Покрытие производственного здания по металлическим фермам

Министерство  транспорта Российской Федерации

Санкт-Петербургский  государственный университет водных коммуникаций

Кафедра ГТС, К и Г

ПОКРЫТИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ ПО МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ФЕРМАМ

Курсовой проект

Выполнил:  студент группы ГТ-  33

Русанов М.М.

Проверил: преподаватель

Бутин В.П.

Санкт-Петербург

2011

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1. Длина здания в осях – 60 м;
2. Пролет фермы – L=24 м;
3. Шаг фермы – В=6 м;
4. Высота опорной стойки фермы – h=1,4 м;
5. Уклон верхнего пояса фермы – i=12 %;
6. Тип кровли – холодная;
7. Район снеговой нагрузки – III;

1. Общая характеристика покрытия

Проектирование покрытия портового склада по стальным фермам. Стены здания кирпичные.

Для объединения в единую пространственную систему ферму соединяются: горизонтальными связями по верхним и нижним поясам, а также фермы соединены по вертикальным плоскостям опорных и центральных стоек. Поперечные связевые фермы в плоскостях верхнего и нижнего поясов устраиваются по концам здания и регулярно повторяются через 5-6 метров фермы.

2. Статистический расчет фермы
1. Общие положения

Целью статического расчета  является определение наибольших расчетных усилий во всех стержнях фермы.

В настоящем курсовом проекте  на ферму действуют два вида нагрузок: постоянная и кратковременная (снеговая).

Определение усилий в стержнях фермы произведено графическим  способом, т.е построением диаграммы Максвелла- Кремоны.

При симметричной схеме этот способ дает возможность ограничиться построением только одной диаграммы.

2. Определение нагрузок на ферму

Нагрузки на ферму в  настоящем проекте складываются из следующих составляющих:

• постоянные (веc кровли, собственный вес фермы со связями);
• кратковременная (снеговая).

Вес кровли определяется в  соответствии с ее конструкцией. При  больших уклонах кровли (более 1/5) ее вес приводится к горизонтальной проекции покрытия.

Собственный вес фермы  со связями (в Н/м ) может (приближенно) приниматься удесятеренному значению пролета фермы (в м) и равнораспределенным по всему пролету. Т.е.нормативный вес фермы равен 240 Н/м².

Вес снеговой нагрузки (ρ₀) на 1М горизонтальной поверхности покрытия принят в соответствии с районом строительства, т.е. p₀ для III района строительства составляет 1000 Н/м2.

Нормативная снеговая нагрузка составляет:

ρ_н=ρ_oc

где с – коэффициент, зависящий от угла (α) наклона ската кровли к горизонту.

при а≤25° с=1

при>б0° с=0.

Для определения расчетной  нагрузки нормативная нагрузка умножается на коэффициент надежности по нагрузке – γ_f (принимаемый по СНиП II-6-74 “Нормы проектирования нагрузки и воздействия”) и коэффициент надежности по назначению — γ_n принятый в курсовом проекте равным 0,95 в соответствии с классом ответственности сооружения.

Коэффициент надежности по сочетанию  нагрузок γ_c = 1, т.к. в проекте рассматривается только одна кратковременная нагрузка (снеговая).

В таблице 1 приводится пример расчета нагрузок для трапецеидальной  фермы пролетом 24 метра с беспрогонной теплой кровлей по крупнопанельным -железобетонным плитам с рулонным покрытием. Угол наклона кровли до 25 .

Район строительства - III. (Для холодной кровли утеплитель и пароизоляция не используются).

Узловые расчетные нагрузки:

Постоянная: Fg = g`Bd = 2269*6*3 = 40,8 кН

Временная: F_ρ = ρ`Bd = 2130*6*3 = 23.9 кН

где В – расстояние между фермами;

d – горизонтальная проекция верхнего (грузового) пояса фермы.

Таблица 1

Нагрузки  на ферму

3. Определение расчетных усилий

В данной курсовой работе для  определения расчетных усилий в стержнях фермы была построена диаграммы Максвелла-Кремоны, так как при симметричной ферме и симметричной на ферму нагрузке достаточно построение только одной диаграммы от односторонней единичной нагрузки.

