Проектирование стального каркаса промышленного здания

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра металлических конструкций и сварки в строительстве

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проектирование стального каркаса промышленного здания

Выполнил: студент 4 курса ПГС ФЗО

Мымриков В.Ю.

Воронеж 2015 г

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект выполнен на основании задания кафедры «Металлических конструкций и сварки в строительстве от 01.2015г. со следующими исходными данными:

№ п/п	Наименование данных	Характеристики
1	Место расположение объекта	г.Саратов
2	Назначение здания	Литейный цех
3	Габариты здания в плане, м	30х96
4	Пролет, м	30
5	Шаг колонн, м	6
6	Отметка головки рельса, м	12,6
7	Грузоподъемность мостового крана, т	80
8	Тип покрытия здания	профнастил
9	Материал конструкций:
	колонн	С255
	ферм	С255
10	Материал фундамента	Бетон класса В15

Пояснительная записка состоит из следующих разделов:

1. Технический проект: компоновка плана и поперечного разреза, система связей по колоннам и покрытию.

2. Рабочий проект: стадия КМ содержит сбор нагрузок, статический расчет рамы, расчет и конструирование элементов рамы и основных примыканий; расчет стропильной фермы и расчет несущей металлической колонны.

3. Графическая часть состоит из листа формата А1: стадия КМ

Стальной каркас здания однопролетный c пролетом 30 (м), длина - 96 (м) и состоит каркас из сквозных колонн, подкрановых балок по ним, связей, стропильных конструкций, прогонов и покрытия из профнастила по ним. Колонны опираются на собственные фундаменты.

Расчет элементов металлических конструкций производится по методу предельных состояний с использованием международной системы единиц СИ. Расчет конструкций произведено с необходимой точностью и в соответствие с положением по расчёту и конструктивными требованиями СНиП II-23-81* «Стальные конструкции», СНиП 2.01.07-85** «Нагрузки и воздействия, СП 53-102-2004 «Общие правила проектирования стальных конструкций», а также с учетом актуализированных редакций СНиП 2-23-81* - СП 16.13330.2011 и СНиП 2.01.07-85** - СП 20.13330.2011.

рама покрытие каркас металлический колонна



КОМПОНОВКА КОНСТРУКЦИИ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ

Размеры рамы по вертикали

Исходным данным при определении размеров по вертикали является отметка головки кранового рельса (ОГР), которая задана в технологическом задании на проектирование - 12,6 (м).

Размер рамы от уровня чистого пола до низа стропильной фермы определяется по формуле:

Где, H₁ - отметка головки рельса;

Н₂ определяется по формуле:

где, Н_cr - расстояние от головки рельса до верхней точки тележки крана по ГОСТ 25711-83 и ГОСТ 6711-81, в нашем случае - 4000 (мм);

С - размер, учиты-вающий прогиб фермы и провисания связей по нижним поясам ферм, С=300 для L=30 м;

«100» (мм) - установленный зазор по требованиям техники безопасности.

Отсюда:

Н₂ принимается кратным 200 мм, т.е. принимаем - 4400 (мм).

Отсюда, определяем высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм:

(мм).

Н₀ принимается кратным 600 мм, т.е. принимаем - 17400 (мм).

Корректируем Н₁:

(мм).

Полная геометрическая длина колонны определяем из формулы:

где, Н_v - высота верхней части колонны; H_n - высота нижней части колоны.

Высота верхней части колонны:

где, h_b - высота подкрановой балки, которая принимается по ГОСТ 25711-83, ГОСТ 6711-81 в пределах 1/7…1/9 пролета балки (шага колонн);

h_rs - высота кранового рельса по ГОСТ 25711-83, ГОСТ 6711-81.

В соответствии с грузоподъемностью мостового крана Q=80 (т) применяют рельсы КР100 высотой 130 мм, а высота подкрановой балки 1200 мм.

Отсюда:

(мм)

Высота нижней части колонны:

где Н_b - заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола, принимаемое в пределах 500…800 мм (большее для больших пролетов). Принимаем 700 (мм).

Отсюда:

(мм)

Полная высота колонны:

(мм)

Размеры рамы по горизонтали

Привязка наружной грани колонны к оси колонны а = 500 мм.

Высота сечения верхней части ступенчатой колонны:

Таким образом:

h_v=500+200=700 (мм)

Проверяем по условию жесткости:

Условие выполняется.

Высота сечения нижней части колонны принимается исходя из формулы:

Где, л определяется из формулы:

л=B₁+450+(h_v-a)

где, B₁ - размер части кранового моста, выступающей за ось рельса, принимаемый по ГОСТ 25711-83, ГОСТ 6711-81 и в нашем случае он равен 400 мм;

«450» - минимальный зазор между краном и колонной, в мм, для крана с режимом работы 7К.

Отсюда:

л=400+450+(700-500)=1050 (мм)

Принимаем размер л кратным 250 мм, т.е. - 1250 (мм).

Отсюда: h_n=500+1250=1750 (мм)

Проверяем увязку пролета крана с пролетом здания и обеспечения минимального зазора между краном и верхней частью колонны:

(мм)

Полученный пролет крана 27500 (мм) соответствует пролету крана грузоподъемностью 80 т по ГОСТ25711-83.

Проверяем условие жесткости колонны в плоскости рамы:

Условие выполняется.

Компановка конструкций покрытия

Для проектируемого стального каркаса здания литейного цеха принимаем бесфонарные двухскатные фермы с уклоном 2.5% с шагом согласно задания 6 (м).

