Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра металлических конструкций

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«СТАЛЬНОЙ КАРКАС ОДНОЭТАЖНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ»

Москва 2009

Содержание

1.Исходные данные.

2.Компоновка конструктивной схемы каркаса здания.

2.1 Размещение колонн в плане.

2.2 Компановка поперечных рам.

2.3 Выбор схемы связей здания

2.3.1 Связи между колоннами.

2.4 Связи по покрытию.

2.4.1 Связи по верхним поясам ферм.

2.4.2 Связи по нижним поясам ферм.

2.4.3 Вертикальные связи между фермами.

3.Расчёт поперечной рамы.

3.1 Расчётная схема.

3.2 Нагрузки на поперечную раму.

3.2.1 Постоянная нагрузка.

3.2.2 Снеговая нагрузка

3.2.3 Вертикальная крановая нагрузка.

3.2.4 Горизонтальная крановая нагрузка.

3.2.5 Ветровая нагрузка.

4. Статический расчет поперечной рамы.

4.1 Расчет на постоянную нагрузку.

4.2 Расчет на снеговую нагрузку.

4.3 Расчет на вертикальные крановые нагрузки.

4.4 Расчет на горизонтальные крановые нагрузки.

4.5 Расчет на ветровую нагрузку.

4.5.1 Ветровая нагрузка слева.

4.5.2 Ветровая нагрузка справа.

5. Составление таблицы расчетных усилий в сечениях рамы.

6. Расчет и конструирование стропильной фермы.

6.1 Сбор нагрузок на ферму.

6.1.1 Постоянная нагрузка.

6.1.2 Снеговая нагрузка

6.1.3 Опорные моменты и распор рамы.

6.2 Определение расчетных усилий в стержнях фермы.

6.2.1 Усилия от постоянной нагрузки.

6.2.2 Усилия от снеговой нагрузки

6.2.3 Усилия от опорных моментов

6.3 Подбор сечений стержней фермы.

6.3.1 Подбор сечений элементов верхнего пояса фермы.

6.3.2 Подбор сечений нижнего пояса стропильной фермы.

6.3.3 Подбор сечений раскосов фермы.

6.3.4 Подбор сечений стоек фермы

6.4 Расчет швов.

7. Расчет и конструирование колонны.

7.1 Определение расчетных длин верхней и нижней частей колонны.

7.2 Подбор сечения верхней части колонны.

7.3 Компоновка сечения.

7.4 Геометрические характеристики сечения.

7.5 Проверка устойчивости верхней части колонны.

7.5.1 в плоскости действия момента (относительно оси х - х).

7.5.2 из плоскости действия момента (относительно оси у - у)

7.6 Подбор сечения нижней части колонны

7.7 Подбор сечения ветвей

7.8 Расчет решетки подкрановой части.

7.8.1 Поперечная сила в сечении 4 - 4:

7.8.2 Проверка устойчивости нижней части колонны как единого стержня в плоскости действия момента.

7.8.3 Проверка на комбинацию усилий в сечении 4 - 4.

7.8.4 Проверка соотношения жесткостей.8ю

8. Использованная литература

1.  Исходные данные

Наименование цеха	Термический
Грузоподъемность мостовых кранов (2 крана)	80 т.
Режим работы кранов	5К, 6К
Пролет здания	24 м.
Длина здания	108 м.
Отметка головки рельса	13 м.
Материал конструкций:
Колонн	С245
Ферм	С245
Подкрановых балок	С245
Фундаментов	В15
Место строительства	г. Нижний Новгород

2. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания

Проектирование каркаса производственного здания начинается с выбора конструктивной схемы и ее компоновки. Исходным материалом является технологическое задание, в котором указываются данные о размещаемом оборудовании цеха, число кранов, их грузоподъемность и режим работы, сведения о районе строительства и условиях эксплуатации цеха.

При компоновке конструктивной схемы каркаса определяется размещение колонн здания в плане, устанавливаются внутренние габариты здания, назначаются и взаимоувязываются размеры основных конструктивных элементов каркаса.

2.1 Размещение колонн в плане

Размещение колонн в плане принимается с учетом технологических, конструктивных и экономических факторов. Оно должно быть увязано с габаритами технологического оборудования, его расположением и направлением грузопотоков. Колонны размещают так, чтобы вместе с ригелями они образовывали поперечные рамы.

Рис.1 Размещение колонн в плане

2.2 Компоновка поперечных рам

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных габаритных размеров элементов конструкций в плоскости рамы. Размеры по вертикали привязываются к отметке уровня пола, принимая ее нулевой. Размеры по горизонтали привязываются к продольным осям здания. Все размеры принимаются в соответствии с основными положениями по унификации и другими нормативными документами.

Рис.2 Схема поперечной рамы.

2.2.1 Вертикальная компоновка

Определяем расстояние от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия:

мм.;

где = 250мм - запас габарита крана и конструкций (пролет 24м).

Принимаем Н2 = 4200 мм (кратно 200 мм).

Определяем высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм:

мм.

мм - отметка головки рельса.

Принимаем Н0 = 17400 мм -округление в большую строну (кратно 0,6 м ).

Корректировка отметки рельса:

17400-4200=13200мм

Принимаем Н1 =13200мм

Определяем размер верхней части колонны:

HВ == 6000мм;

мм,принимаем =1800мм (кратно 100мм)

где =150мм - высота подкранового рельса (тип кранового рельса КР - 100).

=1600мм - высота подкрановой балки. Принимаем шаг рам В = 12 м

Определяем размер нижней части колонны:

HН = = 12200мм;

где Нф= 800мм - заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола.

Общая высота колонны от низа базы до низа ригеля:

H = = 18200мм.

Согласно ГОСТ 23119-78 высота торца стропильной фермы мм при пролете здания L = 24 м.

Следовательно, принимаем hf = 2250 мм.

