Стальной каркас одноэтажного производственного здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра металлических конструкций и испытаний сооружений

Курсовая работа

Стальной каркас одноэтажного производственного здания

Выполнил:

Егоров Д.Ю.

Казань 2009 г.

Содержание

1. Общие замечания по выполнению курсового проекта

1.1 Исходные данные

2. Компоновка конструктивной схемы каркаса

2.1 Поперечная система каркаса

2.2 Продольная система каркаса

3. Расчет и конструирование подкрановых конструкций

3.1 Определение действующих нагрузок. Расчетные внутренние усилия

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

3.3 Проверка принятого сечения подкрановой конструкции

4. Статический расчет рамы

4.1 Нагрузки на раму

4.1.1 Расчетные постоянные нагрузки

4.1.2 Расчетная снеговая нагрузка

4.1.3 Нагрузка от мостовых кранов

4.1.4 Ветровая нагрузка

4.2 Статический расчет рамы. Определение расчетных внутренних усилий

5. Расчет и конструирование ступенчатой колонны

5.1 Определение расчетных длин участков ступенчатой колонны

5.2 Расчет и конструирование надкрановой части колонны

5.3 Расчет и конструирование нижней части колонны

5.4 Расчет и конструирование стыка верхней части колонны с нижней

5.5 Расчет и конструирование баз колонны

6. Расчет и конструирование стропильной фермы

6.1 Нагруки на ферму

6.2 Подбор сечений стержней стропильной фермы

6.2.1 Подбор сечения сжатых стержней

6.2.2 Подбор сечения растянутых стержней

6.3 Расчет сварных швов стропильной фермы

6.4 Компоновка опорного узла нижнего пояса

Список использованной литературы

1. Общие замечания по выполнению курсового проекта

В данном проекте предусматривается разработка стального каркаса одноэтажного производственного здания. Расчету и конструированию подлежат:

· Подкрановые конструкции;

· Стропильная ферма покрытия;

· Ступенчатая внецентренно-сжатая колонна.

1.1 Исходные данные

Пролет цеха: 36 м.

Грузоподъемность мостового крана: 32/5 т.

Отметка верха кранового рельса: 14.8 м.

Шаг колонн: 6 м.

Несущая конструкция кровли: ж/б плиты.

Длина здания: 144 м.

Класс бетона фундамента: В 12,5

Место строительства: Казань

Утеплитель: Минераловатные плиты

Марка стали для рам: 18 Гпс

Марка стали под подкрановые балки: ВСт3сп

2. Компоновка конструктивной схемы каркаса

При проектировании каркас производственного здания обычно расчленяется на две системы - поперечную и продольную, работа в каждой из них под нагрузкой принимается независимой. В состав этих систем включают конструкции, работа которых является определяющей для данной системы.

2.1 Поперечная система каркаса

стальной каркас балка конструкция

В поперечную систему - раму включают только колонны и ригели покрытия. Рама образуется двумя жестко заделанными, а фундамент ступенчатыми колоннами и ригелем - жестко опертой стропильной фермой. Стропильная ферма - ферма с параллельными поясами.

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

Размер h₁ =14800 мм - отметка верха кранового рельса.

Размер h₂ - диктуется вертикальными габаритами мостового крана:

h₂ = (h_c + 100) + a,

где: h_с = 2750 мм - габаритный размер крана от верха подкранового рельса до верхней точки тележки мостового крана; 100мм - зазор между этой точкой и низом стропильной фермы; а = 400мм - возможный прогиб конструкции.

h₂ = (2750 + 100) + 400 = 3250 мм.

h₂ = 3400 мм.

Полезная высота цеха:

H = 14800 + 3400 = 18200 мм

H = 18600 мм.

Высота верхней части колонны:

h_u = h_b + h_r + h₂

где h_b = 600 мм - высота подкрановой балки; h_r = 120 мм - высота рельса.

h_u = 600 + 120 + 3400 = 4120 мм

Высота нижней части колонны:

h_d = H - h_u + (500 мм)

h_d =18600 - 4120 + 500 = 14980 мм.

Общая высота колонны:

h = h_u + h_d = 4120 + 14980 = 19.1 м

Размер h_f =3150 мм - высота колонны у опоры ригеля.

Далее устанавливаем горизонтальные размеры с привязкой их к разбивочным осям. Привязка наружной грани колонны к разбивочной оси - h₀ = 250мм.

Ширина верхней части колонны назначается из конструктивных соображений:

b_u = b₀ + 200мм = 250 + 200 = 450 мм

Ширина верхней части колонны из условия обеспечения необходимой изгибной жесткости:

b_u 1/12 h_u

450 343.33 мм.

Расстояние от оси колонны до оси подкрановой балки.

B₁ + (b_u - b₀) + (60-75 мм),

где B₁ = 300мм - часть кранового моста, выступающая за ось рельса; 60-75 мм - зазор между краном и колонной.

300 + (450 - 250) + (60-75 мм) = 575 мм

= 750 мм.

Ширина нижней части колонны:

b_d = + b₀ = 750 + 250 = 1000 мм

b_d 1/20 h_d

1000 724 мм.

Рисунок 1

2.2 Продольная система каркаса

В продольную систему каркаса входят колонны, подкрановые балки, вертикальные связи и те из продольных элементов, которые выполняют роль связевых, обеспечивая устойчивость и неизменяемость каркаса в продольном направлении. В продольной системе колонны проектируются шарнирно опертыми на фундамент, при этом геометрическая неизменяемость обеспечивается постановкой по колоннам вертикальных связей. Вертикальные связи по колоннам проектируются двух типов: основные, располагаемые по всей высоте колонны от верхнего конца до фундаментов; верхние, располагаемые в пределах верхних участков колонн от верха подкрановых балок.

