Проектирование элементов металлического каркаса одноэтажного промышленного здания

Metallych.dwg

Поперечный разрез 1-1 М 1:100
Гидроизоляция 4 слоя рубероида
Защитный слой из гравия t=20 мм
Цементная стяжка t=20мм
Утеплитель: керамзитобетонные плиты
Пароизоляция 1 слой рубероида
Сборные железобетонные плиты
Схема расположения связей по верхнему поясу стропильной фермы М1:200
Связи между колоннами М 1:200 Разрез 2-2
План расположения колонн и подкрановых балок между колоннами
Схема расположения связей по нижнему поясу стропильной фермы М1:200
Анкерный болт М48*900 10Г2 (ГОСТ 24379.1-2012)
Гайка М48 ГОСТ 24379.1-2012
Шайба М48 ГОСТ 24379.1-2012
Подкрановая балка ПБ-1
Спецификация элементов металлического каркаса
Примечание 1. Изготовление конструкций производить в соответствии с ГОСТ 23118-99
СП 53-101-98 и указаниями в чертежах КМ; 2. Постоянные болты принять по ГОСТ 7798-70; 3. Болты должны быть затянуты с постановкой контргаек; 4. Заводские швы
соединяющие пояс и стенку балки выполнить полуавтоматической сваркой согласно ГОСТ 14771-76 проволокой Св-08Г2С
катет шва 16 мм; швы соединения траверсы с плитой с использованием проволоки Св-08ГА
катет шва 10мм; монтажные швы выполнить ручной сваркой; 5. Контроль качества сварных швов по ГОСТ 3242-79; 6. Анкерный болт принять согласно ГОСТ 24379.1-2012;
Узел сопряжения верха и низа К-1
Условные обозначения
болт нормальной точности
заводской угловой шов
монтажный угловой шов
Проектирование элементов металлического каркаса одноэтажного промышленного здания
Схемы расположения связей по верхним
по нижним поясам. Схема расположения колон и подкрановых балок между колоннами
Подкрановая балка ПБ-1 М1:20

Stella_kopia.docx

Компоновка конструктивной схемы каркаса.4
2. Компоновка однопролётной поперечной рамы5
Расчет подкрановой балки8
1. Нагрузки на подкрановую балку8
2. Определение расчётных усилий9
3 Назначение размеров тормозной балки14
1. Расчёт на постоянную нагрузку20
2 Снеговая нагрузка23
3 Крановая нагрузка24
4 Ветровая нагрузка26
5 Статический расчет поперечной рамы28
Расчёт ступенчатой колонны производственного здания30
1. Исходные данные30
2. Определение расчётных длин колонн30
4. Подбор сечения нижней части колонны35
6. Расчёт и конструирование базы колонны41
7. Расчет анкерных болтов и пластин46
Целью курсового проекта является освоение навыков по компоновке конструктивной схемы каркаса устройству связей каркаса расчету и компоновке конструкции подкрановой балки расчету поперечной рамы расчет и конструкции ступенчатой колонны производственного здания.
Данные для курсового проекта выбраны согласно шифру № 44.
Компоновка конструктивной схемы каркаса.
Район строительства г. Екатеринбург
Пролёт поперечной рамы: l=18 м.
Длина здания: L=84 м.
Грузоподъёмность крана: Q=205т.
Режим работы крана: 5К
Высота от уровня пола до головки подкранового рельса: Н1=95 м.
Класс бетона фундамента: В10
Марка стали для рам: 14Г2
Марка стали для подкрановой балки: ВСт3cп
Сопряжение ригеля с колонной – жёсткое.
Сопряжение колонны с фундаментом - жесткое
Утеплитель – керамзитобетонные плиты
Несущая конструкция кровли – жб плиты (беспрогонное покрытие)
Рассчитываемый узел стропильной фермы - рядовой нижний пояс
Очертание стропильной фермы – с параллельными поясами
Количество кранов в пролете - 2
Сечение стержней - тавр из парных уголков.
Решетка фермы - треугольная с доп. Стойками
Снеговой район – III.
Ветровой район – II.
2. Компоновка однопролётной поперечной рамы
Основные параметры и размеры крана.(ГОСТ 25711-83 таблица №1 [1])
Максимальное давление колеса кН.
Вес крана с тележкой GК кН.
Тип кранового рельса
Где - полезная высота цеха;
- расстояние от уровня пола до головки кранового рельса;
- расстояние от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия;
Где - расстояние от головки кранового рельса до верхней точки тележки крана [1] плюс установленный по технике безопасности зазор между этой точкой и строительными конструкциями равный 100 мм.;
- размер учитывающий прогиб конструкции покрытия (форм связей) принимается в зависимости от пролёта (для пролётов свыше 24 метров принимается 300мм).
