усилия в опорном сечении колонны от загружения рамы постоянными нагрузками должны быть умножены на понижающий коэффициент.
Вертик. кран. давл. Dmax слева
Tk у лев. кол. вправо
Tk у лев. кол. влево
Tk у прав. кол. вправо
Tk у прав. кол. влево
Комбинация загружений
Сочетание для расчета анкерных болтов
Расчет и конструирование стропильной фермы.
В качестве несущих конструкций покрытия в курсовом проекте предусмотрены стропильные фермы с треугольной решеткой со стойками.
1. Нагрузки на ферму. Комбинации загружений.
Если раньше при статическом расчёте рамы ферма (ригель) представлялась в виде единого стержня то теперь при её статическом расчёте ферма представляется в виде свободно опёртой шарнирно-стержневой системы отвечающей выбранной конструктивной схеме фермы.
Нагрузками на которые рассчитывается ферма покрытия являются:
Нагрузка от собственного веса фермы;
Нагрузка от снега по всему пролету;
Нагрузка от снега на половине пролета;
Момент от защемления фермы за счет ее жесткого сопряжения с колоннами;
Схема нагрузок действующих на ферму
Равномерно распределённая по длине ригеля вертикальная нагрузка заменяется системой сосредоточенных сил приложенных к узлам верхнего пояса фермы.
Усилия возникающие от приведенных выше нагрузок приведены на распечатке расчета фермы (прилагается к пояснительной записке) от единичных загружений. Действительные загружения равны: от собственного веса: от снега:
Моменты возникающие от защемления фермы в колоннах учитываются как нагрузки приложенные на опорах свободно опертой фермы в виде пары горизонтальных сил.
Из практики проектирования и эксплуатации стропильных ферм покрытий определены наиболее неблагоприятные комбинации загружений дающие расчётные внутренние усилия для подбора сечений стержневых элементов и расчёта узлов:
комбинация загружений включающая загружение постоянными нагрузками от собственного веса покрытия и загружение снегом по всему пролёту дающая расчётные внутренние усилия для подбора сечений всех или почти всех стержневых элементов и расчёта узлов кроме опорных (данная комбинация предполагает наличие возможных ошибок при монтаже в виде отсутствия крепления верхних опорных узлов фермы к колоннам и как следствие отсутствие разгружающих опорных моментов);
комбинация включающая загружение постоянными нагрузками от собственного веса покрытия и загружение снегом на правой или левой половине пролёта возможно дающая расчётные внутренние усилия для подбора сечений раскосов и стойки расположенных в середине фермы (как и в предыдущем случае предполагается отсутствие разгружающих опорных моментов);
комбинация включающая нагружение фермы узловыми нагрузками от собственного веса покрытия нагружение левым и правым опорными моментами и распором возможно приводящая к появлению усилия сжатия в приопорных панелях нижнего пояса фермы (левый опорный момент Мл и соответствующая ему перерезывающая сила равная распору Нр определяются по данным таблицы в сечении 4-4 при комбинации учитывающей все возможные загружения кроме загружения снегом приводящей к возникновению максимального изгибающего момента растягивающего наружные волокна колонны; правый опорный момент Мп определяется в сечении 5-5 при этой же комбинации загружений);
комбинация включающая нагружение фермы узловыми нагрузками от собственного веса покрытия и снега по всему пролету нагружение левым и правым опорными моментами и распором приводящая к максимальным усилиям в нижнем опорном узле фермы (левый опорный момент Mл и соответствующая ему перерезывающая сила равная распору Hр определяются по данным таблицы в сечении 4-4 при комбинации учитывающей все возможные загружения приводящей к возникновению максимального изгибающего момента растягивающего наружные волокна колонны; правый опорный момент Mп определяется в сечении 5-5 при этой же комбинации загружений).
2. Общие замечания по статическому расчету фермы.
Определение расчётных усилий в стержнях.
Несмотря на то что приходится рассматривать действие на ферму большого количества описанных выше комбинаций загружений статический расчёт выполняется всего для двух расчётных случаев действия единичных нагрузок: единичные вертикальные силы на левой половине фермы; единичный опорный момент на левой опоре фермы. При этом очевидно что от действия на ферму распора Hр продольные усилия возникают только в стержнях нижнего пояса и их величина равна распору.