Основные связи следует располагать в средней части здания или температурного блока здания. Верхние связи устанавливают по краям здания или температурного блока, а также в тех местах, где расположены поперечные горизонтальные связи между ригелями покрытия. Рекомендуется применение связей с обычной крестовой решёткой. Примыкание связей к колоннам осуществляется по оси колонны при условии, что ширина колонны не превышает 600мм. При большей ширине колонны и при сквозных колоннах применяются парные связи, примыкающие к каждой полке или к каждой ветви колонны.

Связи по покрытию предусматриваются: в уровне верхних поясов стропильных ферм; в уровне нижних поясов стропильных ферм; вертикальные связи между стропильными фермами.

Связи по верхним поясам стропильных ферм состоят из продольных элементов - распорок и горизонтальных поперечных связевых ферм. Последние помещают по торцам здания или температурного блока. Узлы связевых ферм должны совпадать с узлами стропильных ферм. Коньковые узлы раскрепляются распорками.



Рисунок 2

Связи по нижним поясам стропильных ферм состоят из горизонтальных поперечных и продольных связевых ферм. Поперечные связевые фермы по нижним поясам ставятся под поперечными связевыми фермами по верхним поясам стропильных ферм.

Вертикальные связевые фермы располагают и местах установки поперечных связевых ферм.

3. Расчет и конструирование подкрановых конструкций

К подкрановым конструкциям относятся:

· подкрановые балки;

· тормозные балки;

· вертикальные и горизонтальные связи, обеспечивающие необходимую жесткость и неизменяемость конструкции;

· крановые рельсы с креплениями и упорами.

Подкрановые балки работают на подвижную динамическую нагрузку от мостовых кранов, воспринимая большие сосредоточенные силы давления крановых колес и испытывая одновременное воздействие вертикальных и горизонтальных (от торможения крановой тележки) нагрузок.

3.1 Определение действующих нагрузок. Расчетные внутренние усилия

Расчет подкрановой балки обычно производят на совместное действие двух сближенных кранов с грузовыми тележками, тормозящими вблизи балки.

Расчетные значения вертикальных и горизонтальных крановых нагрузок определяют по формулам:

F = F_{n f h} k_d1 ;

T = T_{n f h} k_d2 ,

T_n= T₀/n₀..

Здесь F_n = 320 кН - нормативная сила вертикального давления колеса крана на рельс; _f = 1.1 - коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок; _n = 0.95 - коэффициент надежности по ответственности; k_d1 =1 и k_d2 =1 - коэффициенты динамичности; = 0.85 - коэффициент сочетаний; T_n - нормативная горизонтальная нагрузка, приходящаяся на одно колесо крана; T₀ - полная нормативная горизонтальная нагрузка, вызываемая торможением тележки крана; n₀ = 2 - число колес с одной стороны крана.

Рисунок 3

T₀ определяется по следующей формуле:

T₀ = (Q + G),

где, = 0.05; Q = 320 кН - грузоподъемность крана, G = 85 кН - вес тележки.

T₀ = 0.05 (320 + 85) =20.25 кН

T_n = 20.25 / 2 = 10.125 кН

F = 320*1.1*0.95*1*0.85 = 284.24 кН

T = 10.125*1.1*0.95*1*0.85 = 9.038 кН

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 пролета балки. Максимальный изгибающий момент возникает в этом случае в сечении под этим грузом (правило Винклера).

Для определения максимально возможной перезывающей силы в балке от вертикальной нагрузки, краны располагают таким образом, чтобы одно из колес находилось непосредственно над опорой, а остальные - как можно ближе к ней.

Рисунок 4. Эпюры внутренних усилий.

Расчетные внутренние усилия в балке от действия вертикальных крановых нагрузок с учетом собственного веса подкрановых конструкций M_F и Q_F получают умножением величин M_max и Q_max на коэффициент ₁ = (1.05 1.07).

M_F = M_max * ₁ = 690.67 * 1.05 = 725.2 кН*м

Q_F = Q_max * ₁ = 227.36 * 1.05 = 238.73 кН

Расчетные изгибающий момент M_T и перерезывающая сила Q_T от горизонтальной нагрузки, вызываемой торможением тележки, определяются по формулам:

M_T = (T / F)* M_max = (9.038 / 690.67)* 284.24 = 21.96 кН*м

Q_T = (T / F)* Q_max = (9.038 / 227.36)* 284.24 = 7.23 кН

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

Подбор сечения начинается с определения требуемого момента сопротивления крайних фибр:

где R_y =24.5 кН/см² - расчетное сопротивление по пределу текучести стали поясов, г_с =1 - коэффициент условий работы.

Затем назначаются ориентировочные значения t_щ и h:

где

Здесь B = 6м - пролет подкрановой балки.

h = 600 мм;

Из условия наименьшего расхода стали определяется оптимальная высота балки:

Принимаем высоту балки:

h = 900 мм.

Кроме этого, толщина стенки должна удовлетворять условиям:

и

Итак, имеем:

Принимаем толщину стенки балки:

Ориентировочная площадь сечения поясного листа балки:

Принимаемые размеры полки должны удовлетворять условиям;

;

;

Окончательно принимаем следующие размеры сечения поясных листов подкрановой балки:

t_f = 14мм;

b_f = 200мм.

