Металлические конструкции производственного здания, их расчет

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Компоновка каркаса здания

Каркас производственного здания представляет собой систему несущих конструкций, предназначенных для восприятия нагрузок от ограждения, воздействия силы ветра и кранов. При компоновке каркаса основными задачами являются:

- Размещение колонн в плане

- Выбор системы покрытия и ограждающих конструкций

- Определение размеров рамы

- Компоновка подкрановых путей и системы связей.

1.1 Выбираем тип ограждающих конструкций

Так как здание отапливаемое, то принимаем рулонную кровлю по стальному профилированному настилу, уложенному по стальным балкам и погонам, утеплитель марки ФРП с плотностью 50кг/.

Здание принимаем отапливаемое со стенами из навесных трёхслойных панелей толщиной 80мм. Для обеспечения необходимой поперечной жесткости однопролётного здания, принимаем жесткое соединение колонн с фундаментами и жесткое соединение колонн с ригелем. Так как здание оборудовано мостовыми кранами с грузоподъемностью >30т, то конструкцию колонн принимаем ступенчатыми, т.е. переменного сечения по высоте. Наиболее рационально в качестве ригеля применять стропильные фермы с параллельными поясами.

1.2 Определение основных габаритных размеров элементов конструкций в плоскости рамы

Отметки по вертикали привязываем к отметке уровня пола, принимая её нулевой отметкой (0,000).

Размеры по горизонтали привязываем к продольным осям здания.

Вертикальные габариты здания определяются расстоянием от уровня пола до головки кранового рельса и расстояние от головки кранового рельса до низа несущей конструкции . В сумме эти высоты определяют полную высоту H. Расстояние от уровня пола до головки рельса в соответствии с заданием равно 10,9 м. Определение расстояния зависит от высоты мостового крана и определяется по формуле:

= (+100) +а, где

- габаритный размер от головки кранового рельса до верхней точки тележки крана. Этот размер определяется исходя из технической документации на кран. Для крана грузоподъемностью 75 т = 3700 мм

100 - зазор, устанавливаемый из условий техники безопасности для обеспечения свободного пространства между верхней точкой тележки и низом стропильной конструкции.

а - размер, учитывающий прогиб фермы равный (200….400)мм, принимаем среднее значение, а = 300мм

= (3700+100)+400 = 4200мм = 4,2м

Окончательно принимаем кратным 200, = 4400мм.

Определяем полезную высоту здания от уровня пола до низа несущей конструкции по формуле:

H = += 10900 + 4200 = 15100 мм = 15,1 м

Размер H назначаем исходя из унифицированных габаритов стеновых панелей и принимаем кратным 1,2м до высоты здания 10,8м, а при больше высоте здания кратным 1,8м.

Окончательно принимаем Н кратным 1,8 равным 16200мм.

1.3 Определение размеров элементов здания по высоте

Высоту верхней части колонны определяем по формуле

= (+) + , где

(+) - определяем в зависимости от соотношения равного 1/8…1/10 от шага колонн B.

Т.о. высота верхней части колонн равна:

=12000/10 + 4200 = 5700мм

Высоту нижней части колонны определяем по формуле:

= Н - + (600…1000)

= 16200 - 5700 + 1000 = 11500 мм

Общая высота колонны рамы от низа опорной плиты до низа несущей конструкции определяется как сумма верхней и нижней частей колонны

= +

= 5700 + 11500 = 17200 мм

Высоту колоны у опоры ригеля принимаем равной высоте стропильной ферме. В соответствии с ГОСТ 23119-72 высота стропильной фермы без уголков при пролёте 36м принимаем 3200мм.

1.4 Определение основных размеров рамы по горизонтали

Определяем привязку оси наружной грани колонн.

В данном примере, исходя из грузоподъемности крана 75т, привязка будет равна 250мм.

После определения привязки определяем ширину верхней части колонны, исходя из условий необходимой жесткости по формуле:

= 1/12= 1/12 ·5700 = 467мм

Окончательно ширину верхней части колонны принимаем кратной 250

= 500мм

Сечение верхней части колонны принимаем сплошным в виде составного сварного двутавра, либо из двутавра прокатного профиля с широкими полками. Определяем размер равный расстоянию от оси подкрановой балки до оси колонны по формуле:

, где

- часть кранового моста выступающего за ось кранового рельса принимается по табл. 9. Для крана грузоподъёмностью 75т = 400мм.

Зазор (60…75)мм принимается из условий техники безопасности и нормальной эксплуатации крана.

, окончательно

принимаем 750мм для крана грузоподъёмностью 75т.

Ширина нижней части колонны В_н - в случае совмещения оси подкрановой ветви с осью подкрановой балки будет равна:

В_н = л + В₀ = 750+250 = 1000 мм.

В₀ - привязка наружной грани колонны

Из условий обеспечения жёсткости здания в поперечном направлении ширина нижней части колонны равна:

В_н > 1/20*h = 1/20*16200 = 810 мм, т. к. по конструктивным соображениям ширина колонны получилась равной 1000 мм, что больше требуемой, которая равна 810 мм, то жёсткость полностью обеспечивается, окончательно ширину колонны принимаем В_н = 1000 мм.

Размер пролёта здания и пролёта мостового крана связаны между собой зависимостью L = Lк + 2л. Отсюда определяем пролёт мостового крана:

Lк = L - 2л = 25200 - 2*750 = 23700 мм.

Рис. 1. Поперечный разрез здания.

Рассмотрим 2 варианта каркаса.

В варианте 1 принимаем шаг колонн равный 12м, а в варианте 2 равный 6м. Материал основных несущих конструкций принимаем единый для обоих вариантов и берём сталь Вст3. При одинаковых материалах основных несущих конструкций достаточным критерием экономической оценке может служить общий расход стали на основные несущие конструкции. Трудоёмкость изготовления и монтажа основных несущих конструкций будем оценивать косвенно путём сопоставления общего количества монтажных элементов по каждому варианту. Определим массу основных несущих элементов по каждому варианту по формулам.

1) определяем массу ригелей

, где

- нормативные нагрузки от собственной массы покрытия. Принимается отдельно для 6 и 12 м по табл.1;

- нормативная нагрузка от собственной массы снега. Принимается по СНиП «Нагрузки и воздействия» в зависимости от снегового района (табл.2); В - шаг ферм; - коэффициент для конструкций, изготовленных из стали марки Вст-3. Принимается равным 1,4; L - пролет здания.

