Расчет стального каркаса одноэтажного производственного здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса

1.1 Выбор типа ограждающей конструкции для стен и покрытия

1.2 Выбор шага колонн и составление эскиза плана колонн

1.3 Выбор схемы и определение основных размеров поперечной рамы

1.4 Выбор схемы связей: между колоннами, по верхним и нижним поясам ферм, вертикальными между фермами, по фонарю

1.5 Разработка схемы фахверка

2. Расчет и конструирование подкрановой балки

2.1 Установка расчетной нагрузки на балку

2.2 Определение расчетных усилий

3. Расчет поперечной рамы здания

3.1 Определение расчетной схемы рамы

3.2 Сбор нагрузок на раму

3.3 Статический расчет поперечной рамы

3.4 Таблица расчетных усилий в сечениях рамы

4. Расчет конструкций стропильной фермы

4.1 Сбор нагрузок на ферму

4.2 Определение расчетных усилий в стернях фермы

4.3 Подбор сечении стержней фермы

4.4 Конструирование и расчет узлов фермы

5. Расчет и конструирование колонны

5.1 Определение расчетных длин надкрановой и подкрановой частей колонны в плоскости и из плоскости рамы

5.2 Подбор сечений стержней колонны и проверка ее общей и местной устойчивости

5.3 Расчет и конструирование узлов колонны: сопряжения верхней и нижней частей колонны, база

Литература

Приложение



Введение

В разрабатываемом курсовом проекте рассчитывается стальной каркас одноэтажного производственного здания согласно основным принципам расчета, конструирования и компоновки металлических конструкций

Настоящий курсовой проект состоит из пяти разделов.

В первом разделе рассматриваем вопросы выбора конструктивной формы промышленного здания, компоновки сооружения и его элементов.

Второй раздел посвящен расчету и конструированию подкрановой балки сооружение подкрановый балка стропильный

В третьем разделе рассматриваем статический расчет поперечной рамы промышленного здания. Подробно рассмотрен вопрос сбора нагрузок и определения усилий в стойках рамы от различных видов нагрузок.

Четвертый раздел освещает вопросы статического расчета, подбора сечений и расчета узлов стропильной фермы.

Пятый раздел посвящен расчету и конструированию колонны, узлов колонны, базы.

В данном курсовом проекте мы научимся проектировать стальной каркас одноэтажного производственного здания, а также расширим свои знания в курсе «Металлические конструкции» и в использовании нормативных документов.



1. Компоновка поперечной рамы

1.1 Выбор типа ограждающей конструкции для стен и покрытия

Выбираем каркас, состоящий из стальных колонн. Ограждающие конструкции: стеновые панели - железобетонные длиной 6м, толщина конструктивного слоя на основании теплотехнического расчёта. Покрытие - лёгкая кровля (стальные профилированные листы), для зданий пролётом не менее 24м (в данном кп - 24м), грузоподъёмном транспорте от 5т и более (30т).

1.2 Выбор шага колонн и составление эскиза плана колонн

Согласно требованиям унификации промышленных зданий, расстояние между колоннами назначаются в соответствии с укрупнённым модулем, кратным 6м.

По заданию пролет здания равен 24м, работают 2 крана грузоподъемностью 30т, высота более 14м (17,2м), поэтому выбираем систему с шагом поперечных рам 6м, с жестким сопряжением ригеля с колонной (краны среднего режима работы). Длина здания 84м. Отметка головки подкранового рельса 12м.

Колонны по торцам здания имеют привязку 500мм (при шаге колонн 6м, кранах грузоподъёмностью 30т и более и отсутствии проёмов для проходов), для возможности использования типовых стеновых ограждений согласно п.1.2.1 глава 1 /8/

Размещение колонн однопролётного здания показано на рис.1.1.



Рис.1.1 Размещение колонн однопролётного здания.

1.3 Выбор схемы и определение основных размеров поперечной рамы

Вертикальные габариты здания зависят от технологических условий производства и определяются расстоянием от уровня пола до головки подкранового рельса (Н1 = 12000 мм), и расстоянием от головки кранового рельса до низа несущих конструкций (Н2).

Вертикальные размеры согласно п.1.2.2 глава 1 /5/:

Н2 = (НК + 100) + f = (2750 + 100 ) + 400 = 3250 мм.

где: где НК - расстояние от головки рельса до верхней точки тележки крана (стр.531 /6/);

НК + 100 - расстояние от головки рельса до верхней точки тележки крана, плюс установленный по технике безопасности зазор между этой точкой и строительными конструкциями;

НК = 2750мм - высота крана ([6],с.530);

f - размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия (ферм, связей).

Высота цеха от уровня пола до низа стропильных ферм (полезная высота цеха) согласно п.1.2.2 глава 1 /8/:



Н0 = Н2 + Н1 = 3250 +12000 = 16200 мм

где: Н0 - кратна 1800мм;

Н1 - наименьшая отметка головки кранового рельса.

Размеры верхней части колонны согласно п.1.2.2 глава 1 /8/:

НВ = ( hб + hр ) + Н2 = ( 1200 + 120 ) + 3600 = 4920 мм.

hб - высота подкрановой балки, которая предварительно принимается 1/8-1/10 шага колонн (1/10·l = 0,1·12000 = 1200мм);

hр - высота подкранового рельса (120мм для рельса типа КР-70).

При заглублении базы колонны на 1000 мм ниже пола согласно п.1.2.2 глава 1 /8/:

НН = Н0 - НВ + 1000 = 16200 - 4920 + 1000 = 12280 мм

Общая высота колонны от низа базы до низа ригеля согласно п.1.2.2 глава 1 /8/:

Н = НН + НВ = 12280 + 4920 = 16600 мм.