В состав тормозной конструкции (балки) входят верхний пояс подкрановой балки, горизонтальный лист, поддерживающий швеллер. Тормозные балки при ширине до 1.25-1.5м (расстояние от оси подкрановой балки до грани поддерживающего швеллера) обычно проектируют со стенкой из рифленого листа (ГОСТ 8568-57* «Сталь листовая рифлёная») толщиной t_sh = б-8 мм с рёбрами жёсткости из полосовой стали, расположенными через 1.5м по длине балки (ширина ребра не менее б5мм, толщина не менее 6мм). Ширина тормозной балки назначается из конструктивных соображений. Поддерживающий швеллер №16 при шаге колонн 6м обычно располагается наружной гранью стенки по наружной грани колонны (если не предусматриваются фахверковые стойки).



Рисунок 5

3.3 Проверка принятого сечения подкрановой конструкции

По назначенным размерам сечения подкрановой конструкции вычисляются фактические геометрические характеристики поперечного сечения подкрановой балки:

A - площадь поперечного сечения:

S_x - статический момент полусечения относительно оси X-X:

S_f - статический момент верхнего пояса относительно оси X-X:

J_xn - момент инерции сечения нетто относительно оси X-X:

W_xn - момент сопротивления крайних фибр сечения нетто относительно оси X-X:

J_y1n - фактический момент инерции сечения тормозной балки относительно центральной оси Y₁-Y₁;

Для упрощения последующих расчётов, несколько в запас прочности, общепринято условно считать, что на восприятие вертикальных крановых нагрузок работает только подкрановая балка, а на восприятие горизонтальных крановых нагрузок - только тормозная конструкция. При этом если специальная тормозная конструкция отсутствует, её роль выполняет верхний пояс подкрановой балки.

Расчет по первой группе предельных состояний.

1) Проверка уровня максимальных нормальных напряжений в крайних от колонны фибрах

Здесь R_y - расчетное сопротивление по пределу текучести материала пояса подкрановой балки, определяемое при фактической его толщине.

2) Проверка уровня максимальных касательных напряжений у опор балки

где R_S = 13,58 кН/см² - расчетное сопротивление сдвигу материала стенки, определяемое при фактической её толщине.

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

где г_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' = 320*1.1*0.95 = 334.4 кН

= 36см - условная длина распределения местного давления, здесь J_1f - сумма моментов инерции сечений верхнего пояса балки и кранового рельса относительно собственных горизонтальных центральных осей.

4. Статический расчет рамы

4.1 Нагрузки на раму

При расчете рамы следует установить расчетные постоянные нагрузки от массы ограждающих и несущих конструкций, расчетные временные, технологические и атмосферные нагрузки.

4.1.1 Расчетные постоянные нагрузки

Нагрузка от массы всех ограждающих и несущих конструкций покрытия принимается равномерно распределенной по длине ригеля. Обычно величина этих нагрузок определяется в табличной форме.

Таблица 4.1

Наименование нагрузки	Нормативная giH, кН/м2	Коэффициент fi	Расчетная gi= giH*fi
Гранитная защита	0.4	1,3	0.52
Гидроизоляция (4слоя руберойда)	0.2	1,3	0.26
Асфальтовая стяжка t=20мм, г1800кг/м3	0,36	1,25	0,448
Утеплитель (минераловатные плиты повышенной жесткости), с=200кг/м3, t=150мм	0.18	1,2	0.22
Пароизоляция (1 слой руберойда)	0,05	1,3	0,07
Сборные ж/б плиты	1,6	1,1	1,76
Собственный вес строительных конструкций стропильные фермы	0,2	1,05	0,21
Связи	0,06	1,05	0,065
ИТОГО:			g0=gi=3,543кН/м2

Расчетная постоянная погонная нагрузка на ригель рамы

g = g₀ B _n

g = 3,543*6*0.95 = 20,195 кН/м

4.1.2 Расчетная снеговая нагрузка

При расчете рамы нагрузка от веса снега принимается равномерно распределенной по длине ригеля. Нормативное значение снеговой нагрузки на 1 м² горизонтальной проекции покрытия определяют по формуле:

Sⁿ = S₀ ,

где, S₀ = 1,5 кН/м² - нормативное значение веса снегового покрытия на 1 м² горизонтальной поверхности земли; =1 - коэффициент перевода веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.

Sⁿ = 1,5*1 = 1,5 кН/м²;

Расчетную снеговую нагрузку на ригель рамы определяют по формуле:

S = f Sn B n

где, _f = 1.4 - коэффициент надежности по нагрузке для снеговой нагрузки; _n = 0.95.

S = 1.4*1,5*6*0.95 = 11.97 кН/м.

4.1.3 Нагрузка от мостовых кранов

Вертикальное давление подкрановых конструкций на рассматриваемую раму определяют от двух сближенных кранов при их невыгодном для колонны расположении. Считается, что грузовые тележки максимально приближены к одной стороне рамы.



Рисунок 6

Наибольшее расчетное вертикальное давление на колонну рамы, ближайшую к грузовым тележкам, определяется по формуле:

D_max =F y_i + G_П.К.

где, F = 284,24 кН - расчетное значение вертикальной нагрузки; G_П.К.- вес подкрановой балки =0,2hB=22,92 кН.