2.2.2 Горизонтальная компоновка

С учетом режима работы (средний) кранов и грузоподъемности крана принимаем:

мм, мм

Принимаем высоту сечения верхней части колонн hВ = 700 =мм.

Определяем расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны:

мм.

Принимаем l1 =750 мм (кратно 250 мм).

Определяем высоту сечения нижней части колонны:

мм.

Проверка жесткости:

мм.

мм.

Условие жесткости выполняется.

Определяем пролет мостового крана:

мм.

Сечение верхней части колонны принимаем сплошностенчатым, нижней - сквозным.

2.3 Выбор схемы связей здания

2.3.1 Связи между колоннами

Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса, его несущую способность и жесткость в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам.

Для выполнения этих функций необходим хотя бы один жесткий диск по длине здания и система продольных элементов, прикрепляющих колонны, не входящие в жесткий диск, к последнему.



Рис. 4. Расположение связей между колоннами.

Вертикальные связи по колоннам воспринимают продольные силы, действующие на каркас здания (ветер, продольные силы торможения крана и другие технологические нагрузки). Подкрановый связевой блок (жесткий диск) по колоннам устраивают в середине здания для того, чтобы температурные деформации были бы симметричным.

2.4 Связи по покрытию

Связи между фермами, обеспечивая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм, перераспределение местных нагрузок, приложенных к одной из рам на соседние рамы, удобство монтажа, заданную геометрию каркаса, восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

2.4.1 Связи по верхним поясам ферм

Рис.5 Расположение связей по верхним поясам ферм.

2.4.2 Связи по нижним поясам ферм

Рис.6 Расположение связей по нижним поясам ферм.

2.4.3 Вертикальные связи между фермами

Рис.7 Расположение вертикальных связей между фермами.

3 Расчет поперечной рамы здания

3.1 Расчетная схема рамы

Расчетная схема поперечной рамы - это многократно статически неопределимая сквозная система с жесткими узлами. Принимаем расчетную схему рамы с жестким сопряжением ригеля с колонной. Оси стоек в расчетной схеме совпадают с центрами тяжести верхнего и нижнего сечений колонны. В ступенчатых колоннах крайних рядов центры тяжести верхней нижней частей расположены не на одной оси, поэтому стойка рамы имеет горизонтальный уступ, равный расстоянию между геометрическими осями колонн. Заделка стоек принимается на уровне базы, ось ригеля совмещается с нижним поясом стропильной фермы

.

Рис.8 Расчетная схема поперечной рамы здания.

Основные размеры: L=24м, Н=18,2м НВ=6,0м

= НВ/Н=6,0/18,2=0,33

принимаем к расчету , и статический расчет выполняем для рамы с размерами:

НВ=Н=0,35*18,2=6,37м

НН=Н- НВ=18,2-6,37=11,83м

Определяем расстояние между центрами тяжести верхнего и нижнего участков колонн:

мм = 0,275 м.

Расстояние между осью подкрановой балки и центром тяжести нижней части колонны составляет:

мм=0,625м

Эксцентриситет опирания стропильной фермы на колонну можно не учитывать.

Для статического расчета рамы необходимо знать соотношения моментов инерции элементов рамы. Принимаем эти соотношения следующими:

;

3.2 Нагрузки на поперечную раму

3.2.1 Постоянные нагрузки

Постоянная нагрузка на поперечную раму складывается из веса конструкций покрытия (ограждающих конструкций кровли, несущих элементов кровли и металлических конструкций покрытия) и собственного веса колонн.

Определяем нагрузку на 1 м2 неотапливаемой кровли:

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м2
1	2	3	4
Несущие элементы кровли
Cтальные листы толщиной t = 4 мм	0,32	1,05	0.34
Металлические конструкции покрытия
Прогоны решетчатые, пролетом 12 x3м	0,20	1,05	0,21
Стропильные фермы	0,2	1,05	0,21
Связи покрытия	0,05	1,05	0,053
Итого:

Для класса сооружения II

Расчетная равномерно распределенная нагрузка на ригель рамы:

кН/м.

где

- коэффициент надежности по назначению;

=0,81 кН/м. - расчетная нагрузка;

В=12м - шаг колонн.

- угол наклона кровли к горизонту , 1

Определяем опорную реакцию ригеля:

кН.

Расчетный вес колонны:

Согласно таблице 12.1 учебника принимаем приблизительный расход стали на колонны 0,6 кН/м2, поскольку грузоподъемность крана 80т (менее 100т). Тогда:

- вес верхней части колонны (20% веса):

кН.

- вес нижней части колонны (80% веса):

кН.

Расчетный вес верхней части колонны:

FB= FR + GB =110.4+17.24=127,6 кН.

Расчетный вес нижней части колонны:

FH= FB + GH =127,6+68.9=196.5 кН.

Таким образом, получим следующую расчетную схему:

Рис. 9 Расчетная схема при постоянной нагрузке

3.2.2 Снеговая нагрузка

Согласно таблице 3 «Нормативов и справочных материалов по курсовому проектированию МК» город Нижний Новгород расположен в IV снеговом районе и имеет нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности: кН/м2.

Определим линейную распределенную нагрузку от снега на ригель рамы:

, где

- коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемы в соответствии с п. 3 прил. 3 СНиПа 2.01.07-85 и равный 1,0; (250 )

В - шаг рам;

- коэффициент надежности по назначению.

кН/м.

Опорная реакция ригеля определяется по формуле:

кН.

Таким образом, получаем следующую расчетную схему:

Рис.10 Расчетная схема при снеговой нагрузке

3.2.3 Вертикальные усилия от мостовых кранов

Рис. 11 Тележка мостового крана, линия влияния

Расчетное максимальное вертикальное давление от 2-х сближенных кранов на колонну, к которой приближена тележка с грузом:

, где

=1,1 -коэффициент перегрузки крановой нагрузки,

=0,85-коффициент сочетаний для 2-х кранов среднего режима согласно п. 4.17 СНиП 2.01.07-85

кН.