Из условий стандартизации при пролете L=30 (м) принимаем высоту фермы на опоре по обушкам h_f = 3150 (мм). Высота фермы принимается из условия транспортировки железнодорожным транспортом - 3850 (мм).

Решетка фермы треугольная с восходящим опорным раскосом и дополнительными стойками для разгрузки верхнего пояса. Горизонтальный размер панели верхнего пояса - 3000 (мм), а крайней панели - 2800 (мм).

Тип кровли - холодная, из профнастила с прогонами по фермам.

Компановка связей каркаса

Для создания пространственной жёсткости стального каркаса в проектируемое здание литейного цеха закладываем установку связей вертикальных и горизонтальных.

Вертикальные крестообразные связи ниже подкрановых балок между основными колоннами проектируем ближе к середине здания. В этих же осях над данными вертикальными связями проектируем связи выше подкрановых балок и на уровне стропильных ферм.

В торцах здания проектируем вертикальные связи выше подкрановых блок и на уровне стропильных ферм.

Систему связей покрытия проектируем:

- по нижнему поясу у торцов здания, посередине здания и по крайним панелям ферм вдоль обоих рядов колонн;

- по верхнему поясу у торцов здания и посередине.

В местах верхнего пояса, где не устанавливаются связи ,проектируем установку распорок по коньку и в местах опор стропильных ферм.



РАБОЧИЙ ПРОЕКТ

Сбор нагрузок

Постоянные нагрузки

Расчетную линейную распределённую нагрузку на ригель (ферму) определяем исходя из формулы:

где, g₀ - расчетная постоянная нагрузка от веса конструкций покрытия, кН/м²;

B_f - ширина шага стропильных ферм;

б - угол наклона кровли к горизонту, равный в нашем случае 2,5%.

Полученные данные сводим в таблицу.

№ п/п	Вид нагрузки	Расчетная нагрузка, кН/м2
1	профнастил	0.17
2	Прогоны сплошные	0.055
3	Стропильные фермы	0.2
4	Связи покрытия	0.05
	итого:	0.48

g=2.88 kH/м²

Опорная реакция ригеля рамы от постоянной нагрузки:

Отсюда:

(кН)

Определяем расчетный вес колонны:

1) верхняя часть (20% от веса всей колонны)

где, г_f, г_n - коэффициент надежности по нагрузке от металлоконструкций и коэффициент надежности по назначению соответственно, равные г_f=1,05 и г_n=0,95;

g_k - расход стали на колонны, равный 0,6 кН/м²;

В - шаг рам каркаса.

Отсюда:

(кН)

2) нижняя часть (80% от веса всей колонны)

Отсюда:

(кН)

Определяем нагрузку в верхней и нижней части колонны:

(кН)

(кН)

Временные нагрузки

Расчетную снеговую нагрузку определяют исходя из формулы:

где, S_g - расчетное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности в зависимости от снегового района;

µ - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение снега по покрытию [1], принимаем µ=1.

Так по заданию в курсовом проекте район строительства - Саратов, то согласно снеговому району (III район) S_g=1 кН/м².

Отсюда:

S=1·1·6=6 (кН/м)

Опорная реакция ригеля рамы от снеговой нагрузки:

Отсюда:

(кН)

Расчетная линейная ветровая нагрузка определяется по формуле:

где, г_f - коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый 1,4;

w₀ - нормативное значение ветровой нагрузки для данного региона, в нашем случае для Саратова - 0,38 кН/м²;

k - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте в зависимости от типа местности: тип местности В, коэффициент k = 0,5 при высоте до 5 м; k = 0,65 при высоте 10 м; k = 0,85 при высоте 20 м.

с_е - аэродинамический коэффициент внешнего давления, принимаемый для наветренной стороны - +0,8 и для подветренной стороны - 0,6.

Интенсивность расчетной нагрузки на 1 м.п. колонны поперечной рамы определяется по формуле:

где, B - ширина грузовой площади при шаге колонн 6 м.

Отсюда:

наветренная сторона:

(кН/м²)

(кН/м)

Для расчета заменяем неравномерную по высоте здания нагрузку на эквивалентную равномерно распределенную w_eq:

где, k_eq - коэффициент, зависящий от типа местности и высоты здания (сооружения) и принимаемый при высоте 18.1 м - 0,669, т.к. H₀=17.4 (м);

Отсюда наветренная сторона:

(кН/м²);

Интенсивность расчетной нагрузки на 1 м.п. колонны поперечной рамы от эквивалентной ветровой нагрузки определяется по формуле:

Отсюда:

1) наветренная сторона:

(кН/м)

Определяем сосредоточенную ветровую нагрузку, приложенную к нижнему поясу ригеля (фермы):

где, w_m - усредненное значение ветровой нагрузки на участке высотой равной высоте фермы;

A₂ - грузовая площадь при шаге колонн 6 м.

Отсюда, определяем w_m:

w_m=0.28 (кН)

A₂=6·3,15=18,9 (м²)

W=18,9·0.28=5.3 (кН)

Вертикальные нагрузки на раму от мостовых кранов определяем исходя из схемы тележки крана грузоподъемностью 80 т и при пролете 30 м.

Из схемы тележки крана максимальное давление колеса:

F_{k max}=387.5 (кН).

Минимальное давление определяют из формулы:

где, Q - грузоподъемность крана; G - вес крана с тележкой;

n₀ - число колес на одной стороне крана.