Результаты статического расчёта а затем и определение расчётных усилий оформляются в табличной форме куда заносятся усилия для стержней половины фермы допустим левой. При заполнении таблицы значениями усилий в стержнях от единичных воздействий следует пользоваться приёмом «зеркального отображения».
3. Подбор сечений стержней стропильной фермы.
В данном курсовом проекте предусмотрены стропильные фермы со всеми стержневыми элементами из парных уголков составленных в тавра.
3.1. Подбор сечения сжатых стержней.
При подборе сечения из двух уголков составленных в тавр для поясов опорных раскосов и опорных стоек предварительное значение гибкости следует назначить в пределах = 60-80 для остальных стержней решётки = 80-100. Далее выполняется обычный расчет по подбору сечения для центрально –сжатых стержней.
Рассмотрим расчёт на примере подбора сечения верхнего пояса: зададимся =80 тогда = отсюда коэффициент продольного изгиба: (табл. Д1 СП) затем вычисляем требуемую площадь сечения центрально сжатого стержня: для одного уголка стержня:
Из сортамента прокатной стали выбираем уголок 125х125х9 с площадью поперечного сечения А=22 см2. Для двух уголков составленных в тавр геометрические характеристики сечения: исходя из расчетных длин стрежней: определим гибкости этого элемента в плоскости и из плоскости фермы:
Для полученных значений гибкостей найдем минимальное значение коэффициента продольного изгиба:
Проверим стержень с назначенным сечением на устойчивость:
Сечения остальных сжатых стержней фермы подбираются аналогично и заносятся в таблицу.
3.2. Подбор сечения растянутых стержней.
Рассмотрим расчёт на примере подбора сечения нижнего пояса:
Требуемая площадь растянутых стержней определяется по формуле: для одного стержня:
По сортаменту принимаем уголок 110х110х7 с площадью поперечного сечения А=1515 см2.
4. Расчет узлов стропильной фермы.
Для обеспечения совместной работы двух уголов из которых состоит сечение стержневого элемента между ними помещаются соединительные прокладки с шагом .
Требуемые длины сварных швов определяются формулами для 2 стержня:
-по металлу границы сплавления:
; здесь: b - ширина нахлёстываемой на листовую фасонку полки уголка; - расстояние от обушка до центра тяжести уголка в направлении параллельном листовой фасонке; и - коэффициенты характеризующие глубину проплавления и определяемые в соответствии с требованиями пункта 11.2 и таблицы 34 [1] ; и - расчётные сопротивления сварного углового шва по металлу шва и металлу границы сплавления соответственно принимаемые по указаниям таблиц 55 56 и 3 [1]; и - коэффициенты условий работы шва принимаемые по указаниям пункта 11.2 [1].
При назначении катетов сварных швов и учитывается следующее:
- количество типоразмеров катетов сварных швов - не более 3-х на всю ферму;
- минимальный катет шва - 4 мм но не менее значений указанных в таблице 38* [1];
- максимальный катет шва по перу уголка =08t по обушку =12t где (t – толщина полки уголка).
Для облегчения конструирования узлов фермы рекомендуется катет шва по обушку принимать на 1-2 мм больше катета шва по перу.
За окончательные длины сварных швов принимаются максимальные округленные в большую сторону до числа кратного 1 см при этом должны быть выполнены требования пункта 12.8 вг [1] по минимально и максимально возможным расчётным длинам шва.
5. Конструирование узлов стропильной фермы.
Конструирование рядовых узлов фермы производится на эскизе (чертеже) в следующей последовательности.
В сварных фермах центрирование стержней в узлах производится по осям проходящим через центры тяжести сечений стержней. Поэтому вначале изображаются сходящиеся в одну точку (центр) оси стержней примыкающих к рассматриваемому узлу. Наносятся габариты сечений стержневых элементов (ширина накладываемой на листовую фасонку полки уголка) при этом расстояние z0 округляется до числа кратного 5 мм в большую сторону.
Принимаем во внимание то что концы стержней решётки не доводят до пояса на расстояние а: а=6t–20 где t-толщина фасонки.
