Расчет и конструирование стропильной фермы с сечением элементов из спаренных уголков

13

Размещено на http://www.allbest.ru/

13

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

1.1 Построение геометрической схемы фермы

Геометрическая схема компонуется для бокового варианта примыкания фермы к колонне.

Расчетная длина фермы:

1.2 Определение нагрузок на ферму

1.2.1 От постоянной нагрузки

Таблица 1 Сбор постоянной нагрузки на 1 м покрытия

Наименование	Нормативная нагрузка		Расчетная нагрузка
1.Гравийная защита (15мм) 2. Гидроизоляционный ковер 4-слойный 3. Утеплитель (минплиты жесткие, г=3кН/м2 ) 3кН/м2 · 0,1 м 4. Пароизол 1 слой. 5. Профнастил ( t = 1 мм) 6. Прогоны пролётом 6м. 7. Стропильные фермы 8. Связи покрытия	0,3 0,2 0,3 0,05 0,16 0,08 0,3 0,04	1,3 1,3 1,3 1,3 1,05 1,05 1,05 1,05	0,4 0,26 0,39 0,065 0,17 0,085 0,315 0,042
Итого:	1,43		1,727

Узловая постоянная нагрузка:

Опорные реакции:

1.2.2 От снеговой нагрузки

Расчётная нагрузка на 1 м2 Sq=1,2 kH/м2.

Определим коэффициент снижения снеговой нагрузки за счёт сдуваемости ветром при скорости ветра V = 5 м/с. (п. 5.5 / 3 /). Узловая снеговая нагрузка:

Узловая снеговая нагрузка на ферму.

Снеговая нагрузка прикладывается к ферме в двух вариантах: нагрузка на всем пролете.

нагрузка на половине пролета

1.3 Определение расчетных усилий в элементах фермы

1.3.1 Построение диаграммы Максвелла-Кремоны для постоянной нагрузки

Усилие в элементах фермы от постоянной и снеговой на всём пролёте фермы определяем графическим методом, построением диаграммы Максвелла - Кремоны (Приложение А)

1.3.2 Построение диаграммы Максвелла - Кремоны для снеговой нагрузки на половине пролета

Усилие в элементах фермы от снеговой на половине пролёта фермы определяем графическим методом, построением диаграммы Максвелла - Кремоны (Приложение Б)

1.4 Подбор сечения элементов фермы

По таблице 50* /1/ выбираем сталь для фермы по II группе конструкций - С245 толщиной до 20 мм. Температура наиболее холодной пятидневки -34 С. Для фасонок принимаем толщину 16 мм (по таблице 9.2. / 2 /).

1.4.1 Подбор сечений элементов верхнего пояса

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

.

Радиусы инерции сечения:

,

Предварительно по сортаменту принимаем уголок 12514 со следующими характеристиками:

А = 33,37см, ix = 3,8 см, iy = 5,83 см.

Проверка на устойчивость:

Недонапряжение: . Уменьшать площадь поперечного сечения пояса не требуется.

1.4.2 Нижний пояс

Вычислим площадь поперечного сечения нижнего пояса при расчетном усилии: N=1075 kH

Предварительно по сортаменту принимаем уголок 1409 со следующими характеристиками:

А = 24,72 см, ix = 4,34 см, iy = 6,32 см.

Предельная гибкость л u= 400 (по т.20 /1/).

л max =380 < л u = 400- условие выполняется.

Проверка на прочность:

1.4.3 Подбор сечения элементов решетки

Расчет опорного раскоса.

Расчетная длина:

.

При постановке опор шпренгеля:

Задаемся начальной гибкостью опорного раскоса . Тогда . Требуемая площадь сечения:

,

.

Предварительно по сортаменту принимаем уголок 12010 со следующими характеристиками:

А = 23,24см, ix = 3,69 см, iy = 5,55 см.

Проверка на устойчивость:

Недонапряжение: .

Предварительно по сортаменту принимаем уголок 1208 со следующими характеристиками:

А = 14,76 см, ix = 3,72 см, iy = 5,5 см.

