Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные для проектирования

Назначение здания (цеха) - производственное одноэтажное однопролетное

Район строительства - г. Владивосток;

Пролет здания в осях АВ - 33м, АБ и БВ по 16,5 м (рис. 2);

Длина здания - 96м;

Отметка верха перекрытия H0 = 7м;

Отметка низа ригеля H1 = H0 + 3,3 = 7 + 3,3 = 10,3м;

Временная нормативная нагрузка на перекрытие qn = 14,2 кН/м2;

Постоянная нормативная нагрузка на перекрытие pn = 1,5 кН/м2;

Сопряжение балок - в одном уровне;

Материал - сталь: колонна по оси А и В - класса С245, по оси Б - класса С245, ферма - класса С345, главной балки - класса С245, балки настила - класса С245.

Заводские соединения - сварные, монтажные соединения - болтовые; уклон кровли i = 7°.

2. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания

Назначаем шаг колонн В = 6м и опираем на них стропильные фермы. Привязку наружной грани колонны к продольным координационным осям А и В принимаем нулевой (а = 0). У торцов здания для удобства оформлении углов стеновыми панелями колонны смещаем с модульной сетки координационных осей на 500 мм. При заданной длине здания 96м устройство температурного шва не требуется. Сопряжение колонн с фундаментами принимаем жестким, ригелей с колоннами - шарнирное.

Высота сечения колонны по осям А и В в первом приближении соответствуют двутавру 40 К1, по оси Б - двутавру 35К1. Профили приняты, исходя из опыта проектирования, а также величины исходной нагрузки, и длин балок.

Для обеспечения геометрической неизменяемости пространственной системы каркаса предусмотрены связи по покрытию и связи между колоннами. Они позволяют уменьшить расчетную длину элементов конструкций; воспринимают ветровые нагрузки, действующие на каркас, и обеспечивают его пространственную работу.

Схема расположения рабочей площадки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема расположения рабочей площадки



Рис. 2. Компоновочная схема поперечной рамы здания

3. Расчет стального настила

Простейшая конструкция такого настила состоит из плоского стального листа, уложенного на балки и приваренного к ним.

Исходные данные.

Расчетный пролет настила lн = 970мм. Материал настила сталь С245 [1, табл. 50*]. Вертикальный предельный прогиб fu(0,97) = 1/120.

Сварка элементов - ручная дуговая сварочной проволокой Св-08-02ГС, по [7, прил.5, табл.1], положение швов нижнее.

Нормативная нагрузка на 1 м2 настила

.

Расчетная схема настила показана на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная схема настила

Толщина настила при вертикальном предельном прогибе fu = lн/120

;

tн = 120/191,94 = 0,51см. Здесь .

Настил проектируем из листовой прокатной горячекатаной стали (ГОСТ 19903-74); tн = 6мм; ширина листов 950 мм.

4. Расчет балки настила

Исходные данные.

Балки настила - прокатные, из двутавров по ГОСТ 26020-83, тип Б; пролет балки настила lб.н. = 6 м. Материал - сталь С245 по ГОСТ 27772-88* с

Ry = 240 МПа при t = 2…20 мм; Rs = 0,58Ry = 139,2 МПа. Расчетные характеристики стали приняты по [6, прил. В.4, В.5].

Вертикальный предельный прогиб fu(6) = 1/200 (подсчитан по линейной интерполяции между 150(3м) и 200(6м)) [2, прил. Е, табл. Е.1]

Нормативная нагрузка на 1 пог.м балки

где qn = 14,2 кН/м2 и pn = 1,5 кН/м2 - соответственно временная и постоянная нормативные нагрузки на балочную клетку по зданию;

- вес 1 м2 настила

(здесь mн = 51,0 кг/м2 по [6, прил. Ж, табл. Ж.2]); а = 0,97 м - шаг балок настила в пролете А-Б;

- масса 1 пог.м балки настила (ориентировочно для балки настила принят I 26Б1, [6, прил. Ж, табл. Ж.4].