Обрезку уголков стержней решётки предусматривают преимущественно перпендикулярно оси стержня наносят положение торцов этих стержней.
От углов раскосных стержней откладывают принятые длины сварных швов накладываемых по перу и обушку присоединяемого к листовой фасонке уголка.
После этого на эскизе узла наносятся границы листовой фасонки простого очертания (прямоугольник реже трапеция) так чтобы на ней умещались все сварные швы нужной длины.
Расчет укрупнительного узла
В укрупнительном узле горизонтальные накладки применяются толщиной 14мм.
Горизонтальная накладка: Аг= (20+125) *14=203
Усилие приходящееся на горизонтальную накладку:
Требуемая длина сварных швов прикрепляющих горизонтальную накладку к поясу:
Усилие приходящееся на вертикальную накладку:
Требуемая длина сварного шва прикрепляющего вертикальную накладку к листовой фасонке:
Компоновка опорного узла нижнего пояса
В начале опорный узел компонуется исходя из требуемых длин сварных швов прикрепляющих опорный раскос и нижний пояс к листовой фасонке и нахлеста листовой фасонки на опорные ребра приблизительно в 100мм.
Проверка несущей способности швов.
- металлу шва: Rwf=√ (2wfg+ 2wfv)≤Rwf*γwf*γc
- металлу границы сплавления: Rwz=√ (2wzg+ 2wzv)≤Rwz*γwz*γc
где F=60955*90112кН
- металлу шва: Rwf=√( 2wfg+ 2wfv)≤Rwf*γwf*γc
- металлу границы сплавления: Rwz=√( 2wzg+ 2wzv)≤Rwz*γwz*γc
Расчет и конструирование ступенчатой колонны.
1. Определение расчетных длин участков ступенчатой колонны.
Для одноступенчатых колонн одноэтажных промышленных зданий жестко закрепленных и фундаментах при помощи анкерных болтов значения коэффициентов приведения расчетной длины в плоскости рамы определяются раздельно: для нижнего и величины отношения критических сил потери устойчивости по участкам: где: J1 l1 J2 l2 -моменты инерции сечений и длины соответственно нижнего и верхнего участков колонны: здесь F1 = Dma F2 =2718+18144=45324 кН - опорное давление ригеля от действия на него нагрузки от собственного веса и снега.
При верхнем конце колонны закрепленном от поворота и возможности его свободного смещения вдоль рамы коэффициент x1 определяется по табл. 68 СниП II-23-81* “Стальные конструкции”
Коэффициент расчетной длины x2 для верхнего участка колонны следует определять по формуле:
Из плоскости рамы участки ступенчатой колонны считаются закрепленными шарнирно и поэтому коэффициенты приведения расчетной длины y1 y2 принимаются равными единице.
Расчетные длины участков колонны в плоскости и из плоскости рамы определяются по формулам:
(hb = 085 м – высота подкрановой балки).
2. Расчет и конструирование надкрановой части колонны.
Предварительный подбор сечения верхней части колонны производят по приближенной формуле Ясинского: N – расчетное продольное усилие; е М h = bu – высота сечения колонны.
Расчетные значения продольной силы N и изгибающего момента Мx на участке колонны следует выбирать по данным таблицы расчетных сочетаний загружений для сечений 3-3 или 4-4 при одной и той же комбинации загружений. При этом за расчетные значения N и Mx принимаются такие для которых значение Acal максимально.
Составное сварное сечение верхней части колонны компонуется из трех листов (рис. 6.2) которые должны соответствовать ГОСТ 82-70 "Сталь широкополосная универсальная"
Сечение верхней части колонны.
Сначала определяются размеры стенки колонны: ;
Размеры полки колонны назначают из условий:
Далее производится проверка несущей способности верхней части колонны с подобранным сечением.
По назначенным размерам сечения определяются его фактические геометрические характеристики: A – площадь поперечного сечения; J W Iy - радиусы инерции сечения относительно центральных осей X-X и Y-Y.
Определяются гибкости и условные гибкости стержня верхней части колонны в плоскости и из плоскости рамы:
Для проверки устойчивости верхней части колонны в плоскости действия момента предварительно находят приведенный относительный эксцентриситет: где; - коэффициент влияния формы сечения (определяется по табл.73 СниП II-23-81* “Стальные конструкции”) зависящий от отношения площади сечения полки к площади сечения стенки: условной гибкости стержня колонны и относительного эксцентриситета: здесь ex – эксцентриситет действия силы.