Проверка на устойчивость:

Проверка на устойчивость не выполняется, следовательно, принимаю уголок 120х10.

Расчет растянутых раскосов.

Расчетная длина раскосов:

.

Раскос a - b (r - s).

.

По сортаменту принимаем уголок 807 со следующими характеристиками:

А = 10,85 см, ix = 2,45 см, iy =3,9 см.

Недонапряжение: . (Уменьшение сечения не целесообразно, т.к. не будет выполняться условие )

Проверка гибкости:

Расчет сжатых раскосов.

Начальная гибкость сжатых стержней: .

Раскос с - d (o - p).

.

.

.

По сортаменту принимаем уголок 1108 со следующими характеристиками:

А = 17.2 см, ix = 3.39 см, iy = 4.87 см.

Проверка предельной гибкости:

Проверка на устойчивость:

Раскос d - e (n - o).

.

; .

По сортаменту принимаем уголок 906 со следующими характеристиками:

А = 10.61 см, ix = 2.78 см, iy = 4.27 см.

Проверка предельной гибкости:

Проверка на устойчивость:

Раскос f - g (l - m).

.

.

.

По сортаменту принимаем уголок 1006.5 со следующими характеристиками:

А = 12.82 см, ix = 3.09 см, iy = 4.65 см.

Проверка предельной гибкости:

Проверка на устойчивость:

Раскос g - h (k - l).

.

По сортаменту принимаем уголок 505 со следующими характеристиками:

А = 4.8 см, ix = 1.53 см, iy = 2.45 см.

Проверка гибкости:

Начальная гибкость стержней: .

.

.

.

По сортаменту принимаем уголок 1259 со следующими характеристиками:

А = 22 см, ix = 3.86 см, iy = 5.48 см.

Проверка предельной гибкости:

Проверка на устойчивость:

1.5 Расчет стоек

Начальная гибкость сжатых стержней: .

Стойка b - c .

.

.

.

По сортаменту принимаем уголок 705 со следующими характеристиками: А = 6.86 см, ix = 2.16 см, iy = 3.23 см.

Проверка предельной гибкости:

Проверка на устойчивость:

Стойка e - f .

.

.

.

По сортаменту принимаем уголок 807 со следующими характеристиками:

А = 10.85 см, ix = 2.45 см, iy = 3.9 см.

Проверка предельной гибкости:

Проверка на устойчивость:

Раскос h - k .

.

По сортаменту принимаем уголок 505 со следующими характеристиками:

А = 4,8 см, ix = 1,53 см, iy =2,69 см.

Проверка гибкости:

1.6 Конструирование и расчет узлов стропильной фермы

1.6.1 К-образный узел верхнего пояса

Расчет сварного шва раскоса c - d с расчётным усилием Ncd = 234 kH.

Предварительно принимаем катеты швов равными:

Принимаем для сварки нижней полуавтоматической в среде углекислого газа нижней сварочную проволоку Св 08 Г2 С ( по т. 55 / 1 /) со следующими характеристиками

Для стали С245

Выбираем расчётное сечение шва.

Расчётным является сечение по металлу границы сплавления.

Расчет сварного шва раскоса d - e с расчётным усилием Nde = 100,5 kH.

Предварительно принимаем катеты швов равными:

Расчёт сечения ведём по металлу границы сплавления.

Расчёт сварного шва Ш1, соединяющего фасонку с верхним поясом.

Условие выполняется.

1.6.2 Опорный узел

Расчет сварного шва раскоса a - I с расчётным усилием NaI= 595,3 kH.

Предварительно принимаем катеты швов равными:

Расчёт сечения ведём по металлу границы сплавления.

Расчет сварного шва раскоса a - XIII с расчётным усилием NaXIII= 471,87 kH.

Предварительно принимаем катеты швов равными:

Расчёт сечения ведём по металлу границы сплавления.

Расчёт толщины и конструирование опорного фланца.