Расчетная нагрузка на 1 пог.м балки

где =1,2, =1,05 - коэффициенты надежности по нагрузке соответственно для временной и постоянной нагрузок по заданию и для нагрузки от собственного веса металлических конструкций [2, табл. 1].

Статический расчет балки

Рис. 4. Расчетная схема балки настила

Конструктивный расчет балки

При изгибе балки в одной плоскости и упругой работе стали, номер прокатного профиля определяют по требуемому моменту сопротивления

где Ry - расчетное сопротивление стали; гс - коэффициент условий
работы.

По сортаменту ГОСТ 26020-83 принимаем двутавр I 30Б1 и выписываем его геометрические характеристики:

Wxn= 427 см3; Ix = 6328 см4; S = 240 см3; h = 296 мм; bf = 140 мм; tw=0,58см; tf=0,85см; mбн = 32,9 кг/м.

Учитывая, что при подсчете расчетных усилий, нагрузка от собственного веса балки настила принималась приближенно, следует выполнить корректировку расчета с учетом фактического собственного веса.

Уточненные значения нагрузки и усилий в балке настила:

Проверка прочности балки в сечении с M = Mmax и Q = 0

где у - максимальные нормальные напряжения;

Wxn - момент сопротивления сечения нетто относительно оси x-x.

В сечении с Q = Qmax и M = 0



где ф - максимальные касательные напряжения;

Sx - статический момент полусечения брутто, относительно оси x-x;

Ix - момент инерции сечения брутто относительно оси x-x;

tw - толщина стенки балки.

Проверка на жесткость балки настила.

Следовательно, жесткость балки обеспечена.

Расход стали на 1м2 балочной клетки в осях А-Б от настила и балок настила:

.

Здесь - площадь ячейки балочной клетки в осях
А-Б; n = 18 - количество балок настила в ячейке.

5. Расчет и конструирование ригеля перекрытия

Исходные данные.

Ригель перекрытия проектируем составного двутаврового сечения из листового проката; 1-го класса; по статической схеме - шарнирно опертая; пролет ригеля l = 16,5 м; материал - сталь С345 по ГОСТ 27772-88* с Ry = 320 мПа при t = 2…20 мм; Rs = 185,6 МПа; Rp = 460 МПа. Расчетные характеристики стали приняты по [6, прил. В.4, В.5].

Поясные швы выполняются автоматической сваркой под флюсом (флюс АН-348-А по ГОСТ 9087-81*; сварочная проволока Св-08А по ГОСТ 2246-70*), положение швов - в лодочку; все остальные швы выполняются механизированной дуговой сваркой (МДСпп), порошковой проволокой ПП-АН-3 по [7, прил. 5, табл. 1], положение швов - нижнее.

Расчет производится в предположении работы стали в пределах упругих деформаций.

Вертикальный предельный прогиб fu(16,5) = 1/229,17 (подсчитан по линейной интерполяции между 200(6) и 250(24)):

Получаем

Нормативная погонная нагрузка на ригель (в связи с частым расположением балок настила нагрузку на главную балку принимаем распределенной).

где - нагрузка от массы настила и балок настила; от - ориентировочный вес главной балки.

Расчетная погонная нагрузка на главную балку

Статический расчет главной балки (см. рис. 5)



Рис. 5. Расчетная схема ригеля перекрытия

Конструктивный расчет ригеля перекрытия.

1. Требуемый момент сопротивления

2. Компоновка и подбор сечения.

Высота сечения ригеля, минимальная по жесткости

Здесь fu = l/229,17 = 16,5 · 102 / 229,17 = 7,2 см;

При фиксированной (заданной) гибкости стенки приняв (125…150) при h = 1,5 м и tw = (10…12).