- коэффициент надежности по назначению, для зданий II-ой категории ответственности равен 0,95;

уi - ордината линии влияния;

GП/K==60 кH -нормативный вес подкрановых конструкций

- нормативное значение собственного веса подкрановых конструкций, принимается равной 5 кН/м;

Сумма ординат линий влияния:

0,22+0,29+0,67+0,74+1+0,93+0,55+0,48=4,88.

Подставив все величины, получим:

=1623.5 кH

Отсюда находим минимальное давление колеса крана с противоположной стороны :

кН.,

где Q -грузоподъемность крана, тс;

QK -вес крана с тележкой, кН;

n0 -число колес с одной стороны крана.

Расчетное минимальное вертикальное давление от 2-х сближенных кранов на колонну:

=561.5 кH

Силы Dmax и Dmin приложены по оси подкрановой балки и поэтому не только сжимают нижнюю часть колонны, но и передают на нее изгибающие моменты:

,

где

ек =625мм(0,625м)- расстояние от оси подкрановой балки до оси, проходящей через центр тяжести нижней части колонны.

кНм;

кНм.

3.2.4 Горизонтальные крановые нагрузки ( от торможения тележки крана)

Нормативную горизонтальную силу от поперечного торможения тележки, передаваемое одним колесом крана:

кН;

где - вес тележки, для крана грузоподъемностью 80т принимаем 330 кН;

- коэффициент трения, при трении стали по стали для кранов гибким подвесом груза равен 0,05.

Расчетное горизонтальное давление на колонну от поперечного торможения тележки крана:

кН.

Условно принимаем, что давление Т приложено в уровне уступа колонна.



Рис.12 Расчетная схема рамы. Вертикальные и горизонтальные крановые нагрузки

3.2.5 Ветровая нагрузка

По карте 3 СНиПа 2.01.07-85 находим, что город Нижний Новгород относится к I-му ветровому району. Для него по табл.5 определяем нормативное значение ветрового давления

кН/м2.

Расчетная линейная нагрузка на колонну с наветренной стороны при отсутствии стоек факверка:

=0,95*1,4*0,23*0,8*0,65*12=1,91кН/м2 ,

где nв =1,4- коэффициент перегрузки

k =0,65 - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте, (с увеличением высоты более 10м скорстной напор возрастает ), определяемый по табл.6 СНиП 2.01.07-85 в зависимости от типа местности;

с - аэродинамический коэффициент, по п. 6.6 СНиПа принимаем

c = 0,8 - для вертикальных стен с наветренной стороны

с* = 0,6 - для вертикальных стен с подветренной.

B=12 м - шаг поперечных рам

Принимаем тип местности - В.

Расчетная линейная нагрузка на колонну с заветренной стороны при отсутствии стоек факверка:

кН/м2 ,

Рис.13 Схема ветровой нагрузки на раму.

Условно полагаем, что HH0 Табл.1

Для высоты H0 =17400мм коэффициент

определяется линейой интерполяцией H0,м Тип месности Б

по табл.1.:

1

=1,1 15 1.06

тогда 20 1.15

= 1,1*1,91=2,1 кН/м, 25 1.26

= 1,1*1,43=1,57 кН/м,

Сосредоточенные нагрузки FB и FB* от заштрихованной части эпюры ветрового давления упрощенно определяются по формулам:

и , где

HП -расстояние от низа стропильной фермы до верхней точки покрытия

НП =НФ+0,015*+ НКР

НКР =500мм-толщина кровли

H0,м Тип месности Б 1 15 1,19 20 1,38 25 1,5

- коэффициент определяется линейой

интерполяцией по табл.2. в зависимости от Табл.2

Н* = Н0 + НП /2

НП =2.25+0,015*+ 0.5=2.9м

Н* =17,4 + 2,9 /2=18,85м

=1,25

кН

кН

Перенесем найденные нагрузки на расчетную схему:

Рис.14 Расчетная схема рамы при ветровой нагрузке

4. Статический расчет поперечной рамы

4.1 Расчет на постоянную нагрузку

По таблице 12.4 учебника находим параметры

.

Для статического расчета :

НВ = 6,37м

НН = 11,83м

Каноническое уравнение метода перемещений имеет вид

где - групповое неизвестное

- реакция в фиктивной заделке от единичного поворота

- реакция в фиктивной заделке от действующих нагрузок



Рис.15 Упрощенная расчетная схема. Постоянная нагрузка.

Реакция верха колонны (точка В) от = 1:

где -погонная жесткость колонны (Е - модуль упругости стали)

Реакция ригеля от = 1:

Реакция в фиктивной заделке (т.к. рама и действующие нагрузки симметричные, то рассматривается только левый узел сопряжения ригеля и колонны)

Реакция верха колонны от момента

М= FB *e0 =-30 кНм.

кНм

Реакция ригеля от постоянной равномерно распределенной нагрузки кНм:

кНм.

Реакция в фиктивной заделке от нагрузки:

кНм.

Каноническое уравнение метода перемещений принимает вид

Состояние Грузовое состояние

Моменты от поворота узлов на угол = 1 (эпюра М1)	Моменты от нагрузок на стойки (эпюра МР)
	Моменты на опорах ригеля (защемленная балка постоянного сечения): кНм.
Моменты от фактического угла поворота (М1 )	Моменты от постоянной нагрузки эпюра (М1 1 + МР)

Эпюры изгибающих моментов, поперечных и продольных сил будут следующими:

Проверкой служит равенство моментов в узле В (64,6 64,2), равенство перепада эпюры моментов в точке С внешнему моменту

(),

а также примерное равенство поперечных сил на верхней и нижней частях колонны:

кН;

кН.

4.2 Расчет на снеговую нагрузку

Эпюры М0, Q0, N0 от постоянной нагрузки умножаем на коэффициент:

4.3 Расчет на вертикальные крановые нагрузки

При расчете рамы на нагрузки, приложенные к колоннам, ригель можно считать абсолютно жестким.

