Расчет металлического каркаса промышленного здания

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Исходные данные для проектирования

1. Ширина колонн в продольном направлении А=12.4 м

2. Шаг колонн в поперечном направлении В=5.6 м

3. Габариты площадки в плане: 2Ах2В

4. Отметка верха настила Н=7.1 м

5. Строительная высота перекрытия 1.55 м

6. Временная равномерно-распределенная нагрузка 19 кН/м2

7. Материал стальных конструкций:

- настила - сталь С235

- балок и колонн - сталь С235

- фундаментов - бетон класса В12,5

8. Допускаемый относительный прогиб настила: 1/150

9. Тип сечения колонны: сплошная

10. Сопряжение главных балок с колоннами: опирание сверху

2. Расчет стального настила

Определим отношение пролета настила к его толщине по приближенной формуле Телояна:

.

Примем для настила в соответствии с табл. 50* [1] сталь марки С245, предельный относительный прогиб по табл. 19 [2] [f/l]=1/150, тогда n0=[l/f]=150;

Е - модуль упругости стали, Е=2,06·105 МПа;

н =0,3- коэффициент Пуассона;

pn=19 кН/м - нормативная равномерно распределенная нагрузка на настил (по заданию);

Цилиндрическая жесткость настила Е1

кН/см2;

Толщину настила tн выбираем в зависимости от

tн = 6 мм при < 10 кН/м2

tн = 8..10 мм при = 10…20 кН/м2

tн = 12..14 мм при =19 кН/м2 отсюда следует tн = 10 мм = 0,01 м

Рисунок 2.1 - а) опирание настила на балки; б) расчетная схема

Определим силу, растягивающую настил:

где - коэффициент надежности по нагрузке, по п.3.7 [2].

3. Компоновка балочной клетки и выбор варианта для детальной разработки

Рассмотрим два варианта компоновки балочной клетки - нормальный тип 1 и нормальный тип 2, и выберем более экономичный из них.

Материал прокатных балок клетки - сталь марки С235.

Первый вариант - нормальный тип 1 балочной клетки

Рисунок 3.1 - а) нормальный тип 2 балочной клетки; б) расчетная схема балки настила, эпюры изгибающих моментов и поперечных сил

Примем lбн=77.5см.

Определим число балок настила в пролете L = 12.4 м:

Определим нормативную погонную нагрузку на балку настила:

Определим расчетную погонную нагрузку на балку настила:



где gнастила - нормативная нагрузка от собственного веса настила.

tn - толщина настила, tn=10 мм=0.01 м;

где гf,g=1.05 - коэффициент надежности по нагрузке для веса конструкции;

gn - нормативная временная полезная нагрузка на настил,gn=19кН/м2 (по заданию);

gf,p =1.2- коэффициент надежности по нагрузке, gf,p.

Примем балку настила как шарнирно опертую балку,с пролетом l=6.2м.

Расчетная поперечная сила на опоре:

.

Расчетный изгибающий момент:

Тогда, требуемый момент сопротивления балки:

,

где с=1.12 - коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций по сечению; Ry=225 МПа - расчетное сопротивление стали при работе на растяжение, сжатие, изгиб, по пределу текучести; gс=1 - коэффициент условий работы.

.

Из таблицы сортамента выберем двутавр №24, имеющий Wx=289 см3, Ix=3460 см4, Вес=34.8.

Проверим прогиб балки:

см =[] = =0.005

Меняем двутавр на №27, имеющий Wx=371 см3, Ix=5010 см4, Вес=40.2.

Проверим прогиб балки:

см =[] = =0.005

Вес 1м2 балочной клетки равен:

gн10+40.2/=7.85+44.9=59.72 кг/м2

Второй вариант - нормальный тип 2балочной клетки



Рисунок 3.2 - а) нормальный тип 2 балочной клетки; б) расчетная схема балки настила, эпюры изгибающих моментов и поперечных сил

Примем lбн=62см.

Определим число балок настила в пролете L = 12.4 м:

Определим нормативную погонную нагрузку на балку настила:

Определим расчетную погонную нагрузку на балку настила:

где gнастила - нормативная нагрузка от собственного веса на

стила.

tn - толщина настила, tn=10 мм=0.01 м;

где гf,g=1.05 - коэффициент надежности по нагрузке для веса конструкции;

gn - нормативная временная полезная нагрузка на настил,gn=19кН/м2 (по заданию);

gf,p =1.2- коэффициент надежности по нагрузке, gf,p.

