Проектирование фермы

Содержание

1 Расчет и конструирование стропильной  фермы с сечением элементов  из спаренных уголков. 3

1.1 Построение геометрической схемы  фермы. 3

1.2. Определение нагрузок на ферму 5

1.2.1. Постоянная нагрузка 5

1.2.2. Снеговая нагрузка 6

1.3 Определение расчетных усилий  в элементах фермы 7

1.4. Подбор сечения элементов фермы 8

1.4.1. Элементы верхнего пояса 8

1.4.2. Элементы нижнего пояса 9

1.4.3. Подбор сечений решетки фермы 10

1.5. Конструирование и расчет узлов  стропильной фермы 16

1.5.1. К-образный узел верхнего пояса 16

1.5.2. Нижний опорный узел 18

1.5.3 Укрупнительный узел нижнего  пояса 20

Раздел 2. Расчет поперечной рамы каркаса здания 24

2.1 Компоновка поперечной рамы 24

2.2 Определение нагрузок действующих  на поперечную раму 25

2.2.1 Постоянная нагрузка 25

2.2.2 Снеговая нагрузка на поперечную  раму 26

2.2.3 Крановая нагрузка на поперечную  раму 27

2.2.4 Ветровая нагрузка на поперечную  раму 30

2.3 Статический расчет поперечной  рамы 32

3.Проектирование  ступенчатой колонны каркаса 33

3.1 Исходные данные для расчета  колонны 33

3.2 Определение расчетных длин участков  колонны 33

3.3 Расчет и конструирование стержня  верхней части колонны 34

3.4 Расчет и конструирование стержня  нижней части колонны. 40

3.5  Расчет узла сопряжения верхней части колонны с нижней 46

3.6  Расчет базы сквозной колонны 49

4 Компоновка связевой системы  каркаса 54

4.1 Схемы связей по колоннам и  поясам ферм 54

4.2 Подбор сечений элементов связей  по колоннам 54

4.3 Подбор сечений связей по покрытию 54

Приложение 1 57

Приложение 2 59

Список  использованных источников 60

 

 

1 Расчет и конструирование стропильной фермы с сечением элементов из спаренных уголков.

1.1 Построение геометрической схемы фермы.

 

Рисунок 1. Геометрическая схема фермы

 

Расчетная длина  фермы:

 

Определим геометрические длины элементов фермы:

-Первая панель:

Рисунок 2. Определение геометрических длин элементов фермы

 

Длина восходящего раскоса:

Длина нисходящего раскоса:

 

Длина нижней панели:

Длина левой части верхнего пояса:

Длина правой части верхнего пояса:

Длина шпренгеля:

-Вторая панель:

Рисунок 3. Определению геометрических длин элементов фермы

Длина восходящего  раскоса:

Длина нисходящего раскоса:

 

Длина нижней панели:

 

Длина левой (правой) части верхнего пояса:

 

     1.2. Определение нагрузок на ферму

1.2.1. Постоянная нагрузка

 

Сбор  нагрузок представлен в табличной  форме.

 

Таблица 1. Постоянная нагрузка на 1 м² покрытия здания.

Наименование	Нормативная нагрузка		Расчетная нагрузка
1.Защитный слой из гравия, втопленного в мастику 2. Гидроизоляционный ковер 4-х слойный 3.Утеплитель из жестких минералловатных плит (ρ=200 кг/м3, t=70 мм) 4. Пароизоляция - 1 слой рубероида на битумной мастике 5. Профнастил (t=0,8 мм) 6. Прогоны решетчатые - 12 м 7. Стропильные фермы - 24м 8. Связи покрытия	0,3     0,2   0,14     0,05     0,13 0,12   0,1   0,06	1,3     1,3   1,3     1,3     1,05 1,05   1,05   1,05	0,39     0,26   0,182     0,065     0,1365 0,126   0,105   0,063
Итого:	1,3275

 

Узловая сосредоточенная постоянная нагрузка на ферму определяется по формуле:

 

Где:

-коэфициент надежности по ответственности здания (по т.2 /1/)

=1

-суммарная  расчетная нагрузка на 1 м² (по т.1)

-размер  панели верхнего пояса

- шаг ферм

Окончательно  имеем:

 

Рисунок 4. Схема приложения постоянной нагрузки к ферме

 

Опорные реакции в ферме от постоянной нагрузки:

 

1.2.2. Снеговая нагрузка

 

Узловая снеговая нагрузка на ферму определяется по формуле:

где:

 - расчетное значение веса снегового покрова, ;

- коэффициент перехода от поверхности земли к поверхности покрытия, ;

- коэффициент  учитывающий сдуваемость снега ветром, т.к. отсутствует генеральный план предприятия;

- номинальная длина верхнего пояса, .

