Каркас однопролетного производственного здания

Федеральное агентство  по образованию РФ

Казанский Государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра металлических

конструкций и испытаний

сооружений

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту на тему:

«Каркас однопролетного производственного здания»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. 03-401

Юдинцев Е.Ю

                                                                                                   Руководитель проекта:

Агафонкин В.С.

Казань 2008г.

Введение:

В данном проекте требуется разработать стальной каркас одноэтажного производственного здания.

Расчёту и конструированию  подлежат: подкрановые конструкции, стропильная ферма покрытия, ступенчатая  внецентренно-сжатая колонна.

Стены здания проектируем  самонесущими. Группа режимов работы кранов – 5К; количество кранов в пролёте – 2; краны с гибким подвесом груза. Здание отапливаемое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные.

 

Пролет цеха: 30м.

Грузоподъемность мостового  крана: 32/5 т.

Отметка верха кранового  рельса: 15.4 м.

Шаг колонн: 12 м.

Несущая конструкция  кровли: профилированный настил.

Длина здания: 132 м.

Класс бетона фундамента: В 10

Место строительства: Екатеринбург

Утеплитель: пенопласт

Марка стали для рам: 14Г2

Марка стали под подкрановые балки: ВСТ3Гпс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Компоновка конструктивной схемы  каркаса

1.1. Поперечная система  каркаса.

 

Определим вертикальные размеры рамы и её элементов, привязывая размеры  к уровню чистого пола.

Высота h₁=15,4 м – отметка верха кранового рельса;

высота h₂ – определяется габаритами мостового крана и равна:

 

,

где h_c=2750 мм (для пролёта 30 м и грузоподъёмности крана 30/5 т);

      а=300 мм (возможный прогиб конструкции).

Высота h₂ должна быть кратна 200 мм (с округлением в большую сторону), поэтому окончательно принимаем h₂=3,2 м.

Полезная высота цеха равна

 

H=h₁+h₂=15,4+3,2=18,6 м.

Полезная высота должна быть кратна 600 мм.

Высота верхней части колонн равна

 

h_u=h_b+h_r+h₂=1200+120+3200=4520 мм,

где h_b=(1/10¸1/8)B;

      h_r=120 мм (для рельса КР70 при пролёте 30 м).

Высота нижней части  колонны h_d=H – h_u+(500¸800 мм)=18,6 – 4,52+0,6= =14,68 м.

Общая высота колонны  равна h=h_u+h_d=4520+14680=19200 мм.

Привязка наружной грани  колонны к разбивочной оси  – b₀=250 мм.

Ширина верхней части колонны из условия обеспечения необходимой изгибной жёсткости должна быть b_u³1/12h_u=1/12*4520=376,66 мм.

В случае примыкания унифицированной  стропильной фермы к колонне  сбоку её привязка к разбивочной  оси 200, тогда b_u=450 мм.

Расстояние от оси  колонны до оси подкрановой балки равно

 

,

где В₁=300 мм – часть кранового моста, выступающая за ось рельса;

60¸75 мм – зазор между колонной и краном.

Размер l должен быть кратным 250 мм и принимаем l=750 мм.

Ширина нижней части  колонны b_d=l+b₀=750+250=1000 мм

Причём величина b_d должна быть b_d³1/(20h)=1/(20*19200)=960 мм.

2. Расчёт подкрановой балки.

2.1. Определение расчётных усилий.

 

Расчёт производим на совместное действие двух сближённых кранов с грузовыми тележками, тормозящими  вблизи балки.

Определим значения вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок:

;

,

где Т₀=0,1(Q+G)n₀/n=0,1(320+87)/2=20,35 кН – полная нормативная горизонтальная нагрузка, вызываемая торможением тележки крана;

Т_n=T₀/n₀=20,35/2=10,175 Н – нормативная нагрузка, приходящаяся на одно колесо крана.

Найдём максимально  возможные внутренние усилия в подкрановой  балке.

Максимально возможный  изгибающий момент в разрезной балке, нагруженной системой взаимосвязанных  подвижных грузов, возникает в том случае, если равнодействующая этой системы грузов и ближайший к ней груз равноудалены от середины пролёта балки.