Примем балку настила как шарнирно опертую балку,с пролетом l=6.2м.

Расчетная поперечная сила на опоре:

.

Расчетный изгибающий момент:

Тогда, требуемый момент сопротивления балки

,

где с=1,12 - коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций по сечению;

Ry=225 МПа - расчетное сопротивление стали при работе на растяжение, сжатие, изгиб, по пределу текучести;

gс=1 - коэффициент условий работы.

.

Из таблицы сортамента выберем двутавр №24, имеющий Wx=289 см3, Ix=3460 см4, Вес=34.8. Вес 1м2 балочной клетки равен:

gн10+34.8/ =7.85+40.5=63.98 кг/м2

Проверим прогиб балки:

,

где qn - нормативная нагрузка на балку настила.

см<[] = =0.005

т.е. условие жесткости выполняется.

Для детальной разработки принимаем второй вариант, т.к. расход металла по первому варианту больше расхода металла по второму варианту.

4. Расчет главной балки

Табл. 1

Наименование нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэф. надежности по нагрузке, гf	Расчетная Нагрузка, кН/м2
Вес настила	0.780	1.05	0.820
Вес балок настила	0.580	1.05	0.420
Вес главных балок	~0.400	1.05	0.420
Временная нагрузка	19	1.2	22.8
gn=20.760 кН/м2	g24.650 кН/м2

qn= gnB= 20.765.6 = 116.24 кН/м; q= gB= 24.655.6 = 138.01 кН/м

Средний коэффициент надежности по нагрузке:



Рисунок 4.1 - Расчетная схема главной балки

Определяем расчетный изгибающий момент в середине пролета:

кНм = 265264 кНсм

Определяем поперечную силу на опоре:

кН

Определяем требуемый момент сопротивления сечения:

11789.15см3

Проектируем главную балку составного двутаврового сварного сечения. В первую очередь необходимо определить основной размер - высоту балки.

Подбор сечения главной балки.

Сечение главной балки в соответствии с заданием принимаем составным сварным. Балку принимаем переменного по длине сечения, поэтому рассчитываем её без учета развития пластических деформаций.

Определим высоту сечения главной балки:

Наименьшая допустимая высота балки определяется из условия ее жесткости при полном использовании расчетного сопротивления по формуле:

,

где

Ry-расчетное сопротивление стали;

qn-нормативная нагрузка;

q-расчетная нагрузка;

- пролет главной балки;

Предельный относительный прогиб для главных балок

Определяем hmin балки из условия жесткости:

см.

Оптимальная высота главной балки, обеспечивающая наименьший расход стали, определяется по формуле:

Проверка долговечности стенки:

см

Условия для высоты сечения:

>

= 0,8…0,9 =

?

Примем hw = 110 см (hкратна 100мм)

По ГОСТ 19903-74* выбираем стальной лист для стенки:

=1.3 см (толщина)

=110 см (ширина)

Определение размеров полки:

см2

Условия для размеров полки:

? 180мм

= (1/5…1/3)=22- 36.67 см

95.76



Рисунок 4.2 - Схема главной балки

Толщина полки:

??3

??3.9

? 39 мм

По данным условиям принимаем

bf = 34 см;

tf = 3.2 см.

Следовательно

Проверка прочности на изгиб:

0.88

Ix=740959.04 см4

Wx===13471.98 см3

Проверка жесткости балки:

=0.0019<[] = =0.002

Изменение сечения балки по длине

Рисунок 4.3 - Место изменения сечения главной балки

Место изменения сечения - 1/6 пролета главной балки

x?lгб/6 = 12.4/6 = 2 м примем х=1.9 м

Определяем расчетные усилия в месте изменения сечения:

кНм = 137665 кНсм.

кН

6118.44см3

Требуемая площадь полки:

36.61см2

bf'=11.44

bf`? 180мм

bf'?0.5bf (17 см)

bf'?h/10 (14 см)

bf'= 20 см

По данным условиям изГОСТ 82-70* выбираем bf'= 20 см

Момент сопротивления измененного сечения:

=485459.27см4

Wx'===9371.80 см3

5059.31

Проверка прочности на изгиб:

, проверка выполнилась

Проверка прочности на срез:

(ребро внутри)

0.53

Проверка на совместную работу касательных и нормальных напряжений:

14.69

4.41

16.55

0.58

3.56

0.14

Обеспечение местной устойчивости сжатого пояса и стенки балки.