Высота части колонны в пределах ригеля НФ = 2250мм при пролете 24 м.

Принимаем привязку а = 250мм, так как грузоподъемность крана равна 30т. Высота сечения верхней части колонны h = 200 + 250 = 450 мм.

Высоту сечения в пределах высоты фермы принимаем 450мм (назначается с учетом унифицированных привязок наружных граней колонны к разбивочной оси, а также привязки ферм к разбивочной оси).

Для того чтобы кран при движении не задевал колонну, расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее:

l1 ? B1 + ( hВ - a ) + 75 = 300 + ( 450 - 250 ) + 75 = 575 мм;

принимаем l1 = 750 мм, кратным 250 мм (т. к. пролеты кранов lК имеют модуль 500мм).

Т. к. ось подкрановой ветви колонны необходимо совместить с осью подкрановой балки, то высоту сечения нижней части колонны принимаем:

hН = l1 + а = 750 + 250 = 1000мм.

Пролет мостового крана:

lК = l - 2 l1 = 24000 - 2 •750 = 22500 мм

Верхнюю часть колонны принимаем сплошной двутаврового сечения, нижнюю - сквозной.

Конструктивная схема здания показана на рис.1.2.



Рис.1.2 Конструктивная схема здания.

1.4 Выбор схемы связей: между колоннами, по верхним и нижним поясам ферм, вертикальными между фермами, по фонарю

Связи между колоннами. Предельные размеры между вертикальными связями от торца блока до оси ближайшей вертикальной связи в отапливаемых цехах 90м, в неотапливаемых и горячих 75м согласно п.1.3.2 глава 1 /8/:. Принимаем размещение связей на расстоянии 42м, в центральном пролете.

Связи по покрытию. Для горизонтальных связей при шаге стропильных ферм 12м диагональные элементы связей, даже работающие только на растяжение, получаются слишком тяжелыми. Поэтому систему связей проектируют так, чтобы наиболее длинный элемент был не более 12м, и этими элементами поддерживают диагонали.

Рис.1.3.1 Схема вертикальных связей по колоннам.

Рис.1.3.2 Схема вертикальных связей по нижним поясам ферм.



Рис.1.3.3 Схема вертикальных связей по верхним поясам ферм.

1.5 Разработка схемы фахверка

Фахверком называется система конструктивных элементов, служащих для поддержания стенового ограждения и восприятия (с последующей передачей на фундаменты и другие конструкции) ветровой нагрузки.

Принимаем сечение стоек фахверка, выполненное в виде прокатного двутавра. Стойки опираются на фундамент и с помощью листового шарнира, передающего горизонтальные усилия, но не стесняющего вертикальные перемещения ферм, - на связи по нижним поясам ферм.

Стойки фахверка устанавливаем в торцах здания. Для обеспечения устойчивости стоек фахверка в плоскости стен устраиваем распорки, которые крепятся к вертикальным связям.

В торцах здания необходимо предусмотреть также ворота для автомобильного и железнодорожного транспорта. С верху, над воротами, предусматриваем над воротный ригель (ригель фахверка). Размеры ворот 3х3м - для автомобильного транспорта, 4,7х5,6м - для железнодорожного транспорта. Для устройства этих ворот необходимо разработать систему фахверков.

2. Расчет и конструирование подкрановой балки

2.1 Установка расчетной нагрузки на балку

Пролёт ПБ 6м, два крана грузоподъёмностью 30т. Режим работы крана - средний. Пролёт здания 24м. Материал балки сталь С255; R = 230МПа = 23кН/см2; Rs=135МПа = 13,5кН/см2.

Нагрузки на ПБ.

По приложению 1[6] F = 326кН - наибольшее вертикальное усилие на колесе, GT = 125кН - вес тележки, тип кранового рельса - КР-70.

Рис.2.1.1. Схема нагрузок от мостового крана.

Определяем расчетные значения усилий на колесе крана с учетом коэффициента надежности по назначению :



2.2 Определение расчетных усилий

Максимальный момент возникает в сечении, близком к середине пролета. Загружаем линию влияния момента в среднем сечении, устанавливая кран невыгоднейшим образом.

Расчетный момент от вертикальной нагрузки:

где - ординаты линий влияния; - учитывает влияние собственного веса подкрановых конструкций и временной нагрузки на тормозной площадке(c.372,[1]).

Расчетный момент от горизонтальной нагрузки:

Определение .

Для определения максимальной поперечной силы загружаем линию влияния поперечной силы на опоре.

Расчетные значения вертикальной и горизонтальной поперечных сил:

Определение .

Подбор сечения балки.

Принимаем подкрановую балку симметричного сечения с тормозной конструкцией в виде листа из рифленой стали t = 6мм и швеллера №36.

Значение коэффициента в определим по формуле:

где .

Задаемся .

Оптимальная высота балки:

.

Минимальная высота балки:

- момент от загружения одним краном при n = 1,0. Значение Мн определим по линии влияния. Сумма ординат линии влияния при нагрузке от одного крана

= 400 - для кранов среднего режима работы.

Принимаем .

Задаемся толщиной полок

тогда .

Из условия среза стенки силой :

.

Принимаем стенку толщиной 1см; .

Размеры поясных листов определим по формуле:



.

Принимаем пояс из листа сечения 20х340мм, Ап = 68см2.

Устойчивость пояса обеспечена, так как:

По полученным данным компонуем сечение балки.

Проверка прочности сечения.

Определяем геометрические характеристики принятого сечения.

Относительно оси х-х:

;

.

Геометрические характеристики тормозной балки относительно оси у-у (в состав тормозной балки входят верхний пояс, тормозной лист и швеллер):

Расстояние от оси подкрановой балки до центра тяжести сечения:

.