Измеренные по диаграмме  усилия с соответствующими знаками  в стержнях фермы, указывающих на растяжение или сжатие, приведены  в таблице 2.

Таблица 2

Определение расчетных усилий

3. Подбор сечений стержневой фермы
1. Типы сечений и расчетные длины элементов

Элементы легких стропильных  ферм изготовляют, чаще всего, из прокатной угловой стали — из равнополочных или неравнополочных уголков. Сечение каждого элемента, обычно, состоит из двух одинаковых уголков (нулевые элементы могут быть сконструированы из одиночного уголка).

Для поясов фермы рекомендуется  сечение из двух неравнополочных уголков, сопряженных узкими полками; для опорного раскоса — из двух неравнополочных уголков, сопряженных широкими полками; крестовое сечение может быть принято для центральной стойки фермы. Связи обычно изготавливают из одиночных или парных уголков, а также из стержней круглого сечения.

Расчетная длина элементов  фермы (кроме опорных) зависит от формы сечения и конструкции (жесткости) узлов, ограничивающих свободу поворота концов элементов и плоскости фермы.

Расчетные длины элементов  фермы приняты по таблице 3.

Таблица 3

Расчетные длины элементов фермы

ℓ – геометрическая длина элемента фермы (расстояние между центрами узлов);

ℓ₁ – расстояние между узлами, закрепленными от смещения элементов из плоскости фермы,

Подбору площади сечения элементов фермы  предшествовал выбор формы сечения  и определение расчетных длин стержней в плоскости ℓ_x, и из плоскости фермы ℓ_y.

2. Подбор сечений растянутых элементов

Требуемая площадь растянутого  элемента определена по формуле:

A_тр≥N/R_γ

где N — расчетное  усилие;

R — расчетное сопротивление материала  растяжению, сжатию, изгибу;

γ — коэффициент условия работы (для растянутых стержней γ =1).

По  сортаменту и требуемой площади (А_тр) подобрано необходимое сечение растянутого элемента с площадью А ≥ А_тр, . Определены радиусы сечений i_x и i_y

Проверка  принятого сечения выполнена  по формулам:

λ_{x =} ℓ_x / i_x ≤ [λ};

λ_{y =} ℓ_y /i_y ≤ [λ}

где [λ] — предельное значение гибкости стержня, принимаемое для растянутых элементов 400.

Несущая способность растянутых стержней определена по формуле:

N = AR_g

Подбор сечений приведен в таблице 4.

3. Подбор сечений сжатых стержней

Требуемая площадь сжатых элементов определяется по формуле:

A_тр ≥ N /φRγ

где φ— коэффициент продольного изгиба стержня. Величина φ для пояса и опорных раскосов задается в пределах О,б5÷0,5, а для прочих элементов0,5÷0,45.

Значение предельной гибкости для сжатых стержней:

[λ] = 120 — для поясов и опорных элементов решетки;

[λ] = 150 — для остальных элементов решетки.

Подбор сечений стержней представлен в таблице 4.

Сечение слабонагруженных элементов  определено по предельной гибкости:

i_{x =} ℓ_x / [λ};

i_{y =} ℓ_y / [λ}

Несущая способность сжатых стержней определена по формуле:

[N] = φ_minARγ

Таблица 4

Подбор сечений

4. Расчет сварных соединений
1. Расчет угловых сварных швов

Узловые соединения могут  быть рассчитаны либо по расчетным  усилиям, либо по несущей способности.

Прочность сварного углового шва при действии на него осевой силы можно рассчитать по двум условиям:

• по металлу шва

N/ β_шк_шℓ_ш ≤ R^св_уш γ^св_ушγ

• по прочности металла на границе сплавления:

N/ β_cк_шℓ_ш ≤ R^св_ус γ^св_усγ

где N — расчетное  усилие или несущая способность;

β_ш, β_с,— соответственно, коэффициенты глубины проплавления металла по шву и по границе сплавления. Величины этих коффициентов зависят от видов сварки, положенния шва, катета шва и составляют:

β_ш =1,1÷0 7; β_с = 1,15÷1,0;

R^св_уш - расчетное сопротивление металла шва, принимаемое равным 180 Мпа;

R^св_ус - расчетное сопротивление по границе сплавления, принимаемое равным 160 МПа;

γ^св_ус, γ^св_уш -соответственно, коэффициенты условий работы сварного соединения, принимаемые равными 1,0 при температуре воздуха выше минус 40° С;

к_ш — катет сварного шва;

ℓ_ш — расчетная длина сварного шва;

γ — коэффициент условия работы элемента;

Определяющим расчетным  условием будет условие, имеющее  наименьшее значение.