В зависимости от и mefx определяется коэффициент продольного изгиба при внецентренном сжатии φe:
Проверка обеспечения устойчивости колонны в плоскости рамы выполняется по формуле:
При изгибе колонны в плоскости наибольшей жесткости (Jx>Jy) необходимо выполнить проверку обеспечения устойчивости участка колонны из плоскости действия момента.
Устойчивость верхней части колонны из плоскости рамы проверяется по формуле:
Так как mx=72 10 здесь коэффициент с следует определять по формуле:. Где: 1)
Согласно табл. 21 СП “Стальные конструкции” ; т.к.
) φу – коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии φу=0894;
Таким образом имеем:
Тогда коэффициент с:
Проверку обеспечения устойчивости участка колонны из плоскости действия момента:
После вышеприведенных проверок следует проверять местную устойчивость полок и стенки принятого сечения колонны.
Так как: местная устойчивость полок будет обеспечена если отношение =10 не будет превышать значения определяемого по формуле:
Для проверки местной устойчивости стенки необходимо сначала найти параметр α характеризующий полноту эпюры нормальных напряжений сжатия в стенке: где – наибольшее сжимающее напряжение у границы стенки: 1 – соответствующее напряжение у противоположной границы стенки.
Оба напряжения берутся со своими знаками.
Так как α>1 наибольшее отношение ограничивается значением которое принимается не больше где ; - усредненное касательное напряжение в стенке рассматриваемого сечения.
Вывод: стенку укреплять парными поперечными ребрами жесткости не следует.
Проверку прочности принятого сечения верхней части колонны выполнять не требуется так как
Катет угловых швов прикрепляющих стенку к поясам верхней части колонны в курсовом проекте принимается конструктивно принимается равным:
3. Расчет и конструирование нижней части колонны.
Сечение нижней части сквозной колонны принимается состоящим из двух ветвей: подкрановой и наружной (шатровой) соединенных в двух плоскостях решеткой.
Расчет нижней части колонны начинают с выбора расчетных значений внутренних усилий для наружной (N2 M2 растягивающий внутренние волокна стержня колонны) и подкрановой (N1 M1 растягивающий наружные волокна стержня колонны) ветвей колонны. Эти нагрузки выбираются из таблицы расчетных сочетаний (сечения 1-1 и 2-2).
Предварительно продольные усилия в ветвях колонны находят следующим образом: в подкрановой ветви: в наружной ветви:где y1 y2 – расстояния от центра тяжести сечения нижней части колонны до центра тяжести соответствующей ветви (на этой стадии ):
Ориентировочная требуемая площадь находится по формулам:
Далее назначаются сечения ветвей колонны.
В качестве подкрановой ветви примем двутавр с параллельными гранями полок №40 со следующими геометрическими характеристиками: h = 40см Aп = 726см2; b1=155см; d=083см; t=13см; J
В качестве наружной ветви принимаем сварное сечение в виде швеллера. Далее определяются геометрические характеристики сечения шатровой ветви.
Определим геометрические характеристики всего сечения нижней части колонны
Сечение нижней части колонны
После этого производится проверка устойчивости каждой из ветвей из плоскости рамы по формула: здесь φyН и φyП – коэффициенты продольного изгиба при центральном сжатии соответственно для подкрановой и наружной ветвей определяемые в зависимости от гибкостей этих ветвей из плоскости рамы:
Вывод: устойчивость ветвей обеспечена.
Повторим расчёт выдержав исходный размер bd. Тогда окончательно продольные усилия в ветвях колонны находят следующим образом: в подкрановой ветви: в наружной ветви: где y1=1000-2937=7063мм; y2 =2937-357=258 мм– расстояния от центра тяжести сечения нижней части колонны до центра тяжести соответствующей ветви
Далее проверяются подобранные сечения ветвей колонны.
-площади подкрановой и шатровой ветвей соответственно (больше требуемых значений).