Для проектируемой фермы учитывается два варианта приложения снеговой нагрузки:

- вариант  1 - снег на всем пролете;

- вариант  2 - снег на половине пролета.

 

Рисунок 5. Схема приложения первого варианта снеговой нагрузки к ферме

Опорные реакции фермы от снеговой нагрузки на всем пролете:

 

.

 

 

Рисунок 6. Схема приложения второго варианта снеговой нагрузки к ферме

 

 

Опорные реакции фермы от снеговой нагрузки на половине пролета:

 

 

 

1.3 Определение расчетных усилий  в элементах фермы

 

 

Усилие  в элементах фермы определяем графическим способом, а именно построением  диаграмм Максвелла – Кремоны (приложение 1). Для упрощения построений и дальнейших вычислений диаграммы строятся от единичной нагрузки в двух вариантах.

 

 

Таблица 2. Определение усилий в элементах

Наименование  элемента	Обозначение элемента	Усилия, кН			Расч. усилия, кН
		Пост.	Снег I	Снег II	+	-
Верхний пояс	а-ВI	0	0	0	-	-
	в-ВII	-286,8	-259,2	-172,8	-	-546
	г-ВIII	-286,8	-259,2	-172,8	-	-546
	е-ВIV	-382,4	-345,6	-172,8	-	-728
	е/-В/IV	-382,4	-345,6	-172,8	-	-728
	г/-В/III	-286,8	-259,2	-86,4	-	-546
	в/-В/II	-286,8	-259,2	-86,4	-	-546
	а/-В/I	0	0	0	-	-
Нижний пояс	Н-б	+167,3	+151,2	+108	+318,5	-
	Н-д	+358,5	+324	+194,4	+682,5	-
	Н-д/	+358,5	+324	+129,6	+682,5	-
	Н-б/	+167,3	+151,2	+43,2	+318,5	-
Раскосы	а-б	-234,22	-211,68	-153,36	-	-445,9
	б-в	+167,3	+151,2	+90,72	+318,5	-
	г-д	-100,38	-90,72	-30,24	-	-191,1
	д-е	+33,46	+30,24	-30,24	+63,7	-
	е/-д/	+33,46	+30,24	+60,48	+93,94	+
	д/-г/	-100,38	-90,72	-60,48	-	-191,1
	в/-б/	+167,3	+151,2	+60,48	+318,5	-
	б/-а/	-234,22	-211,68	-60,48	-	-445,9
Стойки	в-г	-47,8	-43,2	43,2	-	-91
	е-е/	-47,8	-43,2	-21,6	-	-91
	г/-в/	-47,8	-43,2	0	-	-91

 

1.4. Подбор сечения элементов фермы

1.4.1. Элементы верхнего пояса

 

  По таблице 50 /1/ выбираем сталь для фермы по II группе конструкций – С255 толщиной до 20мм. . Температура наиболее холодной пятидневки -24 С. Для фасонок принимаем толщину t_g=12 мм (по таблице 9.2. /2/).

Сечение проектируем  постоянным по длине. Максимальное расчетное  усилие:

.

Расчетные длины  панелей верхнего пояса:

  .

Задаемся  начальной гибкостью сечения  верхнего пояса  . Тогда требуемая площадь сечения:

.

Требуемые моменты  инерции:

По сортаменту принимаем:

125х125х10:   А = 48,6 см , i_x = 3,85 см, z₀=3,45 cм, i_y = 5,58 см (при толщине фасонки t_g=12 мм).

Определяем  фактические гибкости сечения из спаренных уголков:

   

Коэффициент продольного изгиба: (по т.72/1/).

Проверка гибкости в стадии монтажа:

Устойчивость  с в стадии монтажа обеспечена.

Выполним  проверку общей устойчивости:

Устойчивость  верхнего пояса обеспечена.

1.4.2. Элементы нижнего пояса

 

Сечение проектируем  постоянным по длине. Максимальное расчетное  усилие:

.

Расчетные длины  панелей нижнего пояса:

;

.

Находим требуемую площадь сечения нижнего пояса:

.

