Металлические конструкции

Содержание

 

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания …………………………..………….3

1.1.  Размещение колон в плане………………………………………….………….……..3

1.2. Компоновка поперечной рамы……………………...……………….….…….……....3

    1.3. Выбор системы связей……………...…………………………………….…….……...5

1.4. Разработка схемы фахверков………….………………………………………..……..6

2. Статический расчет поперечной  рамы…………………………………………….….…….7

2.1. Расчетная схема рамы………………………………………………………….…..…..7

2.2. Нагрузки на  поперечную раму…………………………………………….…….….…7

2.3. Статический расчет поперечной рамы……………………………………..………..12

3. Расчет стропильной фермы. …………………………………………….……………….…24

3.1. Сбор нагрузок и определение усилий в ферме…………………………………….…24

3.2. Определение усилий  в стержнях фермы ………………………………………....…..27

3.3 Подбор и проверка сечений стержней фермы…………………………………….…..29

3.4. Расчет сварных швов прикрепления раскосов и стоек к фасонкам ……..…….……33

4. Расчет ступенчатой колонны  производственного здания…………………….…….… ....34

4.1. Определение расчетных длин  колонны………………………………………….……34

    4.2. Подбор сечения верхней  части колонны…………………………………………..…..34

4.3. Подбор сечения нижней части  колонны…………………………….…………….….36

4.4. Расчет и конструирование узла сопряжения верхней и нижней частей колонны....42

4.5. Расчет и конструирование базы колонны………………………………………….....43

5. Расчет и конструирование подкрановой  балки……………………………………………46

5.1. Нагрузки на подкрановую балку………………………………………………………46

5.2. Определение расчётных усилий…………………………………………………….....46

5.3. Подбор сечения балки………………………………………………………………….47

Список используемой литературы…………………………………………………………51

 

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания.

 

1.1 Размещение колон  в плане.

Исходные данные:

- наименование цеха - механосборочный  ;

- грузоподъемность мостовых кранов (2 крана)-30т ;

- режим работы кранов- 1К ;

- пролет здания - 30м;

- длина здания -84 м;

- шаг ферм и колонн 12 м;

- отметка головки подкранового рельса -12,5м;

- место строительства – Витебск.

Проектирование каркаса производственного  здания начинается с выбора конструктивной схемы и её компоновки в соответствии с заданием.

Выбрана система с шагом поперечных рам 12 м, с жестким сопряжением ригеля с колонной.

 

Рис.1.1.Размещение колонн однопролётного здания.

 

1.2. Компоновка поперечной рамы.

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных габаритных размеров элементов конструкций в плоскости рамы. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая её нулевой. Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Все размеры принимают в соответствии с основными положениями по унификации и другим нормативным документам.

Вертикальные габаритные размеры здания зависят от технологических условий производства и определяются расстоянием от уровня пола до головки подкранового рельса (Н₁ = 12500 мм), и расстоянием от головки кранового рельса до низа несущих конструкций Н₂. В сумме эти размеры составляют Н₀ полезную высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм

Вертикальные размеры:

Н₂  ≥ (Н_К + 100) + f = (2750+ 100 ) + 300 = 3150 мм.

где: Н_К + 100 – расстояние от головки рельса до верхней точки тележки крана, плюс

       установленный  по технике безопасности зазор  между этой точкой и строительными 

       конструкциями, равный 100 мм;

       f – размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия (ферм, связей), 200-400мм.

Принимаем Н₂=3200 мм (кратным 200)

Высота цеха от уровня пола до низа стропильных ферм:

Н₀ = Н₁+ Н₂  = 12500 +3200 =15700мм

где: Н₁ – наименьшая отметка головки кранового рельса.

H₂ - расстояние от головки кранового рельса до низа стропильных конструкций покрытия

Ближайший больший размер, кратный  1800 мм,-16200 мм. Принимаем Н₀=16200мм.

При высоте  подкрановой балки  с рельсом , равной 1/8 её пролёта ,

Н_В = ( h_б + h_р ) + Н₂ = ( 1500+200 ) + 3200 = 4900 мм.

h_б - высота подкрановой балки;

h_к – высота кранового рельса.