Проверим нормальные напряжения в верхнем поясе:

Прочность стенки на действие касательных напряжений на опоре обеспечена, так как принятая толщина стенки больше определенной из условия среза.

Жесткость балки также обеспечена, так как принятая высота балки .

Проверим прочность стенки балки от действия местных напряжений под колесом крана:



(при кранах с гибким подвесом груза);

;

.

- момент инерции рельса КР-100;

с = 3,25 - коэффициент податливости сопряжения пояса и стенки для сварных балок.



3. Расчет поперечной рамы здания

3.1 Определение расчетной схемы рамы

В соответствии с конструктивной схемой (рис. 1.2), выбираем ее расчетную схему и основную систему (рис3.1). Сопряжение ригеля с колонной назначаем жестким; сквозные колонны и фермы заменяем сплошными эквивалентной жесткости.

Расстояние между центрами тяжести верхнего и нижнего участков колонн:

е0 = 0,5 ( hН - hВ ) = 0,5 ( 1000 - 450) = 0, 275м

Задаемся соотношением моментов инерции элементов рамы согласно п.2.1.1 глава 2 /5/:

IH / IВ = 5; IР / IН = 4; Если IВ = 1, то IН = 5, IР = 20.

3.2 Сбор нагрузок на раму

Все нагрузки подсчитываются с учетом коэффициента надежности по назначению (гс = 0,95).

Постоянная нагрузка.

Нагрузку на 1мІ кровли подсчитываем в таблице1.

Таблица 1 - Постоянная поверхностная распределенная нагрузка от покрытия.

Состав покрытия	Нормативная, кН/м2	Коэффициент перегрузки	Расчетная, кН/м2
Защитный слой (битумная мастика с втопленным гравием) г = 21 кН/мі t = 20мм	0,42	1,3	0,55
Гидроизоляция (4 слоя рубероида)	0,2	1,3	0,26
Утеплитель (пенопласт) г = 0,5 кН/мі t = 50мм	0,03	1,3	0,04
Пароизоляция (1 слой рубероида)	0,04	1,3	0,05
Стальная панель с профилированным настилом	0,35	1,05	0,37
Собственный вес металлических конструкций шатра (фермы, связи, подкрановые балки)	0,3	1,05	0,32

Итого: gнкр = 1,34 кН/м2 gкр = 1,59кН/м2

Расчетная равномерно распределенная линейная нагрузка на ригель рамы по формуле согласно п.2.1.2 глава 2 /5/:

qп = гn gкр bф / cosб = 0,95·1,59кН/м2·12м /1 = 18,1 кН/м;

где: bф - шаг стропильных ферм;

гn - коэффициент надежности по назначению, гn =0,95 .

Опорная реакция ригеля рамы по формуле согласно п.2.1.2 глава 2 /5/:

FR = qп l/2 = 18,1кН/м ·24м/2 = 217,2 кН.

Расчетный вес колонны. Верхняя часть (20% веса):

GВ = 0,95•1,05•0,2•0,5кН/м2•6м•4,92м = 2,94 кН

Нижняя часть (80% веса):

GН = 0,95•1,05•0,8•0,5кН/м2•6м•12,28м=29,4 кН

Поверхностная масса стен 200 кг/мі, переплетов с остеклением 35 кг/мі. В верхней части колонны (включая вес этой колонны):

F1 = 0,95 (1,2 •2 кН/м2•5,12м•6м + 1,1•0,35кН/м2•2,4м•6м) + 2,94кН = 78,39 кН

в нижней части колонны:

F2 =0,95 (1,2•2 кН/м2•5,68м•6м + 1,1•0,35 кН/м2•6м•6м) + 29,40 кН = 103,85 кН

Постоянные нагрузки показаны на рис. 3.1(б).

Снеговая нагрузка.

Вес снегового покрова р0 = 1,5кН/м2. При gnкр / р0 = 1,34/1,5= 0,89 коэффициент перегрузки n = 1,45. Линейная распределенная нагрузка от снега на ригель рамы определяется по формуле согласно глава 2 п.2.1.2 б /5/:

qсн = гн ncр0bф = 0,95•1,45•1,5кН/м2 •1•6м = 12,4 кН/м

Опорная реакция ригеля:

FR = 12,4 кН/м •24м / 2 = 148,8 кН (рис. 3.1(в))

Рис.3.1. Расчетная схема рамы. Постоянная и снеговая нагрузки.

Вертикальные усилия от мостовых кранов.

База крана 5,1м, расстояние между колесами двух кранов 1,2м, нормативное усилие колеса - 315кН.

Расчетное усилие, передаваемое на колонну колесами крана определяется по формуле согласно глава 2 п.2.1.2 б /5/:

Dmax = гn (nnc? Fk max y + nGn + ngnbтb) = 0,95(1,1•0,95•315кН•2,94 + 1,05•36кН + 1,2•1,5кН/м2 •1,5м•6м) = 986,1 кН

где: n, nc - коэффициенты перегрузки и сочетаний;

Fk max - нормативное вертикальное усилие колеса;

y - ордината линии влияния;

Gn - нормативный вес подкрановых конструкций (вес подкрановой балки 6м·12м·0,25кН/м2 =36 кН);

qn- полезная нормативная нагрузка;

bт - ширина тормозной площадки;

b - шаг колонн.

Нормативные усилия, передаваемые колесами другой стороны крана определяется по формуле согласно глава 2 п.2.1.2 в /5/::

FК? = (9,8Q + QК) / n0 - FК max = (9,8•30кН +520кН) / 2 - 315кН = 92кН,

Dmin = 0,95 (1,1 •0,95·92·2,94 + 1,05·36 + 1,2·1,5·1,5·6) = 335,2 кН.