Таб. 1

Нагрузка от собственной массы покрытия при пролетах 28,2м, кгс/м	Тип кровельного покрытия
	Рулонная кровля по стальному профилированному настилу	Рулонная кровля по крупноразмерным ж/б плитам	Кровля из а/ц листов
	теплая кровля	холодная кровля
	12м	6м	12м	6м	12м	6м
	136	136	136	136	136	136
	150	150	150	150	150	150

Для варианта I

Табл.2

Снеговой район РФ, принимаемый по обязательному прил. 5	I	II	III	IV	V	VI
, кПа (кг/м)	0,5 (50)	0,7 (70)	1,0 (100)	1,5 (150)	2,0 (200)	2,5 (250)

Для варианта II

2) Определяем массу одноступенчатых колонн

Масса одноступенчатой колонны может быть найдена, как сумма масс верхней и нижней частей колонны. Собственную массу верхней части одноступенчатой колонны определяют по формуле:

;

, где

hв- высота верхней части колонны

- наибольшее продольное усилие в сечении верхней части колонны от расчетных вертикальных нагрузок;

- расчетная нагрузка от собственной массы покрытия, принимаемая по табл.1;

- коэф. перегрузки для снеговой нагрузки;

- шаг колонн;

- пролет здания;

- коэф., учитывающий влияние изгибающего момента (0,25);

- расчетное сопротивление стали ( 2300 );

- объемная масса стали ( 0,00785=7850);

=1,5 при В=12м;

=1,6 при В=6м

Вариант I :

Вариант II :

Собственную массу нижней части колонны определяем по формуле:

, где

- наибольшее продольное усилие в сечении нижней части колонны от расчетных вертикальных нагрузок;

=0,4;

- наибольшее продольное усилие от вертикального давления колес крана. Принимается по табл.3

hн- высота нижней части колонны

-0,00785

=1,7 при В=12м;

=1,8 при В=6м

Табл.3

Грузоподъемность крана	Пролет здания, м	Макс. давление колес крана ,т	Макс. Вертикальное давление на колонну от 2-х кранов
			В=6м	В=12м
Q=80 т	28,2	39

Вариант I :

кг

Вариант II :

кг

3) Определяем массу подкрановых балок

Для варианта I :

Для варианта II:

4) Определяем общую массу основных несущих элементов каркаса

, где

- кол-во ригелей, колонн, подкрановых балок

Вариант I

G=9*4652+3126+18*(530+4055)+5036+16*4553+2*1498=208404кг

Вариант II :

G=20*3126+40(258+2385)+38*1498=225164 кг

5) Определяем массу основных несущих элементов каркаса на 1 м перекрытия

Вариант I :

Вариант II :

Вывод:

На основании исследования сравнения вариантов стального каркаса однопролетного производственного здания выявлено следующее:

- расход стали на основные несущие конструкции каркаса по варианту II по лучился на 9.3% больше, чем по варианту I;

- число основных несущих конструкций по варианту I - 48 шт., по варианту II - 98 шт. Следовательно, для дальнейшего проектирования следует принять вариант I,так как он наиболее экономически целесообразный.

2. Конструирование и расчет поперечной схемы рамы

За геометрические оси колонн в расчетной схеме принимаем линии центров тяжести сечения колонн.

Так как сечение заранее не известно, то принимаем геометрические оси сечения, проходящие по середине высоты сечения.

Определяем расстояние между осью верхней и нижней части колонны.

е = 0,5Вн - 0,5Вв = 0,5*1000-0,5*500 = 500-250 = 250 мм.

За геометрическую ось ригеля принимаем ось нижнего пояса сквозного ригеля.

Рис. 2 К определению эксцентриситета.

Рис. 3 Расчетная схема.

Ширину расчетного блока а определяем как B/2+B/2=B.

2.1 Определение нагрузок, действующих на поперечную раму

На поперечную раму действуют постоянные нагрузки от массы ограждающих и несущих конструкций здания, временные технологические нагрузки (от мостовых кранов) и атмосферных нагрузок.

Поперечную раму рассчитываем на каждую нагрузку отдельно. Это вызвано тем, что расчетное усилие для разных элементов рамы получается различным при различных комбинациях усилий.

1. Постоянные нагрузки - от массы ограждающих и несущих конструкций, принимают одновременно распределённой по длине ригеля. Расчётную постоянную нагрузку определяют в табличной форме.

Таб. 4

№ пп	Состав нагрузки	Нормат. нагрузка, кг/м2	Коэф-т перегрузки	Расчёт. нагрузка, кг/м2 (кН/м2)
Постоянная нагрузка
1	Защитный слой из втопленного гравия на битумной мастике, h = 15 мм. =2100 кг/м3	32	1,1	35
2	Гидроизоляционный ковёр из 4-х слоёв рубероида	20	1,1	22
3	Утеплитель пенополистерол h = 100мм =50 кг/м3	5	1,1	6
4	Пароизоляция 1 слой пергамина	4	1,0	4
5	Стальной профилированный настил	15	1,1	17
6	Стальные прогоны	20	1,1	22
7	Собственная масса металлических конструкций (фермы, связей)	40	1,1	44
	ИТОГО:	136	---	150(1,5)

Расчёт на постоянную нагрузку на 1 м длины ригеля производится по формуле:

qп = qр*B = 150 х 12 = 1800 (кг/ м)

g_р- расчётная нагрузка из таблицы.

Расчетная схема от действия постоянных нагрузок.

Рис. 4

2. Снеговая нагрузка.

При расчете поперечной рамы снеговой нагрузке принимаем равномерно-распределёную по длине ригеля. Расчётную нагрузку определяем по СНиП «Нагрузки и воздействия» п.5 по формуле: qc = n x Po x C x B, где Р_о - нормативный вес снегового покрова в кг/м² горизонтальной поверхности земли, принимается по СНиП «Нагрузки и воздействия» в зависимости от климатического района. Р_о = 150 кгс/м², (1,5 кН/м²)

n = 1.4 - коэффициент перегрузки для снеговой нагрузки принимаемый по СНиП «Воздействия и нагрузки».

С - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, при расчёте рам, С = 1.

