Проектирование стального каркаса одноэтажного промышленного здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания

1.1 Компоновка поперечной рамы

2. Расчет поперечной рамы

2.1 Расчетная схема рамы

3. Определение нагрузок на поперечную раму

3.1 Постоянная нагрузка

3.1.1 Нагрузка от веса покрытия

3.1.2 Постоянная нагрузка от веса колонн и стенового ограждения

3.2 Временные нагрузки

3.2.1 Временная нагрузка от веса снегового покрова

3.2.2 Ветровая нагрузка

4. Статический расчет рамы

5. Проектирование составной внецентренно-сжатой колонны сплошного сечения

5.1 Подбор сечения колонны из условия общей устойчивости

5.1.1 Расчетные длины

5.1.2 Подбор двутаврового симметричного сечения сплошной колонны

5.2 Проверка устойчивости колонны в плоскости действия момента

5.3 Проверка устойчивости колонны из плоскости действия момента

5.4 Проверка прочности колонны

5.5 Проверка местной устойчивости стенки колонны

5.6 Проверка местной устойчивости полки колонны

Литература

Введение

Проект стального каркаса одноэтажного здания разработан в соответствии с заданием на проектирование и действующими СНиП.

Исходные данные на проектирование:

1. Место постройки:

снеговой район - 3;

ветровой район - 2.

2. Длина здания - 132 м

3. Пролёт здания в осях - 33 м

4. Шаг колонн - 12 м

5. Отметка нижнего пояса фермы - 13 м

6. Тип фермы - с параллельными поясами

7. Сопряжение ригеля со стойкой жёсткое

8. Применять сталь С245

9. Вид покрытия: по прогонам

10. Тип местности: A

11. Класс сооружения по степени ответственности - 2

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания

Проектирование каркаса производственного здания начинают с компоновки его конструктивной схемы.

1.1 Компоновка поперечной рамы

Компоновка поперечной рамы состоит в назначении ее основных габаритных размеров (см. Рис. 1).

Рис.1. Основные размеры рамы

Отметки по высоте здания отсчитывают от уровня пола, принимаемого за нулевую отметку. Высота помещения определяется отметкой нижнего пояса фермы: Н_нп.= 13 м. Отметка верха колонны зависит от принятой конструкции стропильной фермы и равна: , где

- высота фермы на опоре, h_оп.=3,15м

Н_вк=13+3.15=16.15м

Заглубление опорной плиты базы колонны ниже нулевой отметки пола в курсовом проекте примем . Общая высота колонны рамы от башмака колонны до низа ригеля равна:

Н=13-(-0.9)=13.9м

Отметка верха стены ориентировочно может быть принята равной: , где

- толщина конструкции кровли, ;
- высота парапета, .

Н_вс=13+3.15+0.45+0.45=17.05м

Привязку наружной грани колонны к разбивочной оси принимаем: .

2. Расчет поперечной рамы

Каркас промышленного здания представляет собой пространственную конструкцию, элементы которой работают совместно. Для упрощения расчета эту конструкцию расчленяют на плоские элементы, главным из которых является поперечная рама, состоящая из колонн, жестко заделанных в основании, и решетчатого ригеля (стропильной фермы), жестко или шарнирно соединенного с колоннами.

2.1 Расчетная схема рамы

Для расчета рамы ее конструктивную схему нужно привести к расчетной, в которой конструктивные элементы изображаются осевыми линиями с идеализированными сопряжениями в узлах.

Решетчатый ригель заменяют условным сплошным эквивалентной жесткости, ось которого совмещается с осью нижнего пояса решетчатого ригеля.

За геометрические оси колонн в расчетной схеме рамы принимают линии центров тяжести сечений колонн. В колоннах симметричного поперечного сечения геометрические оси, проходящие через их центры тяжести, будут расположены по середине высоты сечения колонн. Расчетный пролет рамы :

, где

- пролет здания в разбивочных осях колонн;

- привязка наружной грани колонны к разбивочной оси, ;
- высота поперечного сечения колонны.

Принимая во внимание, что расчетный пролет рамы отличается от пролета здания не более чем на 25% , в расчете будем принимать . Таким образом l?33м

Отметки по высоте отсчитывают от уровня пола здания, совпадающего с отметкой поверхности земли, принимаемой за нулевую.

Закрепление стержня колонны полагаем расположенной на уровне опорной плиты башмака колонны, тогда высота колонны рамы от низа башмака до низа ригеля , где

- высота помещения от уровня пола до низа стропильных ферм, Н_О=13м;

- заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола, .

Н=13-(-0.9)=13.9м

Конструктивная и расчетная схемы рамы приведены на Рис. 2.