D_max = 284,24*(1 + 0.8 + 0.0667) + 22,92 = 534,55 кН

Наименьшее расчетное вертикальное давление на противоположную колонну рамы:

D_min = k_{d1 f h} F_{n min} y_i + G_П.К.;

где _f = 1.1 - коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок; _n = 0.95 - коэффициент надежности по ответственности; k_d1 =1.1 - коэффициент динамичности; = 0.85 - коэффициент сочетаний; F_{n min} - вертикальная нормативная сила минимального давления крана на рельс, определяемая по формуле:



где: G = 554 кН - полный вес крана с тележкой;

Q = 320 кН - грузоподъемность крана; n₀ = 2 - число колес на одной стороне крана.

F_n = 320 кН - нормативная сила вертикального давления крана на рельс;

D_min = 0.85*1*1.1*0.95*152,76*(1 + 0.8 + 0.0667) + 22,92 = 462,55 кН.

Расчетное горизонтальное давление на колонну рамы T_k от торможения тележек кранов с грузом определяется, как произведение горизонтальной крановой нагрузки на сумму ординат линии влияния:

T_k = 9.038*(1 + 0.8 + 0.0667) = 16.26 кН.

4.1.4 Ветровая нагрузка

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

q_w = _{f 0} kcB

q_w' = _{f 0} kc'B

где: _f =0.95 - коэффициент надежности по ответственности;

_f =1,4 - коэффициент надежности по нагрузке для ветровой нагрузки;

₀ = 0,3 кН/м² - нормативное значение ветрового давления, для данного района строительства;

k - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте; с = 0.8 и с' = 0.6 - аэродинамические коэффициенты для наветренной и подветренной сторон соответственно.

q₅ = 1.4*0.3*0.5*0.8*6 = 1.008 кН/м

q₁₀ = 1.4*0.3*0.65*0.8*6 = 1.3104 кН/м

q_18.6 = 1.4*0.3*0.822*0.8*6 = 1.657 кН/м

q_21.75 = 1.4*0.3*0.872*0.8*6 = 1.758 кН/м

q₄₀ = 1.4*0.3*1.1*0.8*6 = 2.2176 кН/м

q'₅ = 1.4*0.3*0.5*0.6*6 = 0.756 кН/м

q'₁₀ = 1.4*0.3*0.65*0.6*6 = 0.9828 кН/м

q'_18.6 = 1.4*0.3*0.822*0.6*6 = 1.243 кН/м

q'_21.75 = 1.4*0.3*0.872*0.6*6 = 1.318 кН/м

q'₄₀ = 1.4*0.3*1.1*0.6*6 = 1.663 кН/м

Распределенные нагрузки имеют ломаное очертание, что затрудняет статический расчет. Для его упрощения допускается расчет рамы выполнять на действие эквивалентных, равномерно распределенных по длине колонны нагрузок q_экв иq'_экв

q_экв= q_wK_э=0,95 кН/м

определяется значение эквивалентной нагрузки с подветренной стороны:

q'_экв= q'_wK_э=0.71 кН/м

Где k₀ - коэффициент k у поверхности земли;

k_н - коэффициент k на отметке Н;

Н - высота колонны, м.

Ветровая нагрузка, действующая на участке h_f от низа ригеля до наиболее высокой точки цеха, заменяется сосредоточенными силами, приложенными в уровне низа ригеля:

;

4.2 Статический расчет рамы. Определение расчетных внутренних усилий

В современной инженерной практике статический расчет рамы выполняется с использованием ЭВМ отдельно на каждый вид загружения. Результаты статического расчета рамы оформляются в виде сводной таблицы внутренних усилий, найденных в характерных сечениях одной колонны (обычно левой). В этой же таблице, во второй ее части, производится определение расчетных внутренних усилий в этих сечениях колонны. Расчетными внутренними усилиями считаются такие, которые, возникая при некоторой комбинации загружений, приводят к самому необходимо мощному сечению колонны (или анкерных болтов) при его компоновке. Соответственно, комбинация (сочетание) загружений, приводящая к возникновению расчетных внутренних усилий в рассматриваемом сечении, является расчетной для него.

Обычно рассматриваются два типа основных сочетаний загружений:

- основное сочетание, в котором учитываются загружение всеми постоянными нагрузками и одно, наиболее неблагоприятное, кратковременное загружение, внутренние усилия от которого принимаются с коэффициентом сочетания = 1;

- основное сочетание, в котором учитываются загружение всеми постоянными нагрузками и не менее двух наиболее неблагоприятных, кратковременных загружений, внутренние усилия от последних принимаются с коэффициентом сочетания =0.9.

Для выявления расчетного сочетания загружений в рассматриваемом сечении, следует вначале скомпоновать ограниченный крут вариантов сочетаний, куда непременно попадёт расчетное.

Эти несколько вариантов компонуются следующим образом.

1) Отбирается наиболее неблагоприятное кратковременное загружение (загружения) по одному из нижеперечисленных критериев;

* наибольший возможный положительный момент +M_max и соответствующие ему значения N и Q;

* наибольший по абсолютной величине возможный отрицательный момент -M_max и соответствующие ему значения N и Q;

* наибольшая возможная сжимающая сила - N_max и соответствующие ей значения +M и Q;

* наибольшая возможная сжимающая сила - N_max и соответствующие ей значения - М и Q.

2) Затем внутренние усилия, вызываемые отобранным кратковременным загружением (загружениями), складываются с соответствующими внутренними усилиями, вызываемыми загружением всеми постоянными нагрузками.