Проверка устойчивости сжатого пояса балки выполнена ранее.

Проверим устойчивость стенок балки.

Расчет общей устойчивости главной балки.

Проверка условной гибкости сжатой полки балки

лb ? лub

лb=0.09- условная гибкость балки

лub=0.35+0.0032=0.55, 0.09 < 0.55, значит условие лb ? лub выполняется.

Следовательно общая устойчивость главной балки будет обеспечена.

Расчет местной устойчивости главной балки

Полка

Проверка условной гибкости сжатой полки балки

лf ? лuf

лf==0.17

- расчетная ширина свеса полки

16.35 - расчетная ширина свеса полки

лuf=0.53

- расчетное сопротивление полки

19.69 кН/см2

сжимающие напряжения в полке от максимального изгибающего момента

Условие лf ? лufвыполняется.

Стенка

лw= 2.78

лw - условная гибкость стенки

лw> 2.5, согласно СП16.13330.2011 п.8.5.9 следует укреплять балки поперечными ребрами жесткости.

Расстановка поперечных ребер жесткости.

Расстояние между поперечными ребрами жесткости не должно превышать 2hw.

2·hw=2 1036=2072мм.

Также ребра жесткости желательно располагать под балками настила и с шагом не менее 1м.

Принимаем d=1240 см, расставляем ребра под балками настила.

Ширина ребер жесткости

Найдем толщину ребра жесткости в главной балке:

Расчет опорного ребра жесткости

Рисунок 4.4 - Конструкция опорного ребра главной балки

Расчет опорного ребра на прочность

Рассчитаем толщину опорного ребра.

bор= = =9.35 см

tор= ==1.31 см, где Rp= Ru=35 кН/см2

принимаем tор=1.6 см

lef = 110см

a=15см

tор = 1.6 см

Рисунок 4.5 - Опорная зона главной балки

bор = 9.35 см

- ширина полосы стенки не должна превышать это значение

Проверка устойчивости опорной части балки:



< 1, проверка выполняется.

Расчет монтажного стыка главной балки.

Монтажный стык главной балки выполняется на накладках с применением высокопрочных болтов с контролируемым натяжением. Это фрикционное соединение.

Усилие передается через силы трения, возникающие по соприкасающимся поверхностям соединяемых элементов (в данном случае - между накладками и стенкой и полками балки) за счет натяжения высокопрочных болтов.

Фрикционные соединения применяются в стыках, к которым предъявляют повышенные требования по ограничению деформативности.

Применяются высокопрочные болты класса точности В. Высокопрочные болты работают на растяжение.

Полки перекрываются тремя накладками, стенка- двумя, для увеличения трения соприкасающихся поверхностей накладок и балки обрабатывают. В середине пролета (место расположения стыка) в балке действует только изгибающий момент.

Момент раскладывается на две части: воспринимаемый стенкой и воспринимаемый полками - пропорционально их моментами инерций.

Момент, воспринимаемый стенкой:

265264

Момент, воспринимаемый полкой:

Определяем продольное усилие, действующее в полке:

Несущая способность высокопрочного болта:

где: - расчетное сопротивление растяжению высокопрочных болтов.

Диаметр болта из стали 40x принимаем d=24 мм.

Тогда (по таблице Г.8 СНиП II-23-81 «Стальные конструкции»).

- площадь сечения болта нетто, (по таблице Г.9 СНиП II-23-81 «Стальные конструкции»)..

- коэффициент трения. Способ обработки: дробеметный или дробеструйный двух поверхностей без консервации, (по таблице 42 СНиП II-23-81 «Стальные конструкции»). Контроль натяжения болтов по моменту закручивания.

Разность номинальных диаметров отверстий и болтов при статической нагрузке .

- коэффициент надежности болтового соединения (по таблице 42 СНиП II-23-81 «Стальные конструкции»).

Полка:

Определяем требуемое число болтов в полке:

где: - количество плоскостей трения. - коэффициент условия работы фрикционных соединений. - коэффициент условия работы конструкции.

Следовательно, число болтов принимаем: .

Подбираем расстояние между болтами по таблице 40 СНиП II-23-81 «Стальные конструкции»

Рисунок 4.6 - Размещение болтов на полке

Расстояние между центрами отверстий для болтов в любом направлении:

Расстояние от центра отверстий для болта до края элемента:

Примем размер накладки 440x340 мм.