Отсюда:

(кН)

Согласно норм, расчетный крановый поезд состоит из 2-х максимально сближенных кранов с тележками в крайних положениях с наибольшим грузом на крюках и движущихся с максимальной скоростью, но так как это маловероятно, то вводиться коэффициент сочетания нагрузки ш, который в нашем случае для кранов режима работ 7К ш=0,95 .

Наибольшее и наименьшее давление от колес кранов, передаваемое через подкрановую балку на колонну, определяется по формулам:

, (кН)

, (кН)

где, г_f - коэффициент надежности по нагрузке, равный 1,1;

ш - коэффициент сочетаний, равный 0,95;

y_i - ордината линии влияния опорной реакции подкрановой балки.

Отсюда:



Моменты от действия сил D_max и D_min, приложенных с эксцентриситетом e_k к геометрической оси сечения нижнего (подкранового) участка колонны, определяются из формул:

(кНм)

(кНм)

где: (м)

Отсюда:

(кНм)

(кНм)

Горизонтальную силу от торможения тележек мостовых кранов определяют из формулы:

, (кН)

где, T_cr - нормативное значение горизонтальной силы, приходящейся на одно колесо с одной стороны крана:

, (кН)



где, в =0,05 - для кранов с гибким подвесом груза и в =0,1 - для кранов с жестким подвесом груза (в нашем случае с гибким подвесом);

G_t - вес крановой тележки, для мостового крана с Q=80т G_t=330 (кН).

Отсюда:

(кН)

(кН)

Статистический расчет рамы

Расчет рамы выполняется отдельно на каждую из нагрузок, т.к. расчетные усилия для разных элементов рамы и даже для разных сечений одного элемента рамы получаются при различной комбинации нагрузок - их невыгоднейшем сочетании.

Определение усилий в элементах рамы производится программой «RAMA» . Результаты расчета рамы по каждому виду ее загружения сведены в таблицу.

По полученным из расчета рамы значениям , , построены эпюры



РАСЧЕТ СТРОПИЛЬНОЙ ФЕРМЫ

Определение усилий

Определяем расчетную постоянную нагрузку в узле фермы:

Где, g - постоянная нагрузка, кН/м;

d - панель фермы, м.

Отсюда:

(кН)

Узловая временная нагрузка от снегового покрова:

(кН)

С помощью программы «SCAD» определяем предварительно усилия в стержнях от единичной нагрузки.

Опорные моменты в сечениях 1-1 и 5-5 верха левой и правой колонн:

1) со снеговой нагрузкой: М_лев=-606,9 (кНм); М_пр=-556,2 (кНм);

2) без снеговой нагрузки: М_лев=-494 (кНм); М_пр=-443,4 (кНм)

Определяем усилия в стержнях от единичных рамных моментов с помощью программы «SCAD» из условия:



Сжатие панели нижнего пояса:

где, N_mi - усилие от рамного момента; H_ri - нагрузка от рамного распора;

N_g - усилие от постоянного нагрузки.

Усилия в элементах фермы от рамных моментов:

где, s_1i и s_2i - усилия в i-том стержне от единичных левого и правого

моментов соответственно;

М_лев и М_пр - опорный момент в левой и правой стойке соответственно,

принимаемые в сечении 1-1 и 5-5 в комбинации нагрузок -М_макс, N_соотв.

Рамный распор определяется по формуле:

где, - сумма поперечных сил в верхних сечениях колонн.

Отсюда рамный распор:

1) слева (кН)

2) справа: (кН)

Без снеговой нагрузки:

1) слева (кН)

2) справа: (кН)

Выбираем вариант без снеговой нагрузки.

Рис.16. Расчётная схема стропильной фермы

Расчеты показали, что сжатие нижнего пояса за счет рамного распора отсутствует.

Подбор сечений стержней фермы

Несущая способность растянутых стержней определяется по формуле:

где, А_n - площадь сечения стержневого элемента, см²;

R_y - расчетное сопротивление стали, кН/см², в нашем случае для стали С275 R_y=27 кН/см²;

г_с - коэффициент условий работы, равный 0,95.

Несущая способность сжатых стержней:



где, ц - коэффициент, принимаемый по таб. 72 [2].

Условие подбора требуемых сечений для растянутых стержней:

Условие подбора требуемых сечений для сжатых стержней:

И жесткости:

Так как по компоновке в проектируемой конструкции рамы жесткое защемление ригеля к стойкам, то в конструкции фермы стойки С1 и С2 не нужны и в расчете они не участвуют.

Определяем площадь требуемых сечений элементов и заносим данные в таблицу 3.2.

В целях унификации и уменьшения трудоемкости при изготовлении проектируемой конструкции фермы принимаем конструктивно следующие сечения элементов:

1. В20 и В31 - 180х180х10 мм

2. Н32 и Н37 - 100х100х7 мм

3. Р11 и Р16 - 90х90х6 мм

Толщину прокладок (сухарей) принимаем в соответствии с толщиной фасонок и расстоянием через:

1) для сжатых элементов - 40i;

2) растянутых элементов - 80i.

Где, i - радиус инерции уголка относительно оси, параллельной плоскости прокладки, но не менее двух сухарей на стержень.



Расчет и конструирование узлов фермы

Требуемая расчетная длины сварного шва определяется по формулам:

1) по прочности металла шва:

2) по прочности границы сплавления:

где, N_об - усилие в элементе решетки, определяемое по формуле:

где, b - ширина полки уголка; z₀ - расстояние от центра тяжести уголка до его обушка.

За расчетную длину шва принимаем большую, при этом конструктивную длину шва назначаем больше расчетной на 10 мм и при условии ее длины 4k_f+10 мм, но не менее 50 мм.