В целях унификации строительных конструкций принимаем Н2 кратным 200.
В целях унификации строительных конструкций принимаем Н0 кратным 600.
Высота верха колонны НV определяется по формуле:
Где - высота подкрановой балки которая определяется : Принимаем =1700мм
- высота кранового рельса принимается равной 120 мм.
Высота низа колонны НN определяется по формуле:
где Нбазы ориентировочно принимаем (6001000) мм
Общая высота колонны рамы от низа базы до низа ригеля:
При плоских кровлях и фермах с элементами из парных уголков в соответствии с ГОСТ 23119-78 “Фермы стропильные стальные сварные с элементами из парных стальных уголков для производственных зданий” [5] высота Hf при пролёте 18 м. принимается равной 2250 мм.
Определение размеров по горизонтали.
Определяем а - привязка колонны к разбивочной оси: а = 250 мм.
Высота надкрановой части колонны hV принимается по формуле:
при условии Нв 12 ≤ мм.
При назначении высоты нижней части ступенчатой колонны учитывается необходимость того чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну следовательно расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее:
Где - размер части кранового моста выступающей за ось рельса [1];
с=75мм – зазор между краном и колонной назначаемый по требованиям безопасности
В целях унификации строительных конструкций принимаем кратным 250.
Ось подкрановой ветки колонны совмещается с осью подкрановой балки тогда:
hN > HH 20 = 1320020 = 660 мм
Пролёт мостового крана:
Верхнюю часть колонны назначаем сплошной двутаврового сечения нижнюю часть делаем сквозной.
Рис. 1. Компоновочная схема промышленного здания
Расчет подкрановой балки
1. Нагрузки на подкрановую балку
Нормативная и расчетная вертикальная нагрузка на подкрановую балку:
Нормативная и расчетная горизонтальная нагрузка на подкрановую балку:
2. Определение расчётных усилий
Для определения расчетных усилий используем правило Винклера.
В пролете балки от 2х кранов
Рис. 2.Схема расположение двух кранов в пролете
Определение равнодействующей:
Определение реакций в опорах:
Рис. 3. Схема расположение двух кранов на опоре
Максимальный момент возникает в сечении близком к середине пролёта.
Максимальное поперечное усилие возникает на опоре в т.А.
Расчетные значения внутренних усилий:
где α=105 коэффициент учитывающий собственный вес подкрановой балки;
=085-коэффициент сочетания;
Два крана в пролете:
В горизонтальных плоскостях:
3. Подбор сечения балки
Из условия прочности:
где - коэффициент учитывающий появление напряжения в верхнем поясе балки от действия момента в горизонтальной плоскости;
требуемый момент сопротивления сечения подкрановой балки относительно оси Ох;
– расчетное сопротивление стали С255 по пределу текучести равное 24 кНсм2
– коэффициент условия работы равный 1.
hb =(16 19)l=128= 1500 мм
где hн - высота сечения нижней части колонны;
hb – высота сечения подкрановой балки ;
Из условия требуемый момент сопротивления:
Оптимальная высота подкрановой балки:
где - коэффициент от 115 до 12 для сварных балок;
Согласно ГОСТ 82-70* принимаем tw=12 мм.
Минимальная высота подкрановой балки:
Момент изгибающий от действия одного крана в пролете:
Согласно ГОСТ 82-70* принимаем hв=600мм=60см.
Уточним толщину стенки из условия:
Принимаем толщину стенки
Толщина пояса подкрановой балки:
Требуемый момент инерции сечения:
Согласно ГОСТ 82-70* принято bf=400 мм.
С учетом болтов закрепления:
где - диаметр отверстия под болт.
– условие выполняется
см – условие выполняется
Условие устойчивости пояса:
- свес пояса над стенкой;
- Устойчивость пояса обеспеченна
3 Назначение размеров тормозной балки
Тормозные балки при ширине тележки от 125 до 15м проектируются сплошной стенкой принимаемой из рифленого листа ГОСТ 8568-57 "Сталь листовая рифленая
Толщину листа принимаем - 8 мм.
Швеллер принимаем №30 т.к. шаг колонн 12м.
Что бы горизонтальное смещение балки не передавалось на стену здания крепление швеллера к колонне или к стойке фахверка при шаге 12м и более выполняется при помощи листового шарнира.
Рис.4. Тормозная кнструкция
Основное условие прочности:
где WyA–момент сопротивления сечения подкрановой балки относительно оси Оу.