В данном курсовом проекте  расчет выполнен по прочности металла  сварного шва, т.к.

R^св_уш β_ш =180*0,7=126МПа,

R^св_ус β_с =160*1,0 =160МП

2. Расчет присоединенных элементов в узле

Суммарная площадь швов для  одного уголка, привариваемого к фасонке, принимается по минимальному значению расчетных условий и составляет:

A_ш  = N/ 2 R^св_ус γ^св_усγ

Для равномерного распределения  нагрузки между сварными швами элемента фермы суммарную площадь сварных швов необходимо распределить обратно пропорционально расстояниям от оси элемента до пера или до обушка уголка.

Площадь сварного шва у  обушка:

A⁰_ш = A_ш(b-z₀)/b = α A

где b — ширина полки уголка;

z₀, — расстояние от центра тяжести до обушка;

Площадь сварного шва у  пера:

A^п_ш = A_шz₀/b = (1-α) A_ш

Для определения расчетной  длины сварного шва необходимо в  соответствии с конструктивными  требованиями назначить катет этого  шва. Тогда длина сварного шва  определиться по формуле:

ℓ_{ш ≥} ≥ A_ш / βк_ш

где β — коэффициент глубины проплавления металла β = 0,7).

Результат расчета приведен в таблице 5.

Таблица 5

Расчет узловых сварных швов

3. Расчет поясных узловых  швов

Расчет поясных узловых  швов выполняется для поясов, непрерывно проходящих через рассматриваемый  узел, т.е. определяются длины и катеты швов па фасонке привариваемой к поясам, состоящим из парных уголков.

Поясные швы промежуточных  узлов нижнего пояса воспринимают сдвигающее усилие, равное разности усилий в примыкающих (слева и справа) панелях пояса. Расчетная площадь  всех четырех швов (два у обушка и два у пера уголка) определяется по формуле:

Эта площадь распределяется между швами у обушков и  перьев уголков в отношении

Если длина фасонки уже определилась при конструировании присоединенных к узлу элементов (стоек и раскосов), то длина поясного шва составит:

где l_ш – длина фасонки.

Катеты швов определяются по формуле:

; .

Если длина фасонки неизвестна, принимается минимальная величина катета шва по максимально допустимой расчетной длине шва, равной 60 к_ш.

Площадь двух швов у перьев уголка составит:

Катет шва у пера уголка:

Окончательно катет шва  принимается с соблюдением соответствующих  конструктивных требований. По принятому  катету шва вычисляется длина  сварного шва у пера уголка, которая  должна быть не менее:

В процессе конструирования  узла необходимо убедиться в том, что рас-считанные сварные швы размещаются на фасонке. В противном случае расчет выполняется вновь уже по известной длине узловой фасонки (первый вариант расчета).

Аналогично рассчитываются поясные швы у обушка по формулам:

В верхнем поясе фермы  поясные узловые швы, кроме сдвигающих усилий, равных разности продольных сил  слева и справа от узла, воспринимают вертикальную сдвигающую силу от узловой  нагрузки (F_g + F_p). Пренебрегая малым углом наклона верхнего пояса к горизонту, суммарную сдвигающую силу (геометрическую сумму двух слагаемых) приближенно вычисляют как диагональ прямоугольника. Расчетная площадь всех четырех сварных швов вычисляется по формуле:

Дальнейший расчет выполняется также как для нижнего пояса.