Рис. 2. Конструктивная и расчетная схема рамы.

3. Определение нагрузок на поперечную раму

На поперечную раму каркаса производственного здания без кранового оборудования действуют нагрузки: постоянная нагрузка от веса конструкций, кратковременные нагрузки от веса снегового покрова и давление ветра на стеновое ограждение.

3.1 Постоянная нагрузка

Для упрощения статического расчета рамы постоянную нагрузку удобно разделить на две части:

- нагрузку от веса покрытия, приложенную к ригелю;

- нагрузку от веса колонн и ограждающих стеновых конструкций, приложенную к колоннам.

3.1.1 Нагрузка от веса покрытия

Постоянная нагрузка может быть определена в зависимости от вида покрытия. В соответствии с исходными данными тип покрытия - беспрогонный. На Рис. 3.представлена конструкция беспрогонного покрытия.

Рис. 3. Конструкция беспрогонного покрытия

Нагрузки от веса покрытия собраны в Таблице 1.

Вес металлоконструкций стропильной фермы, связей полагается приведенным к одному кв. метру покрытия.

Для фермы с пролетом l=33м

Таблица 1

Нормативная и расчетная нагрузка от веса покрытия.

Вид нагрузки	Нормативная gн,кг/м2	Коэффициент надежности гf	Расчетная g ,кг/м2
Техноэласт ЭКП	5,2	1,3	6,76
Унифлекс ВЕНТ ЭПВ	4,0	1,3	5,2
Ц-п стяжка фиброарм. t=50мм	100	1,3	130
Керамзит фр.10-20 (взята макс.толщ. по разуклонке t=250мм)	62	1,3	80,6
Пенополистирол t=100мм	4,5	1,2	5,4
Бикроэласт ТПП (Пароизоляция)	5	1,3	6,5
Ж/Б плиты 3х6 м	160	1,1	176
Ферма	25	1,05	26,25
Связи покрытия	5	1,05	5,25
У	370,7		441,96

Линейная нагрузка на ригель рамы от веса покрытия собирается с грузовой полосы, ширина которой равна расстоянию между соседними колоннами.



Рис.4 Грузовая полоса

Тогда линейная расчетная нагрузка на ригель рамы определяется по формуле

, где

- ширина грузовой полосы, .В=12м

- коэффициент надежности по назначению, принимается в зависимости от класса ответственности здания. Для объектов 2-ого класса (объекты промышленно - гражданского назначения) .

q=0.95*441.96*12=5.03 т/м

3.1.2 Постоянная нагрузка от веса колонн и стенового ограждения. Нагрузка от веса колонн

В курсовом проекте колонна представляет собой сварной двутавр. Собственный вес колоны принимаем из опыта проектирования (для шага 12 м):

- нормативная линейная нагрузка от веса колонны

.

где, - коэффициент надежности по назначению - 0,95 (для промышленных зданий)

- пролет рамы

- шаг рам

- высота колонны

- расчетная нагрузка , где

- коэффициент надежности по нагрузке, .

Нагрузка приложена по оси колонны.

Нагрузка от стенового ограждения.

Стеновые панели опираются на закладные части колонн, расположенные на наружных полках колонн, что дает дополнительный изгибающий момент. Для упрощения расчетной схемы, примем: нагрузка от веса стеновых панелей приложена по оси колонн, дополнительный момент отсутствует. Нагрузка от веса панелей распределена равномерно по всей длине колонны (допустимо при ширине панели (1.2-1.8м) много меньшей длины колонны).

В качестве ограждения применяются однослойные плиты из керамзито-бетона ПКСН-12, длиной 12 м соответственно. Толщина плит по стандарту д = 0.2 м; д = 0.25 м; д = 0.3 м.

Плотность керамзито-бетона г = 1300 кг/м³.

Принимаем толщину стен д=0.3 м. Длину плит 12 м.

Нормативная линейная нагрузка от веса стенового ограждения:

Расчетная нагрузка:

, где

- коэффициент надежности по нагрузке, .

На Рис.5 показана схема приложения постоянных нагрузок на раму.

Рис.5. Схема приложения постоянных нагрузок на раму.

3.2 Временные нагрузки

3.2.1 Временная нагрузка от веса снегового покрова

Расчетная линейная нагрузка на ригель рамы от веса снегового покрова в зданиях находится по формуле:

, где

- вес снегового покрова расчетный , зависящий от района строительства. Для климатического района III;

- коэффициент, учитывающий неравномерное распределение снега по покрытию. зависит от конфигурации кровли. При угле наклона кровли ;

- шаг стропильных ферм.