Момент инерции сечения:
где Ixf – момент инерции пояса подкрановой балки с учетом болтовых отверстий
Момент сопротивления по оси Ox:
Координата центра тяжести составного сечения тормозной конструкции:
Так как геометрические характеристики приведенного сечения рассчитываются относительно оси подкрановой балки
Статический момент инерции тормозного листа:
Тормозная балка принимается исходя из шага колонн. Принят швеллер № 30. По сортаменту:
Момент инерции составного сечения относительно оси Oy:
где – моменты инерции сечений элементов тормозной конструкции (пояса подкрановой балки тормозного листа и тормозной балки).
где 6 – нахлест тормозного листа на пояс подкрановой балки и тормозной балки.
Момент сопротивления по оси Oy:
Проверка прочности по нормальным напряжениям:
Условие прочности по нижнему поясу:
Момент сопротивления:
Условие прочности на срез:
где – статический момент инерции отсеченной части сечения подкрановой балки.
Проверка стенки на местное нормальное и сминающее напряжение
(дополнительное условие):
- расчетное усилие от давления колес на рельс без учета коэффициента динамичности;
- коэффициент учитывающий податливость сопряжения стенки с поясом для сварных балок.
- момент инерции пояса
=1040.18 - момент инерции для КР - 70.
кНсм2 - условие выполняется
Проверка по приведенному напряжению в пролетном сечении:
Проверка прочности подкрановой балки в опорном сечении:
Проверка на усталостную прочность (на выносливость):
- расчетное сопротивление усталости принимаемое в зависимости от временного сопротивления стали и конструктивного решения (С255).
Касательные напряжения:
– максимальный изгибающий момент от действия одного крана в пролете от пониженной нагрузки.
Так как при определении пониженной силы давления на подкрановую балку значение уменьшается в 2 раза то и значения изгибающих моментов от действия
нагрузки будет меньше в 2 раза. Тогда:
Расчетное значение изгибающего момента:
Проверка на жесткость:
Проверка устойчивости стенки:
Для определения геометрических характеристик сечения надкрановой и подкрановой частей колонн геометрических параметров фермы расчет рамы проводится на разные схемы загружения от каждого вида нагрузки:
)Постоянной (от веса перекрытия и собственного веса несущих и ограждающих конструкций):
1. Расчёт на постоянную нагрузку
Подсчет нагрузок на 1 м2 покрытия сводим в таблицу:
Нормативные и расчетные нагрузки на 1 м2 покрытия
Расчетная нагрузка gР
Защитный слой из гравия утопленного в мастику.
Гидроизоляционный ковер (4 слоя рубероида)
Асфальтовая стяжкаt=20мм
Утеплитель (керамзитобетонные плиты) t=80мм.
Пароизоляция из 1го слоя рубероида
Сборные жб плиты из тяжелого бетона (с заливкой швов) 3х6 м
Переплеты с остеклением над фонарной конструкцией
Расчётная равномерно распределённая линейная нагрузка на ригель определяется по формуле:
- угол приложения нагрузки относительно фермы.
gогр – вес ограждающаих конструкций фонаря конструктивно принимая 007 кгм2
Рис. 5.Грузовая полоса
Опорная реакция ригеля определяется по формуле:
Расчетный вес колонны:
Вес верхней части колонны:
Вес нижней части колонны:
Нагрузка в верхней части колонны от плит и переплетов с учетом собственного веса колонны:
5 – высота парапета;
Нагрузка в нижней части колонны от плит и переплетов с учетом собственного веса колонны:
Рис. 6. Схема загружения от постоянной нагрузки
Вес снегового покрова по СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия»[1] для заданного 3 –го района (г. Екатеринбург) определяется по формуле:
Согласно СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия»:
Значение находится в интервале от 10 до 20. Тогда методом интерполяции:
Равномерно распределенная нагрузка от действия снегового покрова:
Опорная реакция от действия снеговой нагрузки:
Рис. 7. Схема загружения от действия снеговой нагрузки
Вес поднимаемого груза по заданию Q = 20 т = 200кН.
Пролет крана lK=165 м Gкр = 220 кН вес тележки Gт=63 кН и нормативное максимальное давление одного колеса Pнmax =170 кН.
Расчетное максимальное давление одного колеса при γf = 12:
Расчетное минимальное давление одного колеса:
Расчетная горизонтальная нагрузка на балку (из расчета подкрановой балки):
Определяем расчетную нагрузку на колонну от двух сближенных кранов. Расстояние между колесами моста кранового пути К = 44 м ширина моста В = 56 м минимальное расстояние между колесами двух сближенных кранов 12 м.