где Vп+с = 11·50,05/2 = 275,3кН, Rp.= 336 МПа для стали С245.

Толщину фланца конструктивно принимаем tpl = 14 мм.

Диаметр болта принимаем 20 мм, тогда

Расчёт вертикального сварного шва, соединяющего фасонку с фланцем.

Условие выполняется.

1.6.3 Укрупнительный узел

Расчет сварного шва раскоса g - h с расчётным усилием Ngh= 89,5 kH.

Предварительно принимаем катеты швов равными:

Расчёт сечения ведём по металлу границы сплавления.

Расчет сварного шва стойки h - k с расчётным усилием Nkh= 102.2 kH.

Предварительно принимаем катет шва равным:

Расчёт сечения ведём по металлу границы сплавления.

Проверка прочности сечения накладок.

b1 = bf = 140 мм, t1 = tf = 9 мм.

b2 = 2·bf = 280 мм; t2 = 0.5·tg = 8 мм.

Рабочее усилие в накладке:

Расчёт сварного шва нижнего пояса и фасонки.

Расчёт сечения ведём по металлу границы сплавления.

Расчёт сварного шва Ш1, соединяющего фасонку с верхним поясом.

Условие выполняется.

2. Расчет поперечной рамы каркаса здания

2.1 Компоновка поперечной рамы

Здание оборудовано краном грузоподъемностью 80/24 т со следующими основными конструктивными и техническими характеристиками:

;

;

;

;

;

;

;

;

крановый рельс КР-120;

;

.

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 = 13200 м.

Корректируем отметку головки кранового рельса:

.

Высота верхней части колонны:

.

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

.

Высота парапета:

.

Т.к. Н < 18 м и режим работы крана 3К, принимаем привязку колонн к осям здания .

Высоту сечения верхней части колонны принимаем кратной 50 мм по следующей формуле:

.

Принимаем .

Привязка крана к разбивочной оси здания принимается кратной 250 мм по следующей формуле:

.

Принимаем .

Высоту сечения верхней части колонны:

.

Сечение нижней части колонны проектируем сквозным. Верхняя часть колонны - сплошного сечения из сварного двутавра.

2.2 Сбор нагрузок на поперечную раму

2.2.1 Постоянная нагрузка на поперечную раму

Стеновое ограждение принимаем самонесущим.

Погонная нагрузка на ригель рамы:

.

Собственный вес колонн.

2.2.2 Снеговая нагрузка на поперечную раму

Погонная нагрузка на ригель рамы:

.

Опорные реакции ригеля:

,

,

.

2.2.3 Узловые моменты в местах уступов:

,

2.2.4 Ветровая нагрузка на поперечную раму

Принимаем тип местности В.

Погонная нагрузка на стойку рамы на i - ой высоте над поверхностью земли:

.

на высоте до 5 м: ;

на высоте до 10 м: ;

на высоте 14,4м: ;

на высоте до 20 м: ,

где - нормативное значение ветрового давления для данного района (0,38 кПа);

с - аэродинамический коэффициент;

- коэффициент, учитывающий изменение давления ветра по высоте.

Приведенная равномерно распределенная нагрузка по высоте колонны с наветренной стороны:

,

То же с подветренной стороны:

.

Сосредоточенное давление ветра на парапет с наветренной стороны:

.

То же с подветренной стороны:

.

Рис. 8 К определению ветровой нагрузки

2.2.5 Крановая нагрузка на поперечную раму

Нагрузка от вертикального давления колес двух кранов в пролете на колонну:

.

Вес подкрановой балки:

.

Рис. 9 К определению нагрузки от мостовых кранов

Максимальное давление:

.

Минимальные нагрузки на колеса крана:

,

.

Минимальное давление:

Горизонтальная нагрузка от торможения тележки 2-х кранов с грузом на колонну:

где Тк.n - нормативная нагрузка от торможения на 1 колесо.