По сортаменту принимаем:

   100х100х8:

А = 31,2 см , i_x = 3,07 см, z₀=2,75 cм, i_y = 4,54 см(при толщине фасонки t_g=12 мм).

Определяем фактические гибкости сечения из спаренных уголков:

   

Предельная гибкость  λ _u= 400 (по таблице 20/1/).

- условие выполняется. 

Выполним  проверку прочности сечения:

Прочность нижнего пояса обеспечена.

1.4.3. Подбор сечений решетки фермы

 

-Подбор сечения опорного раскоса а-б и б'-а':

Максимальное  расчетное усилие:

Расчетные длины  опорного раскоса:

;

.

Зададимся начальной  гибкостью: . Тогда (по т.72 /1/).

Требуемая площадь  сечения:

Требуемые моменты  инерции:

По сортаменту принимаем:

   100х100х8:   А = 31,2 см , i_x = 3,07 см, z₀=2,75 cм, i_y = 4,54 см (при толщине фасонки t_g=12 мм).

 

Определяем  фактические гибкости сечения из спаренных уголков:

   

Коэффициент продольного изгиба: (по т.72/1/).

Выполним  проверку общей устойчивости:

Устойчивость  опорного раскоса обеспечена.

 

-Подбор сечения раскоса б-в и б^/-в^/.

Максимальное  расчетное усилие:

.

Расчетные длины  раскоса:

;

.

Находим требуемую площадь сечения раскоса:

.

По сортаменту принимаем:

   63х63х6:

А = 14,56 см , i_x = 1,93 см, z₀=1,78 cм, i_y = 3,06 см (при толщине фасонки t_g=12 мм).

Определяем  фактические гибкости сечения из спаренных уголков:

   

Предельная гибкость  λ _u= 400 (по таблице 20/1/).

- условие выполняется. 

Выполним  проверку прочности сечения:

Прочность раскоса обеспечена.

 

-Подбор сечения раскоса г-д и д'-г':

Максимальное  расчетное усилие:

Расчетные длины  раскоса:

;

.

Зададимся начальной  гибкостью: . Тогда (по т.72 /1/).

Требуемая площадь  сечения:

Требуемые моменты  инерции:

По сортаменту принимаем:

90х90х7:   А = 24,6 см , i_x = 2,77 см, z₀=2,47 cм, i_y = 4,13 см (при толщине фасонки t_g=12 мм).

Определяем  фактические гибкости сечения из спаренных уголков:

   

Коэффициент продольного изгиба: (по т.72/1/).

Выполним  проверку общей устойчивости:

Устойчивость  опорного раскоса обеспечена.

-Подбор сечения раскоса д-е и е^/-д^/.

Максимальное  расчетное усилие:

.

Расчетные длины  раскоса:

;

.

Находим требуемую площадь сечения раскоса:

.

По сортаменту принимаем:

50х50х5:

А = 9,6 см , i_x = 1,53 см, z₀=1,42 cм, i_y = 2,53 см (при толщине фасонки t_g=12 мм).

Определяем  фактические гибкости сечения из спаренных уголков:

   

Предельная гибкость  λ _u= 400 (по таблице 20/1/).

- условие выполняется. 

Выполним  проверку прочности сечения:

Прочность раскоса обеспечена.

-Подбор сечения стоек в-г и г'-в':

Максимальное  расчетное усилие:

Расчетные длины  стоек:

;

.

Зададимся начальной  гибкостью: . Тогда (по т.72 /1/).

Требуемая площадь  сечения:

Требуемые моменты  инерции:

По сортаменту принимаем:

  56х56х5:   А = 10,82 см , i_x = 1,72 см, z₀=1,57 cм, i_y = 2,77 см (при толщине фасонки t_g=12 мм).

Определяем  фактические гибкости сечения из спаренных уголков:

   

Коэффициент продольного изгиба: (по т.72/1/).

Условие по гибкости не выполняется, принимаем уголок большего сечения.

По сортаменту принимаем:

   63х63х5:   А = 12,26см , i_x = 1,94 см, z₀=1,74 cм, i_y = 3,04 см (при толщине фасонки t_g=12 мм).

Определяем  фактические гибкости сечения из спаренных уголков:

   

Коэффициент продольного изгиба: (по т.72/1/).

Выполним  проверку общей устойчивости:

Устойчивость  стойки обеспечена.