Для наложения сварного шва  фасонка выпускается за обушки уголков на 10-15мм. Для опирания железобетонных плит покрытия при толщине поясных уголков менее 10мм (при шаге ферм 6,0м) полки уголков усиливаются накладками толщиной 12мм, привариваемыми к поясу только продольными швами. Для постановки этих накладок в выступах фасонок необходимо сделать вырезы, чтобы на участках накладок фасонка не выступала за обушки уголков. В этом случае длины фасонки и сварного шва принимаются с учетом выреза.

Расчет поясных швов приведен в таблицах 6 и 7 для верхнего и  нижнего пояса соответственно.

Таблица 6

Расчет сварных  швов нижнего пояса

Таблица 7

Расчет  сварных швов верхнего пояса

4. Конструирование и расчет монтажных узлов

Стропильные фермы пролетом 18 и более метров разбивают на два отправочных элемента с укрупнительными стыками в средних узлах. Стыки целесообразно проектировать так, чтобы правая и левая полуфермы были взаимозаменяемы. Полуфермы при монтаже соединяют друг с другом горизонтальными и вертикальными накладками.

1. Узел с уголковыми накладками

Монтажный узел с уголковыми накладками конструктивно прост. Однако при этом для плотного прилегания к поясным уголкам, уголки накладок требуют острожки обушков, а также срезки перьев на вертикальных полках накладок для удобства наложения стыковых сварных швов. Накладки в коньковом узле требуют гнуться.

Сечение уголковых накладок принимается такое же, как и сечение уголков стыкуемых поясов. Уменьшение площади сечения накладок в связи с их обработкой компенсируется узловой фасонкой, к которой приведены поясные уголки.

Длина сварного шва (их четыре) в полунакладках определится по формуле:

• для верхнего пояса:

• для нижнего пояса:

Для сокращения длины накладок необходимо задаться наибольшим конструктивно  допустимым катетом шва:

Длина накладок с учетом обязательного  зазора между стыкуемыми уголками, равного 50 мм, составит:

• для верхнего пояса

• для нижнего пояса

Конструкция и расчеты  монтажных узлов с уголковыми накладками верхнего и нижнего поясов фермы аналогично.

Перед сваркой узел собирается на монтажных болтах.

5. Конструирование и расчет опорного узла

Конструктивное решение  опорного узла связано с конструкцией здания. В данном проекте наружные стены выполнены кирпичными, что обуславливает свободное шарнирное опирание на стены здания концевых узлов фермы. Обычно, между кирпичной стеной здания и опорной плитой фермы размещается железобетонная подушка. Поэтому площадь опорной плиты определяется прочностью бетона на смятие. Опорная плита фермы, выполняемая, как правило, квадратной в плане, передает на железобетонную подушку усилие, равное опорной реакцией F_A, тогда площадь опорной плиты

где

а и в – размеры плиты в плане, причем а = в

Размер а находим по формуле:

Опорные ребра жесткости, обеспечивая жесткость узла, распределяют опорную опорной плиты. реакцию по площади Таким образом, опорная реакция от опорной плиты передается горизонтальными сварными швами узловой фасонки и двух ребер жесткости.

Расчетная длина этих швов составляет:

вдоль фасонки

вдоль ребер  жесткости

t_ф – толщина фасонки;

3 см - ширина  углового выреза (30x40мм) в ребре  жесткости для пропуска сварного  шва фасонки.

Катет горизонтальных швов

На ребра жесткости  передается только часть (F_p) опорной реакции (F_A), пропорциональная длине горизонтальных сварных швов, прикрепляющих ребра к опорной плите, которая равна

С ребер жесткости на фасонку эта часть опорной реакции передается четырьмя вертикальными швами, суммарная расчетная площадь которых составляет

При известной высоте ребра  жесткости (h_p), определенной при конструировании, требуемый катет вертикального шва определяется по формуле:

где

4 см – высота углового выреза  в ребре жесткости.

Стойка фермы к опорному узлу примыкает с небольшим эксцентриситетом, что допускается как исключение, учитывая незначительные усилия воспринимаемые опорной стойкой. Стойка прикрепляется четырьмя сварными швами у перьев уголков. Все швы работают в равных условиях, длина каждого сварного шва стойки принимается одинаковой и определяется по формуле:

принимаем 4 см