В - шаг колонн, В = 12 м.

qc = 1.4 х 150 х 1 х 12 = 2520 (кг/м)

Опорное давление ригеля от снеговой нагрузки и изгибающих моментов колон учитываться не будет.

F1=2520*3.15/2=3969 кг

F2=2520*3.15=7938 кг

Рис. 5

3. Ветровая нагрузка.

Расчёт производим на статическую составляющую ветра, которая вызывает вертикальное давление на здание, называемое с подветренной стороны - отсосом.

Нормативное значение статической составляющей определяем по формуле:

q _н^в = q_o х k x c, q _н^в =23*0,85*0,8=15,64 кг/мІ

где q_o - скоростной напор ветра на высоте 10 м, определяется по СНиП «Нагрузки и воздействия» по таблице №1 ветровой район,

q_o = 23 кг/м². (0,3 кН/м²)

k - коэффициент учитывающий изменение скорости ветра в зависимости от высоты, по таблице №6 СНиП «Нагрузки и воздействия» К = 0,85

с - аэродинамический коэффициент, принимаемый по СНиП «Нагрузки и воздействия» в зависимости от конфигурации кровли.

Расчётные погонные нагрузки на поперечную раму от активного давления и отсоса определяем по формулам:

кг/м

g0-каждый для своего района

n-коэф перегрузки для ветровой нагрузки 1,2

В- шаг колонн

кг/м

Расчетная ветровая нагрузка действующая на высоту более 10 м

k -Эквивалентный коэффициент

Ветровую нагрузку действующую на участки сквозного ригеля заменяют сосредоточенной силой сквозного ригеля по формулам:

(1.053+1.092)/2*265*3.2=910 кг

(1,053+1,092)/2*199*3,2=683 кг

Рис. 6

4. Нагрузки от мостовых кранов - при расчёте однопролётных поперечных рам крановая нагрузка учитывается от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности.

для крана тяжелого и среднего режима работы

Вертикальные давление кранов на раму.

Вертикальное давление на раму определяется при невыгодном для колонны положении. Наибольшее давление колоса крана Dmax получается в том случае когда тележка крана находится над колонной а другой max приближин к колонне. Принимается по ГОСТ или по каталогам по таб. Белиня.

Наибольшее давление колеса крана принимаем по учебнику Беленя: Q=75 т, следовательно Pmax = 38000 кг

(кг)

где Gкр - полный вес крана с тележкой, Gкр = 114000 (кг)

no - число колёс крана с одной стороны, no = 4

Расчётное вертикальное давление кранов на колонну определяем по формуле:

,

где

- коэффициент сочетания для кранов тяжёлого режима 0,85;

- коэффициент перегрузки для крановой нагрузки равный 1,2;

- максимальное давление колеса крана;

- сумма ординат линий влияния для опорного давления на колонну;

- вес подкрановой конструкции.

Вес подкрановой конструкции определяется по формуле:

, где

- вес в (кг) одного погонного метра подкрановых конструкций,

для кранов грузоподъёмностью более 50 т .



Расчётное вертикальное давление кранов на колонну будет равно:

определяем по формуле:

Подкрановые балки устанавливаются с эксцентриситетом по отношению к оси колонны, поэтому в раме от вертикального давления возникают сосредоточенные моменты, на которые и рассчитывают раму.

Максимальный изгибающий момент определяют по формуле:

, где

е - расстояние от оси подкрановых балки до оси колонны

Минимальный изгибающий момент определяют по формуле:

Расчётная схема действия изгибающего момента на раму



Рис. 7

Горизонтальное давление крана на раму возникает в результате торможения тележки крана. Нормативную поперечную горизонтальную силу от торможения тележки, действующую поперёк цеха вдоль кранового моста, определяем по формуле:

, где

- коэффициент трения при торможении тележки крана равный 0,1;

- вес тележки крана, принимаемый по табл.3;

- число тормозных колёс тележки;

-общее количество колёс тележки.

Считается, что на каркас здания сила поперечного торможения тележки крана передаётся равномерно через колеса крана. Поэтому нормативную горизонтальную силу на колёса крана определяем по формуле:

, где

- нормативная сила поперечного торможения тележки;

- число колёс с одной стороны тележки 2 шт.

Расчётное горизонтальное давление крана на колонну от силы поперечного торможения определяем по формуле:

- коэффициент сочетания равный 0,85;

- коэффициент перегрузки равный 1,2;

- нормативная горизонтальная сила на колёса крана.

Расчётная схема горизонтального давления крана на раму показана на рисунке 8.

Рис. 8

3. Статический расчет поперечной рамы

Рис.9. Общая расчетная схема поперечника

Статический расчет поперечной рамы здания производим в программе Лира 9.0.

Расчёты поперечной рамы от:

-снеговой нагрузки;

-постоянной нагрузки;

-ветер справа;

-ветер слева;

-Dmax Mmax на левой стороне - Dmin Mmin на правой стороне;

-Dmax Mmax на правой стороне - Dmin Mmin на левой стороне;

-Тmax на левой стороне;

-Тmax на правой стороне.

Результаты расчета представлены в табл. 5.

Расчетные сочетания нагрузок представлены в табл.6.

Таб. 5

Свободная таблица усилий в колонне ряда А (левая стойка).

№	Нагрузка и обозначение сечений		Нижняя часть колонны, сечение	Верхняя часть колонны, сечение
			Сечение I-I	Сечение II-II	Сечение III-III	Сечение IV-IV
			М, кН/м	N, кН	Q, кН	M, кН/м	N, кН	M, кН/м	N, кН	M, кН/м	N, кН
1	Постоянная		18,3	-23,1	1,27	3,6	-23,1	-2,1	-23,1	-9,4	-23,1
2	Снеговая			25,1	-31,7	1,7	5	-31,7	-2,9	-31,7	-12,9	-31,7
3	Dmax слева			-13,5	-204,5	-2,3	-39,6	-204,5	11,5	-204,5	-1,4	-204,5
4	Dmax справа		18,7	-59	2,3	-7,5	-59	7,2	-	-5,7	-
5	Тmax слева			107,8	-0,6	9,7	3,3	-0,6	3,3	-0,6	-	-0,6
6	Тmax справа			-59,6	0,6	-4,3	-10,4	0,6	-10,4	0,6	14,14	0,6
7	Ветер слева		-45,7	0,5	-5,3	-3,6	0,5	-3,6	0,5	5,6	0,5
8	Ветер справа			42,3	-0,5	4,5	3,3	-0,5	3,3	-0,5	6,1	-0,5

Таб. 6

Таблица расчётных усилий в колонне ряда А (левая стойка).