На торцы стержней выводим 20 мм сварочного шва для снижения концентрации напряжений.

Расчет сварных швов для прикрепления фасонки к стержням поясов ведут из условий напряжений в этих швах от усилий:

- от узловых нагрузок:

- продольных усилий:

Проверка суммарного напряжения в шве, прикрепляющего пояс к фасонке:

Толщину фасонок принимаем из учета максимального усилия в стержнях с разницей между собой не более 2 мм:

- узел №1, 2, 3, 7, 8, 9, 10, 11 - 16 мм;

- узел №4, 5, 6 - 18 мм.

Сварку металлических конструкций производим полуавтоматической сваркой проволокой Св-08Г2С с d=1,4-2 (мм) в нижнем положении со следующими характеристиками металла шва:

R_wf=21,5 (кН/см²), R_wz=16,5 (кН/см²)

в_f=0,9, в_z=1,05; г_wf=г_wz=1.

Так как в_fR_wf =19,35 > в_zR_wz=17,1, то несущую способность сварного шва определяем по прочности границы сплавления.

Расчет сварных швов узлов фермы

Узел	Стержень	Сечение	N, кН	Шов по обушку	Шов по перу
				Nоб		, см	Nоб		, см
1	Р8	180х110х12	-832,4	-541,1	1,2	15	-249,7	1,2	8
	Р9	100х100х7	+655,7	+426,2	0,8	17	+196,7	0,6	11
2	С4	90х90х6	-113,6	-73,8	0,8	6	-31,1	0,6	6
3	Р10	125х125х10	-490,5	-332,4	1,0	11	-153,4	0,8	7
	Р11	90х90х6	+317,7	+206,5	0,8	9	+95,3	0,6	6
4	С5	90х90х6	-113,6	-73,8	0,8	6	-31,1	0,6	6
5	Р12	100х100х7	-167,4	-108,8	0,8	6	-50,2	0,6	6
	Р13	90х90х6	-22,3	-14,5	0,6	6	-6,7	0,6	6
6	С3	90х90х6	-1,9	-1,2	0,6	6	-0,6	0,6	5
	В25	200х125х14	-1612,1	-1047,9	1,2	28	-483,6	1,2	14
7	Р9	100х100х7	+655,7	+426,2	0,8	17	+196,7	0,6	11
	Р10	125х125х10	-490,5	-332,4	1,0	11	-153,4	0,8	7
	С4	90х90х6	-113,6	-73,8	0,8	6	-31,1	0,6	6
8	Р11	90х90х6	+317,7	+206,5	0,8	9	+95,3	0,6	6
	Р12	100х100х7	-167,4	-108,8	0,8	6	-50,2	0,6	6
	С5	90х90х6	-113,6	-73,8	0,8	6	-31,1	0,6	6
9	Р13	90х90х6	-22,3	-14,5	0,6	6	-6,7	0,6	6
	Р14	90х90х6	-22,3	-14,5	0,6	6	-6,7	0,6	6
	С3	90х90х6	-1,9	-1,2	0,6	6	-0,6	0,6	6
	Н34	140х140х12	+1564,4	+1016,9	1,2	27	+469,3	1,2	13
10	В20	180х180х10	+192,4	+125,1	0,6	12	+57,7	0,6	6
11	Р8	180х110х12	-832,4	-541,1	1,2	15	-249,7	1,2	8
	Н32	100х100х7	+536,2	+348,5	0,8	16	+160,9	1,0	9

По найденным длинам сварных швов проектируем геометрические размеры фасонок.

Прикрепление пояса к фасонке:

1) узел 1: предварительно принимаем катет сварного шва k_f=6 мм, так как сверху в узлах будет опирание плит покрытий, то в расчет буде приниматься сварка только по перу уголка внизу с двух сторон. Проверка напряжений:

- от узловых нагрузок: (кН/см²)

- продольных усилий: (кН/см²)

Проверка суммарного напряжения в шве, прикрепляющего пояс к фасонке:

Условие выполняется, принимаем катет сварного шва k_f=6 мм.

Принимаем конструктивно толщину верхней накладки t=16 мм и шириной 300 мм. Принимаем сварочные швы k_f=6 мм и длиной согласно полученным геометрическим данным фасонки.

2) узел 3: предварительно принимаем катет сварного шва k_f=6 мм, так как сверху в узлах будет опирание плит покрытий, то в расчет будет приниматься сварка только по перу уголка внизу с двух сторон. Проверка напряжений:

- от узловых нагрузок: (кН/см²)

- продольных усилий: (кН/см²)

Проверка суммарного напряжения в шве, прикрепляющего пояс к фасонке:

Условие выполняется, принимаем катет сварного шва k_f=6 мм.

Принимаем конструктивно толщину верхней накладки t=16 мм и определяем длину сварочных швов прикрепления накладки к верхнему поясу из [3.19]:



- со стороны стержня В23: (см)

Принимаем 2 шва по 580 мм и 2 шва по 100 мм.

- со стороны стержня В22: (см)

Принимаем 2 шва по 300 мм и 2 шва по 150 мм.

3) узел 5: предварительно принимаем катет сварного шва k_f=6 мм, так как сверху в узлах будет опирание плит покрытий, то в расчет будет приниматься сварка только по перу уголка внизу с двух сторон. Проверка напряжений:

- от узловых нагрузок: (кН/см²)

- продольных усилий: (кН/см²)

Проверка суммарного напряжения в шве, прикрепляющего пояс к фасонке:

Условие выполняется, принимаем катет сварного шва k_f=6 мм.