Каноническое уравнение метода перемещений:

где -неизвестное смещение,

r11 - реакция в дополнительной связи от ее единичного смещения,

r1p - реакция в дополнительной связи от нагрузок, приложенных к стойкам.

Рис.22 Упрощенная расчетная схема. Вертикальные крановые нагрузки.

Моменты от смещения верхних узлов стоек вдоль ригеля на = 1(эпюра ) равны:



По вычисленным ранее п = 0,1 и = 0,35 определим значения грузовой эпюры метода перемещений на левой стойке:

Усилия на правой стойке получим, умножая соответствующие усилия левой стойки на отношение

.

Получим следующие эпюры:

Найдем коэффициент и свободный член канонического уравнения:

,

кН.

Таким образом, из канонического уравнения получим смещение плоской рамы

.

В расчетной схеме не учитывалась работа упругоподатливой опоры в уровне подкрановых конструкций. В этом случае пространственную работу каркаса можно учесть, определив реакцию отпора на уровне ригеля или соответствующее смещение рамы в системе пространственного блока пр. Оно меньше смещения плоской рамы , нагруженной той же силой.

,

где , ' - коэффициенты, принимаемые по таблице, в зависимости от величины ;

п0 = 4 - число колес кранов на одной нитке подкрановых балок;

у= 4.88 - сумма ординат линии влияния реакции рассматриваемой рамы, по данным расчета в п. 3.2.3

Параметр характеризует соотношение жесткостей поперечной рамы и покрытия и определяется по формуле

,

где В = 12м - шаг поперечных рам

Н = 18,2м - высота колонны;

Iн - сумма моментов инерции нижних частей колонн;

d - коэффициент привидения ступенчатой колонны к эквивалентной по смещению колонне постоянного сечения, равный при жестком сопряжении ригеля с колонной

;

,

где Iсв - момент инерции продольных связей по нижним поясам ферм;

Iкр - эквивалентный момент инерции кровли.

С учетом крепления связей на сварке (краны среднего режима работы) для кровли из стальных листов можно принять:

Тогда

По таблице 12,2 учебника находим, что = 0,69; ' = -0,25. Следовательно,

;

.

С учетом найденного пр пересчитаем эпюру М1 и построим окончательную:

.

Моменты от фактического перемещения узлов (М1 пр) равны:

Эпюра моментов (М=М1пр + МР) от постоянной нагрузки для левой стойки:

Эпюра М для правой стойки будет считать аналогично левой, только лишь единичные моменты будут браться с противоположным знаком:

Эпюры изгибающих моментов, поперечных и продольных сил будут следующими:



- отпор кровли в пространственном блоке.

Разница в значении нормальной силы у левого и правого концов ригеля получилась из-за передачи горизонтальных сил на соседние рамы вследствие учета пространственной работы каркаса.

Проверкой может служить значение перепада моментов в месте изменения жесткости стойки:

 - на левой стойке;

- на правой стойке.

4.4 Расчет на горизонтальные крановые нагрузки

На основе расчетов в п. 3.2.4 получим следующую расчетную схему:

Очевидно, что единичная эпюра моментов М1, каноническое уравнение и коэффициент пр здесь такие же, как при расчете вертикальные крановые нагрузки.

По вычисленным ранее п = 0,1 и = 0,35 определим значения грузовой эпюры метода перемещений на левой стойке:

Построим эпюру МР:



Смещение верха колонн с учетом пространственной работы каркаса

.

Пересчитаем единичную эпюру метода перемещений и постоим окончательную по формуле

.

Моменты от фактического перемещения узлов (М1 пр) равны:

Эпюра моментов (М1пр + МР) от постоянной нагрузки для левой стойки:

Эпюра М для правой стойки будет аналогична исправленной единичной эпюре метода перемещений.

Эпюры изгибающих моментов, и продольных сил будут следующими:

Разница в значении нормальной силы у левого и правого концов ригеля получилась из-за передачи горизонтальных сил на соседние рамы вследствие учета пространственной работы каркаса.

Проверка - равенство перепада в эпюре поперечных сил на левой стойке и величины приложенной нагрузки Т:

4.5 Расчет на ветровую нагрузку

4.5.1 Ветровая нагрузка слева

На основе расчетов в п. 3.2.5 получим следующую расчетную схему:

Очевидно, что единичная эпюра моментов М1, каноническое уравнение и коэффициент пр здесь такие же, как при расчете вертикальные крановые нагрузки.

По вычисленным ранее п = 0,1 и = 0,35 определим значения грузовой эпюры метода перемещений на левой стойке:

Усилия на правой стойке получим, умножая соответствующие усилия левой стойки на отношение



Построим эпюру МР:

Найдем коэффициент и свободный член канонического уравнения:

кН.

Так как ветровая нагрузка с одинаковой интенсивностью воздействует на все рамы здания, следовательно, коэффициент пр = 1, или смещение рамы равно:

.

Пересчитаем единичную эпюру метода перемещений и постоим окончательную по формуле

.

Моменты от фактического перемещения узлов (М1 пр) на левой стойке равны:

Эпюра моментов (М1пр + МР) от постоянной нагрузки для левой стойки:

Эпюра М для правой стойки будет считать аналогично левой, только лишь единичные моменты будут браться с противоположным знаком:

Эпюры изгибающих моментов, поперечных и продольных сил будут следующими:



Теперь найдем значения эпюры Q на левой стойке:

кН;

кН.

Аналогично, на правой стойке:

кН;

кН.

Контроль:

равновесие ригеля -



равенство суммы поперечных сил в заделке и суммарной ветровой нагрузки -

Продольными силами в колоннах пренебрегаем.

Продольные силы в опорных сечениях равны:

4.5.2 Ветровая нагрузка справа

При загружении рамы ветровой нагрузкой справа значения М0, Q0 получают путем поворота соответствующих эпюр относительно оси симметрии с переменой знаков в эпюре Q0.