При заглублении базы колонны на 800 мм ниже пола :

Н_Н = Н₀ – Н_В + 800 = 16200 – 4900+ 800 = 12100 мм   

Общая высота колонны от низа базы до низа ригеля:

Н = Н_Н + Н_В = 12100 + 4900 = 17000 мм.

Высота части колонны в пределах ригеля Н_Ф = 3150 мм при пролете 30 м.

Принимаем привязку а = 250мм (так как грузоподъемность крана равна 30т, шаг колонн 12 м). Высоту сечения в пределах высоты фермы назначают с учетом унифицированных привязок наружных граней колонны к разбивочной оси, а также привязки ферм к разбивочной оси=200мм. Таким образом высота сечения верхней части колонны в пределах высоты фермы назначается 250 + 200 = 450 мм, но не менее 1/12 её высоты Н_В  

 h_В=1/12*4900=408,3 мм

Принимаем высоту сечения верхней  части колонны h_В=450мм.

При назначении высоты сечения нижней части ступенчатой колонны нужно  учесть, что для того чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее:

l₁ ≥ B₁ + ( h_В – a ) + 75 = 300+ ( 450 – 250 ) + 75 = 575 мм;

B₁ – размер части кранового моста, выступающей за ось рельса, приложение 1/1/;

75 мм- зазор между краном  и колонной, принимаемый по требованиям  безопасности;

принимаем l₁ = 750 мм, кратным 250 мм (т. к. пролеты мостовых кранов l_К имеют модуль 500мм).

Ось подкрановой ветви колонны обычно совмещают с осью подкрановой балки. Высоту сечения нижней части колонны принимаем:

h_Н = l₁ + а = 750 + 250 = 1000мм.

   Пролет мостового крана:

l_К = l - 2 l₁ = 30000 – 2 ∙750 = 28500 мм

Верхнюю часть колонны принимаем  сплошной двутаврового сечения, нижнюю – сквозной.

 

 

Рис.1.2.Схема поперечной рамы однопролётного здания.

 

Фонарь не должен доходить до торца здания или до температурного шва на один шаг стропильных ферм. Высота фонаря зависит от требуемой освещенности и определяется светотехническим или теплотехническим расчетами с учетом высот: типовых фонарных переплетов,  бортовой стенки и карнизного элемента. Типовые фонарные переплеты имеют высоту 1250 или 1750 мм и могут устанавливаться в один или два яруса. Ограждающая конструкция покрытия фонаря выполняется такой же, как ограждающая конструкция здания.

Полная высота здания (с учетом высот стропильной фермы и фонаря)

       Н^*=Н + Н_ф + Н_фн= 24650мм

 

 

1.3. Выбор схемы связей.

     Связи - важные элементы стального каркаса , которые необходимы для выполнения следующих требований:

-обеспечение неизменяемости пространственной  системы каркаса и устойчивости  его сжатых элементов;

-восприятие и передача на  фундаменты некоторых нагрузок (ветровых, горизонтальных от кранов )

-обеспечение совместной работы поперечных рам при местных нагрузках ( например, крановых )

-создание жёсткости каркаса;

-обеспечение условий высококачественного и удобного монтажа.

1.3.1.Связи по покрытию.

Стропильные фермы обладают большой жёсткостью в вертикальной плоскости и очень малой в горизонтальной. Надлежащее закрепление достигается постановкой горизонтальных и вертикальных связей, образующих вместе  со стропильными фермами жёсткую пространственную конструкцию.

Горизонтальные связи представляют собой  фермы с параллельными поясами и располагаются в плоскостях нижнего и верхнего поясов ферм и верхнего пояса фонаря. Пояса у них общие с поясами ферм. Горизонтальные связи состоят из поперечных и продольных. Назначение поперечных связей, расположенных в плоскости верхних поясов стропильных ферм, состоит в обеспечении устойчивости верхних сжатых поясов стропильных ферм при работе из плоскости ферм. Размещаем их у торцов здания и у температурного шва.

Связи по нижним поясам стропильных  ферм проектируют как системы  поперечных и продольных связевых ферм, располагаемых по контуру цеха и температурного отсека.