Оптимальная высота балки

Так как > , высоту ригеля назначаем близкой к оптимальной, но не менее hmin; при этом принимаем высоту стенки hw = 1250мм, увязывая этот размер со стандартной шириной универсальной толстолистовой стали по ГОСТ 19903-2015 [6, см. прил.Ж, табл.Ж.1]; пояса ригеля принимаем толщиной 20 мм. Высота ригеля h = 1250 + 20 · 2 = 1290 мм.

Толщина стенки Принимаем tw = 9 мм по ГОСТ 82-70*, что больше

Площадь сечения пояса ригеля перекрытия

Пояса проектируем также из универсальной толстолистовой стали; при , Принимаем пояс из листа 420х20мм, что удовлетворяет конструктивным требованиям:
9мм < 20мм < 2,5 10 = 25мм; 420мм в пределах (1/3….1/5)h, т.е.

430мм > 420мм > 258мм;

или 10,28 < 12,69.

3. Изменение сечения ригеля по длине

Запроектируем изменение сечения ригеля перекрытия в месте, где
изгибающий момент M1 = 0,6Mmax, и найдём это место, решив уравнение
M1(x) = Ra • x - (q · x2 / 2)

=0,6

0,6=;

0,6 · 4069,12 = 986,45x - 119,57x2/2;

x2 - 16,5x - 40,84 = 0. Результат решения уравнения: x1 = 3,03 x2 = 13,47м.

Требуемый момент сопротивления

Стык сечений пояса - прямой, сварка механизированная, сварной шов с полным проваром и выводом концов шва на подкладки без применения физических методов контроля качества шва.

учитывая конструктивные требования, принимаем (рис.6б); новая ширина пояса соответствует ГОСТ 82-70*.

Рис. 6. Сечение ригеля перекрытия. а - основное; б - измененное

4. Геометрические характеристики подобранного сечения ригеля (рис.6).

момент инерции сечения относительно оси х-х

момент инерции измененного сечения относительно оси х-х

момент сопротивления основного сечения относительно оси х-х

момент сопротивления измененного сечения относительно оси х-х



статический момент измененного полусечения относительно оси х-х

статический момент пояса измененного сечения относительно оси х-х

5. Проверки прочности ригеля перекрытия

Нормальное напряжение необходимо проверить в сечении с и :

Недонапряжение - 0,45% < 5%

Касательные напряжения на опоре А

Приведенные напряжения следует проверить в месте изменения сечения

При сопряжении балок в одном уровне проверка местных напряжений в стенке ригеля не требуется, так как крепление примыкающих балок настила осуществляется через рёбра жёсткости и всегда .

6. Проверка общей устойчивости ригеля перекрытия

Поскольку конструктивное решение перекрытия (в одном уровне) не обеспечивает непрерывности опирания настила на сжатый пояс ригеля, а потому не выполняется п. 8.4.4, а [1], но балки настила можно рассматривать как связи, препятствующие горизонтальному смещению сжатого пояса ригеля и при выполнении условия , общую устойчивость главной балки можно считать обеспеченной.

Здесь - гибкость сжатого пояса ригеля, где lef = 1,5м

- предельное значение , которое подсчитывается по формулам таблицы 11 [2] в зависимости от места приложения нагрузки:

- независимо от уровня приложения нагрузки при расчете участка ригеля между связями или при чистом изгибе.

Поскольку отношение bf / tf = 420 / 20 = 21 > 15 то принимаем
отношение bf / tf = 21

Тогда для ригеля перекрытия

0,123 < 0,61, следовательно, общая устойчивость ригеля перекрытия обеспечена.

7. Проверка и обеспечение местной устойчивости элементов ригеля.

При ширине сжатого пояса мм и толщине стенки ригеля , расчетная ширина свеса

Отношение меньше величины

Следовательно, местная устойчивость сжатого пояса ригеля обеспечена.