-Подбор сечения центральной стойки е-е^/:

Максимальное  расчетное усилие:

Расчетные длины  стоек:

;

.

Зададимся начальной  гибкостью: . Тогда (по т.72 /1/).

Требуемая площадь  сечения:

По сортаменту принимаем:

   50х50х6:   А = 11,38 см , i_x = 1,92 см, z₀=1,42 cм.

Определяем  фактические гибкости крестообразного сечения из уголков:

   

Коэффициент продольного изгиба: (по т.72/1/).

Выполним  проверку общей устойчивости:

Устойчивость центральной стойки обеспечена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5. Конструирование и расчет узлов стропильной фермы

 

Заводские сварные соединения выполняются  полуавтоматом в нижнем положении сварочной проволокой Св-08Г2С (таб. 55 /1/), со следующими характеристиками:

- расчетное сопротивление угловых  сварных швов условному срезу по металлу шва (таб. 56 /1/);

- расчетное сопротивление угловых  швов условному срезу по металлу границы сплавления;

- временное сопротивление стали  разрыву (таб. 51 /1/);

, - коэффициенты условий работы сварного шва.

1.5.1. К-образный узел верхнего пояса

 

Рисунок 7- К-образный узел верхнего пояса

 

Расчет сварного шва раскоса  г-д (90х7) с расчётным усилием N = -191,1 kH.

Максимальные  катеты швов равны:

Принимаем катет  по перу:

Принимаем катет  по обушку:

.

 

Коэффициенты  для расчета углового шва соответственно по металлу шва и по металлу  границы сплавления, принимаю по таблице 34 /1/: , .

Выбираем  расчётное сечение шва.

 

Расчётным является сечение по металлу границы сплавления.  

 

 

Конструктивно принимаю .

  

 

Расчет сварного шва раскоса  д-е (50х6) с расчётным усилием N = +93,94 kH.

Максимальные  катеты швов равны:

Принимаем катет  по перу:

Принимаем катет  по обушку:

.

Коэффициенты  для расчета углового шва соответственно по металлу шва и по металлу  границы сплавления, принимаю по таблице 34 /1/: , .

Расчёт сечения ведём по металлу границы сплавления.  

Принимаю конструктивно .

Принимаю конструктивно .

Расчёт сварного шва Ш-1, соединяющего фасонку с верхним поясом.

Принимаю  катет сварного шва  .

- суммарная  расчетная длинна всех сварных  швов присоединяющих фасонку  к уголкам.

 

Прочность сварного шва, прикрепляющего верхний  пояс к фасонке обеспечена.

1.5.2. Нижний опорный узел

 

Рисунок 8- Опорный узел

 

Расчет сварного шва  опорного раскоса a-б (100х8) с расчётным усилием   N= -445,9 kH.

Максимальные катеты швов равны:

Принимаем катет по перу:

Принимаем катет  по обушку:

Расчёт сечения  ведём по металлу границы сплавления.  

 

Расчет сварного шва  нижнего пояса б-Н (100х8) с расчётным усилием N=+682,5kH.

 

Максимальные катеты швов равны:

Принимаем катет по перу:

Принимаем катет  по обушку:

Расчёт сечения  ведём по металлу границы сплавления.  

 

Определим толщину опорного фланца:

 

Где:

b_fl    - ширина фланца, определяется из условия размещения болтов по ширине фланца, применяем (монтажные болты М20, диаметр отверстия под болты d=23мм).

R_p- расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности при наличии пригонки (по т.52/1/)

R_p=33,6 кН/см²

 

Принимаем:

 

Расчёт  вертикального сварного шва, соединяющего фасонку с фланцем, катет шва принимаю .

Прочность сварных швов, прикрепляющих  фланец к фасонке обеспечена.

 

 

 

 

1.5.3 Укрупнительный узел нижнего пояса

 

Рисунок 9-Укрупнительный узел нижнего пояса

 

Расчет сварного шва раскоса д-е, д^/-е^/ (50х6) с расчётным усилием N=+93,94kH.

Максимальные  катеты швов равны:

Принимаем катет  по перу:

Принимаем катет  по обушку:

.

Расчёт сечения  ведём по металлу границы сплавления.  

Принимаем конструктивно .

Принимаем конструктивно .

Расчет сварного шва стоики е-е^/ (50х6) с расчётным усилием N=-91 kH.

Максимальные  катеты швов равны:

Принимаем катет  по перу:

Принимаем катет  по обушку:

.