Вертикальные связи предназначаются для удержания ферм  в проектном(вертикальном) положении. При шаге 12 м проектируются в виде фермы с параллельными поясами и устанавливаются в местах, где поставлены поперечные горизонтальные связевые фермы.

1.3.2.Связи между колоннами. Предназначены для создания продольной жёсткости каркаса и закрепления колонн из плоскости рамы, а также для восприятия сил продольного торможения кранов и давления ветра на торцы здания. Вертикальные связи в верхней части колонн устанавливают у торцов здания, у температурных швов и в средней части температурного отсека.

В нижней части колонн связи проектируются в виде портала и устанавливаются в середине температурного отсека.

1.4. Разработка схемы фахверков.

Фахверком называется система конструктивных элементов, служащих для поддержания стенового ограждения и восприятия (с последующей передачей на фундаменты и другие конструкции) ветровой нагрузки.

Фахверк устанавливается  для наружных стен ( вдоль здания и торцевых), а для внутренних стен и перегородок.

При самонесущих стенах, а также при панельных стенах с длинной панели, равной шагу колонн, необходимости в конструкциях фахверка нет.

В торцах здания устанавливаются стойки. Для обеспечения устойчивости стоек фахверка в плоскости стен устраиваем  распорки, которые крепятся к вертикальным связям.

Сечение стоек фахверка принимаем  в виде двутавра. Стойки опираются  на фундамент и с помощью листового шарнира, передающего горизонтальные усилия, но не стесняющего вертикальные  перемещения ферм, –  на связи по нижним поясам ферм.

 

 

2. Статический расчет  поперечной рамы.

2.1. Расчетная схема  рамы.

 

Расчетная схема рамы является многократно  статически неопределимой сквозной системой с жесткими узлами.

В соответствии с конструктивной схемой  принимаем расчетную схему однопролетной  рамы с жестким защемлением ригеля в ступенчатых колоннах (рис.1.2.). Оси стоек в расчетной схеме совпадают с центрами тяжести верхнего и нижнего сечений колонны. В ступенчатых колоннах центры тяжести верхней и нижней частей расположены не на одной оси, и поэтому стойка рамы имеет горизонтальный уступ, равный расстоянию между геометрическими осями колонн.

 Расстояние между центрами  тяжести верхнего и нижнего  участков колонн:

      е₀ = 0,5 ( h_Н – h_В ) = 0,5 ( 1000 – 450) = 0, 275 м

Задаемся соотношением моментов инерции элементов рамы:

I_H / I_В = 5; I_Р / I_Н = 4; Если I_В = 1, то  I_Н = 5, I_Р = 20.

 

 

 

2.2. Нагрузки на поперечную  раму.

Все нагрузки подсчитываются с учетом коэффициента надежности по назначению         (γ_с = 0,95).

Нагрузку на 1м² кровли подсчитываем в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Постоянная  нагрузка на 1 м² покрытия

Состав покрытия	Нормативная, кН/м2	Коэффициент перегрузки	Расчетная, кН/м2
Гравийная защита (15 мм)	0,3	1,3	0,4
Гидроизоляционный ковёр	0,15	1,3	0,2
Утеплитель ( минераловатные плиты ) t = 90 мм, ρ =200кг/м3	0,18	1,3	0,23
Цементная стяжка t = 20мм	0,4	1,3	0,52
Пароизоляция (1 слой рубероида)	0,05	1,3	0,065
Стальная панель с профилированным настилом	0,35	1,05	0,365
Собственный вес металлических  конструкций шатра (фермы, фонари, связи)	0,3	1,05	0,315

   Итого:                                                              g^н= 1,73кН/м²                           g= 2,095кН/м²

 

Расчетная равномерно распределенная линейная нагрузка на ригель рамы:

 

q_n = γ_n g_кр В_ф / cosα = 0,95 ^. 2,095 ^.12 /1 = 23,883кН/м;

 

где:   В_ф – шаг стропильных ферм;

          γ_n – коэффициент надежности по  назначению, γ_n =0,95 _.

 

Опорная реакция ригеля рамы:

 

F_R = q_п ^. l/2 = 23,883 ^. 30/2 = 358,245 кН.