4) узел 7: предварительно принимаем катет сварного шва k_f=6 мм. Проверка напряжений:

- узловых сосредоточенных нагрузок нет;

- продольных усилий: (кН/см²)



Проверка суммарного напряжения в шве, прикрепляющего пояс к фасонке:

Условие выполняется, принимаем катет сварного шва k_f=6 мм.

Принимаем конструктивно толщину нижней накладки t=16 мм и определяем длину сварочных швов прикрепления накладки к верхнему поясу:

- со стороны стержня Н33: (см)

Принимаем 4 шва по 120 мм.

- со стороны стержня Н32: (см)

Принимаем 4 шва по 50 мм.

5) узел 8: предварительно принимаем катет сварного шва k_f=6 мм.

Проверка напряжений:

- узловых сосредоточенных нагрузок нет;

- продольных усилий: (кН/см²)

Проверка суммарного напряжения в шве, прикрепляющего пояс к фасонке:



Условие выполняется, принимаем катет сварного шва k_f=6 мм.

Принимаем конструктивно толщину нижней накладки t=16 мм и определяем длину сварочных швов прикрепления накладки к верхнему поясу:

- со стороны стержня Н34: (см)

Принимаем 4 шва по 150 мм.

- со стороны стержня Н33: (см)

Принимаем 4 шва по 120 мм.

6) узлы 2 и 4: предварительно принимаем катет сварного шва k_f=6 мм, так как сверху в узлах будет опирание плит покрытий, то в расчет будет приниматься сварка только по перу уголка внизу с двух сторон. Проверка напряжений:

- от узловых нагрузок: (кН/см²)

- продольных усилий: (кН/см²)

Проверка суммарного напряжения в шве, прикрепляющего пояс к фасонке:



Условие выполняется, принимаем катет сварного шва k_f=6 мм.

Для транспортировки фермы проектируем ее из двух отправочных марок, для чего узлы 6 и 9 по конструкции являются монтажными узлами.

7) узел 6: предварительно принимаем катет сварного шва k_f=6 мм, так как сверху в узлах будет опирание плит покрытий, то в расчет буде приниматься сварка только по перу уголка внизу с двух сторон. Проверка напряжений:

- от узловых нагрузок: (кН/см²)

- продольных усилий: (кН/см²)

Проверка суммарного напряжения в шве, прикрепляющего пояс к фасонке:

Условие выполняется, принимаем катет сварного шва k_f=6 мм.

Принимаем конструктивно толщину верхней накладки t=18 мм и определяем длину сварочных швов прикрепления накладки к верхнему поясу:

(см)

Принимаем 2 шва по 600 мм м 2 шва по 150 мм.

8) узел 9: принимаем конструктивно катет сварного шва k_f=6 мм и толщину нижней накладки t=16 мм. Длину сварочных швов прикрепления накладки к нижнему поясу из :

(см)

Принимаем 2 шва по 300 мм.

Проектируем узлы сопряжения фермы с колонной:

1) узел 10: принимаем конструктивно толщину фасонки 14 мм и фланца 20 мм. Толщину болтов принимаем 20 мм и класс 5.8. Сварочные швы согласно табл. 3.3.

2) узел 11: принимаем конструктивно фланец толщиной 20 мм и шириной 200 мм. Диаметр болтов 20 мм класс 5.8. Проверяем напряжение смятия торца фланца от опорной реакции:

где, F_Rобщ - опорная реакция от постоянных и снеговых нагрузок в ригеле;

A_ф - площадь сминаемой поверхности фланца.

Отсюда:

Прочность обеспечена.

Проверка шва, прикрепляющего фасонку к опорному фланцу:



Условие соблюдается.

Проверяем опорное сечение фасонки на срез:

Условие соблюдается.

Определяем высоту опорного столика:

(см)

Принимаем высоту опорного 34 см и толщина 40 мм.



ПОДБОР СЕЧЕНИЯ КОЛОНН

Подбор сечения верхней сплошностенчатой части колонны

Сечение надкрановой части колонны проектируем сплошным составным сечением. Из таблицы выбираем наихудшее сочетание для сечений 1-1 и 2-2, которым является сочетание -M_max и N_соотв со следующим ядровым моментом: M_ядр?678,5·(0,57·0,45+1,03)=872,9 (кН·м)

Подбираем сечение надкрановой части колонны:

(см³)

(см⁴)

Момент инерции составного сечения определяем из формулы:

Предварительно задаемся толщиной стенки t_ст=10 мм и толщиной полок t_полки=20 мм. Высота стенки определяется из условия: h_ст=h-(4ч6) (cм).

Тогда: h_ст=45-4=41 (см).

Определяем момент инерции стенки:



(см⁴)

Из формулы: (см⁴).

Определяем требуемую площадь полки:

(см²)

Назначаем ширину полки b_f надкрановой части колонны не менее , 1/20·513=25,7 см. С учетом рекомендаций равномерного распределения напряжений по ширине полки (см). Принимаем 28 см.

Определяем толщину полки:

(cм)

Принимаем толщину полки с учетом сортамента t_f=30 (мм).

Определим геометрические характеристики полученного сечения:

А=2·28·3+(45-2·3)·1=168+39=207 (см²)

I_x=1·39³·/12+2·28·3[(45-3)/2]²⁼79032 (см⁴)

I_y=2·3·28³/12=10976 (см⁴)

(см)

(см)

W_x=79032/22,5=3513 (см³)

с_x=3513/207=16,97 (cм)

Проверяем полку на местную устойчивость:

Где, - условная гибкость, определяемая по формуле:

где, l_{ef x} - расчетная длина колонны в плоскости рамы, равная:

- верхняя часть - l_{ef x}=µ₂H_v;

При этом, для одноступенчатых колонн, с закрепленным от поворота верхним концом, µ₂=3.