Сосредоточенные моменты от вертикальных усилий Mmax , Mmin:

Определяем расстояние от оси подкрановой балки до оси, проходящей через центр тяжести нижней части колонны определяется по формуле согласно глава 2 п.2.1.2 в /5/:

ек = 0,5hн = 0,5•1м= 0,5м;

Мmax = ек·Dmax = 0,5м•986,1 кН = 493,05 кНм;

Мmin = ек·Dmin = 0,5м•335,2 кН = 167,6 кНм.

Горизонтальная сила от мостовых кранов, передаваемая одним колесом определяется по формуле согласно глава 2 п.2.1.2 г /5/:

ТКн = 0,05(9,8Q + GТ)/n0 = 0,05(9,8•30кН + 120кН)/2 = 10,35кН.

Расчетная горизонтальная сила Т, передаваемая подкрановыми балками на колонну от сил ТК определяется по формуле согласно глава 2 п.2.1.2 г /5/:

Т = гнnnc? Тkн y = 0,95•1,1•0,95•10,35•2,94 = 30,21кН

Считаем условно, что сила Т приложена в уступе колонны. Рис. 3.2(б).

Рис.3.2 К примеру определения нагрузки от мостового крана.

Ветровая нагрузка.

Нормативный скоростной напор ветра q 0 = 0,23 кПа. По заданию

Коэффициенты k для 10м - 0,65; 20м - 0,9; 30м - 1,05.

Расчетная линейная ветровая нагрузка, передаваемая на стойку рамы определяется по формуле согласно глава 2 п.2.1.2 д /8/:

где: c - аэродинамический коэффициент;/5/

с = 0,8 - с наветренной стороны; /5/

с = 0,6 - со стороны откоса;/5/

n - коэффициент перегрузки, n = 1,2;/5/

Вф - ширина расчетного блока.

Линейная распределенная нагрузка при высоте:

до 10м: 2,52•0,65 = 1,64 кН/м;

20м: 2,52•0,9 = 2,27 кН/м;

30м: 2,52•1,05 = 2,65 кН/м.

17,2м: 1,64+(2,27-1,64)7,2/10=2,09 кН/м;

19,8м : 1,64+(2,27-1,64)9,8/10=2,26 кН/м

Сосредоточенные силы от ветровой нагрузки:

Эквивалентные линейные нагрузки:

Ветровые нагрузки показаны на рис. 3.3.

Рис.3.3 К определению ветровой нагрузки.

3.3 Статический расчет поперечной рамы

В связи с тем, что для разных элементов, для разных сечений наибольшие расчетные усилия можно получить при разных сочетаний временных нагрузок, определять усилия M, N, и Q в элементах рамы приходится отдельно от каждой из нагрузок, приложенных к раме. Рама рассчитывается обычными методами строительной механики (сил, перемещений) с учетом действительной работы каркаса, входящего в пространственную систему. Расчет ведем согласно рекомендаций глава 2 п.2.2 /8/ (второй способ) и рекомендациям по расчету рам согласно /6/.

Расчет на постоянные нагрузки.

Основная система приведена на рис. 3.4, а, а схема нагрузки - на рис. 3.1.

Сосредоточенный момент из-за смещения осей верхней и нижней частей колонны:

Коэффициенты для определения реакций и изгибающих моментов в ступенчатой стойке с защемленными концами определяются по /5/:

Каноническое уравнение левого узла:

.

Моменты от поворота узлов на угол ц = 1 Моменты от поворота узлов на угол: ; коэффициенты жесткости определили методом линейной интерполяции по таблице 22 приложения [5]:

- погонная жёсткость.

Моменты от нагрузки на стойках ; коэффициенты определили методом линейной интерполяции по таблице 22 приложения [5]:



Моменты на опорах ригеля (защемленная балка постоянного по длине сечения):

Коэффициенты канонического уравнения:

Угол поворота:

.

Моменты от фактического угла поворота (М1ц):

Эпюра моментов от постоянной нагрузки:

Проверкой правильности расчета служит равенство моментов в узле В (-113,79 кНм ? ? -113,81), равенство перепада эпюры моментов в точке С (66,86 + 38,24 = 105,1кНм), внешнему моменту (105,1), а так же равенство поперечных сил на верхней и нижней частях колонны:

Разница (2%) получена в результате округления параметра б .

Рис.3.4 К расчету рамы на постоянную нагрузку

Расчет на нагрузку от снега.

Проводится аналогично расчету на постоянные нагрузки. Сосредоточенный момент на колонне:

Моменты от нагрузки на стойках ; коэффициенты определили методом линейной интерполяции по таблице 22, а приложения [5]:

Коэффициенты канонического уравнения:

Угол поворота ц:

Момент от фактического угла поворота :

Эпюры усилий от снеговой нагрузки показаны на рис. 3.5.



Qb = Qa = -(167,71кНм-69,2кНм)/4,92м = 20кН

Nb = Na = -297,6 kH

Nриг = -20 kH

Рис. 3.5 Эпюры усилий в раме от снеговой нагрузки

Расчет на вертикальную нагрузку от мостовых кранов.

Расчет проводится при расположении тележки крана у левой стойки. Основная система и схема нагрузки приведены на рис. 3.6.

Проверка возможности считать ригель абсолютно жестким:

Каноническое уравнение для определения смещения плоской рамы:

Моменты и реакции от смещения верхних узлов на ; коэффициенты берем по таблице 22, а приложения [5]:



Моменты и реакции на левой стойке от нагрузки; коэффициенты берем по таблице 22, д приложения [5]:

Усилия на правой стойке можно получить аналогично, или умножая усилия левой стойки на отношение:

;

.