Таким образом

Схема приложения кратковременной снеговой нагрузки к раме каркаса здания показана на Рис. 6

Рис.6 Схема приложения снеговой нагрузки к раме.

Отметим, что в курсовом проекте пренебрегаются следующие факторы: сдувание снега ветром, образование снежных мешков у парапетов и в зонах конденсации от выхлопа пара.

3.2.2 Ветровая нагрузка

Расчет выполнен по нормам проектирования "СНиП 2.01.07-85* с изменением №2"

Исходные данные
Ветровой район	II
Нормативное значение ветрового давления	0,03 Т/м2
Тип местности	A - открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра
Тип сооружения	Вертикальные и отклоняющиеся от вертикальных не более чем на 15° поверхности

Параметры
Поверхность	Наветренная поверхность
Шаг сканирования	1 м
Коэффициент надежности по нагрузке ?f?	1,4
H	16,15	м

Таблица 2

Значения нагрузок для наветренной поверхности

Высота (м)	Нормативное значение (Т/м2)	Расчетное значение (Т/м2)
0	0,018	0,025
1	0,018	0,025
2	0,018	0,025
3	0,018	0,025
4	0,018	0,025
5	0,018	0,025
6	0,019	0,027
7	0,02	0,029
8	0,022	0,03
9	0,023	0,032
10	0,024	0,034
11	0,025	0,035
12	0,025	0,035
13	0,026	0,036
14	0,027	0,037
15	0,027	0,038
16	0,028	0,039
16,15	0,028	0,039



Параметры
Поверхность	Подветренная поверхность
Шаг сканирования	1 м
Коэффициент надежности по нагрузке ?f?	1,4
H	16,15	м

Таблица 3

Значения нагрузок для наветренной поверхности

Высота (м)	Нормативное значение (Т/м2)	Расчетное значение (Т/м2)
0	-0,014	-0,019
1	-0,014	-0,019
2	-0,014	-0,019
3	-0,014	-0,019
4	-0,014	-0,019
5	-0,014	-0,019
6	-0,014	-0,02
7	-0,015	-0,021
8	-0,016	-0,023
9	-0,017	-0,024
10	-0,018	-0,025
11	-0,019	-0,026
12	-0,019	-0,027
13	-0,019	-0,027
14	-0,02	-0,028
15	-0,02	-0,028
16	-0,021	-0,029
16,15	-0,021	-0,029

- аэродинамический коэффициент, характеризующий аэродинамические свойства сооружения, и принятый по СНиП 2.01.07 - 85 «Нагрузки и воздействия». Для активного давления на обычные здания (наветренная сторона), для зоны пассивного давления или зоны отсоса (заветренная сторона) .



Рис.7. - коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора по высоте, и зависящий не только от высоты, но и от типа местности. Тип местности А (в курсовом проекте) - открытые территории,. Для определения используют СНиП 2.01.07.-85 «Нагрузки и воздействия». Для промежуточных значений h при определении применяют аппроксимирующие зависимости. Для интервала м: , значения приведены в Таблице 4.

Таблица 4

Значения .

0	0.50	11	0.674
5	0.50	12	0.698
6	0.533	13	0.720
7	0.566	14	0.741
8	0.596	15	0.761
9	0.624	16	0,78
10	0.650

Расчетная линейная ветровая нагрузка на колонну с наветренной стороны (активного давления):

Расчетная линейная ветровая нагрузка на колонну с заветренной стороны (пассивного давления):

Таким образом, на колонну действует нагрузка переменная по высоте - . Для упрощения расчетной схемы эпюру нагрузки заменяется ступенчатой , в которой усреднена нагрузка в пределах каждой из зон высотой до 10 м.

Рис. 8.

Допускается еще большее усреднение по все высоте колонны, тогда:

где - среднее значение коэффициента в пределах высоты колонны. Для местности типа А и интервала м: , значения приведены в Таблице 5.

Таблица 5

Значения .

0	0.50	11	0.582
5	0.50	12	0.599
6	0.505	13	0.615
7	0.517	14	0.631
8	0.532	15	0.646
9	0.549	16	0,73
10	0.565

Ветровая нагрузка, действующая на здание выше оси ригеля заменяется равнодействующими W и W', которые прикладываются в верхних узлах рамы на уровне оси нижнего пояса фермы:

где , где

-высота опорной стойки фермы, Размещено на http://www.allbest.ru/

;

- высота конструкции кровли, ;

- превышение парапета над кровлей, .

- значение коэффициента на отметке середины высоты , т.е для,.