После этого производится проверка устойчивости каждой из ветвей из плоскости рамы по формулам: здесь φyН и φyП – коэффициенты продольного изгиба при центральном сжатии соответственно для подкрановой и наружной ветвей определяемые в зависимости от гибкостей этих ветвей из плоскости рамы (табл. Д1СП «Стальные конструкции»):
В итоге устойчивость подобранных изначально ветвей из плоскости обеспечена.
Далее определяется максимально возможное расстояние между узлами соединительной решетки.
Выбираем для расчёта
Затем выбирается система соединительной решетки между ветвями и расстояние между ее узлами l1 l1 max так чтобы высота нижней части колоны (hd) за вычетом высоты соединительной траверсы (ht) была кратна этому расстоянию. При этом угол наклона раскосов решетки следует назначать близким к 45º а самый верхний и самый нижний раскосы подходили к верхнему и нижнему узлам подкрановой ветви. (19380-444-500) =1843620=9218мм
Принимаем l1=9218мм угол равен 45º. Имеем 20 раскосов решетки.
Проверку устойчивости каждой из ветвей колонны в плоскости рамы производят в предположении что ветви работают на центральное сжатие с расчетной длиной равной расстоянию между узлами соединительной решетки l1 по формулам:
(согласно табл. Д1 СП «Стальные конструкции» в зависимости от типа сечения «В» согласно табл.7 СП)
(согласно табл. Д1 СП «Стальные конструкции» в зависимости от типа сечения «С» согласно табл.7 СП)
В итоге устойчивость ветвей в плоскости обеспечена.
Проверку устойчивости колонны как единого стержня составного сечения начинают с подбора сечения элементов решетки.
Раскосы решетки рассчитывают на большую из поперечных сил - действующую при комбинации загружений 123610 (табл. Расчетных сочетаний; сечение 1-1) Q=3084кН или условную где φ – коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии принимаемый для составного стержня в плоскости соединительных элементов: ; тип сечения «В» тогда по табл. Д1 СП «Стальные конструкции» φ=0998;
Расчёт ведем по Q=3084кН
Поперечная сила распределяется поровну между решетками лежащими в плоскостях перпендикулярных оси относительно которой производится проверка устойчивости.
Продольное усилие в раскосе находят по формуле: где α - угол наклона раскоса.
Требуемая площадь сечения раскоса выполняемого из одиночного уголка:
По сортаменту подбирается подходящее сечение раскоса с площадью Ad и выписывается Imin.
Уголок 45х45х5 по ГОСТ 8509-93:
Расчетная длина и максимальная гибкость определяется формулами:
Далее выполняется проверка устойчивости раскоса как центрально сжатого с подобранным сечением:
Устойчивость обеспечена.
Гибкость стержня нижней части колонны относительно свободной центральной оси Х - Х:
Приведенная гибкость сквозной нижней части колонны при соединении ветвей раскосной решеткой: где 1 – коэффициент определяемый по табл. 7 [I].
Условная приведенная гибкость:
Заранее неизвестно какая из групп внутренних усилий (N2 M2) и (N1 M1) определяет общую устойчивость. Поэтому по каждой группе внутренних усилий определяются относительные эксцентриситеты.
Для группы внутренних усилий вызывающих наибольшее сжатие в подкрановой ветви:
Для группы внутренних усилий вызывающих наибольшее сжатие в наружной ветви:
По и каждому из относительных эксцентриситетов mx по табл. Д4 СП “Стальные конструкции” определяются коэффициенты φe1 и φe2.
Наконец проверка устойчивости нижней части колонны как единого стержня в плоскости действия момента производится для каждой группы внутренних усилий со своим φe;
4. Расчет и конструирование стыка верхней части колонны с нижней.
Сопряжение нижней части колонны с верхней осуществляется через траверсу.
Толщина стенки траверсы определяется из условия смятия давлением Dma tf1– толщина верхней полки траверсы принимаемая предварительно 30мм. тогда здесь Rp = 361кНсм2 – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки) материала стенки траверсы. Толщина нижней полки траверсы предварительно назначается tf2 = 14 мм.
При расчете данного узла условно считается что нагрузка с верхней части колонны на нижнюю передается только полками верхней части колонны а траверса рассматривается как однопролетная свободно опертая балка пролетом bd.