Отсюда:

- верхняя часть - l_{ef x}=3·513=1539 (см);

l_{ef y}=513-120=393 (см).

Условие выполняется.

Проверяем местную устойчивость стенки из условия ее предельной гибкости:

Отсюда:

Согласно отношение h_ef/t не должно превышать значения :

Таким образом, устойчивость стенки обеспечена.

Проверяем устойчивость надкрановой части колонны в плоскости действия момента. Приведенный относительный эксцентриситет:

где, относительный эксцентриситет определяется:

Коэффициент з зависит от отношения площади полки к площади стенки :

Отсюда, при m=6,1:

ц_e=0,137.

Условие устойчивости:

Условие устойчивости выполняется.

Проверяем устойчивость надкрановой части колонны из плоскости действия момента из условия:

где, ц_y - коэффициент продольного изгиба, в зависимости от гибкости л_y:

=> ц_y=0,833

с - коэффициент, определяемый в зависимости от величины относительного эксцентриситета:

М_х - максимальный момент, действующий в пределах средней трети длины колонны.

Отсюда: (кНм)

б=0,65+0,05m_x=0,65+0,05·5=0,9

л_y=54 < => в=1

Отсюда:

Условие устойчивости из плоскости действия момента выполняется.

Подбор сечения подкрановой части колонны

Сечение подкрановой части колонны проектируем сплошным составным сечением. Из таблицы выбираем наихудшее сочетание для сечений 3-3 и 4-4, которым является сочетание -M_max и N_соотв в сечении 4-4 со следующим ядровым моментом:

Сечение 3-3: M_ядр?405,7·(0,57·1,0+0,28)=344,9 (кН·м)

Сечение 4-4: M_ядр?973,8·(0,57·1,0+1,32)=1840,3 (кН·м)

Расчетная длина подкрановой части колонны в плоскости рамы - l_efx=2·1847=3694 см, из плоскости рамы - l_efy=1847 см.

Определяем цент тяжести сечения, приняв предварительно для наружной ветви z₀=5 см, h₀=100-5 =95 см.

Определим расстояния от нейтральной оси сечения колонны до центра тяжести противоположной ветви из выражений:

Отсюда:

(м) =72,2 (см)

(см)

Сравниваем рекомендованные значения:

(см)

(см)

Определяем наибольшие усилия сжатия в наружной (шатровой) и внутренней подкрановых ветвях:

Отсюда:

(кН)

(кН)

Определяем сечения подкрановой ветви:

где, ц -коэффициент продольного изгиба (в пределах 0,8ч0,9).

Отсюда, задаемся ц=0,8:

(см²)

По сортаменту принимаем двутавр 30Б1 по СТО АСЧМ 230-93 со следующими характеристиками:

А₁=40,6 (см²); i_x=3,29 (см); i_y=12,44 (см).

Определяем сечение наружной ветви из (4,21):

(см²)

Для наружной ветви принимаем конструктивно составное сечение из сварного швеллера с толщиной стенки - t_w=25 мм и шириной просвета между полками сварного швеллера 282 мм. Ширина стеки принимается из условия размещения сварных швов - h_w=338 мм.

Определяем требуемую площадь полок составного сечения:

(см²)

Принимаем предварительно толщину полки 10 мм и ширина соответственно b_f=15,8/1,0=15,8 см. Принимаем ширину полки b_f=180 мм и определяем геометрические характеристики полученного сечения:

A_н.в.=33,8·2,0+1,0·18·2=103,6 (см²)

z₀=4,5 (см)

I_x2=3343,6 (см⁴)

I_y2=13903,7 (см⁴)

(см)

(см)

Уточняем ширину полки сварного швеллера из условия местной устойчивости:

где, - условная гибкость;

l_efx - расчетная длина колонны в плоскости рамы, равная для одноступенчатых колонн, с закрепленным от поворота верхним концом, для нижней части колонн µ₁=2.

Отсюда:

в плоскости рамы - l_{ef x}=2·1847=3694 (см);

из плоскости рамы - l_{ef y}=1847 (см).

Условие выполняется.

Уточняем положение центра тяжести сечения колонны:

h₀=h_n-z₀=100-4,5=95,5 (см)

y₁=A_н.в·h₀/(A_в.в.+А_н.в.)=

=103,6·95,5/(40,6+103,6)=

9893,8/144,2=68,6 (см)

y₂=h₀-y₁=95,5-68,6=26,9 (см)

Полученные значения имеют незначительную разницу от принятых первоначальных значений.

Проверяем устойчивость наружной и внутренней ветвей из плоскости рамы:

где, ц_y - коэффициент продольного изгиба.

Внутренняя ветвь:

л_y=1847/12,44=148,5; ц=0,282.

Условие не выполняется, значит, увеличиваем сечение до двутавра 40Б2 по ГОСТ 26020-83 со следующими характеристиками:

А₁=69,72 (см²); i_x=3,52 (см); i_y=16,3 (см).

Проверяем сечение:

л_y=1847/16,3=113; ц=0,460.

Условие выполняется, значит, принимаем сечение для внутренней ветви двутавр 40Б2 по ГОСТ 26020-83.

Для удобства прикрепления решетки раскосов увеличиваем для наружной ветви толщину стенки 30 мм и ширину стенки с учетом условия размещения швов до 436 мм.