Реакция верхних концов стоек:

Смещение плоской рамы:

Крановая нагрузка - местная, поэтому . При жесткой кровле по формуле:

где: - число рам в блоке;

- расстояние между симметрично расположенными относительно середины блока рамами; (- вторыми от торцов);

- число колес кранов на одной нитке подкрановых балок;

- сумма ординат линии влияния реакции рассматриваемой рамы.

Смещение с учетом пространственной работы:

Эпюра моментов от фактического смещения рамы с учетом пространственной работы см. на рис. 3.6, г; а суммарная - на рис. 3.6 д).

Эпюра Q (рис.3.6, е), свидетельствует о правильном расчете (поперечные силы в верхних и нижних частях стоек рамы практически одинаковы). Разница в значениях нормальной силы (рис. 3.6. ж) с левого и правого концов ригеля получилась за счет передачи горизонтальных сил на соседние рамы.

Рис. 3.6 К расчету рамы на вертикальную нагрузку от мостовых кранов

Расчет на горизонтальные воздействия мостовых кранов.

Основная система, эпюра , каноническое уравнение, коэффициент - такие же, как и при расчете на вертикальную нагрузку от мостовых кранов.

Определяем моменты и реакции в основной системе от силы Т коэффициенты берем по таблице 22, г приложения [8]:

Смещение верхних концов с учетом пространственной работы:

Эпюры М и Q показаны на рис.3.7.

Рис. 3.7 Эпюры усилий от горизонтальных воздействий кранов

Расчет на ветровую нагрузку.

Основная система и эпюра - как для крановых воздействий. Эпюра на правой стойке (рис. 3.8.):

На левой стойке усилия получаются умножением на коэффициент:

Коэффициенты канонического уравнения:

Смещение рамы (ветровая нагрузка воздействует на все рамы блока и поэтому ):

Эпюра показана на рис. 3.8, б.

Эпюра Q (рис. 2.8, в) на левой стойке:



На правой стойке:

Проверка (при правильном решении сумма поперечных сил внизу, должна быть равна сумме всех горизонтальных нагрузок):

Рис. 3.8 Эпюра усилий от ветровой нагрузки

3.4 Таблица расчетных усилий в сечениях рамы

Определив внутренние усилия в сечениях рамы от каждой из расчетных нагрузок, нужно найти их наиболее невыгодные сочетания, которые могут быть неодинаковыми для разных сечений элементов рамы.

Таблицу расчетных усилий составляем с учетом рекомендаций, изложенных на стр. 299-300 /8/.

№	Нагрузки и комбинации		nc	Нижняя часть стойки	Верхняя часть стойки
				1 - 1	2 - 2	3 - 3	4 - 4
				M	N	Q	M	N	Q	M	N	Q	M	N	Q
1	Постоянная		1	-113,81	-217,2	-9,5	-66,86	-382,18	-9,5	+38,24	-382,18	-9,5	+108,84	-621,38	-9,5
2	Снеговая		1	-167,71	-297,6	-20	-69,2	-297,6	-20	+12,63	-297,6	-20	+160,62	-297,6	-20
			0,9	-150,94	-267,84	-18	-62,28	267,84	-18	+11,37	-267,84	-18	+144,56	-267,84	-18
3	Dmax	На левую стойку		1	83,06	0	51	166,7	0	51	326,35	986,1	51	48,07	986,1	51
				0.9	-74,75	0	-45,9	+150,03	0	-45,9	-293,72	-887,49	-45,9	+43,26	-887,49	-45,9
3*		На правую стойку			-28,24	0	+11	+56,68	0	+11	-110,96	-335,2	+11	+16,34	-335,2	+11
				0.9	-25,42	0	+9,9	+51,01	0	+9,9	-99,86	-301,68	+9,9	+14,71	-301,68	+9,9
4	Т	На левую стойку		1	-+35,7	0	-+18,1	±53,39	0	-+18,1	±53,39	0	±14,3	-+113,83	0	±14,3
				0.9	-+32,13	0	-+16,29	±48,05	0	-+16,29	±48,05	0	±12,87	-+102,45	0	±12,87
4*		На правую стойку		1	-+15,95	0	±4	-+4,28	0	±4	-+4,28	0	±4	±34,6	0	±4
				0.9	-+14,36	0	±3,6	-+3,85	0	±3,6	-+3,85	0	±3,6	±31,14	0	±3,6
5	Ветровая	На левую стойку		1	+53,52	0	+1,77	-1,9	0	+11,61	-1,9	0	+11,61	-251,37	0	+34,97
				0.9	+48,17	0	+1,59	-1,71	0	+10,45	-1,71	0	+10,45	-226,23	0	+31,47
5*		На правую стойку		1	61,92	0	5,48	7,27	0	12,86	7,27	0	12,86	235,8	0	30,38
				0.9	-55,73	0	+6,54	+6,54	0	+11,57	+6,54	0	+11,57	+212,22	0	+27,34
	+Mmax Nсоотв	nc = 1.0	№ нагрузок		1, 3, 4		1, 5*
			Усилия				53,23	38218	78,6				44,64	621,38	0,88
		nc =0.9	№ нагрузок		1, 3, 4, 5		1, 2, 3, 4, 5*
			Усилия				129,51	-650,02	-33,34				521,75	1879,16	-58,93
	-Mmax Nсоотв	nc = 1.0	№ нагрузок	1,2	1,2	1,3,4	1,5
			Усилия	-281,52	-514,8	-29,5	-136,06	-679,78	-29,5	-341,5	-1368,28	-41,8	-142,53	-621,38	25,47
		nc =0.9	№ нагрузок	1, 2, 3*, 4, 5	1, 2, 5*	1, 2, 3, 4, 5*	1, 3, 4, 5
			Усилия	-322,3	-485,04	-27,5	-122,6	-650,02		-285,62	-650,02		-176,58	-1508,87	-36,8
	Nmax +Mсоотв	nc = 1.0	№ нагрузок		1, 3, 4
			Усилия				89,45	382,18
		nc =0.9	№ нагрузок		1, 3, 4, 5		1, 2, 3, 4, 5*
			Усилия				129,51	382,18					611,33	1776,71	58,93
	Nmax -Mсоо тв	nc = 1.0	№ нагрузок	1, 2	1, 2	1, 3, 4
			Усилия	281,52	514,8		-136,06	679,78	29,5	341,5	1368,28	41,8
		nc =0.9	№ нагрузок	1, 2, 3*, 4, 5	1, 2, 5*	1, 2, 3, 4, 5*
			Усилия	268,78	485,04		122,6	650,02		285,62	650,02
	Nmin +Mсоотв	nc = 1.0	№ нагрузок				1, 5*
			Усилия										108,84	621,38
	Nmin -Mсоо тв	nc = 1.0	№ нагрузок				1, 5
			Усилия										477,6	621,38
	Qmax	nc =0.9	№ нагрузок				1, 2, 3, 4, 5*
			Усилия												86,27