 

Расчетный вес колонны .                                                                         

Расчетный вес колонны можно определить, используя данные /1/ (табл.12.1), с учетом того, что на верхнюю часть колонны  приходится примерно 20 % веса всей колонны, а на нижнюю – 80 %, т.е.

  где  - коэффициент назначения по нагрузке; для металлических конструкций принимается  /2/;

            - расход стали на колонну.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

 Верхняя часть (20% веса):

 

G_В = 0,95∙1.05 ^. 0,2∙0,3∙(30/2)∙12 = 10,77 кН

 

Нижняя часть (80% веса):

 

G_Н = 0,95∙1,05∙0,8∙0,3∙(30/2)∙12=43.09 кН

 

Поверхностная масса стен принимается  равной переплетов с остеклением Расчетные усилия в верхней и нижней частях колонны (включая вес этих частей колонны):        

здесь     и - длина верхней и нижней частей колонны; эти значения определены ранее;

        - модуль (размер) оконных переплетов по высоте;

        - количество модулей оконных переплетов по высоте.

 

Вертикальная нагрузка в верхней части колонны (включая вес этой части колонны):

 

F₁ = 0,95 (1,2 ∙ (4,9+3,15+0,65-1,2) ^. 12^. 2 + 1,1∙0,35 ∙1,2 ^. 12) + 10,77 = 221,23 кН

 

в нижней части колонны:

 

                    F₂ =0,95 ^.(1,2 ∙ (12,1-6) ^. 12∙2 +1,1·0,35·12·6+43,09 = 224,83кН

 

Снеговая нагрузка.

Вес снегового покрова S_q = 1,2кН/м² (IIБ г. Витебск). Линейная распределенная нагрузка от снега на ригель рамы:

 1,4∙0,95∙1 ∙1,2∙12= 19,15 кН/м

где S_q – расчётное значение веса снега на 1 м² горизонтальной поверхности земли;

μ – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, для одно- и двускатной кровли при при α ≤ 25° μ = 1.

- коэффициент надежности по нагрузке; =1,4;

 

Опорная реакция ригеля:

F_R = 19,15 ∙30 / 2 = 287,3кН  

 

Рис.2.1. Расчетная схема рамы. Постоянная и снеговая нагрузки.

 

Нагрузки  от мостовых кранов.

 

База крана 5,1м, расстояние между колесами двух кранов 1,2м, нормативное усилие колеса F_K=280кН по прил.1 /3 /

 

Рис.2.2. – К определению нагрузки от мостовых кранов

Вертикальная нагрузка  на подкрановые балки и колонны определяется от двух кранов при наиневыгоднейшем их расположении. Наиболее неблагоприятные условия те, когда 1 кран располагается в 2-х смежных пролетах.

 

 

Рис.2.3.– Расчётные схемы определения нагрузки от мостовых кранов

 

 

Расчетное усилие, передаваемое на колонну колесами крана, можно определить по линии влияния опорных реакций подкрановых балок по формуле

,                            (6)

где  - коэффициенты надёжности по нагрузке/2/;

  ψ - коэффициент сочетания нагрузок /2/; зависит от группы режимов работы:

                  1К-6К – ψ = 0,85;

- нормативное вертикальное усилие  колеса /1/; 

- ордината линии влияния;  значения берем по рис.2.3;

       - нормативная масса подкрановых конструкций; вес подкрановой балки (по табл. 12.1 /3/) 0,25·12·15 =45кН);

                        

На другой ряд колонны также  будут передаваться усилия, но значительно меньшие (рис.2.2).

Силу  можно определить, если заменить в формуле на , т.е. на нормативные усилия, передаваемые колесами другой стороной крана,

здесь  - грузоподъемность крана;

- масса крана с тележкой;

n₀- число колёс с одной стороны крана.

 

                                       D_min = 772,3 · 68 / 280 +47,25= 234,8 кН.

 

            Силы  и приложены по оси подкрановой балки и поэтому не только сжимают нижнюю часть колонны, но и передают на нее изгибающие моменты (рис.6). В рамах с колоннами ступенчато-переменного сечения силы и прикладывают по оси подкрановой ветви, т.е. с эксцентриситетом по отношению к геометрической оси сечений нижнего (подкранового) участка колонны. Вследствие этого в расчетную схему следует включить моменты:

, ,

где е_k – эксцентриситет приложения и по отношению к центру тяжести сечения подкрановой части колонны.