Для определения максимально  возможной перерезывающей силы в  балке от вертикальной нагрузки краны  располагаем таким образом, чтобы одно из колёс (один из грузов) находилось непосредственно над опорой, а остальные – как можно ближе к ней.

М_max=148118 кН*см; Q_max=590,67 кН.

Расчётные внутренние усилия в балке от действия вертикальных нагрузок с учётом собственного веса подкрановых конструкций М_F и Q_F получаем умножением М_max и Q_max на коэффициент a_i=(1,05…1,07), принимаем a_i=1,06.

M_F=M_maxa_i=148118*1,06=157005,08 кН*см;

Q_F=Q_maxa_i=590,67*1,06=626,11 кН.

Расчётные значения изгибающего момента  М_Т и Q_T определяем по формулам:

М_Т=Т/F*M_max=9,038/(248,7)*157005,08=5705,72 кН*см;

Q_Т=Т/F*Q_max=9,038/(248,7)*590,67=21,47 кН*см.

2.2. Подбор сечения бисимметричной сплошной подкрановой балки. Компоновка сечения тормозной конструкции.

Определим требуемый момент сопротивления  крайних волокон:

Назначим ориентировочные значения t_w и h.

,

где h=(1/10…1/8)B=1200 мм; В=12 м – пролёт подкрановой балки.

Принимаем t_w=10 мм= 1 см.

Определим оптимальную высоту балки  из условия наименьшего расхода  стали:

.

Принимаем высоту балки h=1200 мм.

Определим минимальную толщину  стенки из условия среза:

.

Принимаем окончательно толщину стенки t_w=10 мм=1см, что также удовлетворяет условиям t_w³8 мм, .

Ориентировочная площадь поясного листа балки

.

Принимаем размеры полок 1,6*40 см.

А_f=1,6*40=64 см²>A_f,тр=47,56 см².

Принятые размеры полки удовлетворяют  требованиям:

t_f³t_w; t_f£3t_w; b_f=(1/5…1/3)h=(24…40) см; b_f£600 мм;

; кроме того, минимальная ширина  полок b_{f min}=400 мм.

В состав тормозной конструкции (балки) входят верхний пояс подкрановой  балки, горизонтальный лист, поддерживающий швеллер.

Тормозную балку проектируем со стенкой из рифлёного листа толщиной t_sh=8 мм с рёбрами жёсткости из полосовой стали, расположенными через 1,5 м по длине балки.

Поддерживающий швеллер - №30 (т. к. шаг колонн 12 м).

2.3. Проверка принятого сечения подкрановой конструкции.

Предварительно вычислим геометрические характеристики сечения.

I_xn=581403,77 см⁴;

W_xn=581403,77*2/120=9690,06 см³ – момент сопротивления крайних волокон сечения нетто относительно оси x-x;

;

х₁=х₀+20=44+20=64 см;

.

 

Теперь проверим балку по первой группе предельных состояний:

1) Проверка уровня максимальных  нормальных напряжений в верхнем  поясе подкрановой балки: (точка  А):

2)   Проверка уровня максимальных касательных напряжений у опор балки:

.

Таким образом, балка удовлетворят условиям прочности и несущей  способности.

 

 

 

3) Проверка уровня местных вертикальных нормальных напряжений в стенке под колесом крана

 

где γ_f1 = 1.1 – дополнительный коэффициент надежности, учитывающий возможное перераспределение нагрузки между колёсами и повышенную динамичность в местах стыков рельсов;

- расчетная сила вертикального  давления колеса без учета  коэффициентов динамичности и  сочетаний;

F’ = 280*1.1*0.95 = 292,6 кН

= 33,5 см – условная длина распределения местного давления, здесь J_1f – сумма моментов инерции сечений верхнего пояса балки и кранового рельса относительно собственных горизонтальных центральных осей.

 

 

3. Статический расчёт рамы.

3.1. Нагрузки на раму

3.1.1. Расчётные постоянные нагрузки.

Нагрузку от массы  всех ограждающих и несущих конструкций  покрытия принимаем равномерно распределённой по длине ригеля. Величину этих нагрузок определяем в табличной форме.