При выборе кратковременных загружений, входящих в искомую комбинацию, следует учитывать следующее:

1) комбинация загружений должна быть реальной (ветер не может действовать одновременно и справа, и слева; D_max не может действовать одновременно и на правую, и на левую стойки и т.д.);

2) вертикальное крановое давление и поперечное торможение считается одним кратковременным загружением;

3) поперечное торможение не может действовать отдельно от вертикального кранового давления и, напротив, вертикальное крановое давление может действовать отдельно от поперечного торможения.

Наиболее неблагоприятное сочетание загружений для расчёта участков колонны выявляется сравнением внутренних усилий, вызываемых тем или иным сочетанием.

Для расчета анкерных болтов, работающих на растяжение, расчетным сочетанием будет такое, при котором возникающий момент в опорном сечении будет иметь возможно большее по абсолютной величине значение, а нормальная сила - наименьшее.

Учитывая возможную изменчивость нагрузок от собственного веса в меньшую сторону от нормативных, при расчете анкерных болтов все постоянные нагрузки должны приниматься с коэффициентом надежности по нагрузке г_f = 0.9.

При статическом расчете рамы на ЭВМ были получены следующие данные:

Рисунок 7

Принятые правила знаков внутренних усилий:

M+ растянутые волокна элемента расположены внутри контура рамы;

N+ растягивает элемент;

Q+ вращает отсеченную часть элемента по часовой стрелке.

5. Расчет и конструирование ступенчатой колонны

5.1 Определение расчетных длин участков ступенчатой колонны

Для одноступенчатых колонн одноэтажных промышленных зданий, жестко закрепленных и фундаментах при помощи анкерных болтов, значения коэффициентов приведения расчетной длины в плоскости рамы определяются раздельно: для нижнего м_x1 и верхнего м_x2 участков колонны. Коэффициент м_x1 следует принимать в зависимости от отношения погонных изгибных жесткостей участков.

и величины отношения критических сил потери устойчивости по участкам:

где: J₁, l₁, J₂, l₂ -моменты инерции сечений и длины соответственно нижнего и верхнего участков колонны;

Здесь F₁ = D_max = 534,55 кН; F₂ =579,11 кН - опорное давление ригеля от действия на него нагрузки от собственного веса и снега.

При верхнем конце колонны, закрепленном от поворота и возможности его свободного смещения вдоль рамы, коэффициент м_x1 определяется по табл. 68 СниП II-23-81* “Стальные конструкции”

м_x1=1,7415

Коэффициент расчетной длины м_x2 для верхнего участка колонны следует определять по формуле:

Принимаем µ_х2=3

Из плоскости рамы участки ступенчатой колонны считаются закрепленными шарнирно, и поэтому коэффициенты приведения расчетной длины м_y1 м_y2 принимаются равными единице.

Расчетные длины участков колонны в плоскости и из плоскости рамы определяются по формулам:

5.2 Расчет и конструирование надкрановой части колонны

Предварительный подбор сечения верхней части колонны производят по приближенной формуле Ясинского:

,

N - расчетное продольное усилие;

е_x, = M_x / N - эксцентриситет действия продольной силы;

М_x - расчетный изгибающий момент;

h = b_u - высота сечения колонны.

Расчетные значения продольной силы N и изгибающего момента М_x на участке колонны следует выбирать по данным таблицы расчетных сочетаний загружений для сечений 1-1 или 2-2 при одной и той же комбинации загружений. При этом за расчетные значения N и M_x принимаются такие, для которых значение A_cal максимально.

Составное сварное сечение верхней части колонны компонуется из трех листов (рис. 8), которые должны соответствовать ГОСТ 82-70 "Сталь широкополосная универсальная"

Рисунок 8. Сечение верхней части колонны.

Сначала определяются размеры стенки колонны

Принимаем:

Размеры полки колонны назначают из условий:

Принимаем:

;

Далее производится проверка несущей способности верхней части колонны с подобранным сечением.

По назначенным размерам сечения определяются его фактические геометрические характеристики: A - площадь поперечного сечения; J_x, J_y - моменты инерции сечения относительно центральных осей X-X и Y-Y; W_x - момент сопротивления крайних фибр сечения относительно оси X-X; i_x; I_y - радиусы инерции сечения относительно центральных осей X-X и Y-Y.



Определяются гибкости и условные гибкости стержня верхней части колонны в плоскости и из плоскости рамы:

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

где; з - коэффициент влияния формы сечения (определяется по табл.73

СниП II-23-81* “Стальные конструкции” зависящий от отношения площади сечения полки к площади сечения стенки: условной гибкости стержня колонны , и относительного эксцентриситета:



здесь e_x - эксцентриситет действия силы.

В зависимости от , и m_efx по табл. 74 СниП II-23-81* “Стальные конструкции” определяется коэффициент продольного изгиба при внецентренном сжатии ц_e:

Проверка обеспечения устойчивости колонны в плоскости рамы выполняется по формуле:

При изгибе колонны в плоскости наибольшей жесткости (J_x>J_y) необходимо выполнить проверку обеспечения устойчивости участка колонны из плоскости действия момента.

Устойчивость верхней части колонны из плоскости рамы проверяется по формуле:

Так как m_x=3,948<5, здесь коэффициент «с» следует определять по формуле



б=0,65+0,05*m_x=0.755

л_y<л_c

?_y=0.91

?_c=0.605

5.3 Расчет и конструирование нижней части колонны

Сечение нижней части сквозной колонны принимается состоящим из двух ветвей: подкрановой и наружной (шатровой), соединенных в двух плоскостях решеткой.