Моменты от давления колес крана в месте ступени колонны:

2.3 Статический расчет поперечной рамы

Статический расчёт выполняется по программе METAL. Результаты вычисления приведены ниже в табличной форме.

3. Проектирование ступенчатой колонны каркаса

3.1 Исходные данные для расчета колонны

Расчетная комбинация усилий для подбора сечения:

верхней части колонны:

нижней части колонны:

подкрановая ветвь:

;

шатровая ветвь:

;

.

3.2 Определяем расчетные длинны участков ступенчатой колонны

,

, т.е. коэффициент для расчета на устойчивость определяем по приложению 6 /1/.



По таблице 67 /1/ .

, т.е. принимаем .

Расчетные длины участков колонны в плоскости действия моментов (в плоскости поперечной рамы):

для нижней части:

для верхней части:

.

Расчетные длины участков колонны из плоскости рамы:

для нижней части:

,

для верхней части:

.

3.3 Подбор сечения верхней части ступенчатой колонны

Сечение проектируем в виде составного сварного двутавра.

Материал для колонны принимаем для III группы конструкций по таблице 50 /1/. По таблице 51 /1/ принимаем сталь С245 с для толщин до 20 мм.

Предварительно задаемся величиной радиуса инерции сечения:

.

Ядровое расстояние:

.

Относительный эксцентриситет:

.

Условная (приведенная) гибкость верхней части колонны:

.

Приведенный эксцентриситет:

,

где - коэффициент влияния формы сечения (таблица 73 /1/). Задаемся отношением . Тогда:

По таблице 74 /1/ определяем коэффициент снижения расчетного сопротивления при внецентренном сжатии: .

Требуемая площадь сечения верхней части колонны:

.

Требуемая площадь полки:

.

Задаемся шириной полки:

.

Предварительно по сортаменту принимаем .

Требуемая толщина полки:

.

Предварительно принимаем .

Уточняем высоту сечения стенки:

.

Т.к. , то принимаем толщину стенки:

.

Предварительно принимаем .

Вычисляем геометрические характеристики принятого сечения верхней части колонны:

,

,

,

,

,

.

Фактическая гибкость:

.

Проверка устойчивости полки:

ферма максвелл раскос стропильный

Устойчивость полки обеспечена.

Проверка местной устойчивости стенки колонны (таблица 27 /1/):

Условие выполняется.

Окончательный приведенный эксцентриситет:

,

где =1,45

По таблице 74 /1/ определяем коэффициент снижения расчетного сопротивления при внецентренном сжатии: .

Условие выполняется.

Проверка общей устойчивости верхней части из плоскости действия момента:

где - коэффициент продольного изгиба (таблица 72 /1/).

.

Для определения с пересчитаем относительный эксцентриситет:

Проверка местной устойчивости стенки в зависимости от характера распределения нормальных напряжений по сечению колонны:

3.4 Расчет внецентренно сжатой колонны сквозного сечения (нижней части ступенчатой колонны)

Положение центра тяжести предварительно назначаем в зависимости от распределения изгибающих моментов соответствующих знаков.

Предварительно задаёмся z0 =5 см, тогда

.

Предварительно задаёмся положением центра тяжести сечения:

,

Подбор сечений каждой ветви производится как для центрально сжатых элементов на усилия:

Задаемся начальной гибкостью . Тогда:

По сортаменту подбираем двутавр № 45Б1 со следующими характеристиками:

.

Проверка устойчивости:

Устойчивость подкрановой ветви обеспечена.

Недонапряжение: . Уменьшать площадь поперечного сечения пояса не требуется.

Принимаем толщину стенки шатровой ветви равной толщине полки верхней части колонны:.

Высота стенки второй ветви:

,

Конструктивно принимаем .

Уточняем положение центра тяжести шатровой ветви:

,

.

Уточняем положение центра тяжести всего сечения нижней части колонны:

,

Уточняем продольные усилия в ветвях колонны:

Проверка устойчивости шатровой ветви:

Момент инерции сечения шатровой ветви:

.

Радиус инерции второй ветви:

.