4. Расчет конструкций стропильной фермы

Материал стержней ферм - сталь марки С255, R = 240 МПа = 24кН/см2 (t ? 20 мм), фасонок - С2551 по табл. 1 /8/ ; пояса из тавров с параллельными гранями полок, решетка из уголков.

4.1 Сбор нагрузок на ферму

Постоянная нагрузка. Приближенное значение эквивалентной равномерно распределенной нагрузки от веса фонарной конструкции, приведенной к горизонтальной проекции покрытия, определим по формуле п.2.1.2 а главы 2 /8/ и по формуле глава 4 п.4.2 /8/:. Состав кровли см. в табл. 1.

Нагрузка от покрытия:

;

Узловые силы:

Силы приложены к колоннам и в расчете ферма не учитываются.

Снеговая нагрузка. Расчетная нагрузка:



n=1,45 (см. статический расчёт)

Для узлов бесфонарных участков фермы сосредоточенные силы от постоянной нагрузки получим по формуле глава 4 п.4.2 /8/:

Узловые силы:

Опорные реакции:

Нагрузка от рамных моментов:

1-я комбинация: 2-я комбинация:

Нагрузка от распора рамы:

1-я комбинация:

2-я комбинация:

4.2 Определение усилий в стержнях фермы

Усилия в стержнях фермы определяем раздельно для каждой нагрузки с помощью построения диаграммы Максвелла-Кремона. (Приложение 1)

При вычерчивании схемы фермы за расчетную высоту принимается расстояние между осями поясов. Сумму привязок осей поясов таврового сечения к их внешним граням можно принять равной 100 мм.

Т. к. мы имеем симметричную нагрузку, то достаточно построить диаграммы усилий только для половины фермы.

Для определения усилий от опорных моментов, удобно построить диаграммы от единичного момента, приложенного к левой опоре; зеркальное отображение этих усилий дает значения усилий в стержнях фермы от единичного момента, приложенного к правой опоре.

Усилия от единичных моментов умножаются на соответствующие значения моментов и суммируются.

Для построения диаграммы единичный момент заменяется парой сил с плечом, равным расчетной высоте фермы на опоре:

кН.

Значения вертикальных опорных реакций фермы:

Усилие от распора рамы прикладываем целиком к нижнему поясу. Изменение усилий по длине пояса можно принять линейным.

Усилия от всех видов загружения сводим в таблицу расчетных усилий в стержнях фермы и находим расчетные усилия. Усилия от расчетных моментов и распора рамы учитываем только в том случае, если они догружают стержень или меняют знак. При учете усилий от опорных моментов снеговая нагрузка вводится с коэффициентом сочетания , т. к. опорные моменты определены от нескольких кратковременных нагрузок.

4.3 Подбор сечений стержней фермы

Подбор и проверка сечений стержней фермы выполняется в соответствии с гл.9.

Сечение подбираем по формулам центрального сжатия или растяжения.

Верхний пояс. Стержень В2-3. Nmax = -759,65кН.

Расчетные длины стержня lefx = 0,302м, lefy = 0,300 м. Материал - сталь марки С255

Ry = 240МПа. Коэффициент условия работы гc = 0,95.

Принимаем сечение из двух парных равнополочных уголков. Задаемся гибкостью л = 90 и, следовательно, ц = 0,612 (по ПРИЛОЖЕНИЮ 7).

Требуемая площадь сечения уголков:

;

где Ry- расчетное сопротивление стали,

ц - коэффициент продольного изгиба.

Из сортамента находим равнополочный уголок 140x10мм с А = 27,3·10-4 м2.

Фасонки принимаем толщиной t = 12 мм в зависимости от усилий в опорном раскосе.

Тогда радиусы инерции сечения равны:

Определяем наибольшую гибкость стержня:

,

,

И по наибольшей гибкости находим ц = 0,754.

Тогда

Оставляем принятое сечение из двух уголков.

2. Нижний пояс. Стержень Н-5. Nmax = 842,53 kH. Расчетные длины стержня lefx = 0,6м, lefy = 1,2м. Ry = 240МПа. Коэффициент условия работы гc = 0,95.

Требуемая площадь сечения:

Из сортамента находим равнополочный уголок 125x9 с А = 22,0·10-4 м2.

Тогда радиусы инерции сечения равны:

.

Определяем гибкость стержня:

,

.

Тогда



Оставляем принятое сечение из двух уголков.

Аналогично выполняем расчет других элементов фермы. Результаты заносим в таблицу 4.2.