1) Проверяем ослабление нижнего растянутого пояса отверстиями под болты dотв = 26мм (на 2 мм больше диаметра болта). Пояс ослаблен одним отверстием по краю стыка:



Т.к. , принимаем, что площадь при статических нагрузках, равна .

2) Проверяем ослабление накладок во втором и в третьем рядах стыка между отверстиями:

Т.к. , принимаем, что площадь при статических нагрузках, равна .

Расчетное усилие, приходящее на ослабленное сечение:

*0,5 - показывает, что половина усилия идет на трение.

Проверка:

1) Проверка ослабленного сечения полки в месте установки высокопрочных болтов:

Стенка:

Стенку перекрываем двумя вертикальными накладками толщиной 10 мм.

Момент, действующий на стенку:

2

Усилие, приходящeeся, на наиболее удаленный от нейтральной оси ряд болтов с одной стороны стыка:

кН

Рисунок 4.7 - Размещение болтов на стенке

Тогда, число рядов с одной стороны стыка:

Принимаем число рядов:.

Расчет сварных швов соединяющих полку и стенку

кН/см

Т - сдвигающее пояс усилие на ед. длины, вызываемое поперечной силой

=11.5+2 см

V - сдвигающее пояс усилие на ед. длины от опорных реакций

Равнодействующая сил:

Определим катет шва Kf:

По СП 16.13330.2011 Кfmax=1.2t, где t=13мм(стенка) - наименьшая из толщин свариваемых элементов

Кfmin=5 мм. при толщине более толстого из свариваемых элементов=3.2 мм (полка), толщиной 25 мм при автоматической сварке.

5 мм ? Kf ? 1.213=15.6 мм

Примем Kf = 7 мм.

Проверка прочности сварного углового шва:

1. По металлу шва:

вf = 1,1 - коэффициент при нормальных режимах автоматической сварки при d=3-5 мм, положение шва в лодочку.

 - расчетное сопротивление по металлу шва сварного соединения с угловыми швами, тип электрода - Э50А, марка проволоки - Св-08Г2С (СП 16.13330.2011, табл. 4; Г1; Г2)

гwf- коэф. надежности по металлу шва (СП 16.13330.2011 табл.4)

, проверка выполняется

2. По металлу границы сплавления:

вz = 1.15 - коэф. при нормальных режимах автоматической сварки при d=3-5 мм, положении шва в лодочку (СП 16.13330.2011, табл. 39)

Rwz=0.45Run =0.45МПа - расчетное сопротивление по металлу шва сварного соединения с угловыми швами, тип электрода - Э50А, марка проволоки - Св-08Г2С (СП 16.13330.2011, табл. 4; В5)

Run = 370 МПа - нормативное сопротивление проката, зависящее от марки стали и толщины проката (СП 16.13330.2011, табл. В5)

, проверка выполнилась

Расчет сварного шва опорного ребра главной балки.

Определим катет шва:

5 мм ? Kf ? 1.213=15.6 мм

Примем Kf = 7 мм

Проверка прочности сварного углового шва:

1. По металлу шва:



Рисунок 4.7 - Схема опирания главной балки на колонну

lw= 85вfkf = 851.10.7 = 65.45 см

;

Яf,Яz - коэффициенты, зависящие от технологии сварки и катета шва (автоматическая d=1.4-2 мм, положение шва в лодочку, табл 39 СП16 ). Яf=1.1

- расчетное сопротивление по металлу шва сварного соединения с угловыми швами, тип электрода - Э50А, марка проволоки - Св-08Г2С (СП 16.13330.2011, табл. 4; Г1; Г2)

2. По металлу границы сплавления:

Яz=1.15

Kf = 7 мм

lw=65.45 см

Rwz=0.45Run = 166.5 МПа - расчетное сопротивление по металлу шва сварного соединения с угловыми швами, тип электрода - Э50А, марка проволоки - Св-08Г2С (СП 16.13330.2011, табл. 4; В5)

Run = 370 МПа - нормативное сопротивление проката, зависящее от марки стали и толщины проката (СП 16.13330.2011, табл. В5)

5. Расчёт и проектирование колонны

Рисунок 5.1 - Схема сплошной колонны из сварного двутавра

Проектируемая колонна сплошного сечения в виде сварного двутавра.