5. Составление таблицы расчетных усилий в сечениях рамы

Усилия в поперечной раме, определенные в п. 3.3, заносим в табл. 2 в соответствии с принятой нумерацией сечений.

Рис.23 Нумерация сечений стойки поперечной рамы.

6. Расчет и конструирование стропильной фермы

6.1 Сбор нагрузок на ферму

6.1.1 Постоянная нагрузка

Расчетная линейная нагрузка на ферму от веса кровли и конструкций покрытия составляет:

;

Узловые силы:

,

где d - ширина панели фермы.

Крайние узловые силы F/2 приложены к колонне и при расчете фермы не учитываются.

Опорные реакции:



6.1.2 Снеговая нагрузка

Расчетная снеговая нагрузка на 1м2 поверхности кровли:

,

Расчетная линейная нагрузка от снега на ферму:

кН/м2, где

- нормативная нагрузка на 1 м2 от веса снегового покрова;

bф - шаг ферм;

- коэффициент надежности по назначению.

Узловые силы:

кН

Опорные реакции:

6.1.3 Опорные моменты и распор рамы

Так как стропильная ферма является ригелем рамы, в ее элементах возникают усилия от опорных моментов (при жестком сопряжении ригеля с колонной) и продольной силы в ригеле (распора).

Для определения этих усилий рассмотрим две комбинации нагрузок:

I-ая комбинация (для определения дополнительных усилий в раскосах и крайней панели верхнего пояса, а также расчета опорного узла).

Наибольший по абсолютной величине момент в сечении I-I (узел примыкания фермы к колонне) Млев= -519.57 кНм, получен при комбинации нагрузок 1,2,3,4(-),5*. Соответствующий момент справа может быть получен путем замены в комбинации нагрузок 3,4(-),5* на 3*,4*(-),5:

Продольная сила в ригеле на левой опоре для нагрузок 1,2,3,4(-),5*:

2-ая комбинация (для определения возможных сжимающих усилий в панелях нижнего пояса).

Чтобы получить максимально возможное усилие, из комбинаций нагрузок следует исключить снеговую и рассматривать сочетание 1,3,4(-),5*:

Соответствующий момент справа определяется для комбинаций 1,3*,4*(-),5:

Продольная сила в ригеле на левой опоре:

Считаем (в запас), что продольная сила полностью воспринимается нижним поясом фермы и не меняется по его длине.

6.2 Определение расчетных усилий в стержнях фермы

Для определения усилий необходимо построить эпюры поперечных сил и моментов в ригеле от заданных нагрузок. При уклонах кровли менее 2% влиянием уклона на усилия в элементах фермы можно пренебречь.

6.2.1 Усилия от постоянной нагрузки

Усилия в раскосах определяем с учетом правил знаков:

Знак поперечной силы Q	Условное обозначение	Знак усилия при направлении раскоса
+		-	+
-		+	-

Усилия в раскосах определяются по формуле:

,

где i, j- номера точек узлов стержней.

каркас здание рама поперечный

Усилия в панелях поясов определяем с учетом правил знаков:

Знак момента М	Условное обозначение	Знак усилия для пояса
		верхнего	нижнего
+		-	+
-		+	-

Усилия в панелях поясов определяются способом моментной точки по формуле:

,

моментные точки выбираются на противоположном поясе, в месте пересечения раскосов.

Нижний пояс: Верхний пояс:

Усилия в стойках:

6.2.2 Усилия от снеговой нагрузки (в покрытиях без фонаря) определяем, умножая усилия от постоянной нагрузки, на коэффициент

6.2.3 Усилия от опорных моментов

1-ая комбинация



Усилия в поясах:

Верхний пояс-

нижний пояс-

Усилия в раскосах:

Усилия в стойках:

2-ая комбинация

Усилия в поясах:

Верхний пояс-

нижний пояс-

Усилия в раскосах:

Усилия в стойках:

Расчетные усилия в стержнях ферм, кН.

Элемент	№ стержней	Усилия от постоянной нагрузки	Усилия от снеговой нагрузки	Усилия от опорных моментов и продольной силы в ригеле	Расчетные усилия
				1-ая комбинация	2-ая комбинация
					МЛЕВ = -519,57 кНм МПРАВ = -291,67кНм	Усилие продольной силы	МЛЕВ = -347,4 кНм МПРАВ = -119,5кНм	Усилие продольной силы	№ нагрузок	Растяже- ние (+)	№ нагрузок	Сжатие (-)
		1	2	2а	3	4	3*	4*
Верхний пояс	2 - 3	0	0	0	241.7		161,6		3	241.7	-	-
	3 - 5	-222,89	-628,2	-565,4	216.46		136,38		-	-	1;2	-851,1
	5 - 6	-222,89	-628,2	-565,4	216.46		136,38		-	-	1;2	-851,1
	6 - 8	-300,19	-857,9	-772,1	188.7		108,83		-	-	1;2	-1158,1
Нижний пояс	1 - 4	+126,3	+341,5	+307,4	-229.9	-122,06	-149,9	-104,76	1;2	+467,8	1;3;4;	-225,7
	4 - 7	+280,87	+800,4	+720,4	-202.4	-122,06	-122,3	-104,76	1;2	+1081,3	-	-
Раскосы	1 - 3	-159,2	-446,4	-401,8	-15,88		-15,88		-	-	1;2	-605,6
	3 - 4	+118,78	+352,8	+317,5	+16,59		+16,59		1;2	+471,6	-	-
	4 - 6	-71.27	-211,6	-190,4	-16,59		-16,59		-	-	1;2	-282,9
	6 - 7	+23,76	+70,6	+63,6	+16,59		+16,59		1;2	+94,4	-	-
Стойки	4 - 5	-27,6	-82,2	-74,0	0		0		-	-	1;2	-109,8
	6 - 7	-27,6	-82,2	-74,0	0		0		-	-	1;2	-109,8

6.3 Подбор сечений стержней фермы

По заданию на проектирование, материал конструкций фермы - сталь С245. Для нее по табл. 51 СНиП II-23-81 определяем, что расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести

кН/см2.