Таблица 4.1 - Расчетные усилия в стержнях фермы, кН.

Элемент	№ стержня	Усилия т пост. нагрузки	Усилия от снеговой нагрузки	Усилия от опорных моментов	Усилия от распора рамы	Расчетные усилия
			c = 1	c = 0.9	1 от 1 = 1	2 от 2 = 1	1M1 М1= - 22,3кНм)	S2M2(М2= - 274,13кНм)		усилий	Растяжение	усилий	Сжатие
		1	а	б			3	4	5
Верхн. Пояс	1 - 1 2 - 3 3 - 4 4 - 6	0 320,41 -320,41 -344,41	0 -439,24 -439,24 -471,77	0 -395,32 -395,32 -424,59	0,468 0,271 0,271 0,148	0 -0,116 -0,116 -0,148	150,84 87,34 84,34 47,7	0 31,8 31,8 40,57	- - - -	3 - - -	150,84 - - -	- 1+2а 1+2а 1+2а	- -759,65 -759,65 -816,18
Нижний пояс	Н - 2 Н - 5	211,2 355,37	289,52 487,16	261,568 438,444	0,353 0,201	0,065 0,125	-113,77 -64,78	-17,82 -34,27	-73,79 -57,57	1+2а 1+2а	500,72 842,53	- -	- -
Раскосы	1 - 2 2 - 3 4 - 5 5 - 6	-284,26 143,67 -76,92 20,81	-389,68 196,95 -105,45 28,53	-350,712 177,255 -94,905 25,677	0,15 -0,114 0,102 -0,081	-0,059 0,045 -0,04 0,032	-48,35 36,74 -32,87 26,11	16,17 -12,34 10,97 -8,77	- - - -	- 1+2а - 1+2а	- 340,62 - 49,34	1+2а - 1+2а -	-673,94 - -182,37 -
Стойки	3 - 4 6 - 6ґ	-54,36 -31,01	-74,52 -42,51	-67,068 -38,259	0 -0,037	0 -0,037	- 11,93	- 10,14	- -	- -	- -	1+2а 1+2а	-128,88 -73,52



Таблица 4.2 - Таблица проверки сечений стержней фермы.4.4 Конструирование и расчет узлов фермы

Элемент	№ стержня	Расчетное усилие, кН	Сечение	Площадь, А, см2	lx/ly, см	ix/iy, см	, см	[л]			Проверка сечений
		Растяжение	Сжатие									Проч	Устой
Верхний пояс	B1 - 1 B2 - 3 B3 - 4	150,84 - -	- -759,65 -759,65	140Ч10 140Ч10 140Ч10	54,6 54,6 54,6				120	- 0,754	0,95	-	15,7<22,8 18,5<22,8
	B4 - 6	-	-816,18	160Ч10	62,8				120	0,803	0,95	-	16,2<22,8
Нижний пояс	Н - 2	500,72	-	90Ч7	24,6				250	-	0,95	20,4<22,8	-
	Н - 5	842,53	-	100Ч10	38,4				250	-	0,95	22,3<22,8	-
Раскосы	1 - 2	-	-673,94	140Ч10	54,6				120	0,612	0,95	-	20,2<22,8
	2 - 3	340,62	-	70Ч6	16,3				300	-	0,95	20,9<22,8	-
	4 - 5	-	-182,37	90х7	24,6				150	0,524	0,95	-	18,2<22,8
	5 - 6	49,34	-	50х5	9,6				300	-	0,95	5,1<22,8	-
Стойки	3 - 4 6 - 6ґ	- -	-128,88 -73,52	70x5 70x5	13,72 13,72				50	0,478 0,305	0,8	-	19,65 <19,2 17,57<19,2

Для сварки узлов фермы применяем полуавтоматическую сварку проволокой Св-08Г2С

d = 1,4…2мм; kшmax = 8мм; ; ; ; . Несущая способность швов определяется прочностью по границе сплавления .

Таблица 4.3 - Таблица расчета швов

№ стержня	Сечение	[N], кН	Шов по обушку	Шов по перу
			Nоб, кН	kш, см	lш, см	Nп, кН	п, см	lп, см
1 - 2	140х10	673,94	0,75N=505,46	0,8	19	0,25N=168,49	0,6	9
2 - 3	70х6	340,62	0,75N=255,47	0,6	13	0,25N=85,16	0,4	7
3 - 4	70х5	128,88	0,7N=90,22	0,6	5	0,3N=38,66	0,4	5
4 - 5	90х7	182,37	136,78	0,6	8	45,59	0,6	3
5 - 6	50х5	49,34	37,01	0,6	3	12,34	0,4	2
6 - 6ґ	70x5	73,52	51,46	0,6	4	22,06	0,4	4



5. Расчет и конструирование колонны

По данным сводной таблицы расчетных усилий необходимо установить:

с одной стороны ± Mmax (наибольшее абсолютное значение изгибающего момента) и соответствующее ему значение N,

с другой стороны Nmax соответствующее ей возможно большее значение изгибающего момента M.

Для верхней части колонны в сечении 1 -1: N = -485,04кH; M = -322,3кHм; Q=-29,5кH

в сечении 2-2 при том же сочетании нагрузок М = 136,06кНм;

для нижней части колонны N1 = -1368,28 кН; M1 = -341,5кНм (изгибающий момент догружает подкрановую ветвь); N2 = -1879,16kH; M2 = 521,75 кНм (изгибающий момент догружает наружную ветвь); Qmax = -86,27 kH.

Соотношение жесткостей верхней и нижней частей колонн материал колонны - сталь марки С235, бетон фундамента марки М150.

Рис.5.1. Расчётная схема рамы.