Конструктивно принимаем толщину полки 16 мм и ширину b_f=220 мм и определяем геометрические характеристики полученного сечения:

A_н.в.=43,6·3,0+1,6·22·2=201,2 (см²)

z₀=5,7 (см)

I_x2=10151 (см⁴)

I_y2=47884 (см⁴)

(см)

(см)

Для увеличенного сечения наружной ветви:

л_y=1847/15,4=120; ц=0,419.

Условие выполняется.

Уточняем положение центра тяжести сечения колонны:

h₀=h_n-z₀=100-5,7=94,3 (см)

y₁=A_н.в·h₀/(A_в.в.+А_н.в.)=

=201,2·94,3/(69,72+201,2)=

18973/270,9=70 (см)

y₂=h₀-y₁=94,3-70,0=24,3 (см)

Определяем требуемое расстояние между узлами решетки из условия:

Отсюда:

(см)

Принимаем из условия целого числа панелей l_в.в.=178 (см) и проверяем устойчивость ветвей в плоскости рамы относительно осей х₁-х₁ и х₂-х₂:

1) внутренняя (подкрановая) ветвь:

- устойчивость обеспечена.

2) наружная ветвь:



- устойчивость обеспечена.

Рассчитываем решетку подкрановой части колонны исходя из поперечной силы в сечении колонны Q_max=93,7 (кН) и значения условной поперечной силы для стали: Q_fic=0,3A; где А - площадь поперечного сечения колонны.

Отсюда: Q_fic=0,3(69,72+201,2)=81,3 кН < 93,7 кН

Значит, расчет производим на Q_max.

Определяем усилие сжатия в раскосе:

где, б - угол наклона раскоса .

Отсюда:

(кН)

Задаем гибкость раскоса решетки л_d=100, ц=0,542 и определяем площадь требуемого сечения раскоса:

где, г_с=0,75 для сжатого уголка, прикрепленного одной полкой.



Отсюда: (см²)

Исходя из требуемой площади сечения, принимаем уголок равнополочный по ГОСТ 8509-93 63х6 мм со следующими характеристиками:

А_d=7,28 (см²); i_min=1,24 (см); л_max=l_d/i_max=130/1,24=105, ц=510.

Проверяем несущую способность сечения раскосов решетки:

Несущая способность обеспечена.

Проверяем устойчивость колонны в плоскости действия момента как единого стержня со следующими его характеристиками:

А=270,92 (см²);

I_x=69,72·70²+201,2·24,3²=460435 (см⁴);

(см);

Определяем приведенную гибкость стержня колонны:

где, А_d1=2A_d=2·7,28=14,56;

.

Отсюда:

Для комбинаций усилий, догружающих наружную ветвь (сеч. 4-4):

N₂=-973,8 (кН), М₂=1285,2 (кНм)

; ц_е=0,235

Условие выполняется.

Для комбинаций усилий, догружающих подкрановую ветвь (сеч. 3-3):

N₁=-1473,8 (кН), М₁=-405,7 (кНм)

; ц_е=0,343

Условие выполняется.



Сопряжение надкрановой и подкрановой части колонны

Расчетные комбинации усилий в сечении 2-2 над уступом:

1) N = -705 кН; М = -312 (кНм);

2) N = -693,2 кН; М = -328 (кНм).

Давление кранов D_max = 787,7 (кН).

Прочность стыкового шва (ш1) проверяем в крайних точках сечения надкрановой части.

1. Первая комбинация М и N (сжата наружная полка):

а) наружная полка:

б) внутренняя полка

2. Вторая комбинация М и N (сжата внутренняя полка):

а) наружная полка:

б) внутренняя полка:



Прочность стыкового шва обеспечена.

Определяем толщину стенки траверсы определим из условия ее смятия:

где, l_ef - длина сминаемой поверхности, равная ширине опорных ребер подкрановой балке и удвоенной толщине опорной плиты: (cм).

Принимаем ширину опорного ребра подкрановой балки 400 мм из условия 1/3ч1/5 от ее высоты. Толщина опорной плиты t_пл=20 (мм), R_p=36 кН/см².

Отсюда:

(см)

(см)

Учитывая возможный перекос опорного ребра балки, принимаем t_p=1,2 (см).

При второй комбинации М и N усилия во внутренней полке (в запас несущей способности):

Отсюда:

(кН)

Определяем длину шва крепления вертикального ребра траверсы к стенке траверсы (ш2):

Применяем полуавтоматическую сварку в нижнем положении в среде углекислого газа сварочной проволокой Cв-08Г2С:

R_wf = 21,5 кН/см²; R_wz = 16,5 кН/см²;

в_f = 0,9; в_z = 1,05;

в_f •R_wf = 0,9•21,5 = 19,3 кН/см²;

в_z •R_wz = 1,05•16,5 = 17 кН/см².

Расчет ведем по металлу границы сплавления. Принимаем k_f = 10 мм;

Отсюда:

(см)

Проверяем условие по максимальной длине сварного шва:

- условие выполняется.

В стенке подкрановой ветви делаем прорезь, в которой заводим стенку траверсы. Для расчета шва крепления траверсы к подкрановой ветви (ш3) составляем комбинацию усилий в сечении 3-3, дающую наибольшую опорную реакцию траверсы (такой комбинацией будет сочетание 1, 2*, 3*, 5*, 8*): N = -1473,8 (кН); М = -405,7 (кНм).

Определяем усилие в сварном шве (ш3):

где, ш -коэффициент, учитывающий, что усилия М и N приняты для второго основного сочетания нагрузок и равный 0,9.