Местная устойчивость стенки сварной балки зависит от характера ее напряженного состояния, вида нагрузки и условной гибкости стенки

следовательно, необходима постановка поперечных ребер жесткости, обеспечивающих устойчивость стенки при действии касательных напряжений.

Ребра жесткости устанавливаем в местах опирания балок настила, т.е. на расстоянии друг от друга, при этом или

Размеры поперечных ребер жесткости

принимаем bh = 100 мм; ts = 6 мм

Ребра жесткости привариваем к стенке ригеля двухсторонними угловыми швами с катетами

8. Проверка жесткости ригеля перекрытия



Проверим прогиб ригеля перекрытия:

.

Прогиб не превышает предельный. Жесткость балки обеспечена.

9. Расчет поясных соединений ригеля перекрытия.

Соединения поясов со стенкой в ригеле осуществляется сварными швами. При изгибе ригеля это соединение предотвращает сдвиг поясов относительно стенки.

Поясные швы выполняют двусторонними, непрерывными, с одинаковым катетом по всей длине балки автоматической сваркой.

Rwf = 180 мПа [6, табл. Г.2, прил. Г]; Rwz = 0,45Run = 0,45 · 470 = 211,5МПа вf = 1,1; вz = 1,15

Принимаем в соответствии с [6, табл. Г.4, прил. Г].

10. Расчет опорных частей ригеля.

Пусть толщина торцевого опорного ребра (его толщину задают от 14 до 20 мм), тогда требуемая площадь сечения .

Ширина опорного ребра

Принимаем опорное ребро - 260х14 мм из стали ГОСТ 82-70* [6, прил. Ж, табл. Ж.3].



Рис. 7. Торцевое опорное ребро ригеля перекрытия

Проверяем опорную часть ригеля на устойчивость как центрально-сжатый стержень высотой hw; в расчетное сечение этого стержня включают опорное ребро и часть стенки шириной c = 0,65tw

Тогда расчётная площадь сечения условного стержня, его момент инерции и радиус инерции относительно оси z

Гибкость условного стержня и коэффициент продольного изгиба

[6, табл. И1, прил. И]. Проверка опорной части балки на устойчивость:



Устойчивость обеспечена.

Проверка швов прикрепления опорного ребра к стенке балки при [6, прил. Г, табл. Г.4].

при расчете по металлу шва

при расчете по металлу границы сплавления

Здесь - количество сварных швов, крепящих внутренние опорные ребра к стенке балки;

Нижний торец опорного ребра следует строгать.

6. Расчет и конструирование центрально-сжатой колонны

Исходные данные:

Проектируем колонну по оси Б. Колонна - сплошная, из прокатного двутавра по ГОСТ 26020-83, тип К.

Материал - сталь С245 с при толщине проката от 2 до 20мм [1,табл. 51*].

Расчетная нагрузка на колонну

.

- собственный вес колонны (нагрузка от собственного веса колонны принимается в пределах от 0,5% до 1%).

Для элементов колонны принята механизированная дуговая сварка порошковой проволокой ПП-АН-3 (МДСпп) по [7, прил. 5, табл. 1], положение швов - нижнее.

Конструктивный расчет стержня колонны

Расчетная длина колонны в плоскости рамы

lef,y = l - tн - hриг. = 7600 - 6 - 1310 = 6284мм

Расчетная длина колонны из плоскости рамы

lef,y = l - tн - hбн = 7600 - 6 - 296 = 7298мм

Проверим устойчивость стержня колонны из I 35К1, принятого при компоновке поперечной рамы каркаса.

Геометрические характеристики сечения по сортаменту [6, прил. Ж, табл. Ж.4]:

Для обеспечения устойчивости стержня нормальное напряжение от расчетной нагрузки должно быть меньше критического; это условие устойчивости

Здесь коэффициент продольного изгиба подсчитан по наибольшей гибкости [6, табл. И1, прил. И].

Условие выполняется.