Сочетание нагрузок	Усилия		Коэфф. сочетания нагрузки	Нижняя часть колонны, сечение	Верхняя часть колонны, сечение
				Сечение I-I	Сечение II-II	Сечение III-III	Сечение IV-IV
				M	N	Q	M	N	M	N	M	N
Основные сочетания	-Ммax Nсоот	№ нагрузок		1+3+6	1+3+5	1+2	1+4+5
			1	-54,8	-227	-	-32,7	-228,2	-5	-54,8	-15,1	-23,7
		№ нагрузок		1+0,9(2+3+6+7)	-	1+0,9(2+4+5)	1+0,9(2+4+5+8)
			0,9	-66,03	-234,69	-	-	-	4,74	-52,17	-20,65	-52,62
	Ммax Nсоот	№ нагрузок		1+4+5	1+2	1+3+6	1+3+6
			1	144,8	-82,7	-	8,6	-54,8	-1	-227	3,34	-226,7
		№ нагрузок		1+0,9(4+5+8)	-	1+0,9(3+6+7+8)	1+0,9(3+6+7)
			0,9	170,22	-77,19	-	-	-	-1,38	-206,61	7,1	-206,16
	Nмax Мсоот	№ нагрузок		1+3+5	1+3+5	1+2	1+2
			1	112,6	-228,2	-	-32,7	-228,2	-5	-54,8	-22,3	-54,8
		№ нагрузок		1+0,9(2+3+5+8)	1+0,9(2+3+5+8)	1+0,9(2+4+5+8)	1+0,9(2+4+5+8)
			0,9	13,17	-236,67	-	-21,6	-236,67	7,71	-52,62	-20,65	-52,62
	Nmin -Мсоот	№ нагрузок		1+2	-	-	-
			1	43,4	-54,8	-	-	-	-	-	-	-
	Qmax	№ нагрузок		1+0,9(3+5+8)	-	-	-
			0,9	-	-	11,98	-	-	-	-	-	-

4. Расчет одноступенчатой колонны производственного здания

Однопролетная рама пролетом l=25,2 м с жестким сопряжением колонн с фундаментом и сквозного ригеля с колонной. Шаг колонн В=12 м.

Нижняя часть колонны:

Сечение 1-1 N_mаx = -236,67 т и M_соотв = 13,17 тм

М_mаx = 170,22 тм и N_соотв = -77,19 т;

N_min = -54,8 т и M_соотв = 43,4 тм;

Q_mаx = 11,98 т;

Сечение 2-2 М_mаx = -32,7 тм и N_соотв = -228,2 т;

Верхняя часть колонны:

Сечение 3-3 М_mаx = 7,71 тм и N_соотв = -52,62 т;

Сечение 4-4 М_mаx = -22,3 тм и N_соотв = -54,8 т.

4.1 Компоновка конструктивной схемы одноступенчатой колонны

Верхнюю часть колонны принимаем сплошного сечения в виде составного сварного двутавра. Нижнюю часть колонны принимаем сквозной, состоящей из двух ветвей. Внутренняя ветвь состоит из составного сварного двутавра. Наружная ветвь швеллерной формы, состоящая либо из двух горячекатаных уголков, соединенной пластиной, либо из составного сварного швеллера. Ветви соединены решеткой из уголков.

Верхнюю часть колонны соединяют с нижней при помощи траверсы, высоту которой назначают равной 0,5-0,8 ширины нижней части колонны.

Назначаем высоту траверсы.

h_т = 0,81,0 = 0,8 м.

Соединительную решетку сквозной нижней части принимаем треугольной формы с дополнительными распорками. При этом необходимо добиваться, чтобы осевые линии элементов сходились в одной точке.

Длину панели решетки назначаем d=0,8 м. Определяем угол наклона раскосов к ветвям колонны:

tgб = (b_н - z)/d = (1000-40)/800 = 1,2, откуда угол б=50°.

4.2 Определение расчетных длин колонны

Расчетная длина колонн в плоскости для нижней и верхней частей определяется по формулам:

,

.

Коэффициент расчетной длины для нижнего участка колонн следует принимать по табл. 68 СНиП II-23-81^* в зависимости от следующих параметров

l₂/l₁=5,7/11,5=0,49<0,6

N_н/N_в=236,67/54,8=4,32>3

По таб. м₁=2 м₂=3

l₁=2?11,5=23 м

l₂=3?5,7=17,1 м

Расчетная длина колонн из плоскости рамы: (в направлении вдоль здания) принимается равной расстоянию между точками закрепления от смещения из плоскости точками (опорами колонн, подкрановых балок, узлами крепления связей и ригелей и т.д.). Для верхнего участка колонн такими точками являются тормозная балка и распорка по колонне в уровне нижних поясов стропильных ферм. Для нижнего участка колонн такими точками являются низ башмака (базы) и нижний пояс подкрановой балки.

;

,

где = 0,7 _ коэффициент расчетной длины при решении базы колонн, обеспечивающей их защемление из плоскости рамы; = 1,0 _ в остальных случаях; =1 - коэффициент расчетной длины для верхней части колонн; - высота подкрановой балки.

l_y1=0,7?11,5=8,05 м

l_y2=5,7-1,5=4,2 м

4.3 Подбор сечения сплошной верхней части одноступенчатой колонны

Исходные данные:

М₃ = 7,71 тм и N₃ = -52,62 т;

М₄ = -22,3 тм и N₄ = -54,8 т.

Расчетные длины:

l₂=17,1 м

l_y2=4,2 м

Материал колонны - сталь класса С38, марки Вст3 кп2 с расчетным сопротивлением 2300 кг/см², Е=2,1*10⁶кг/см².

Сечение верхней части колонны принимаем двутавровым, высотой h=500 мм. Несущая способность верхней части в ступенчатой колонне может быть исчерпана в результате потерь устойчивости в плоскости момента и из плоскости момента.