Расчет нижней части колонны начинают с выбора расчетных значений внутренних усилий для наружной (N₂, M₂, растягивающий внутренние волокна стержня колонны) и подкрановой (N₁, M₁, растягивающий наружные волокна стержня колонны) ветвей колонны. Эти нагрузки выбираются из таблицы расчетных сочетаний.

Предварительно продольные усилия в ветвях колонны находят следующим образом:

в подкрановой ветви:

в наружной ветви

где y₁, y₂ - расстояния от центра тяжести сечения нижней части колонны до центра тяжести соответствующей ветви (на этой стадии ):

Ориентировочная требуемая площадь находится по формулам:

Далее назначаются сечения ветвей колонны. В качестве подкрановой ветви примем сварной двутавр со следующими геометрическими характеристиками:

h_w1 =560мм; t_w1=20мм; b_f1=200мм; t_f1=10мм;

В качестве наружной ветви принимаем сварное сечение в виде швеллера со следующими геометрическими характеристиками:

h_w2 =630мм; t_w2=18мм; b_f2=200мм; t_f2=12мм;



Рисунок 9

Далее определяются точные геометрические характеристики сечений ветвей и всего сечения колонны.

h₀ = b_d-z₀ = 95.86см

y₁ = h₀A₂/A= 52см

y₂ = h₀-y₁= 48см

Вновь вычисляются продольные усилия в обеих ветвях с подстановкой в них точных значений y₁ и y₂.

в подкрановой ветви:

в наружной ветви

После этого производится проверка устойчивости каждой из ветвей из плоскости рамы по формулам:



Здесь ц_yН и ц_yП - коэффициенты продольного изгиба при центральном сжатии соответственно для подкрановой и наружной ветвей, определяемые в зависимости от гибкостей этих ветвей из плоскости рамы:

Устойчивость ветвей обеспечена.

Далее определяется максимально возможное расстояние между узлами соединительной решетки. Чтобы исключить возможную местную потерю устойчивости, назначим размеры стержней колонны между ветвями решеток такими, чтобы они работали как сжатый элемент. Разобьем колонну на 14 участков длиной по 102 мм. Тогда гибкости подкрановых и наружных участков колонны в плоскости рамы будут соответствено равны:

Проверку устойчивости колонны как единого стержня составного сечения начинают с подбора сечения элементов решетки.

Раскосы решетки рассчитывают на большую из поперечных сил или условную, если таковая больше:

Поперечная сила распределяется поровну между решетками, лежащими в плоскостях, перпендикулярных оси, относительно которой производится проверка устойчивости.

Продольное усилие в раскосе находят по формуле:

где б - угол наклона раскоса.

Требуемая площадь сечения раскоса, выполняемого из одиночного уголка:

По сортаменту подбирается подходящее сечение раскоса с площадью A_d и выписывается I_min. Уголок 45х5 по ГОСТ 8509-93

Расчетная длина и максимальная гибкость определяется формулами

Далее выполняется проверка устойчивости раскоса, как центрально сжатого с подобранным сечением:

Гибкость стержня нижней части колонны относительно свободной центральной оси Х-Х:

Приведенная гибкость сквозной нижней части колонны при соединении ветвей раскосной решеткой:

где ₁ - коэффициент, определяемый по табл. 7 [I].

Условная приведенная гибкость:

Заранее неизвестно, какая из групп внутренних усилий (N₂, M₂) и (N₁, M₁) определяет общую устойчивость. Поэтому по каждой группе внутренних усилий определяются относительные эксцентриситеты.

Для группы внутренних усилий, вызывающих наибольшее сжатие в подкрановой ветви:



Для группы внутренних, усилий, вызывающих наибольшее сжатие в наружной ветви:

По и каждому из относительных эксцентриситетов m_x по табл. 75 СНиП II-23-81* “Стальные конструкции” определяются коэффициенты ц_e1 и ц_e2.

Наконец, проверка устойчивости нижней части колонны как единого стержня в плоскости действия момента производится по формуле

5.4 Расчет и конструирование стыка верхней части колонны с нижней

Расчетные комбинации усилий в сечении над уступом:

1. М=-535,19 кН*м; N=578,97 кН (загружение 1,2)

2. М=-273,63 кН*м; N=362.56 кН (загружение 1,3,4*)

Давление кранов D_max=534,55 кН

Прочность стыкового шва проверяем в крайних точках сечения надкрановой части.

Первая комбинация M иN:

Наружная полка

Внутренняя полка

Прочность шва обеспечена с большим запасом.

Сопряжение нижней части колонны с верхней осуществляется через траверсу.

Толщина стенки траверсы определяется из условия смятия давлением D_max, распределенным на длине

где а = 200мм - ширина опорного ребра подкрановой балки и t_f1- толщина верхней полки траверсы, принимаемая предварительно 25-30 мм.

Тогда

Здесь R_p = 37кН/см² - расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности (при наличии пригонки) материала стенки траверсы.

При первой комбинации M и N усилия во внутриней полке:

Длина шва крепления вертикального ребра траверсы к стенке траверсы:

l_w2=N_fг_n/4k_f(вR_wг_w)_min=34.4 см

Для получения расчетных внутренних усилий N и M в таблице расчетных сочетаний нагрузок отыскивается такая комбинация загружений, которая дает в сечении 2-2 по возможности максимальное сжимающее усилие.