Рис. 8. Сечение стержня колонны

Предельная гибкость стержня колонны [1, табл. 32]

, где коэффициент подсчитывается по формуле . лy < [л] или 83,31 < 140,38 - условие
выполняется

Общая устойчивость стержня колонны обеспечена; нормальные напряжения в плоскости его наибольшей гибкости

Проверка местной устойчивости элементов стержня из прокатного профиля типа К не требуется.

Проверяем необходимость укрепления стенки колонны поперечными ребрами жесткости [1, п.7.3.3]. они необходимы, если , где - расчетная высота стенки; для прокатного двутавра

Для стержня колонны и или 28,3 < 67,4.

Так как поперечные рёбра ставить не требуется, то в соответствии [1, п.7.3.3] рассматривая колонну, как отправочный элемент (габариты колонны позволяют транспортировать её полностью к месту монтажа), необходимо укрепить стенку колонны не менее, чем двумя поперечными ребрами жесткости (рис. 9).

Рис. 9. Стержень колонны с поперечными ребрами жесткости

Размеры поперечных ребер жесткости:

Принимаем

Поперечные ребра привариваем к колонне сплошным двухсторонним швом с катетом [6, прил. Г, табл. Г.4].

Конструктивный расчет базы колонны.

Для расчета колонны проектируем базу, конструкция которой показана на рис. 10, тип базы - жесткий; соответствует закреплению нижнего конца

стержня колонны (рис. 10, а).

Расчетное давление на фундамент

Материал фундамента - бетон класса прочности B7,5 с расчетным сопротивлением [6,см. прил. И, табл. И.3].

Требуемую площадь опорной плиты определяют из условия прочности бетона при местном смятии

,

где - расчетное сопротивление бетона смятию. Здесь - коэффициент увеличения , зависящий от отношения площади верхнего обреза фундамента к площади опорной плиты и принимаемый не более 1,5; Принимаем .

Ширина опорной плитыгде

- ширина полки стержня колонны, - толщина траверсы (обычно ); - вылет консольной части плиты.

Длина опорной плиты

Принимаем размеры опорной плиты в плане 570х570мм (), верхнего обреза фундамента 940х940 мм.

Размеры верхнего обреза фундамента назначены с учетом нормативного требования, согласно которому расстояние от оси анкерных болтов до вертикальной грани железобетонного фундамента должно быть не менее четырех диаметров анкерных болтов (cм. рис. 11).

Проверим справедливость назначенного значения :

Пересчет плиты не требуется.

Фактическое сжимающее напряжение под опорной плитой (реактивный отпор фундамента):

Толщину опорной плиты определяют из условия ее работы на изгиб как пластинки, опертой на торец стержня и траверсы.



Рис. 10. База колонны: а - конструкция; б - расчетная схема траверсы.

Нагрузкой является реактивный отпор фундамента .

Изгибающий момент на консольном участке плиты:

так как

, так как принимаемый по [6, прил. И, табл. И.4].

Определим необходимую толщину опорной плиты:

Принимаем плиту толщиной 30мм; сталь толстолистовая по ГОСТ 19903-74. Расчетной схемой траверсы является двухконсольная балка, шарнирно-опертая на полки колонны (рис. 10, б). Нагрузка - реактивный отпор фундамента:

При катете шва (не менее чем по [6, прил. И, табл. И.4])

Принимаем и производим проверку прочности траверсы на изгиб и срез.

Расчетные усилия в траверсе (рис. 11, б):

изгибающий момент

поперечная сила

Геометрические характеристики сечения траверсы:

Проверка прочности траверсы:

При определении толщины швов, прикрепляющих листы траверсы к плите, расчет ведем по металлу границы сплавления:

;

- расчетная длина шва.

Принимаем [6, прил. И, табл. И.4].

Анкерные болты - конструктивные, фиксируют положение базы относительно фундамента; их диаметр 24мм, тип 1, глубина заделки 850мм.