 

Наименование нагрузки	Нормативная giн, Н/м2	Коэффициент надёжности по нагрузке, gfi	Расчётная, gi, Н/м2
1	2	3	4
Гравийная защита	400	1,3	520
Гидроизоляционный ковёр из 3-х слоёв рубероида и одного слоя пергамина	160	1,3	208
Утеплитель, пенопласт, t=200 мм, g=100 кг/м3	200	1,3	260
Пароизоляция из одного слоя рубероида	40	1,3	52
Стальной профилированный настил	150	1,05	158
Стропильная ферма	250	1,05	262,5
Прогоны	180	1,05	189
Связи	60	1,05	63
ИТОГО:	1440		1712

 

Расчётная постоянная нагрузка на ригель рамы равна:

 

.

3.1.2. Расчётная снеговая нагрузка.

При расчёте рамы нагрузку от веса ригеля принимаем равномерно распределённой по длине ригеля. Нормативное  значение снеговой нагрузки на 1 м² горизонтально проекции покрытия определяем по формуле:

,

где S₀=1000 Н/м² – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли;

       m=1 – коэффициент перевода веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.

Расчётную погонную снеговую нагрузку на ригель рамы определяем по формуле

,

где g_f=1,4 – коэффициент надёжности по нагрузке для снеговой нагрузки.

2.1.3. Нагрузка от мостовых кранов.

Вертикальное давление подкрановых конструкций на рассматриваемую раму определяем от двух сближённых кранов при их невыгодном для колонны положении. Считаем, что грузовые тележки с грузом на обоих кранах максимально приближены у одной стороне рамы.

Наибольшее расчётное вертикальное давление на колонну рамы, ближайшую к грузовым тележкам, определяем по формуле:

,

где ;

F_n=280 кН – нормативная сила вертикального давления колеса крана на рельс.

Наименьшее расчётное  вертикальное давление на противоположную  колонну рамы равно:

 

Предварительно принимаем  вес подкрановых конструкций G_п.к.=20 кН.

Вертикальная нормативная  сила минимального давления крана на рельс равна:

.

Расчётное горизонтальное давление на колону рамы Т_k от торможения тележек кранов определяем по фромуле:

 

,

где Т_n=Т₀/n₀=20,35/2=10,175 Кн;

       Т₀=0,1*(Q+G)/n₀=0,1*(320+87)/2=20,35 Кн.

3.1.4. Ветровая нагрузка.

Расчётные значения статической  составляющей ветровой погонной нагрузки с наветренной и подветренной сторон на колонны рамы определяют по формулам:

; ,

где g_f=1,4 – коэффициент надёжности по нагрузке для ветровой нагрузки;

      w_о=0,3 МПа –нормативное значение ветрового давления;

      k – коэффициент,  учитывающий изменение ветрового  давления по высоте;

      с=0,8; с^’=-0,6 – аэродинамические коэффициенты для наветренной и подветренной сторон соответственно.

Сведём вычисления в  таблицу.

Отметки высот	k	w, Кн/см2	w’, Кн/см2
5,000	0,5	0,019	0,01425
10,000	0,65	0,0247	0,018
18,600	0,822	0,0312	0,0234
20,000	0,85	0,0323	0,0242
21,8	0,87	0,0331	0,0248
40,000	1,1	0,0418	0,0314

 

Расчёт рамы выполняем на действие эквивалентных, равномерно распределённых по длине колонны, нагрузок w_экв и w^’_экв.

 

;

.

где М_оп=48124,83 Кн*см.

Ветровую нагрузку, действующую  на участке h_f от низа ригеля до наиболее высокой точки цеха, заменяем сосредоточенными силами, приложенными в уровне низа ригеля:

 

.

 

 

 

 

3.2. Статический расчёт рамы. Определение расчётных внутренних усилий.

 

 

 

Расчёт выполняем с использованием ЭВМ отдельно на каждый вид загружения. Значения усилий и сочетания нагрузок сводим в таблицу.

 

4. Расчёт фермы.

В качестве стропильных  конструкций принимаем фермы  с параллельными поясами пролётом 30 м.

Усилия в стержнях фермы вычисляем  с использованием ЭВМ. Усилия вычисляем  раздельно от сосредоточенных единичных  нагрузок по опорным узлам верхнего пояса и от единичных моментов (заменяем парой сил равных 0,317 и  плечом 3,15 м).

Вычисления расчётных усилий и подбор сечений стержней фермы сводим в таблицы. Для верхнего и нижнего пояса принимаем сечение в виде тавра, а раскосы и стойки проектируем из парных уголков. (таблицы см. далее).