Отсюда: (кН)

Принимаем катет сварного шва (ш3) k_f = 10 мм и определяем требуемую его длину:

(см)

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

где, t_w1 = 7,5 мм - толщина стенки двутавра 40Б2 (ГОСТ 26020-83), R_s = 0,58R_у = 14 кН/см² - расчетное сопротивление срезу фасонного проката из стали С255.



Отсюда: (см)

Принимаем h_тр = 67 (см).

Максимальная поперечная сила в траверсе с учетом усилия от кранов возникает при комбинации усилий 1, 2*, 3*, 5*, 8* (расчет шва 3):

где, k - коэффициент, учитывающий неравномерную передачу усилия D_max и равный 1,2.

Отсюда: (кН)

Проверяем касательные напряжения, создаваемые в траверсе:

Отсюда:

Условие выполняется.

База колонны

Проектируем раздельную базу колонны, так как ширина нижней части 1 м. за расчетное усилие принимаем максимальное усилие в одной из ветвей колонны, которым является усилие в наружной ветви N_н.в.=2093 (кН).

Определяем требуемую площадь опорной плиты базы:

где, R_ф=ц_bR_b (R_b - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию).

Принимаем коэффициент для бетона фундамента В15 (по заданию) ц_b=1,5 и R_b=1,15 (кН/cм²). Отсюда: R_ф=1,5·1,15=1,73 (кН/см²).

(см²)

По конструктивным соображениям свес плиты с₂ должен быть не менее 4 см, отсюда ширина плиты:

В_пл ? b_k+2c₂=40+2·4=48 (см).

Принимаем ширину плиты B_пл=50 (см).

Требуемая длина плиты:

(см).

Принимаем предварительно L_тр=40 (см).

Полученная площадь плиты:

(см).

Определяем расстояние между траверсами в свету из условия их симметричного расположения относительно центра тяжести ветви:

(см)

Принимаем толщину траверсы 12 мм и корректируем длину плиты:

L_тр=38,6+1,2·2+8=49 (см).

Принимаем 50 (см), полученная площадь плиты:

(см).

Определяем среднее напряжение в бетоне под плитой:

Отсюда:

(кН/см²)

Определяем свес плиты с₁:

с₁=(50-38,6-2·1,2)/2=4,5 (см).

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты:

Участок 1 (консольный свес с=с₁=4,5 см):

(кНсм)



Участок 2 (консольный свес с=с₂=5,0 см):

(кНсм)

Участок 3 (плита, опертая на 4-е стороны):

b/a=36,8/22=1,67; б=0,0895

(кНсм)

Участок 4 (плита, опертая на 4-е стороны):

b/a=36,8/13,6=2,7>2; б=0,125

(кНсм)

Принимаем для расчета M_max=M₃=36,4 (кНсм).

Определяем требуемую толщину плиты базы:

Отсюда: (см)

Принимаем исходя из сортамента стали листовой (ГОСТ19903-74*) t_пл=36 (мм) с припуском на фрезеровку.

Определяем высоту траверсы из условия размещения сварного шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилие в ветви передаем на траверсы через четыре угловых шва.

Сварка полуавтоматическая проволокой марки 08Г2С, d=2 мм. Расчет ведем по металлу границы сплавления. Катет сварного шва принимаем k_f=8 мм. Отсюда:

(см)

Принимаем высоту траверсы h_тр=40 (см).

Рассчитываем анкерные болты крепления подкрановой ветви для усилий в сечении 4-4 N_min=+567,9 (кН) и M_соотв=+837,9 (кНм).

Определяем усилия в анкерных болтах:

Отсюда: (кН)

Определяем требуемую площадь сечения болтов:

где, R_ba =14,5 (кН/см²) для болтов из стали С235.

Отсюда: (см²)

Принимаем 4 болта d=48 мм, A_ba=4·14,8=59,2 (см²).

Так как усилие в наружной ветви меньше, то из соображений унификации принимаем для нее также 4 болта d=48 (мм).



ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия. - М.: ФГУП ЦПП, 2005. - 44с.

2. СНиП II-23-81* Стальные конструкции. Госстрой СССР, 1984. - 169 с.

3. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции. - М: Госстрой СССР, 1986. - 142 с.

4. СП 16.13330.2011. Свод правил. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-23-81*. -М: ФГУП ЦПП, 2011

5. СП 70.13330.2012. Свод правил. Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87. -М: ФГУП ЦПП, 2012

6. ГОСТ 26020-83. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент. - М: Стройиздат, 1985. - 6 с.

7. ГОСТ 19903-74. Прокат листовой горячекатаный. Сортамент. - М: Стройиздат, 1984. - 19 с.

8. Абаринов А.А. Составление деталировочных чертежей металлических конструкций. - М: Стройиздат, 1977. - 60 с.

9. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций: учеб.пособие для строит. вузов / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов и др.; Под ред. В. В. Горева. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002. - 527 с

10. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 2. Конструкции зданий: Учебник для строительных вузов / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов, Г. И. Белый и др.; Под ред. В. В. Горева. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2002

11. Металлические конструкции. В З томах. Том 2. Стальные конструкции зданий и сооружений. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИпроектстальконструкция им. Н. П. Мельникова). - М: изд-во АСВ, 1998. - 512 с.

12. Панин А.В. Стальной каркас промышленного здания: учеб.-метод. пособие / А.В. Панин, Н.А. Лисицин; Воронеж. гос.арх.-строит.ун-т. - Воронеж, 2008. - 56 с.

Размещено на Allbest.ru

...