Требуемая длина шва:

Из условия прочности стенки подкрановой ветви в месте крепления траверсы определим высоту траверсы h_тр

t_w1=1см;

R_s=0.58R_y=14.21 кН/см²

Максимально возможная перерезывающая сила:

k=1.2

Уровень максимальных усредненных касательных напряжений в стенке траверсы:

5.5 Расчет и конструирование баз колонны

Проектируем базу колонны раздельного типа.

Расчетные сочетания усилий в нижнем сечении колонны:

1. М₂=88249кН*см; N₂=-1042,9 кН (загружение 1,2)

2. М₁=4217 кН*см; N₁=367 кН (загружение 1,4*,5)

R_b=0.75 кН/см²

Ш=1

б=1

?_b=0,9

По конструктивным соображениям свес плиты с₂ должен быть не менее 4 см. Тогда

Но при L_тр=24см с₁<0, тогда примем с₁=4см и подсчитаем L_тр:

Площадь плиты

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты:

Участок 1 (консольный свес с=с₁=4см), кН*см:

Участок 2 (консольный свес с=с₂=5,8см), кН*см:

Участок 3 (плита, опертая на 4 стороны: b/a=56/20=2.8>2; б=0,125), кН*см:

Участок 4 (плита, опертая на 4 стороны: b/a=56/(b_k-t_w2-b_f2)=56/13.52=4.14>2; б=0,125), кН*см:

M_max=M₃=20 кН*см

Определим толщину опорного листа исходя из максимального изгибающего момента:

Высота траверсы определяется прочностью сварных швов, прикрепляющих траверсу к ветвям колонны. В запас прочности все усилия в ветви передаем на траверсы через 4 угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой Св-08Г2С, d=2мм, k_f=8мм. Требуемая длина швов определяется по формуле:

Примем h_тр=30см по сортаменту.

Проверку прочности траверсы проводим по формуле:



Рисунок 10

6. Расчет и конструирование стропильной фермы

В качестве несущих конструкций покрытия в курсовом проекте предусмотрены стропильные фермы с треугольной решеткой со стойками.

6.1 Нагруки на ферму

Нагрузками, на которые рассчитывается ферма покрытия являются:

· Нагрузка от собственного веса фермы;

· Нагрузка от снега по всему пролету;

· Нагрузка от снега на половине пролета;

· Момент от защемления фермы за счет ее жесткого сопряжения с колоннами;

· Распор от колонн.

Усилия, возникающие от приведенных выше нагрузок, приведены на распечатке расчета фермы (прилагается к пояснительной записке) от единичных загружений. Действительные загружения равны:

От собственного веса:

От снега:

6.2 Подбор сечений стержней стропильной фермы

В данном курсовом проекте предусмотрены стропильные фермы со всеми стержневыми элементами из парных уголков, составленных в тавр.

6.2.1 Подбор сечения сжатых стержней

При подборе сечения стержней 2,6,7,30,31,36 из двух уголков, составленных в тавр, назначаем коэффициент продольного изгиба: , затем вычисляем требуемую площадь сечения центрально сжатого стержня:

для одного уголка стержня:

Из сортамента прокатной стали выбираем уголок с площадью поперечного сечения А=32,49см². Для двух уголков составленных в тавр выписываем геометрические характеристики сечения:

исходя из расчетных длин стрежней:

определим гибкости этого элемента в плоскости и из плоскости фермы;

Для полученных значений гибкостей найдем минимальное значение коэффициента продольного изгиба:

Предельная гибкость [л]=94.9>л_x=92.1

Проверим стержень с назначенным сечением на устойчивость:

При подборе сечения стержней 12,13,18,19,24,25 из двух уголков, составленных в тавр, назначаем коэффициент продольного изгиба: , затем вычисляем требуемую площадь сечения центрально сжатого стержня:

для одного уголка стержня:

Из сортамента прокатной стали выбираем уголок с площадью поперечного сечения А=52,18см². Для двух уголков составленных в тавр выписываем геометрические характеристики сечения:

исходя из расчетных длин стрежней:

определим гибкости этого элемента в плоскости и из плоскости фермы;

Для полученных значений гибкостей найдем минимальное значение коэффициента продольного изгиба:

Предельная гибкость [л]=61,55>л_x=54,05

Проверим стержень с назначенным сечением на устойчивость:

При подборе сечения сжатых раскосов из двух уголков, составленных в тавр, назначаем коэффициент продольного изгиба: , затем вычисляем требуемую площадь сечения центрально сжатого стержня:

для одного уголка стержня:

Из сортамента прокатной стали выбираем уголок с площадью поперечного сечения А=24,33см². Для двух уголков составленных в тавр выписываем геометрические характеристики сечения:

исходя из расчетных длин стрежней:

определим гибкости этого элемента в плоскости и из плоскости фермы;

Для полученных значений гибкостей найдем минимальное значение коэффициента продольного изгиба:

Предельная гибкость [л]=99,3>л_x=90,4

Проверим стержень с назначенным сечением на устойчивость:

При подборе сечения стоек из двух уголков, составленных в тавр, назначаем коэффициент продольного изгиба: , затем вычисляем требуемую площадь сечения центрально сжатого стержня:

для одного уголка стержня:

Из сортамента прокатной стали выбираем уголок с площадью поперечного сечения А=13,75см². Для двух уголков составленных в тавр выписываем геометрические характеристики сечения:

исходя из расчетных длин стрежней:

определим гибкости этого элемента в плоскости и из плоскости фермы;

Для полученных значений гибкостей найдем минимальное значение коэффициента продольного изгиба:

Предельная гибкость [л]>л_x

Проверим стержень с назначенным сечением на устойчивость:

6.2.2 Подбор сечения растянутых стержней

Требуемая площадь растянутых стержней 4 и 34 нижнего пояса определяется по формуле:

для одного стержня:

По сортаменту принимаем уголок с площадью поперечного сечения 13,75см².