Требуемая площадь сечения:

А_тр=N/(ц_вн?R_y)

i_x?0.42h=0.42?50=21 см с_х?0,35h=0.35?50=17.5 см

л_х=( l₂/ i_x)v(R/E)=1710/21?v230/2,1?10⁵=2,7

m_x=M/(N?0.35h)=22.3/(54.8?0.35?0.5)=2,32

Примем А_п/А_ст=1, тогда

з=(1,9-0,1? m_x)-0,02(6- m_x) л_х=1,47 m_1x= з m_x=1,47?2,32=3,41

Исходя из m_1x=3,41 и л_х=2,7; ц_вн=0,239

А_тр=548/(0,239?230000)=99,7 см²

Проектируем сечение верхней части колонны из составного двутавра.

Определяем геометрические характеристики.

Предварительно принимаем толщину полок 1,3 см

Высота стенки h_ст=h-2t_п=50-2?1,3=47,4 см

При m_x>1 и л_х>0,8 из условия местной устойчивости

h_ст/ t_ст<(0,9+0,5 л_х) v( E /R)=(0,9+0,5?2,7) ?v(2,1?10⁵ /230)=68

t_ст>47,4/68=0,7 см

Определяем требуемую площадь полки

А_{тр п}=( А_тр-2?0,85? t_ст²v( E /R))/2=(99,7-2?0,85?0,7²?v(2,1?10⁵ /230))/2=37,3 см²

Из условия устойчивости верхней части колонны b_п> l_y2/20>420/20=21 см

Принимаем b_п=30 см t_п=1,3 см А_п=30?1,3=39 см²> А_{тр п}=37,3 см²

Проверка местной устойчивости полки

b_св=( b_п- t_ст)/2=(30-0,7)/2=14,65 см

b_св/ t_п<(0,36+0,1 л_х) v( E /R)

14,65/1,3<(0,36+0,1?2,7) ?v(2,1?10⁵ /230)

11,27<19,03

Местная устойчивость обеспечена

Рис. 10. Сечения верхней части колонны

Полная площадь сечения:

А=30?1,3?2+47,4?0,7=111,2 см².

Раcчетная площадь сечения с учетом устойчивой части стенки

А=2?30?1,3+2?0,85?0,7²?v(2,1?10⁵ /230)=103,2 см²

Момент инерции сечения относительно центра тяжести сечения:

I_x= 0.7?47.4³/12+2?30?1.3? ((50-1,3)/2)²=52460 см⁴;

I_y=2?1.3?30³/12=5850 см⁴;

i_x =v52460/111.2=21.72см;

i_y =v5850/111.2=7.25см

W_x=52460/25=2098.4 см³ с_х= W_x/А=2098,4/111,2=18,87 см

Определяем гибкости в плоскости действия момента:

л_х=1710/21,72=78,7

л_y=1710/7.25=236

Проверяем устойчивость колонны в плоскости действия момента:

л_х^'= л_хv(R/E)=78.7?v230/2,1?10⁵=2.6

m_x=M_x/(N? с_х)=233/(548?0.1887)=2.25 А_п/А_ст=(1.3?30)/(0.7?47.4)=1.17

з=(1,9-0,1? m_x)-0,02(6- m_x) л_х^'=(1.9-0,1?2,25)-0,02? (6-2,25) ?2,6=1,48

m_1x= з m_x=2,25?1,48=3,33

Исходя из m_1x=3,33 и л_х=2,6; ц_вн=0,235

Проверяем устойчивость верхней части колонны

у = N/(А ц_вн)=548000/(0,01032?0,235)= 226 МПа<230 МПа

Проверяем устойчивость верхней части колонны из плоскости действия момента.

л_y= l_y2/ i_y=420/7.25=57.93 ц_y=0.842

Для определения m_x найдем максимальный моментв средней трети расчетной длины стержня.

M_x^1/3=M₂+(M₁-M₂)/l₂? (l₂-1/3? l_y2)=77.1+(223-77.1)/5.7?(5.7-4.2/3)=187 кН?м

M_x=187> M_max/2=111 кН?м

m_x= M_xА/(N W_x)=18700?111.2/(548?2098.4)=1.8

При m_x<5 коэффициент с=в/(1+б m_x)

л_y=57,93< л_с=3,14v( E /R)=3,14?v(2,1?10⁵ /230)=94,88 по прил.11 в=1 б=0,65+0,05 m_x=0,74

с=1/ (1+0,74?1,8)=0,43

Поскольку h_ст/ t_ст=47,4/0,7=67,7<3,8v( E /R)=3,8?v(2,1?10⁵ /230)=115

у = N/(А?с? ц_вн)=548000/(0,01112?0,43?0,842)=136 МПа<230 МПа

Местная устойчивость верхней части колонны обеспечена.

4.4 Подбор сечения сквозной нижней части одноступенчатой колонны

Исходные данные:

Сечение 1-1 N_mаx = -236,67 т и M_соотв = 13,17 тм

Q_mаx = 11,98 т;

Сечение 2-2 М_mаx = -32,7 тм и N_соотв = -228,2 т;

Расчетные длины:

l₁=2?11,5=23 м

l_y1=0,7?11,5=8,05 м

Материал колонны - сталь класса С38, марки Вст3 кп2 с расчетным сопротивлением 2300 кг/см².

Сечение колонны принимаем сквозным, состоящем из двух ветвей, соединенных треугольной решеткой. Подкрановая ветвь принимается из составного сварного двутавра, наружная - швеллерной формы: состоит из двух горячекатаных уголков, соединенных пластиной, либо из составного сварного швеллера.

Сквозная колонна работает как ферма с параллельными поясами. От расчетных усилий M и N в ее ветвях возникают только продольные силы. Поперечную силу Q воспринимает решетка. Несущая способность колонны может быть исчерпана в результате потери устойчивости какой-либо ветви или в результате потери устойчивости колонны как единого стержня составного сечения.

Подбор сечения ветвей колонны.

Определяем ориентировочно ординаты нейтральной оси сквозной нижней части колонны.

мм,

где мм - высота сечения, - расстояние до центра тяжести сечения наружной ветви.

При М₁ > M₂

 м.

м.

Находим продольные усилия в ветвях:

Определяем усилия в наружной ветви:

кН.

Определяем усилия во внутренней ветви:

кН.