Рис. 8. Схема расположения двух кранов «на опоре»
Определяем сумму координат линии влияния подкрановой балки под колесами кранов: y = 335 м.
Максимальное давление на колонну от двух сближенных кранов с учётом веса подкрановой балки 10.95 кН и веса кранового рельса 081 кНм будет равно:
Минимальное давление на колонну от двух сближенных кранов:
Тормозное давление на колонну:
Считаем что сила Т приложена к уступу колонны.
Сосредоточенный момент от вертикальных усилий:
Максимальный сосредоточенный момент:
Минимальный сосредоточенный момент:
Рис.9. Схема загружения от действия крановой нагрузки
Нормированное значение средней составляющей нагрузки ветра по СНиП 2.01.07-85*[3] для заданного II-го района (г. Екатеринбург) определяется по формуле:
Где W0 = 030 кПа скоростной напор ветра на единицу площади для заданного района
k=05 (высота до 5 м); 065 (до 10 м) 085 (от 10 до 20 м) 093 (от 20 до 40 м)– табличный коэффициент учитывающий высоту здания (для местности типа B);
с наветренной стороны с=08; с заветренной стороны с=06
Для наветренной стороны:
Нормативное давление на отметках верха колонны и ригеля:
Эквивалентный скоростной напор ветра на отметке верха колонны:
Ветровая нагрузка действующая на здание выше верха колонн принимается в виде сосредоточенной силы приложенной на уровне верха колонн:
Для заветренной стороны:
Рис. 18. Схема загружения от ветровой нагрузки
5 Статический расчет поперечной рамы
Для определения внутренних усилий возникающих в сечениях колонны от действия нагрузок задаются продольные и изгибные жесткости элементов.
Для нижней части одноступенчатой колонны:
Для верхней части одноступенчатой колонны:
Расчёт ступенчатой колонны производственного здания
Внутренние усилия в колонне:
Отношение моментов инерции бетон фундамента В10 материал конструкции сталь 14Г2 (С375).
2. Определение расчётных длин колонн
Значения коэффициентов приведения расчетной длины к геометрической длине зависящей от отношения моментов инерции верхней и нижней части колонны 1 2 принимаем равными как для однопролётной рамы с жёстким сопряжением ригеля с колонной верхний конец закреплён только от поворота 1=2 2 =3.
Расчетная длина верхней части колонны в плоскости рамы:
Расчётная длина из плоскости рамы для верхней части колонны:
3. Подбор сечения верхней части колонны
Требуемая площадь сечения:
Толщина стенки двутавра:
Рис 10. Сечение верхней части одноступенчатой колонны.
Геометрические характеристики сечения:
Проверка устойчивости верхней части колонны в плоскости действия момента
Момент сопротивления:
Радиус ядра сечения:
Условие устойчивости колонны:
Значение находится в интервале от 30 до 35. Тогда методом интерполяции:
Проверка устойчивости верхней части колонны из плоскости действия момента
Условие устойчивости в плоскости действия момента:
с – коэффициент учитывающий влияние момента на потерю устойчивости относительно оси y (изгибно-крутильная форма потери устойчивости).
Значение находится в интервале от 06 до 08. Тогда методом интерполяции:
Условный эксцентриситет:
Проверка местной устойчивости элементов сплошной колонны
Устойчивость стенки:
Значение зависит от коэффициента α:
4. Подбор сечения нижней части колонны
Расчётная длина нижней части колонны равна:
Расчётная длина из плоскости рамы для нижней части колонн:
Сечение принимается в виде сварного двутавра высотой hн=1000мм.
Найдём требуемую площадь сечения:
Определим эксцентриситет приложения продольного усилия:
По конструктивным соображениям
Принимаем двутавр №33 А=538 см2.
Координата центра тяжести составного сечения нижней части колонны:
Т.к. геометрические характеристики приведенного сечения рассчитываются относительно оси двутавра
Рис.12. Сечение нижней части колонны
Проверка устойчивости нижней части колонны в плоскости действия момента
Радиус инерции составного сечения:
Радиус ядра сечения:
Проверяем условие устойчивости:
где - коэффициент учитывающий форму сечения.
Значение коэффициента влияния формы сечения для двутавра согласно таблице
Проверка устойчивости нижней части колонны из плоскости действия момента
где - коэффициент устойчивости при центральном сжатии определяем зависимости от ;
Условная гибкость стержня :
Проверка местной устойчивости элементов сплошной колоны
Проверка устойчивости пояса обеспечивается за счет назначения ширины свеса полки над стенкой:
При 08 то предельная условная гибкость пояса:
Условие устойчивости стенки:
где - определяется в зависимости от который характеризуется распределением напряжения по сечению.