Расчёт сварных швов также сведём в таблицу. Для сварки узлов фермы применяем полуавтоматическую сварку проволокой Св-08Г2С. Несущая способность швов определяется по металлу шва:

b_fg_wfR_wf=0,9*215*1=193,5 МПа < b_zg_wzR_wz=1,05*212*1=223 МПа.

Расчёт швов выполняем  по формуле:

.

Таблица расчёта швов

№ стержня	N, кН	Шов по перу		Шов по обушку
		kf, см	lf	kf, см	lf
7	1322	0,6	23	0,8	45
8	1028	0,6	18	0,8	35
12	734,53	0,6	13	0,8	26
13	440	0,4	11	0,6	21
19	246	0,4	8	0,6	12
Стойки	212,76	0,4	7	0,6	11

 

4.1. Расчёт и конструирование ступенчатой колонны.

 

Определение расчётных  длин колонны.

 

Вычислим n и a₁:

 

; ,

где .

Тогда при n=0,463 и a₁=0,51 и при условии, что верхний конец колонны закреплён только от поворота: m₁=1,785,

тогда m₂=m₁/a₁=1,785/0,51=2,8<3.

Расчётные длины для  верхней и нижней частей колонны  в плоскости рамы равны: , .

Расчётные длины из плоскости  рамы для нижней и верхней частей равны соответственно: ; .

Подбор сечения  верхней части колонны.

 

Сечение верхней части колонны принимаем в виде сварного двутавра высотой h_в=450 мм. Определим требуемую площадь сечения.

Для симметричного двутавра:

 

Предварительный подбор сечения верхней части колонны  производим по приближенной формуле:

где

Сталь для верхней  части колонны принимаем согласно ГОСТ 82-70 «Сталь прокатная универсальная»

Принимаем стенку высотой h_w=420 мм; толщину стенки найдем из условия- принимаем t_w=10 мм.

Из условия  принимаем ширину полки b_f=250 мм; t_f=16 мм.

 

По назначенным размерам сечения определяются его фактические  геометрические характеристики:

.

.

; ;

; .

.

 

 

Проверка устойчивости верхней  части колонны

Определим гибкость и условную гибкость стержня верхней части колонны  в плоскости и из плоскости  рамы:

 

 

Для проверки устойчивости верхней части колонны в плоскости  действия момента предварительно находят  приведенный эксцентриситет по формуле:

где h=1,25  - коэффициент влияния формы сечения (табл 73 [2]), зависящий от отношения A_f/A_w

m_x=e_xA/W_x=100.29*121.8/1948.675=6.269

В зависимости от условной гибкости и приведенного эксцентриситета m_efx по табл. 74 [2] определяется коэффициент продольного изгиба при внецентренном сжатии

Окончательная проверка производится по формуле

 

 

Проверка устойчивости верхней части колонны из плоскости  действия момента.

 

По модулю М_x=37866 кН*cм;

 m_x=M_xA/(NW_x)=37866*121.8/(517.915*1948.675)=4,57; при m_x£5 коэффициент  с=b/(1+am_x).

 

a=0,65+0,05m_x=0,65+0,05*4,57=0,8785;

b=1; Тогда: с=1/(1+0,8785*4,57)=1/5,01=0,2

j_y=0,784 – коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии, находится по таблице 72 [3]

 

Таким образом, устойчивость верхней части колонны из плоскости рамы проверяется по формуле:

 

 

Местная устойчивость полок  колоны будет обеспечена, если при  отношение   не будет превышать значений, определяемых по формуле:

 

 

 

 

 

Для проверки местной  устойчивости стенки необходимо сначала найти параметр α , характеризующий полноту эпюры нормальных напряжений сжатия в стенке.

, где σ – наибольшее сжимающее напряжение у границы стенки:

 

σ₁ – соответствующее напряжение у противоположной границы стенки

Так как α>1 , наибольшее отношение  ограничивается значением

которое принимается  не больше

где ; - усредненное касательное напряжение в стенке рассматриваемого сечения.

В следствие последнего уравнения стенку укреплять парными     поперечными     ребрами     жесткости не следует.

Проверку прочности  принятого сечения верхней части  колонны выполнять не требуется, так как

 

 

 

 

4.2 Подбор сечения нижней части колонны.