                                 е_к = 0,5h_н = 0,5∙1,0= 0, 5 м;

 

                                М_max = е_к·D_max = 0, 5 ∙ 819,6 = 614,7 кНм;

 

                                           М_min = е_к·D_min = 0, 5 ∙ 234,8 = 176,1кНм.

 

 

Горизонтальная сила от мостовых кранов, передаваемая подкрановыми балками на колонну от сил , определяется при том же положении мостовых кранов и приложена к раме в уровне верха подкрановой балки (рис.2.2.).

=0,05·(9,8·30+85)/2=9,48 кН

 

=1,1· 0,85 · 9,48 · 2,95 =26,15кН

 

Ветровая нагрузка.

 

Нормативное давление ветра принято по табл. П 2.2 /1/ w₀ = 0,23 кПа (I район г. Витебск). Тип местности – Б (прилож.3/1/),коэффициент k при высоте  до 5 м-0,5; для 10м- 0,65; для 20м-0,85 ,для 30м-0,98.

Расчетное значение ветровой нагрузки на 1 м² поверхности

=0,23·k ·0,8·1,4·12=3,09k,                                                      

где w_o – нормативное значение ветрового давления;

k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

- коэффициент надежности по  нагрузке; для зданий равен 1,4;

- аэродинамический коэффициент,  зависящий от расположения и  конфигурации поверхности; для вертикальных стен с наветренной стороны и   для отсоса;

b – ширина расчётного блока.

Линейная распределённая нагрузка, передаваемая на стойку рамы при высоте до 5м равна 3,09·0,5=1,55 кН/м;

до 10м - 3,09·0,65=2 кН/м;

до 20м - 3,09·0,85=2,6 кН/м;

до 30м- 3,09·0,98=3 кН/м;

17 м – 2 + (2,6-2) · 7 /10=2 +0,42 =2,42кН/м ;

24,65м - 2,6 + (3-2,6) · 4,65 /10 = 2,6+0,17=2,79кН/м

Сосредоточенные силы от ветровой нагрузки:

 

          

          _,

_{а эквивалентные  линейные нагрузки}

_;      

_{расчётная ветровая нагрузка при  k=1;}

_{k0- коэффициент   k на отметке Н   ;}

_{Н – высота колонны, м.}

               _{qэ =3,09·0,7 =2,16 кН/м ; qэ¹=2,16 · 0,6  /0,8 = 1,62 кН/м}

 

 

Ветровые нагрузки показаны на рис. 2.4.

 

 

Рис.2.4  Определение ветровой нагрузки.

 

 

2.3. Статический расчет  поперечной рамы.

 

Расчет на постоянные нагрузки.

Основная система приведена  на рис. 2.5, а, а схема нагрузки – на рис. 2.1.

Сосредоточенный момент из-за смещения осей верхней и нижней частей колонны:

 

 

Коэффициенты для определения  реакций и изгибающих моментов в  ступенчатой стойке с защемленными концами:

По табл. 12.4 /1/:

                                       

                                       

 

Каноническое уравнение левого узла:

 

                                     .

 

Моменты от поворота узлов на угол φ = 1, :

 

           

Моменты от нагрузки на стойках :

 

Моменты на опорах ригеля (защемленная  балка постоянного по длине сечения):

 

 

Определяем коэффициенты канонического уравнения

и по  эпюрам   и :

Угол поворота:

.

 

Моменты от фактического угла поворота (М₁φ):

 

                                 

 

 

Эпюра моментов от постоянной нагрузки( рис.2.5, г):

 

                                 

Проверкой правильности расчета служит равенство моментов в узле В (-319,93 кНм ≈ -321,6), равенство перепада эпюры моментов в точке С (-229,68-2,12 =231,8 кНм), внешнему моменту (231,79), а так же равенство поперечных сил на верхней и нижней частях колонны:

 

                                 

 

   

 

Рис.2.5  Расчётные схемы рамы на постоянную нагрузку:

а-основная система; б- эпюра от единичных поворотов углов рамы; в- грузовая эпюра;

г, д и е – соответственно эпюры моментов, поперечных и продольных сил.