Проверка устойчивости второй ветви:

Устойчивость шатровой ветви обеспечена.

Недонапряжение: .

Не смотря на большое недонапряжение уменьшать площадь сечения не целесообразно по конструктивным соображениям.

3.5 Расчет соединительной решетки нижней части колонны

Назначаем шаг узлов соединительной решетки по следующим требованиям:

Предварительно принимаем . Тогда:

Окончательно принимаем 8 панелей по 1 м.

,

Условие не выполняется, следовательно, необходимо проверить дополнительное условие.

Условие выполняется.

Проверяем потребность в распорках по высоте.

Распорки по высоте не требуются.

Для стали С245 . Тогда продольное усилие, возникающее в раскосе решетки:

Задаемся начальной гибкостью для раскоса . Требуемая площадь раскоса:

Предварительно принимаем L63Ч5 со следующими характеристиками:

.

Проверка устойчивости раскоса:

Условие выполняется. Устойчивость раскоса обеспечена.

Проверка устойчивости нижней части колонны в плоскости рамы без учета соединительной решетки.

Для проверки устойчивости выбираем 2 расчётных комбинации M и N.

Для расчёта подкрановой ветви M = -731,159 kHм, N = -1197,156 kH.

Для расчёта шатровой ветви M = 341,099 kHм, N = -1197,156 kH.

Приведенная гибкость нижней части колонны:

Относительный эксцентриситет для сочетания усилий, догружающих подкрановую ветвь:

Проверка устойчивости подкрановой ветви колонны:

Устойчивость подкрановой ветви обеспечена.

Относительный эксцентриситет для сочетания усилий, догружающих шатровую ветвь:

Проверка устойчивости шатровой ветви колонны:

Устойчивость шатровой ветви обеспечена.

3.6 Расчет узла сопряжения верхней колонны с нижней

Определяем комбинации усилий для сечения III-III.

1.

2.

Выполняем проверку прочности стыкового шва Ш1 в точках 1 и 2:

т. 1) от первой комбинации усилий:

.

от второй комбинации усилий:

.

Прочность стыкового сварного шва обеспечена.

Толщину стенки траверсы производим из условия смятия её торца от Dmax.

,

.

Принимаем .

Расчет угловых сварных швов Ш2, прикрепляющих ребра к стенке траверсы.

Продольное усилие, передаваемое полкой верхней части колонны от второй расчетной комбинации:

.

Задаемся катетом сварного шва . Сварка полуавтоматическая, сварная проволока - Св-08Г2С.

Расчет ведем по металлу границы сплавления.

Требуемая длина сварного шва:

.

Расчет шва Ш3.

Для расчета шва Ш3 необходимо определить максимальную опорную реакцию траверсы.

.

Катет шва принимаем из условия:

.

Требуемая длина сварного шва:

.

Условие выполняется.

Проверим на срез участок стенки подкрановой ветви колонны в зоне пересечения со стенкой траверсы:

Условие на срез выполняется.

3.7 Расчет базы сквозной колонны

Составим расчетные комбинации усилий в подкрановой и шатровой ветвях колонны для сечения I-I.

Расчетная комбинация для базы подкрановой ветви:

Расчетная комбинация для базы шатровой ветви:

Продольные усилия в ветвях колонны от полученных комбинаций:

,

.

Максимальное продольное усилие для расчёта базы подкрановой ветви.

Расчет базы колонны производим для подкрановой ветви. Предварительно принимаем толщину траверсы 10 мм.

.

Согласно сортаменту принимаем .

Длину плиты определяем из условия работы на смятие бетона фундамента. Задаёмся маркой бетона В 7.5.

Принимаем .

Определяем изгибающие моменты полоски единичной ширины на характерных участках.

Фактическое давление под плитой базы:

.