Находим ориентировочно площади сечения подкрановой ветви

А_тр=N/0.9?R=1814/(0.9?230000)=86 см²

h_ст/t_ст=50 Примем толщину полки t_п=1 см, тогда h_ст=50-2=48 см t_ст=48/50=0,9 см

Площадь стенки А_ст=48?0,9=43,2 тогда площадь полки А_п=(86-43,2) /2=21,4 см²

Зная толщину определяем ширину полки b_п=21.4/1=21.4 см²

Окончательно принимаем b_п=25 см t_п=1 см h_ст= 48 см t_ст=0,9 см

Определяем геометрические характеристики принятого сечения (рис. 4)

А=2?1?25+0,9?48=93,2 см²



Рис. 11

Момент инерции сечения относительно центра тяжести сечения:

I_x= 48?0,9³/12+2?1?25³/12=2607 см⁴;

I_y=2?(25?1³/12+24,5²?1?25)+0,9?48³/12=38311 см⁴;

i_x =v2607/93,2=5,29 см;

i_y =v38311/93,2=20,27 см

Определяем гибкости в плоскости и из плоскости действия момента:

л_х=805/5,29=152,2

л_y=805/20,27=39,71

По табл. 72 СНиП II-23-81 ц_y=0.93

Проверяем устойчивость подкрановой ветви

у = N/(А ц_y)=1814000/(0,00932?0,93)=209,3 МПа<230 МПа

Проверяем местную устойчивость

h_ст/t_ст=48/0,9=53,3<40v( E /R)+0,4 л_y =40?v(2,1?10⁵ /230)+0,4?39,71=54,1

Местная устойчивость обеспечена.

Находим ориентировочно площади сечения наружной ветви

А_тр=N/0.7?R=1006/(0.7?230000)=63 см²

Компонуем сечение наружной ветви колонны, принимаем его швеллерной формы, высотой h=500 мм, составленного из двух уголков 125х9 мм (F=22 см², z₀=3,4 см, I=327 см⁴), соединенными листом 380х6 мм.

Определяем геометрические характеристики принятого сечения.

Площадь сечения:

А=44+22,8=66,8 см²

Предварительно находим расстояние от центра тяжести сечения наружной ветви до края наружной грани

y_c=(22?2*4+0.3?0.6?38)/(22?2+0.6?38)=2.74 см

Расстояние от центра тяжести листа до центра тяжести сечения наружной ветви

а_л=2,74-0,6/2=2,44 см

Расстояние от центра тяжести уголков до центра тяжести сечения наружной ветви по оси y-y

а_уг=3,4+0,6-2,74=1,26 см

Расстояние от центра тяжести уголков до центра тяжести наружной ветви по оси 2-2

b_уг=50/2-3,4=21,6 см

Момент инерции сечения относительно центра тяжести сечения:

I_x= 38?0,6³/12+2,44²?0,6?38+327+22?1,26²=498 см⁴;

I_y=0,6?38³/12+2?(327+21,6²?22)=23926 см⁴;

i_x =v498/66,8=2,73 см;

i_y =v23926/66,8=18,92 см

Определяем гибкости в плоскости и из плоскости действия момента:

л_х=805/2,73=295

л_y=805/18,92=42,55

По табл. 72 СНиП II-23-81 ц_y=0.863

Проверяем устойчивость подкрановой ветви

у = N/(А ц_y)=1006000/(0,00668?0,863)=169,4 МПа<230 МПа

Проверяем местную устойчивость

h_ст/t_ст=38/0,6=63,3<40v( E /R)+0,2л_y =40?v(2,1?10⁵ /230)+0,2?42,55=46,7

Местная устойчивость не обеспечена.

Определяем продольное усилие в раскосе решетки нижней части колонны

Q_max=120 кН б=43

Находим усилие сжатия в раскосе

N_p= Q_max/2Sin 2б=120/ 2Sin43=88 кН

Задаемся л_р=100 ц=0,56

Определяем требуемую площадь поперечного сечения раскоса

А_тр= N_p /(ц_вн?Rг)=88/(0,56?230000?0,75)=9,11 см²

г=0,75

Принимаем раскос из равнополочного уголка сечением 80х6 мм (А_уг=9,38 см², i=2,47 см).

Определяем расчетную длину раскоса

l_р=h₀/ Sin43=145.4 см

Определяем гибкость раскоса

л_х= l_р / i =145,4/2,47=58,87

По табл. 72 СНиП II-23-81^* ц=0,845

Проверяем устойчивость раскоса

у = N_р/(А_р ц_y)=88000/(0,000938?0,845)=111 МПа<230 МПа

Устойчивость обеспечена.

Определяем геометрические характеристики всего сечения нижней части колонны и приведенную гибкость.

Площадь поперечного сечения нижней части колонны

А=А_н+А_в=66,8+93,2=160 см²

Уточняем положение ц.т. нижней части колонны

y₂= А_н h₀/A=66.8?97.26/160=40.6 см

y₁= h₀- y₂=97.26-40.6=56.66 см

Находим момент инерции сечения нижней части колонны относительно оси х-х

I_x= А_н y₂²+ А_в y₁²= 66,8?40.6 ²+93,2?56,66²=409315 см⁴;

i_x =v I_x/А= v409315/160=50,58 см;

Определяем гибкость колонны относительно оси х-х

л_х= l₁ / i_x =2300/50,58=45,47

Определяем приведенную гибкость колонны относительно оси х-х

л_пр=v( л_х²+б₁?А/ А_р1)= v(45,47²+27*160/18,76)=47,93

б₁=27 А_р1= 2А_р=18,76 см²

Находим условную приведенную гибкость

л_пр^'= л_прv(R/E)=47,93?v230/2,1?10⁵=1,58

Проверяем устойчивость колонны в плоскости действия момента как единого составного стержня:

М₁ = 13,17 тм и N₁ = -236,67 т;

М₂= -32,7 тм и N₂ = -228,2 т;

Для комбинации расчетных усилий, догружающих подкрановую ветвь

m= MА/(N I_x)?( y₂+z₀)=13170?160/(2366.7?409315)(40.6+2.74)=0.1

По табл. 74 СНиП II-23-81^* ц_вн=0,783

Проверяем устойчивость верхней части колонны

у = N/(А ц_вн)=2366.7/(0.016?0.783)=189 МПа<230 МПа

Для комбинации расчетных усилий, догружающих наружную ветвь

m= MА/(N I_x)? y₁=32700?160/(2282?409315) ? 56.66 =0,32

По табл. 74 СНиП II-23-81^* .