Следует отметить, что в курсовом проекте учитывается только статическая составляющая ветровой нагрузки, что справедливо для зданий с высотой до 40 м. Схема приложения ветровой нагрузки к раме каркаса здания показана на Рис.9



Рис.9. Схема приложения ветровой нагрузки к раме.

4. Статический расчет рамы

При жестком сопряжении ригеля с колоннами рама трижды статически неопределима. Рама рассчитывается в расчетно-вычислительном комплексе SCAD.

Создаем расчетную схему, имеющую размеры согласно пункту 2.1 данной курсовой работы. Тип схемы: «Плоская рама». Тип КЭ: «Стержень плоской рамы».

Необходимо задать жесткость колоннам и ригелю рамы. Задаем эквивалентную жесткость.

Эквивалентная жесткость колонн.

Поскольку в курсовом проекте принят вес 1 пог. м. колонны равный 275,4 кг/м в качестве эквивалентного сечения выберем колонный двутавр по СТО АСЧМ 20-93 с весом 1 пог. м. приблизительно равным принятому.

Каталог : СТО АСЧМ 20-93

Тип : Двутавp колонный (К) по СТО АСЧМ 20-93

Таблица 6

h

b

s

t

r1

A

P

Iy

Wy

Sy

iy

Iz

Wz

iz

мм

мм

мм

мм

мм

см2

кг/м

см4

см3

см

мм

см4

см3

мм

40К5

429.000

400.00

23.00

35.50

22.00

370.49

290.80

120291.98

5608.00

3198.600

180.200

37914.199

1895.700

101.200

Продольная жесткость двутавра равна

Изгибная жесткость двутавра равна

Делаем замену фермы сплошным стержнем эквивалентной жесткости, ось которого совпадает с осью нижнего пояса фермы.

, где

- момент инерции ригеля;

- момент инерции колонны, на которую опирается ферма.

Принимаем 100Б4 по ГОСТ 26020-83

Для простоты расчетов принимаем А_р=356см².

Продольная жесткость эквивалентного сечения равна

.

Изгибная жесткость эквивалентного сечения равна

Нагрузка на раму состоит из 4-х загружений :

1. Вес покрытия;

2. Вес колонн и стенового ограждения;

3. Снеговая нагрузка

4. Ветровая нагрузка.

Расчетная схема рамы приведена на Рис.10

Рис.10. Расчетная схема рамы.

5. Проектирование составной внецентренно сжатой колонны сплошного сечения

каркас здание рама покрытие

5.1 Подбор сечения колонны из условия общей устойчивости.

5.1.1 Расчетные длины

При определении расчетной длины колонн однопролетных рам предполагается, что обе колонны находятся в одинаковых условиях и могут одновременно потерять устойчивость (в запас прочности). Т.к. примыкание ригеля к колоннам жесткое, то верхний конец колонны закреплен от поворота.

Т.о. расчетная длина колонны однопролетного производственного здания в плоскости изгиба (плоскости рамы) при жестком креплении ригеля к колонне равна

, где

- высота колонны, ;

- коэффициент приведения длины.

Установлено, что для колонн постоянного по высоте сечения коэффициент приведения длины зависит от способа закрепления колонны в фундаменте и соотношения погонных жесткостей ригеля и колонны. При жестком закреплении колонн в фундаментах коэффициент определяется по формуле , где . Здесь - погонная жесткость ригеля; - погонная жесткость колонны.

Для рам с жестким прикреплением ригеля к колоннам .

Расчетная длина колонны из плоскости рамы принимается равной наибольшему расстоянию между точками закрепления колонны от смещения вдоль здания. Расчетная длина определяется в зависимости от конструктивной схемы каркаса.

В зданиях без мостовых кранов такими точками является подошва башмака и распорки по колоннам в уровне нижних поясов стропильных ферм. Для сокращения расчетной длины колонны вдоль здания устанавливают промежуточные распорки. При установке одной распорки по высоте колонны расчетная длина будет уменьшена в два раза, т.е.

.

Проверка устойчивости колонны из плоскости действия момента производится на сочетания M и N средней трети расчетной длины колонны. При расчетной длине значение M следует взять в сечении колонны, отстоящим от низа башмака на расстоянии , , .

5.1.2 Подбор двутаврового симметричного сечения сплошной колонны

Сечение колонны подбираем из условия обеспечения ее устойчивости в плоскости изгиба. Колонна будет выполнена из стали марки С245 с расчетным сопротивлением по пределу текучести .

1. Задаемся начальной гибкостью колонны в плоскости рамы .

2. Определяем ориентировочную высоту сечения колонны

.