 

 

Расчет на нагрузку от снега.

Проводится аналогично расчету на постоянные нагрузки. Сосредоточенный момент на колонне:

 

 

Моменты от нагрузки:

 

   

Коэффициенты канонического уравнения:

                                        

 

 

Угол поворота φ:

 

Момент от фактического угла поворота :

 

                                    

Эпюры усилий от снеговой нагрузки показаны на рис. 2.6.

 

                                    

       

 

N_b = N_a = -287,3 kH

N^риг = -20 kH

Рис. 2.6 Эпюры усилий в раме от снеговой нагрузки

 

 

Расчет на вертикальную нагрузку от мостовых кранов.

Расчет проводится при расположении тележки крана у левой стойки. Основная система и схема нагрузки приведены на рис. 2.7.

Проверку возможности считать ригель абсолютно жестким проводим по формуле:

 

Каноническое уравнение для  определения смещения плоской рамы:

                                      

                                     

 

Моменты и реакции от смещения верхних  узлов на ∆=1находим по таблице 12.4 /1/:

 

 

 

Моменты и реакции на левой стойке от нагрузки:

 

Усилия на правой стойке можно получить аналогично, или умножая усилия левой  стойки на отношение:

 

;

 

Реакция верхних концов стоек:

 

 

Смещение плоской рамы:

 

 

В расчёте на крановые нагрузки следует учесть пространственную работу каркаса, определив и .

С учётом крепления связей на сварке для кровли из панелей с профилированным  настилом можно принять

Коэффициент приведения ступенчатой колонны к эквивалентной по смещению колонне постоянного сечения :

                           ( по табл. 12.4/1/)

Определим параметр β , характеризующий  соотношение жёсткостей поперечной рамы и покрытия :

                   

где:  В – шаг поперечных рам;

         Н - высота колонны;

      - сумма моментов инерции нижних частей колонн.

По таблице 12.2 /1/ ,  .

                     

где:   _{коэффициенты ,принимаемые  по табл.12,2/1/ ;}

   - число колес кранов на одной нитке подкрановых балок;

- сумма ординат  линий влияния реакции рассматриваемой рамы.

 

Смещение с учетом пространственной работы:

 

 

Эпюра моментов от фактического смещения рамы с учетом пространственной работы см. на рис. 2.7, г; а суммарная - на рис. 2.7, д.

Эпюра Q (рис.2.7, е), свидетельствует о правильном расчете (поперечные силы в верхних и нижних частях стоек рамы практически одинаковы). Разница в значениях нормальной силы (рис. 2.7, ж) у левого и правого концов ригеля получилась за счет передачи горизонтальных сил на соседние рамы вследствие учёта пространственной работы каркаса.

 

Рис. 2.7 Расчётные схемы рамы на вертикальную нагрузку от мостовых кранов:

а – основная система, б – эпюра от единичного смещения ; в – грузовая эпюра; г - эпюра от единичного смещения с поправкой на пространственную работу; д,е и ж – соответственно эпюры моментов, поперечных и продольных сил.

 

 

 

Расчет на горизонтальные воздействия  мостовых кранов.

Основная система, эпюра  , каноническое уравнение, коэффициент здесь такие же, как и при расчете на вертикальную нагрузку от мостовых кранов.

Момент и реакция в основной системе от силы Т ( рис.2.8.):

 

 

Смещение верхних концов с учетом пространственной работы:

 

 

Эпюры М и Q показаны на рис.2.8.

 

Рис. 2.8 Эпюры усилий от  горизонтальных воздействий кранов:

а – грузовая эпюра; б , в и г – соответственно эпюры моментов, поперечных и продольных сил

 

 

 

Расчет на ветровую нагрузку.

Основная система и эпюра  - как для крановых воздействий. Эпюра на левой стойке (рис. 2.9.):

 

На правой стойке усилия определяют умножением усилий на левой стойке на коэффициент:

                               

 

Коэффициенты канонического уравнения:

 

Смещение рамы (ветровая нагрузка воздействует на все рамы здания , поэтому ):