Требуемая площадь растянутых стержней 10,46,22,28 нижнего пояса определяется по формуле:

для одного стержня:

По сортаменту принимаем уголок с площадью поперечного сечения 42,19 см².

Требуемая площадь растянутых стержней раскосов определяется по формуле:

для одного стержня:

По сортаменту принимаем уголок с площадью поперечного сечения 15,6см².

Но так как для сжатых раскосов мы приняли уголок , то и для растянутых раскосов примем этот же уголок.

Таблица подбора сечений стержней фермы для ее левой половины:

6.3 Расчет сварных швов стропильной фермы

Для обеспечения совместной работы двух уголков, из которых состоит сечение стержневого элемента, между ними помещаются соединительные прокладки. Расстояние в свету l_пр между этими прокладками для сжатых элементов -40i, но не менее двух в пределах его длины; для растянутых элементов -80i, i-радиус инерции уголка относительно оси, параллельной плоскости расположения прокладок.

Для верхнего пояса:

I=6.3 см l_пр=252 см, но так как их длина 300 см, устанавливаем 2 прокладки через 100 см.

I=7,96 см l_пр=318,4 см, но так как их длина 300 см, устанавливаем 2 прокладки через 100см.

Для нижнего пояса:

I=4,59 см l_пр= 376,2 см, но так как их длина 600 см, устанавливаем прокладку через 200 см.

I=7,84 см l_пр=627,2 см, но так как их длина 600 см, устанавливаем прокладку через 200 см.

Для стоек:

I=4,59 см l_пр=183,6 см, но так как их длина 315 см, устанавливаем 2 прокладки через 105 см.

Для сжатых раскосов:

I=5,66 см l_пр=226,4 см, но так как их длина 435 см, устанавливаем 2 прокладки через 145 см.

Для растянутых раскосов:

I=5,66 см l_пр=452,8 см, но так как их длина 435 см, устанавливаем 2 прокладки через 145 см.

Требуемые длины сварных швов определяются по минимальному значению из формул:

- по металлу шва:

- по металлу границы сплавления:

Где в_f=0.9;

в_z=1.05;

г_wf(z)=1;

R_wfв_f=215*0.9=193 > R_wz=0.45*370*1.05=175

(г_wвR_w)_min=17.5 кН/см²

K_f^пер=0,8t

K_f^обушка=1,2t

Для всех сечений уголков подбираем K_f^пер_, K_f^обушка и выделяем из них 3 катета шва, равные 0.6, 0.9, 1.5.

Проведем подсчет длин швов и запишем данные в таблицу:

Таблица 6.1

№ стержня	Расчетное усилие N, кН	Катет шва, мм	Длина шва по перу, см	Катет шва, мм	Длина шва по обушку, см
			Расчетная	Принятая		Расчетная	Принятая
2	269.7	6	3.52	4	9	6.14	7
6,7	919.01	9	6.74	7	12	18.5	19
12,13	1470.37	9	10.2	11	12	29	29
18,19	1654.2	9	11.3	12	12	32.5	33
4,34	505.44	6	7.49	8	9	12.7	13
10,28	1240.6	9	8.76	9	12	24.6	25
16,22	1608.27	9	11	11	12	31.6	32
3,35	732.84	9	5.58	6	12	14.9	15
5,33	599.62	9	6.63	7	12	16.2	17
9,29	466.35	9	5.37	6	12	12.8	13
11,27	465.69	9	5.37	6	12	12.8	13
15,23	199.84	9	2.87	3	12	6.1	7
17,21	66.58	9	1.62	2	12	2.69	3
1,37	48.24	6	1.6	2	9	2.1	3
8,14,20,26,32	96.49	6	2.24	3	9	3.2	4

Концы стержней решетки не доводят до пояса на расстояние

а = 6t - 20 = 64 мм.

Обрезку уголков стержней решетки предусматривают, преимущественно, перпендикулярно оси стержня.

6.4 Компоновка опорного узла нижнего пояса

Швы крепления фланца к фасонке воспринимают опорную реакцию фермы F_R и внецентренно приложенную силу Н (центр шва не совпадает с осью нижнего пояса). Под действием этих усилий угловые швы работают на срез в двух направлениях

Прочность соединения по металлу шва проверяется в точке действия наибольших результирующих напряжений по формуле:

Рисунок 11

l_w = 56 см исходя из чертежа.

K_f = 10 мм

В_f = 0.7

Н = 505,44 кН

F_R = F_сн + F_пост = 578.97 кН

Список использованной литературы

1. Учебник «Металлические конструкции» (Авт. Е.И. Беленя)

2. СНиП 2-23-81^* «Стальные конструкции»

3. СНиП 2.02.07-85^* «Нагрузки и воздействия»

4. Методическое указание к курсовому проекту (часть 1)

5. Методическое указание к курсовому проекту (часть 2)

Размещено на Allbest.ru

...