3. Для симметричного двутавра радиус инерции сечения равен

, а радиус ядра сечения равен

. Вычисляем условную начальную гибкость

. Вычисляем начальный относительный эксцентриситет

.

4. Задаемся величиной коэффициента влияния формы сечения . Коэффициент определяем по Таблице 1 методического пособия. В первом приближении принимаем отношение площадей полки и стенки . Тогда - коэффициент показывает распределение пластических деформаций по поперечному сечению.

Определяем величину приведенного относительного эксцентриситета

5. Зная и по Таблице Д3 СП16.13330.2011* «Стальные конструкции» определяем коэффициент . Вычисляем требуемую площадь сечения

.

6. По требуемой площади компонуем двутавровое сечение из трех стальных листов. Назначаем высоту стенки двутавра . . Определяем толщину стенки . По условию коррозийной стойкости . Принимаем . Определяем требуемую площадь полки двутавра

.

Для обеспечения общей устойчивости колонны из плоскости действия момента ширину полки назначаем не менее. .

Толщину полки принимаем из условий:

- из условия прочности

- по условию местной устойчивости



по сортаменту (Приложение 2 пособия) выбираем

Окончательно принимаем: ; ; ; .

7. Вычисляем геометрические характеристики принятого сечения.

5.2 Проверка устойчивости колонны в плоскости действия момента

1. Вычисляем фактическую гибкость колонны в плоскости рамы

.

Вычисляем условную гибкость

2. Определяем относительный эксцентриситет

.

3. Определяем коэффициент влияния формы сечения

4. Находим значение приведенного эксцентриситета

5. Зная и по Таблице Д3 СП16.13330.2011 «Стальные конструкции» определяем коэффициент .

6. Проверяем устойчивость по формуле

. Условие выполняется.

- коэффициент использования материала небольшой.

Изменим и сделаем перерасчет.

Перерасчет.

; ; ; .

; ; ; ;

; ; .

; ; ; ; ; ;

; ; ; .

Принимаем выбранное сечение.

5.3 Проверка устойчивости колонны из плоскости действия момента

1. Вычисляем гибкость колонны из плоскости действия момента

.

2. Определяем коэффициент продольного изгиба при центральном сжатии в зависимости от гибкости по таблице Приложения 3 пособия или графику Приложения 4 пособия. .

3. Находим эксцентриситет

4. Определяем относительный эксцентриситет

5. Определяем коэффициент, учитывающий ослабление сечения пластическими деформациями и зависящий от формы сечения. При . Коэффициенты и =0,83 по методическому пособию



. При

6. Проверяем колонну на устойчивость из плоскости действия момента

.

Условие выполняется.

5.4 Проверка прочности колонны

1. Прочность при упругой работе.

.

2. Прочность с учетом развития пластических деформаций по сечению.

, где

- коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций.

При .

. Проверка выполнена.

5.5. Проверка местной устойчивости стенки колонны.

На колонну действует изгибающий момент, продольная и перерезывающая сила. Часть стенки колонны будет растянута - это не вызывает опасений. Другая часть стенки будет жата и может потерять местную устойчивость - на будет выпучиваться. Таким образом, она выключиться из статической работы и колонна изменит расчетную схему.

Во всех прокатных профилях сечение подобрано так, что стенка сечения не теряет местную устойчивость. В составных сечениях проверка обязательна.

Вырежем элемент колонны вблизи расчетного сечения

,

, . .

.

Введем коэффициент - коэффициент влияния полноты заполнения эпюры напряжений.

.

Гибкость стенки определяется по формуле:

.

Условная гибкость определяется по формуле:

.

При предельное отношение определяется формулой:

, но не более , где

- параметр, учитывающий, что в стенке внецентренно сжатой колонны кроме нормальных напряжений действуют и касательные напряжения .

Условие не выполняется. Устойчивость стенки обеспечивается постановкой поперечных ребер жесткости, расположенных с двух сторон стенки на расстоянии одно от другого, которые увеличивают жесткость колонны при кручении.

5.6 Проверка местной устойчивости полки колонны

Полка будет устойчива, если выполняются соотношения:

Проверка выполняется. Местная устойчивость полки колонны обеспечена.

Литература:

1. Проектирование стального каркаса одноэтажного промышленного здания. Методические указания к курсовому проекту. СПб 1993.

2. Проектирование сплошной внецентренно-сжатой колонны. Методические указания к курсовому проекту. Ленинград 1989.

3. СНиП II-23-81^* «Стальные конструкции». М.:Стройиздат 1982.

4. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов. Под ред. Е.И. Беленя. М.:Стройиздат 1985.

Размещено на Allbest.ru

...