Проверяем устойчивость наружной ветви колонны

у = N/(А ц_вн)=2282/(0.016?0.684)=208,5 МПа<230 МПа

Устойчивость колонны из плоскости действия момента не проверяется, так как она обеспечивается отдельной проверкой устойчивости ее ветвей.

4.5 Расчёт сопряжения верхней части колонны с нижней

Исходные данные:

D_max=204,5 т.

М₃ = 7,71 тм и N₃ = -52,62 т;

Материал колонны - сталь класса С38, марки Вст3 кп2 с расчетным сопротивлением 2300 кг/см².

Сопряжение верхней части колонны с нижней рассчитывают на продольную силу N₃ и изгибающий момент М₃. В курсовом проекте будем считать, что усилие полностью передается на фундамент через вертикальные полки верхней части колонны.

Находим усилие, действующие в верхней части колонны

кН.

Усилие с полки передается на вертикальные ребра траверсы, поэтому назначаем сечение вертикальных ребер траверсы 150х25 мм (из условия равнопрочности соединения их площадь должна быть больше или равна площади полки колонны).

Определяем толщину швов, соединяющих ребра с траверсой по формуле

см.

Траверса представляет собой балку на двух опорах, нагруженную усилиями N₃ и М₃ и имеющую пролет равный расстоянию между ветвями колонн, поэтому балка проверяется на изгиб и срез. Назначаем размеры поясов траверсы. Верхний пояс назначаем из 2-х листов 140х12мм. Нижний пояс - сечением 480х12мм. Толщину вертикальной стенки траверсы определяем из условия смятия давлением подкрановых балок.

Ширина опорного ребра подкрановой балки мм.

Толщину опорного листа назначаем мм.

Определяем толщину вертикальной стенки

см,

где z - рабочая длина вертикальной стенки траверсы, см.

R_см =3200 кг/см²- расчетное сопротивление стали смятию торцовой поверхности.

Толщину вертикальной стенки траверсы принимаем мм.

Определяем геометрические характеристики сечения траверсы:

см;

см³.



Рис. 12. Сечение траверсы

Определяем расчетные усилия в траверсе как в балке, опирающейся на ветви колонны, от нагрузки с верхней части колонны:

давление траверсы на подкрановую ветвь

кН;

изгибающий момент у грани верхней части колонны

кНм.

Расчетная поперечная сила траверсы с учетом давления от подкрановых балок

кН.

Проверяем напряжение в траверсе от изгиба и среза:

;

.

Определяем требуемую толщину швов для крепления вертикальной стенки траверсы к подкрановой ветви колонны:

см.

Принимаем эти швы толщиной h_ш=10 мм.

Вертикальное ребро подкрановой ветви воспринимает сдвигающую силу, равную половине опорного давления подкрановых балок D_max/2=2045/2=1022,5 кН. Поэтому толщину швов, прикрепляющих вертикальное ребро к подкрановой ветви принимаем h_ш=10 мм.

4.6 Расчет и конструирование базы колонны

База внецентренно сжатой колонны включает в себя опорную плиту, траверсы и анкерные болты и развивается в плоскости действия изгибающего момента. Анкерные болты воспринимают растягивающие усилия от момента. Для сквозных колонн большой ширины применяют раздельные базы.

Ветви сквозных колонн работают на продольные осевые силы, поэтому базы сквозных колонн состоят по существу из двух баз центрально сжатых колонн. Поэтому расчет и конструирование базы отдельной ветви производят так же, как в центрально сжатых колоннах.

Находим продольные усилия в ветвях:

Определяем усилия в наружной ветви:

кН.

Определяем усилия во внутренней ветви:

кН.

База наружной ветви.

Определение размеров опорной плиты в плане:

где - расчетное сопротивление бетона смятию

R_b - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию. Для бетона класса В-12,5 R_b = 7,5Мпа.

ц_b - коэффициент, зависящий от соотношения площадей фундамента и плиты, ц_b = 1,2.

По конструктивным соображениям назначаем размеры плиты:

,

Принимаем

Среднее напряжение в бетоне под плитой:

Определение толщины опорной плиты

Опорная плита работает как пластина на упругом основании, воспринимающая давление от ветвей траверсы и ребер. Ее рассчитывают как пластину, нагруженную (снизу) равномерно распределенным давлением фундамента и опертую на элементы сечения стержня и базы колонны.

Изгибающие моменты, действующие на полосе шириной 1 м:

- участок I (в защемлении консольного свеса плиты с₁ = 59,5мм)

- участок II (в защемлении консольного свеса плиты с₂ = 100мм)

- участок III (в пластинах, опертых на 4 стороны).

Отношение более длинной стороны b к короткой a:

, следовательно, опертую плиту рассчитываем с учетом разрушающего влияния консольных свесов по формуле:

Определим требуемую толщину плиты:

где R_y = 230МПа для листа t = 20ч40мм С-255.

Принимаем t_пл = 32мм (1мм - припуск на фрезеровку).

Определение высоты траверсы.

Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилия в ветви передаем на траверсу через 4 угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св -08А, d = 1,4ч2мм, k_f = 9мм, в_f = 0,8.

Требуемая длина шва:

Принимаем h_тр = 25см.

База подкрановой ветви.

Базу подкрановой ветви расчитываем аналогично базе наружной ветви.

Размеры опорной плиты в плане:

По конструктивным соображениям назначаем размеры плиты:

,

Назначаем L_пл = 700мм

Принимаем ,

Среднее напряжение в бетоне под плитой:

Изгибающие моменты на отдельных участках плиты:

- участок I (в защемлении консольного свеса плиты )



- участок II (консольный свес с₂ = 100мм)

- участок III (в пластинах, опертых на 4 стороны)

Определим требуемую толщину плиты:

Принимаем t_пл = 32 мм.

Определим высоту траверсы:

Требуемая длина шва:

Принимаем h_тр = 30 см.

Расчет анкерных болтов в подкрановой ветви.

Усилие растяжения болтов:



N_min = -54,8 т и M_соотв = 43,4 тм;

h₀ = 0,96см , y₁ = 56,66 см.