Для элементов верхнего и нижнего поясов и опорных раскосов расчетная длина в плоскости фермы lX=l , для прочих элементов lX=0,8l, где l - расстояние между центрами узлов.

Расчетная длина элементов решетки из плоскости фермы ly=l, где l - расстояние между центрами узлов от смещения из плоскости фермы связями, распорками или кровельными панелями.

Рассмотрим тип сечения из парных уголков

Толщину накладок tф принимаем одинаковой для всех узлов в соответствии с рекомендациями.

Максимальное усилие в элементе решетки кН	До 150	151-250	251-400	401-600	601-1000	1001-1400	1401-1800	Более 1800
Рекомендуемая толщина фасонки, мм	6	8	10	12	14	16	18	20

Максимальное усилие в опорном раскосе -605.6 кН, следовательно принимаем tф = 14мм

Расчет элементов на прочность при растяжении выполняется по формуле:

где N - максимальное растягивающее усилие в элементе, кН

А - площадь поперечного сечения (нетто), см2

Устойчивость центрально сжатых элементов проверяем по формуле:

где N - максимальное сжимающие усилие в элементе, кН

А - площадь поперечного сечения (брутто), см2

-коэффициент продольного изгиба.

6.3.1 Подбор сечений элементов верхнего пояса фермы

Элемент 2-3

Материал конструкции фермы - сталь С245, Ry=24 кН/см2

Расчетное усилие: N= 241,7 кН - растяжение

Расчетные длины стержней lx= 280 см; ly= 280 см.

Поскольку lx= ly , принимаем тавровое сечение из двух равнополочных уголков.

Зададим гибкость в пределах, рекомендуемых для поясов ферм:

Тогда

Следовательно, требуемая площадь поперечного сечения:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 63x5. Для него из сортамента принимаем:

А= 6.13x2=12.26 см2

ix= 1.94 см

iy= 3.01 см

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям x-x и y-y, соответственно равны:

Элемент 3-5, 5-6

Материал конструкции фермы - сталь С245, Ry=24 кН/см2

Расчетное усилие: N= -851.1 кН - сжатие

Расчетные длины стержней lx= 300 см; ly= 300 см.

Поскольку lx= ly , принимаем тавровое сечение из двух равнополочных уголков.

Зададим гибкость в пределах, рекомендуемых для поясов ферм:

Тогда

Следовательно, требуемая площадь поперечного сечения:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 140x10. Для него из сортамента принимаем

А=27.3 x2=54.6 см2

ix= 4.33 см

iy= 6.18 см

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям x-x и y-y, соответственно равны:

тогда для находим, = 0,758

Элемент 6-8

Материал конструкции фермы - сталь С245, Ry=24 кН/см2

Расчетное усилие: N= -1158,1 кН - сжатие

Расчетные длины стержней lx= 300 см; ly= 300 см.

Поскольку lx= ly , принимаем тавровое сечение из двух равнополочных уголков.

Зададим гибкость в пределах, рекомендуемых для поясов ферм:

Тогда

Следовательно, требуемая площадь поперечного сечения:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 160x11. Для него из сортамента принимаем

А= 34.4x2=68.8см2

ix= 4,95 см

iy= 7,0 см

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям x-x и y-y, соответственно равны:

тогда для находим, = 0.802

6.3.2 Подбор сечений нижнего пояса стропильной фермы

Элемент 1 - 4.

Расчетное усилие: N = +467.8кН -растяжение; N = -225,7 кН - сжатие.

Расчетные длины стержня: lx= 300 см; ly= 300+280=580 см

Зададим гибкость в пределах, рекомендуемых для поясов ферм:

Тогда

Принимаем сечение из двух неравнополочных уголков 140x90x8 Для него выписываем из сортамента следующие величины: А = 36см2; ix= 2.58 см iy= 6.86 см

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям х-х и у-у, соответственно равны:

тогда для находим, = 0.441

Элемент 4 - 7.

Расчетное усилие: N = +1081,3 кН - растяжение

Расчетные длины стержня: lx= 600 см; ly= 1200 см.

Следовательно, требуемая площадь поперечного сечения:

Принимаем сечение из двух неравнополочных уголков 160 х 100 х 10. Для него выписываем из сортамента следующие величины: А = 50,6см2; ix= 2,84 см iy= 7,84 .

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям х-х и у-у, соответственно равны:



Производим проверку сечения:

6.3.3 Подбор сечений раскосов фермы

Элемент 1 - 3.

Расчетное усилие: N = -605.6 сжатие

Расчетные длины стержня: lx= 176.5см ly= 353cм.

Поскольку , принимаем тавровое сечение из двух неравнополочных уголков.

Зададимся гибкостью в пределах, рекомендуемых для поясов ферм: ? = 75;

Тогда . Следовательно, требуемая площадь сечения:

Принимаем сечение из двух неравнополочных уголков 125 х 80 х 10. Для него выписываем из сортамента следующие величины: А = 39,4 см2; ix= 2,26 см iy= 6,26 см .

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям х-х и у-у, соответственно равны:

Тогда для находим = 0.699

Элемент 3 - 4.

Расчетное усилие: N = +471.6 кН - растяжение

Расчетные длины стержня: lx= 369.1x0.8=295.3 см; ly= 369.1 см

Следовательно, требуемая площадь поперечного сечения:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 70 х 4,5. Для него выписываем из сортамента следующие величины: А = 21,4 см2; ix= 2.12 см iy= 3,45 см .

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям х-х и у-у, соответственно равны:

Производим проверку сечения:

Элемент 4 - 6.