где - наибольшее сжимающее напряжение у расчетной границы стенки принимаемое со знаком «плюс»;
- напряжение у противоположной расчетной границы стенки со знаком «минус»;
Максимальное напряжение сжатия в точке сопряжения стенки и пояса:
Так как то определяется методом интерполяции:
- условие выполнилось
Ребра жесткости не устанавливаются.
6. Расчёт и конструирование базы колонны
Нормальные напряжения:
Сопротивление бетона:
Принимаем плиту базы шириной B 45см длиной L 140 см.
Площадь верхнего обреза фундамента:
Проверка напряжений:
8. Расчет соединения надкрановой и подкрановой частей колонны
По конструктивным соображениям задается значение толщины опорной плиты от 25 до 30 мм.
Согласно ГОСТ принято
Ширина опорной плиты согласно ГОСТ
Длина опорной плиты согласно ГОСТ
Усилие в верхней части колонны:
Толщина вертикального ребра жесткости:
Расчет швов крепящих ребро к траверсе:
Несущая способность шва:
По основному металлу:
Расчет ведется по основному металлу.
Изгибающий момент у грани верхней части колонны:
Расчетная поперечная сила в траверсе с учетом половины давления на траверсу от подкрановых балок:
Ширина верхних горизонтальных ребер:
Ширина нижнего пояса траверсы:
Положение центра тяжести сечения траверсы:
Моменты сопротивления для верхней и нижней частей сечения траверсы:
Условие устойчивости траверсы на изгиб:
Условие устойчивости траверсы на срез:
Катет шва крепления траверсы к подкрановой ветви:
Проверка стенки подкрановой ветви колонны в месте крепления траверсы и вертикального ребра на срез от поперечной силы:
Определение толщины плиты
Равномерно распределенная нагрузка действующая на полосе шириной 1 см:
Рис. 13. К определению изгибающих моментов на разных участках опорной плиты.
Изгибающий момент на участке 1 опертый по четырем сторонам:
Изгибающий момент на участке 2 опертый по трем сторонам:
Изгибающий момент на консольном участке 3:
Из условия прочности по максимальному изгибающему моменту:
Высота траверсы из расчета сварных швов прикрепляющих траверсу к колонне:
Нагрузка на базу колонны:
Катет шва задается в пределах 6 – 12 мм но не более
Требуемая длина шва:
Согласно ГОСТ принимается
Равномерно распределенная нагрузка на одну траверсу:
Рис. 19. Эпюры внутренних усилий.
Условие прочности по нормальным напряжениям:
Условие прочности по касательным напряжениям:
Условие прочности по приведенным сопротивлениям:
Расчет швов соединения траверсы с плитой
Согласно конструктивным требованиям на минимальный катет шва таврового соединения с двусторонними угловыми швами для стали с пределом текучести и толщине наиболее толстого элемента (пояса главной балки) назначается
Сварные швы выполняются автоматической или полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа марка сварочной проволоки – Св – 08ГА. Катет шва
7. Расчет анкерных болтов и пластин
Анкерные болты подлежат расчету от специальной комбинации усилий N и M вызывающих максимальное растягивающее усилие в анкерных болтах; постоянные нагрузки при этом определяются с коэффициентом надежности по нагрузке равным γf = 09 так как они разгружают анкерные болты прижимая опорную плиту базы колонны к фундаменту.
Материал фундамента – бетон класса В10. Материал конструкций – сталь класса С375 с расчетным сопротивлением Ry = 345 кНсм2 при толщине листов t до 20 мм. И Ry = 325 кНсм2 при толщине 20 t ≤ 40 мм.
Положение нулевой линии:
Требуемая площадь болтов:
Опорная реакция определяется из уравнения:
Согласно СТ СЭВ 180-75 СТ СЭВ 181-75 и СТ СЭВ 182-75 принят анкерный болт класса 4.6 и диаметром
СНиП I I-23-81*. Стальные конструкции. – М.: ГУП ЦПП Госстрой России 2003.
СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП I I-23-81*.
СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. – М.: ГУП ЦПП Госстрой России2004.
СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*
СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций. Свод правил по проектированию и строительству. – М.: 2005.
СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. – М.: Минрегион России 2012.
Примеры расчета металлических конструкций. 2-е издание переработанное и дополненное. А.П. Мандриков. – М.: Стройиздат 1991.
«Расчет и конструирование соединений элементов металлических конструкций». Методические указания. С.С. Самакалев под редакцией М.И.Мягкова : Издательский центр СурГУ 2016.