Расчетное усилие в анкерных болтах

Требуемая площадь сечения болтов:

где R_ba - расчетное сопротивление растяжению анкерных болтов,

R_ba = 145Мпа

Принимаем 4Ш20

Анкерные болты в базе наружной ветви принимаем такими же.

5 Расчет и конструирование фермы

5.1 Определение усилий в ферме

Расчетная схема фермы представлена на рисунке 12. Расчет усилий выполнен с использованием программного комплекса Лира 9.0. Полученные значения усилий представлены в приложении.

Рис.12 Расчетная схема

Расчет усилий в стержнях выполняем в табличной форме (таблица 7.).

Таб. 7 Усилия в стержнях фермы

Элементы фермы	Обозначение стержня	Нагрузка на ферму, кН
		от постоянной нагрузки	от снеговой нагрузки	расчетная
Верхний пояс	12, 19 13, 14, 17, 18 15, 16	28,7 -306 -418	39,4 -420,3 -573,6	68,1 -726,3 -991,6
Нижний пояс	20, 23 21, 22	154 377	211,7 518,2	365,7 895,2
Раскосы	27,28 36,37 29 38 30 35 31 34 32 33	-278 0 199 -119 40	-382,3 0 273 -163,8 54,6	-660,3 0 472 -282,8 94,6
Стойки	24, 25, 26	-56,7	-77,8	-134,5

каркас нагрузка рама колонна

5.2 Подбор сечений

Подбор сечений стержней фермы начинают со сжатого пояса, затем подбирают элементы растянутого пояса и после этого переходят к раскосам и стойкам. Сечение поясов, подобранное по максимальным усилиям, обычно сохраняют на всем протяжении ферм для упрощения и ускорения ее изготовлении При больших пролетах в целях экономии стали следует изменять сечение поясов.

Подбор сечения верхнего пояса

Верхний пояс 15, 16 (сжатый стержень).

N = -991,6 кН

Задаемся

По сортаменту принимаем сечение ¬- 160*10 ( А = 62,8 см², i_y = 6,91 см)

Условие выполняется.

2) Верхний пояс 13, 14, 17, 18 .

N = -726,3 кН

Задаемся

По сортаменту принимаем ¬- 125*9 ( А = 44 см² i_y = 5,48 см)

.

Условие выполняется.

Стержни 12, 19- сечение ¬- 125*9;

Подбор сечения нижнего пояса

1). Нижний пояс 21, 22.

N = 895,2 кН

По сортаменту принимаем ¬- 125*9 ( А = 44 см² i_y = 5,48 см)

Нижний пояс 20, 23.

N = 365,7 кН

По сортаменту принимаем ¬- 75*6 ( А = 17,56 см² i_y = 3,44 см)

Подбор сечения раскосов

1). Раскос 27, 28, 36, 37.

N = -660,3 кН

Задаемся

По сортаменту принимаем сечение 2_L140х10 ( А = 54,6 см² i_y = 6,12 см)

2). Раскос 30, 35.

N = 472 кН

По сортаменту принимаем сечение 2_L80х7 ( А = 21,6 см², i_y = 3,67 см)

3). Раскос 31, 34.

N = -282,8 кН

Задаемся

По сортаменту принимаем сечение 2_L100х7 ( А = 27,6 см², i_y = 4,45 см)

4). Раскос 32, 33.

N = 94,6 кН

По сортаменту принимаем сечение 2_L50х5 ( А = 9,6 см², i_y =2,45 см)

5).Раскос 29,38 сечение 2_L50х5 ( А = 9,6 см², i_y =2,45 см)

Подбор сечения стоек

1). Стойка 24, 25, 26.

N = -134,5 кН

Задаемся

По сортаменту принимаем сечение 2_L70х5 ( А = 13,72 см², i_y = 3,23 см)

5.3 Расчет сварных швов

Для сварки узлов фермы применяем полуавтоматическую сварку проволокой Св-08 Г2С d = 1,4...2 мм,

в_f =0,9; в_z =1,05; г_wf =г_wz =1; R_wf = 215 МПа;

R_wz =0,45*380 = 171 МПа;

Определим расчетное сечение:

Расчет ведем по металлу границы сплавления.

Расчетная длина швов определяется по формулам длины шва по обушку

длина шва по перу

Для стержня 28,30 длина шва по обушку:

Принимаем l_a^об=440 мм.

Длина шва по перу:

Принимаем l_a^ш=195 мм.

Сварные швы стержней рассчитываются аналогично.

Полученные длины сварных швов представлены в таблице 8.

Таб. 8. Расчет сварных швов

Стержень	Сечение	N, кН	Шов по обушку	Шов по перу
			бN	kfлист	l, мм	(1-б)N	kfлист	l, мм
27, 28	+140х10	-660,3	-462,2	10	146 150	-198,1	10	72,9 75
29,38	+50х5	0	0	4	-	0	4	-
30,35	+80х7	472	330,4	6	104,8 105	141,6	6	54,9 55
31, 34	+100х7	-282,8	-198	8	63 65	-84,8	8	36,9 40
32,33	+50х5	94,6	66,2	4	21 25	28,4	4	19 20
24,25,26	+70х5	-134,5	-94,2	4	29,9 30	40,4	4	22,8 25

Список используемой литературы

1. Методическое пособие для выполнения курсового проекта по металлическим конструкциям часть 1, часть 2.

2. Будасов Б.В. Каминский В.П. Строительное черчение. М: Стройиздат, 1990. 464 с.

3. Ким Н.Н. Архитектура промышленных предприятий, зданий и сооружений. М, Стройиздат 1990. 638 с.

4. Шубин Л.Ф. Промышленные здания. Том 5. М: Стройиздат 1990. 335 с.

5. Трепененков Р.И. Альбом чертежей конструкций и деталей промышленных зданий. М.: Стройиздат, 1980. 284с.

6. Беленя «Металлические конструкции»

7. Мельникова Н.П. «Справочник проектировщика» по металлическим конструкциям

8. СНиП «Нагрузки и воздействия»

9. СНиП « Металлические конструкции»

10. СНиП 2.09.02-85 Производственные здания/ Минстрой России. -- М.: ГП ЦПП,2001.

11. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика/ Минстрой России. -- М.: ГП ЦПП, 1995.136 с

12. Шерешевский И.А. Конструирование промышленных зданий и сооружений. Л: Стройиздат, 1976 . 152с.

Размещено на Allbest.ru