7. Расчет и конструирование сопряжений

Узел примыкания главной балки к колонне сбоку по рис.11.

Рассчитаем опорный столик из стали С245.

Толщина опорного столика

Ширина

Принимаем ширину опорного столика = 300мм.

Длина столика

Расчет ведем по металлу границы сплавления, так как вf · Rwf > вz · Rwz. или 0,9*215МПа1,05*166,5МПа. Принимаем длину столика lr = 64см.

Крепление опорного ребра к полке колонны выполняем на болтах грубой точности (класс точности С) диаметром 20 мм (М20). Диаметр отверстий под болты 23 мм. Размещаем болты с учетом возможности их поставки и норм расстановки болтов в болтовых соединениях [1, табл. 40]. Шаг болтов принят максимальный, так как соединение конструктивное (связующее). Расположение болтов в нижней зоне опорного ребра допускает некоторый поворот сечения балки, что обеспечивает шарнирность узла.

Рис.11 Примыкание балки к колонне сбоку.

Узел сопряжения балки настила с главной. по рис.12.

Исходные данные:

болты нормальной точности (класс точности С) М16 (d16 мм);

класс прочности 5.6 [1, табл. Г.3]; Rbs=210 МПа [1, табл. Г.6], Rbp=485 МПа при Run=370 МПа для элементов из стали С245[1, табл. Г.6].

Болтовые соединения рассчитываются на срез, смятие:

на срез

на смятие

здесь: А- площадь болта, d - диаметр болта, - наименьшая суммарная толщина элементов, сминаемых в одном направлении. - число расчётных срезов одного болта. по [1, табл.41].

Количество болтов:

Принимаем 2 болта с d = 16мм.

Рис.12. Шарнирный узел сопряжения балки настила с главной балкой.

Заключение

В данной работе была рассчитана балочная клетка, а именно:

- Выполнена компоновка конструктивной схемы каркаса здания

- Выполнен расчет стального настила

- Выполнен расчет балки настила

- Выполнен расчет и конструирование ригеля перекрытия с проверкой прочности, жесткости и устойчивости элементов ригеля

- Выполнен расчет и конструирование центрально-сжатой колонны, куда входит подбор и компоновка сечения колонны, расчет опорной плиты, расчет траверсы

- Выполнены расчет и конструирование сопряжений, а именно: узел примыкания главной балки к колонне сбоку, узел сопряжений балки настила с главной.

Список использованной литературы

Стандарты и другие нормативные документы

1. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. Введ. 2011-05-20. - М.: ОАО «ЦПП», 2011 - 173 с.

2. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. Введ. 2011-05-20. - М.: ОАО «ЦПП», 2011 - 80с.

Книги трех и более авторов

3. Металлические конструкции. Т. 1. Элементы стальных конструкций: учеб. пособие для строит. вузов / В. В. Горев [и др.]; под ред. В. В. Горева. - 3-е изд. - М: Высшая школа, 2004. - 551 с.

4. Металлические конструкции. Т. 3. Специальные конструкции и сооружения: учеб. для строит. вузов / В. Г. Аржаков [и др.]; под ред. В. В. Горева. - М.: Высшая школа, 2002. - 544 с.

5. Металлические конструкции: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Ю. И. Кудишин [и др.]; под ред. Ю. И. Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2011. - 688 с.

Методические пособия

6. Металлические конструкции, включая сварку: учебно-методическое пособие для выполнения курсового проекта / Сост. И. Я. Петухова, Красноярск: СФУ, ИСИ, 2014. 95 с.

7. Металлические конструкции, включая сварку: учебно-методическое пособие для курсовой работы студентов всех форм обучения специальностей 270102.65 - «Промышленное и гражданское строительство» заочной формы обучения /Сост. Л. В. Енджиевский, И. Я. Петухова, А. В. Терешкова,- Красноярск: СФУ, ИСИ, 2012. 89 с.

Размещено на Allbest.ru

...