Расчетное усилие: N = -282,9 кН - сжатие

Расчетные длины стержня: lx= 369.1x0.8=295.3 см; ly= 369.1 см

Зададимся гибкостью в рекомендуемых пределах: ? = 110

Тогда . Следовательно, требуемая площадь сечения:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 100x7 для него выписываем из сортамента следующие величины: А =27.6см2; ix= 3.08 см iy= 4.52см .

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям х-х и у-у, соответственно равны:

Тогда для находим

Элемент 6 - 7.

Расчетное усилие: N = +94.4 кН - растяжение

Расчетные длины стержня: lx= 369.1x0.8=295.3 см; ly= 369.1 см

Следовательно, требуемая площадь поперечного сечения:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 50 х 5. Для него выписываем из сортамента следующие величины: А = 9.76см2; ix= 1.53 см iy= 2.53 .

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям х-х и у-у, соответственно равны:

Производим проверку сечения:

6.3.4 Подбор сечений стоек фермы

Элемент 4 - 5; 7 - 8.

Расчетное усилие: N = -109,8 кН - сжатие

Расчетные длины стержня: lx= 215x0.8=172см; ly= 215см

Зададимся гибкостью в пределах, рекомендуемых для поясов ферм: ? = 90;

Тогда . Следовательно, требуемая площадь сечения:

Принимаем сечение из двух равнополочных уголков 63 х 4. Для него выписываем из сортамента следующие величины: А = 9,92 см2; ix= 1.95 см iy= 3.08 .

Расчетные гибкости стержня в плоскостях, перпендикулярных осям х-х и у-у, соответственно равны:

Тогда для находим

Подбор сечений элементов

Эле мент	№ стержня	Расчетное усилие,кН		Сечение	S сече ния, см2							Проверка сечения
												На прочность	На устойчивость
		Растяж (+)	сжатия (-)
Верх ний пояс	2-3	241,7	-	63x5	12.26	280/ 280	1.94 3.01	144.33 93,02	400	0,852	0.95	19.71<22.8	-
	3-5 5-6	-	851,1 851,1	160x11	68.8	300/ 300	4.95 7.0	60.61 42.86	120	0.802	0.95	-	20.99<22.8
	6-8	-	1158,1	160x11	68.8	300/ 300	4.95 7.0	60.61 42.86	120	0.802	0.95	-	20.99<22.8
Ниж- ний пояс	1-4	467,8	225,7	160x100x10	50.6	300/ 580	2.84 7.76	105,63 73,98	120	0.506	0.95	12,99<22.8	14,21<22.8
	4-7	1081,3	-	160x100x10	50.6	600/ 1200	2.84 7.76	211.27 154.64	400	-	0.95	21,37<22.8	-
Рас косы	1-3	-	605,6	125x80x10	39.4	176,5/ 353	2.26 6.26	78,09 56,39	120	0.699	0.95	-	21,98<22.8
	3-4	471,6	-	70x4,5	21.4	295.3/ 369.1	2.12 3,45	139,3 106,9	400	-	0.95	22.04<22.8	-
	4-6	-	282,9	100x7	27.6	295.3/ 369.1	3.08 4.52	95.88 81.66	150	0.571	0.8	-	17.93<19.2
	6-7	94,4	-	50x5	9.76	295.3/ 369.1	1.53 2.53	193 145.9	400	-	0.95	9,66<22.8	-
стойки	4-5	-	109,8	63x4	9,92	172/ 215	1.95 3.08	88.21 69.81	150	0.625	0.8	-	17,69<19.2
	7-8	-	109,8	63x4	9,92	172/ 215	1.95 3.08	88.21 69.81	150	0.625	0.8	-	17,69<19.2

6.4 Расчет швов

Для сварки узлов фермы применяем полуавтоматическую сварку проволокой Св - 08 диаметром

d = 1,4 - 2 мм, для которой находим, что нормативное сопротивление металла шва: кН/см2.

Коэффициенты условий работы шва wf = wz = 1,0 по п. 11.2 СНиПа.

Согласно табл. 3 СНиПа расчетное сопротивление углового шва условному срезу по металлу шва:

кН/см2,

где wm = 1,25, - коэффициент надежности по материалу шва.

По табл. 3 СНиПа расчетное сопротивление углового шва условному срезу по металлу границы сплавления:

кН/см2.

По табл. 34 СНиПа для выбранного типа сварки примем соответствующие коэффициенты для расчета углового шва:

f = 0,9 - по металлу шва;

z = 1,05 - по металлу границы сплавления.

Определим, какое сечение в соединении является расчетным:

кН/см2,

следовательно, расчетным является сечение по металлу шва.

Длина сварных швов определяется по формуле:

.

Таблица 9 «Расчет швов».

№ стержня	Сечение	, кН	Шов по обушку	Шов по перу
			Nоб, кН	kш, см	lш, см	Nn, кН	kш, см	lш, см
1 - 3	125х80х10	605,6	454.2	0,8	19	151	0,6	9
3 - 4	70х4,5	471.6	330.1	0,6	18	141.5	0,4	12
4 - 6	100х7	282.9	198.0	0,8	9	84.9	0,6	4,5
6 - 7	50х5	94.4	66,1	0,6	4,5	28.3	0,4	3,2
7 - 8	63х4	109.8	76.9	0,6	7	32.9	0,4	3,6

7. Расчет и конструирование колонны

Исходные данные для проектирования колонны:

- материал фундамента - бетон класса В15;

- материал конструкций колонны - сталь С245.

7.1 Определение расчетных длин верхней и нижней частей колонны

Расчетные длины колонны.

При

то значения коэффициентов 1 и 2 находим по табл. 14.1 учебника:

H = 2; B = 3.

Расчетные длины колонны в плоскости рамы:

- для нижней части колонны

см;

- для верхней части колонны

см.

Расчетные длины колонны из плоскости рамы:

см;

см.

7.2 Подбор сечения верхней части колонны

Расчетная комбинация усилий: (сечение 1 - 1, нагрузки 1,2,3,4(-),5*).