Расчетная схема колонны определяется с учетом ее закрепления в фундаменте и способа прикрепления балок. В данном случае колонна в базе закреплена жестко - в плоскости большей жесткости двутавра (относительно оси Х) и шарнирно - из плоскости (относительно оси У). Крепление балок запроектировано шарнирным. К верхнему концу центрально приложена сосредоточенная продольная сила. Выполняется проектирование средней колонны. Так как загружения площадки равномерное по всей площади и на эту колонну с двух сторон опираются главные балки, то она работает на центральное сжатие.

1. Определяются расчетные длины колонны

Расчетная длина относительно оси Х:

Расчетная длина относительно оси У:

5.215м

(Табл. 30 СП)

2.

двутавр сварной опорный

1733.73

7.1+0.6-0.24-0.01=7.45 м

Примем

Требуемая площадь сечения



2.64

Рисунок 5.2 - Размеры сечения колонны

0.71(по формуле 8 СП 16. Стальные конструкции)

18.81

107.91

3. Требуемые радиусы инерции

0.056м=5.6

0.077 см

4. Требуемая высота сечения

12.92

5. Требуемая ширина

27.16

320=32 см

=1 см

Определяем геометрические характеристики сечения колонны

128

7202.67;

15.27

7.50

29.11

69.52

Выбираем максимальную гибкость:

69.52

2.3

(СП 16.13330.2011 табл.Д1)

Проверка устойчивость при центральном сжатии:

0.775(

Проверка местной устойчивости полки:

0.30

=(34-1.3)/2=16.35 см

0.88

условие выполняется.

Проверка гибкости стенки:

1.06

2.00

условие выполняется

Так как , укреплять поперечными ребрами не обязательно.

Расчет базы колонны.

Конструкция базы должна отвечать принятому в расчетной схеме колонны способу её сопряжения с фундаментом.

Расчет опорной плиты колонны выполняется в соответствии с п.8.6 СП.

Площадь опорной плиты должна удовлетворять требованиям расчёта на прочность фундамента. Передача расчетного усилия на опорную плиту может осуществляться через фрезерованный торец или через сварные швы конструкции, опирающейся на плиту.

Определим площадь опорной плиты, исходя из несущей способности бетона на сжатие:

=1256.33

;

- расчетное сопротивление на смятие бетона

Рисунок 5.3 - База колонны

35.44

А=

1. Проверим прочность фундаментной плиты на изгиб.

0.99 - давление со стороны бетона на опорную плиту

2. Толщина опорной плиты

- расчет пластинки на изгиб, загруженной давлением в бетоне

1ый участок:

25.89

При b/a=2.21 > 2б1=0.125

2ой участок: опёртый по 3-м сторонам

9.54 (считаем как консоль т.к. b/a=0.15)

3ий участок: консольный участок

7.88

2.63 принимаем

Швы назначаются конструктивно без расчета.

Расчет высоты траверсы.

Высота траверсы определяется прочностью сварных швов, которые передают продольную силу с колонны на траверсу.

Для стали C245 по таблице Г.1. подбираем соответствующие материалы для сварки. Принимаем марку сварочной проволоки для автоматической и механизированной сварки (по ГОСТ 2246) Св-10ГА при сварке под флюсом АН-17-М покрытыми электродами Э50.

Из таблицы Г.2. /мм2.

1) из условия по металлу шва:

hтр +1см hтр =27.18 см

2) по металлу границы сплавления:

hтр +1см hтр =33.34 см.

Высота траверсы должна быть не более 85=65.45 см

Примем высоту траверсы hтр=40 см.

Литература

1. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. СП 16.13330.2011.

2. Беленя Е.И. и др. Металлические конструкции. - М.: Стройиздат, 1986.- 560 с.

3. Стальные конструкции. Справочник конструктора. - М.: Стройиздат, 1976. - 329 с.

4. А.Р. Туснин, О.А. Туснина, методические указания по выполнению курсового проекта «Расчёт и проектирование конструкций рабочей площадки».

5. Мандриков А.П., Лялин И.М. Проектирование металлических конструкций. - М.: Стройиздат, 1982

6. Филипович А.И., Филипович С.В. Основные правила оформления курсовых, дипломных проектов и работ: Справочное пособие для студентов строительных специальностей. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1998. - 110 с.

7. В.И. Парфенов. Примеры расчета металлических конструкций Уфа: УГНТУ, 1994.

Размещено на Allbest.ru