Расчёт сечения  ведём по металлу границы сплавления.  

Принимаем конструктивно .

Принимаем конструктивно .

Расчет сварного шва нижнего пояса (100х8).

Определяю расчетные  усилия:

Максимальные  катеты швов равны:

Принимаем катет  по перу:

Принимаем катет  по обушку:

.

Расчёт сечения  ведём по металлу границы сплавления.  

 

Расчет вертикальной накладки.

Принимаем размеры накладки из условия расположения монтажных болтов и из условия:

.

Тогда:

.

Принимаем толщину накладки t=t_g=12мм, ширину b=200мм, длину l=250мм.

Катет сварного шва: ( , )

Выбираем  расчётное сечение шва.

 

Расчётным является сечение по металлу границы сплавления.  

Расчет горизонтальной накладки

Усилие в  стыке:

Назначаем размеры накладки:

b = 100+20-40 =80 мм

t = t_g = 16 мм.

При расчете  учитываем условную площадь, которая равна сумме площадей двух накладок и части площади сечения фасонки высотой 2b₂, где b₂ - ширина вертикальной полки уголка:

Рабочее усилие в накладке:

.

Катет сварного шва: .

Определем длины сварных швов, прикрепляющих накладку к нижнему поясу:

Таблица 4. Таблица  расчета швов.

№ стержня	Сечение	|N|, кН	Шов по обушку			Шов по перу
			Nоб, кН			Nперо, кН
Раскосы
а-б	100х8	445,9	312,13	0,8	12,5	133,74	0,6	7,5
б-в	63х6	318,5	222,95	0,8	9,0	95,55	0,4	8,0
г-д	90х7	191,1	133,77	0,6	7,5	57,33	0,5	5,0
д-е	50х6	93,94	65,76	0,6	5,0	28,18	0,4	5,0
е/-д/	50х6	93,94	65,76	0,6	5,0	28,18	0,4	5,0
д/-г/	90х7	191,1	133,77	0,6	7,5	57,33	0,5	5,0
в/-б/	63х6	318,5	222,95	0,8	9,0	95,55	0,4	8,0
б/-а/	100х8	445,9	312,13	0,8	12,5	133,74	0,6	7,5
Стойки
в-г	63х6	91	63,7	0,8	5,0	27,3	0,4	5,0
е-е/	50х6	91	63,7	0,6	5,0	27,3	0,4	5,0
г/-в/	63х6	91	63,7	0,8	5,0	27,3	0,4	5,0

 

 

Расчет сварного шва раскоса  б-в, в^/-б^/ (63х6).

Расчетное усилие: N=318,5 кН.

Максимальные  катеты швов равны:

Принимаем катет  по перу:

Принимаем катет  по обушку:

.

Расчёт сечения  ведём по металлу границы сплавления.  

 

Расчет сварного шва стойки в-г, г^/-в^/ (63х6).

Расчетное усилие: N=91 кН.

Максимальные  катеты швов равны:

Принимаем катет  по перу:

Принимаем катет  по обушку:

.

Расчёт сечения  ведём по металлу границы сплавления.  

Принимаем конструктивно .

Принимаем конструктивно .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел  2. Расчет поперечной рамы каркаса здания

2.1 Компоновка поперечной рамы

 

Рисунок 10-Схема поперечной рамы каркаса здания

 

Здание  оборудовано краном грузоподъемностью 80 т со следующими основными конструктивными и техническими характеристиками:

- главный крюк: Q=80 т

- вспомогательный  крюк: Q=20 т

- пролет  здания: l=24 м

- H_к=3700 мм

- В₁=400 мм

- В₂=9100 мм

- К=4350 мм

- максимальное  давление колеса: F_k1,max=350 кН, F_k2,max=370 кН,

- вес  тележки: G_т=1100 кН

- тип  кранового рельса: КР-100

- высота  рельса: h_р=150 мм

- высота  подкрановой балки: h_б=1600 мм

 

Расстояние  от головки кранового рельса до низа стропильной конструкции:

.

Принимаем

 

Полная  высота цеха:

.

Т.к. Н > 10,8 м, то принимаем высоту кратно 1,8 м, т.е. Н = 14400 мм.

Корректируем  отметку головки кранового рельса:

.

Высота  верхней части колонны:

.

С учетом величины заделки колонны высота нижнего участка колонны до уступа будет равна:

.