Разбиваем плиту на 3 характерных участка:

участок I - опирающийся по четырем сторонам. Расчетный изгибающий момент в полоске единичной ширины на рассматриваемом участке:

участок II - опирающийся по трем сторонам. Расчетный изгибающий момент в полоске единичной ширины на рассматриваемом участке:

участок III - консольный. Расчетный изгибающий момент в полоске единичной ширины на рассматриваемом участке:

Наибольшее значение изгибающего момента для расчета плиты:

.

Требуемая толщина плиты:

.

Согласно сортаменту на толстолистовую сталь принимаем .

Толщину траверсы проверяем как срез консоли:

.

Высота траверсы определяется из условия прочности вертикальных сварных швов:

Принимаем:

,

Прочность траверсы на срез обеспечена.

Определяем требуемый катет шва крепления траверсы к плите базы :

Принимаем kf = 6 мм.

Расчет анкерных болтов и плиток производим для наиболее неблагоприятной комбинации усилий:

Продольное усилие, приходящееся на систему анкерных болтов подкрановой ветви:

.

Продольное усилие, приходящееся на систему анкерных болтов шатровой ветви:

.

Расчет анкерных болтов и плиток осуществляем для шатровой ветви. Принимаем материал болтов ВСт3кп2 по ГОСТ 380-71* с . Предварительно принимаем 2 болта на ветвь, т.е.:

.

Требуемая площадь сечения анкерного болта:

.

Принимаем болты Ш 20 мм с , .

Расчет анкерной плитки.

Задаёмся шириной плитки.

Из условия прочности анкерной плитки по нормальным напряжениям.

Принимаем .

4. Подбор сечений связевой системы

4.1 Вертикальные связи по колоннам

Подкрановая часть.

,

Сечение подбираем по предельной гибкости для сжатых элементов.

Принимаем для распорки Р - 1 L70Ч5 (ix = 1.53 см, А = 6,86 см2), стержни С - 1, С - 2 L50Ч5 (ix = 1.53 см, А = 4,8 см2).

Надкрановая часть.

,

Сечение подбираем по предельной гибкости для сжатых элементов.

,

Принимаем для распорки Р - 1 L50Ч5 (ix = 1.53 см, А = 4,8 см2), стержни С - 3, L50Ч5 (imin = 0.98 см, А = 4,8 см2).

4.2 Вертикальные связи по фермам

Сечение подбираем по предельной гибкости для сжатых элементов.

,

Принимаем для стержня ВС - 1 L90Ч7 (imin = 1,78 см, А = 12,3 см2).

Сечение подбираем по предельной гибкости для сжатых элементов.

,

Принимаем для стержня ВС - 2 L90Ч7 (imin = 1,78 см, А = 12,3 см2).

Сечение подбираем по предельной гибкости для сжатых элементов.

,

Принимаем для стержня ВС - 3 L90Ч7 (imin = 1,76 см, А = 12,3 см2).

Сечение подбираем по предельной гибкости для сжатых элементов.

,

Принимаем для стержня ВС - 4 L90Ч7 (imin = 1,76 см, А = 12,3 см2).

Гибкая связь по крайнему шагу.

,

Принимаем для стержня С - 4 L100Ч10 (imin = 1,96 см, А = 19,2 см2).

4.3 Горизонтальные связи по ферме

,

Принимаем для распорки Р - 3 L50Ч5 (ix = 1,53 см, А = 4.8 см2).

,

Принимаем для стержня C - 5 L56Ч5 (imin = 1,1 см, А = 5,41 см2).

,

Принимаем для стержня C - 6 L56Ч5 (imin = 1,1 см, А = 5,41 см2).

,

Принимаем для растяжки Р - 4 L80Ч6 (ix = 1,78 см, А = 9,38 см2).

,

Принимаем для распорки Р - 5 L75Ч5 (ix = 1,49 см, А = 7,39 см2).

Список используемых источников

1. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции/ Госстрой СССР. - М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 96с.

2. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов /Е.И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Ведеников и др.; Под общ. ред. Е.И. Беленя. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 560 с., ил.

3. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия/ Госстрой СССР. - М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 36с.

Размещено на Allbest.ru

...