кНм

кН

см

Сечение верхней части колонны принимаем из сварного составного двутавра. Высота сечения h=700мм. Требуемую площадь сечения определяем из условия устойчивости стержня в плоскости действия момента:

.

Приближенные значения геометрических характеристик:

Радиус инерции -

Ядровое расстояние: - .

Приведенная гибкость:

.

Относительный эксцентриситет:

.

Коэффициент влияния формы сечения при

,

где - площадь полки, - площадь стенки сечения.

Приведенный относительный эксцентриситет:

При и определяем е = 0,1667.

Тогда требуемая площадь сечения:

см2.

7.3 Компоновка сечения

При определении размеров стенки предварительно задаемся толщиной полок (в пределах 1,4 - 2 см), тогда .

Из проверки местной устойчивости находим :

мм

С целью снижения расхода стали используем за критическую работу стенки, принимая ее толщиной 8 мм.

Включаем в расчетное сечение 2 крайних участка стенки шириной по

см

Расчетная площадь стенки:

.

Требуемая площадь полок:

Для обеспечения устойчивости верхней части колонны из плоскости действия момента

см

Из условия местной устойчивости полки:

Принимаем по сортаменту ; ; ;

7.4 Геометрические характеристики сечения

Полная площадь сечения:

Расчетная площадь сечения с учетом только устойчивой части стенки:

;

Коэффициент влияния формы сечения ? при определяем путем интерполяции между значениями при и

При 5 < m < 20 для

для

для

При и определяем

Недонапряжение составляет:

7.5.2 из плоскости действия момента (относительно оси у - у)

При нагрузках 1,2,3,4(-),5* наибольший момент в сечении 1 - 1 .

Определяем соответствующий (при тех же нагрузках) момент в сечении 2 - 2

(нагрузка 4 при определении момента в сечении 2 - 2 принимается со знаком +).

Наибольший момент в пределах средней трети расчетной длины :

(по модулю не менее ).

В запас устойчивости принимаем такое же расчетное сечение колонны, как и при проверке устойчивости относительно х - х, т.е. с учетом только крайних участков стенки.

При - .

Коэффициенты и определяются:

;

при 1 < <5,

,

Экономическая проверка:

7.6 Подбор сечения нижней части колонны

Расчетные комбинации усилий:

- в сечении 3 - 3 , (нагрузки 1,3,4(-) );

- в сечении 4 - 4 , (нагрузки 1,2,3,4(+),5* );

Сечение нижней части колонны принимаем из прокатного двутавра с параллельными гранями полок. Поскольку значения расчетных усилий в сечениях 3 - 3 и 4 - 4 по абсолютной величине близки, принимаем симметричное сечение.

Предварительно примем, что ось симметрии наружной ветви отстает от торца на (в пределах 8…14см). Тогда расстояние между центрами тяжести ветвей

Положение центра тяжести сечения нижней части колонны определим по формуле:

см,

см.

Усилия в ветвях:

- в подкрановой ветви

кН;

- в наружной ветви

кН.

7.7 Подбор сечения ветвей

Для фасонного проката толщиной до 20 мм расчетное сопротивление растяжению, сжатию, изгибу по пределу текучести .

Для подкрановой и наружной ветвей:

см2.

По сортаменту принимаем двутавр 50Б2 с А1 = 102.8см2, ix1 = 4.3 см, iy = 20.3 см.

Уточняем усилие в ветвях колонны:

Усилия в ветвях:

- в подкрановой ветви

кН;

- в наружной ветви

кН.

Проверка устойчивости ветви.

Поскольку сечение ветвей одинаково, проверяем устойчивость только наиболее нагруженной ветви.

- из плоскости рамы (относительно оси у - у):

Тогда:

- в плоскости рамы (относительно оси и ):

Из условия равноустойчивости:

Высота нижней части колонны, длина решетчатой части колонны

- высота траверсы в месте уступа.

Принимаем по длине решетчатой части колонны целое число панелей n, так чтобы длина панелей не превышала , n = 5.

; устойчивость ветви в плоскости рамы обеспечена.

7.8 Расчет решетки подкрановой части.

7.8.1 Поперечная сила в сечении 4 - 4

При :

.

Усилие сжатия в раскосе:

Где

Определяем требуемую площадь уголка, предварительно задаваясь и учитывая для сжатого уголка, прикрепляемого одной полкой.

см2.

Принимаем равнополочный уголок 100х6.5 , Ap = 12.8 см2, imin = 1,99 см.

Расчетная длина элемента решетки:

7.8.2 Проверка устойчивости нижней части колонны как единого стержня в плоскости действия момента

Геометрические характеристики всего сечения:

см2;

см4;

см;

.

Коэффициент ?1 зависит от угла наклона раскосов. При

Площадь сечения раскосов по двум граням колонны

Условная приведенная гибкость:

7.8.3 Проверка на комбинацию усилий в сечении 4 - 4

(N2 = -1954.25 кН; М2 = 941.49 кНм -более сжатая наружная ветвь)

.

находим, что коэффициент = 0,4947.

.

7.8.4 Проверка соотношения жесткостей

Верхняя часть

Нижняя часть (0,9 учитывает влияние деформации решетки).

(отличается от принятого в расчете рамы n = 0,1 на 80%).

8. Использованная литература

1. Металлические конструкции /Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева и др./ под ред. Ю.И. Кудишина - «Академия» 2007г.

2. СНиП 2.01.07-85* . Нагрузки и воздействия.

3. Курс лекций

4. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию металлических конструкций /Клепиков Л.В., Уваров Б.Ю./ М.: 1988

5. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию металлических конструкций «Примеры расчетов узлов» /Клепиков Л.В., Уваров Б.Ю./ М.: 1988

6. Нормативные справочные материалы по курсовому и дипломному проектированию металлических конструкций /доц. канд. техн. наук Вершинин В.П., профессор канд. техн. наук Соболев Ю.В./, М.: 2005.

Размещено на Allbest.ru