Для получения расчетных внутренних усилий N и M в таблице расчетных сочетаний нагрузок отыскивается такая комбинация загружений которая дает в сечении 3-3 по возможности максимальное сжимающее усилие и максимальный изгибающий момент со знаком "-" (растягивающий наружные волокна верхней части колонны) без действия кранового загружения.
Высота сечения траверсы ht диктуется несущей способностью четырех сварных швов w1 или w2.
Сварные швы w1 должны воспринимать усилие Nn1 поэтому
по металлу границы сплавления:
Сварные швы w2 должны быть способны воспринимать максимально возможную опорную реакцию. Отсюда
Здесь Nn2 - усилие передаваемое внутренней полкой верхней части колонны на траверсу при предыдущей комбинации загружений с добавлением загружений Dma MК – момент в сечении 3-3 при действии Dmax МT - момент в сечении 3-3 от поперечного торможения (коэффициент 09 учитывает то что используется второй тип основного сочетания).
Принимаем высоту траверсы hwt = 400мм=40см.
После определения hwt назначается полная высота сечения траверсы ht которая не должна быть меньше 400-500мм. ht = 14+400+30 = 444мм.
Далее проверяется прочность траверсы при ее работе на изгиб в сечении 1-1. Для этого определяется положение центральной оси Х - Х и относительно нее момент инерции сечения траверсы Jx.
Максимальный изгибающий момент в этом сечении:
Уровень максимальных нормальных напряжений в сечении траверсы:
Здесь коэффициент 12 учитывает неравномерную передачу давления.
Уровень максимальных усредненных касательных напряжений в стенке траверсы:
5. Расчет и конструирование базы колонны.
Ширина нижней части колонны превышает 1 м поэтому проектируем базу раздельного типа.
Расчетные комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 1-1): 1) M=716301 кН*м; N=-492846 кН (для расчета базы наружной ветви); 2) M= 197993 кН*м; N=-264218 кН (для расчета базы подкрановой ветви).
Определим усилия в ветвях колонны:
База наружной ветви. Требуемая площадь плиты:;
По конструктивным соображениям свес плиты с2 должен быть не менее 4 см. Тогда принимаем B=55 см; Lтр.= принимаем L=45 см
Среднее напряжение в бетон под плитой:
Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету равно: 2*(bп+tст –zo) =2*(20+12-357) =3526 см; при толщине траверсы 12 мм c1= (45-3526-2*212) =55 см.
Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плит:
Участок 1 (консольный свес с=с1=55 см)
Участок 2 (консольный свес с=с2=75 см)
Участок 3 ba=36820=184
Участок 4 ba=368892=413
Принимаем для расчета
Требуемая толщина плиты для стали С235 толщиной 21-40 мм.
Принимаем (на 2мм на фрезеровку).
Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилие ветви передаем на траверсы через 4 угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-08А d=1.4 2мм kf=8мм. Требуемая длина шва определяется по формуле:
Усилие приходящееся на анкерные болты устанавливаемые с одной стороны колонны: где M и N - внутренние усилия в опорном сечении колонны приходящиеся на анкера.
Необходимая площадь сечения одного анкерного болта определяется формулой: где n - число анкерных болтов с одной стороны; примем 2 болта. Rbt -расчетное сопротивление анкерных болтов растяжению. Принимаем анкерный болт 12мм по ГОСТ 19281-73*.
Список использованной литературы.
СП 16.13330.2017 Стальные конструкции;
СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия;
Стальной каркас одноэтажного производственного здания Методические указания к курсовому проекту для специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство» и направления 270100 «Строительство» (бакалавры) (часть II). Издание четвёртое дополненное и переработанное. Под редакцией О.И.Ефимова. Составители: М.А.Дымолазов О.И.Ефимов Л.А.Иcаева. Казань: КГАСУ 2008г.- 72с.Часть 1 и Часть 2;
Справочные данные по расчёту металлических конструкций (Методические указания по проведению практических занятий и курсового проектирования для студентов специальности 290300 и направления 550100). Казан. КГАСА 2004. – 66 с.5;
Балочная клетка: Метод. указания для спец. 2903 Каз.инж.-стр.ин-т; Сост.: В.С. Агафонкин. Казань 2001г 47 с.