Сечение нижней части  колонны сквозное, состоящее из двух ветвей, соединённых решёткой. Высота сечения h_н=1000 мм. Подкрановую ветвь колонны принимаем из широкополочного двутавра, наружную – из составного сварного сечения из трёх листов.

Определим ориентировочное  положение центра тяжести.

;

.

Определим усилия в ветвях:

в подкрановой ветви  ;

в наружной ветви  .

Определим требуемую  площадь ветвей и назначим сечение.

Для подкрановой ветви  А_в1=N_в1/(R_y*(0,7-0,9); задаёмся; R_y=32 кН/см², тогда А_в1=1017,77/(0,8*32)=39,76 см².

По сортаменту принимаем двутавр 40Б2, А_в1=69,72 см²; i_x1=3,52 см; i_y=16,3 см.

Для наружной ветви А_в2=N_в2/(R_y*(0,7-0,9); задаёмся; R_y=32 кН/см², тогда А_в1=1556,56/(0,85*32)=57,23 см².

Для удобства прикрепления элементов решётки просвет между  внутренними гранями полок принимаем 413 мм. Толщину стенки швеллера t_w принимаем 10 мм; высота стенки из условия размещения сварных швов h_w=420 мм.

Принимаем b_f=20 см; t_f=1,6 см; А_f=64 см²;

Геометрические характеристики ветви:

А_в2=42*1+1,6*2*20=106 см²; z₀=(2*32*1,1+0,5*42)/106=6,84 см; I_x2=4932,66 см⁴;

I_y2=1*42³/12+(20*0,6³/12+1,6*20*19²)2=29291,66 см⁴.

; .

Уточним положение центра тяжести колонны:

С=(6,84*106+100*69,72)/(69,72+106)=43,8см; y₁=39,96 см; y₂=56,2 см.

Полученные размеры  значительно отличаются от первоначально  принятых размеров, поэтому необходимо пересчитать усилия в ветвях:

 

 

 

Проверка устойчивости ветвей из плоскости  рамы:

подкрановая ветвь: ; j_y=0,522;

наружная ветвь:

; j_y=0,535;

Из условия равноустойчивости  подкрановой ветви в плоскости  и из плоскости рамы определим  требуемое расстояние между узлами решётки:

;.

Принимаем l_в1=100 см, разделив нижнюю часть колонны на целое число панелей.

Проверим устойчивость ветвей в плоскости рамы (относительно осей x₁-x₁ и x₂-x₂).

Для подкрановой ветви:

; j_y=0,923;

Для наружной ветви:

; j_y=0,966;

 

Расчёт решётки  подкрановой части колонны.

Поперечная сила в  сечении колонны Q_max=92кН. Условная поперечная сила ; при R_y=32 кН/см²:

Q_усл=15,78 кН < Q_max=92 кН.

Расчёт решётки проводим на Q_max.

Усилие сжатия в раскосе

; a=47^о.

Требуемая площадь раскоса 

Принимаем L50x5; А_р=4,88 см²; i_min=1,53 см; l_р=l_р/i_min=138/1,53=90,2; j=0,522. Напряжения в раскосе:

 

Проверка устойчивости колонны  в плоскости действия момента  как единого стержня.

Геометрические характеристики всего сечения:

 

А=А_в1+А_в2=106+69,72=175,72 см²;

.

; .

Приведённая гибкость

,

где коэффициент a₁=29,74 при a=45…60^о;

.

Для комбинации усилий, догружающих  наружную ветвь (сечение 4-4):

;

j_вн=0,394;

Для комбинации усилий, догружающих  подкрановую ветвь (сечение 3-3):

;

j_вн=0,314;

Устойчивость сквозной колонны как единого стержня  из плоскости действия момента не проверяем, так как она обеспечена проверкой устойчивости отдельных  ветвей.

 

4.3 Расчёт и конструирование узла сопряжения верхней и нижней частей колонны.

Расчётная комбинация усилий в сечении над уступом:

М=26459,94 кН*см; N=513,95 кН (загружение 1+2+8).

Давление кранов D_max=825,35 кН.

Прочность стыкового  шва проверяем по нормальным напряжениям  в крайних точках сечения надкрановой  части. Площадь шва равна площади сечения колонны.