5.1 Определение расчетных длин надкрановой и подкрановой частей колонны в плоскости и из плоскости рамы

В плоскости рамы расчетные длины колонны равны по формулам глава 3 п.3.1.1 /8/:

В однопролётной раме с жёстким сопряжением ригеля с колонной верхний конец колонны закреплён только от поворота.

Верхний участок:

- расчётная длина

Нижний участок:

- расчётная длина

l1=12,28м - т.к. имеется опорный столик, который и воспринимает нагрузку от вышележащих элементов конструкции.

Так как одно из условий не выполняется находится по табл.68 СНиП II-23-81* в зависимости от следующих параметров:

Таким образом, для нижней части колонны:

для верхней:

Расчетные длины из плоскости рамы (в направлении вдоль здания) принимаются равной расстоянию между закреплёнными от смещения из плоскости точками.

5.2 Подбор сечений стержней колонны и проверка ее общей и местной устойчивости

Сечение верхней части колонны принимаем в виде сварного двутавра высотой .

Площадь сечения определяем из условия устойчивости по формуле 3.1 п.3.1.3 главы 3 /8/:



- коэффициент продольного изгиба для внецентренного сжатия (табл.74,[4]) в зависимости от и .

Для симметричного двутавра:

Ядровое расстояние:

Условная гибкость верхнего участка колонны:

Для стали С235 толщиной до 20 мм R=215 МПа = 21,5 кН/смІ; по таблице№ 1 /8/ стр. 156

Приведённый относительный эксцентриситет:

- условная гибкость стержня; определяем по формуле 3.3 п.3.1.3 главы 3 /8/:

mef - приведенный относительный эксцентриситет определяем по формуле 3.2 п.3.1.3 главы 3 /8/:

- определяем по таблице№ 1 /8/ стр. 156

- коэффициент формы сечения, определяемый по табл.73[4], в зависимости от и .

Примем в первом приближении, тогда:

по табл.74 [4] находим :

Компоновка сечения:

высота стенки

(принимаем предварительно ).

По таблице 14.2. [4] при из условия местной устойчивости

Поскольку сечение с такой толстой стенкой неэкономично, принимаем:

и включаем в расчетную площадь сечения колонны два крайних участка стенки шириной по:



Требуемая площадь полки:

Из условия устойчивости верхней части колонны из плоскости действия момента, ширина полки: ;

Из условия местной устойчивости полки:

Принимаем:

Геометрические характеристики сечения.

Полная площадь сечения:

расчетная площадь сечения с учетом только устойчивости части стенки:



Проверка устойчивости верхней части колонны в плоскости действия момента:

Значение коэффициента принимаем по табл.73 [4] :

для

;

Недонапряжение составляет:

Проверим устойчивость верхней части колонны из плоскости действия момента:

Для определения mx найдем максимальный момент в средней трети расчетной длины стержня:

Рис.5.2. Схема к определению изгибающего момента

Определение изгибающего момента из плоскости рамы:

По модулю:



При mx 5 коэффициент (п.5.31,[4]).

Значения и определяются по табл. 10,[2].

;

Поскольку , то проверку устойчивости колонны из плоскости действия момента проводим с учетом всей площади сечения по формуле:

(см. рис. 4.3)

Рис. 5.3. Сечения верхней части колонны.

Подбор сечения нижней части колонны.

Расчётные усилия выбираем из сводной таблицы расчетных усилий для сечений 3-3 и 4-4:

N1 = -1368,28кН; M1 = -341,5кНм

N2 = -1879,16кН; M2 = 521,75кНм; Qmax = -86,27кН.

Сечение нижней части колонны - сквозное, состоящее из 2-х ветвей, соединенных решеткой, высота сечения hН = 1000мм . Подкрановую ветвь колонны принимаем из широкополочного двутавра, наружную - составного сварного сечения из 3-х листов. К величине продольной силы следует прибавить вес колонны, который можно принять по аналогичным ранее выполненным проектам или приближенно определить по эмпирической формуле п. 3.1.4.1 главы 3 /5/:

Определяем ориентировочное положение центра тяжести. Принимаем Zo = 5см;

h0 = bн - Z0 = 100см - 5см = 95см.

Определяем усилия в ветвях:

- в подкрановой ветви:

- в наружной ветви:

где: расстояния от центра тяжести сечения колонны до центра тяжести соответствующих ветвей.

Определяем требуемую площадь ветвей и назначаем сечение нижней части колонны.

Задаемся : ; (сталь Вст3кп2, фасонный прокат). по таблице№ 1 /8/ стр. 156

Для подкрановой ветви:



по сортаменту принимаем двутавр №40Б1; AB1 = 60,1см2; iу = 3,5см; iх = 16,8см.

Для наружной ветви:

R=215МПа = 21,5кН/см2 (сталь Вст3кн2, листовой прокат), тогда:

Для удобства прикрепления элементов решетки, просвет между внутренними гранями полок принимаем таким же, как в подкрановой ветви.

Толщину стенки швеллера () принимаем равной 14 мм; высота стенки из условия размещения сварных швов - 460 мм.

Требуемая площадь полок:

из условий местной устойчивости полки швеллера:

Принимаем: tf = 14мм; bf = 165мм;

Геометрические характеристики ветви :

Уточняем положение центра тяжести сечения колонны:

h0 = bH - Z0 = 100см - 4,64см = 95,36см=0,9536м

Отличие от первоначально принятых размеров мало, поэтому усилия в ветвях не пересчитываем.

Проверяем устойчивость ветвей:

- из плоскости рамы (относительно оси у - у) ly = 5,93м.

Подкрановая ветвь:

Наружная ветвь:



Из условия равноустойчивости подкрановой ветви в плоскости и из плоскости рамы определяем требуемое расстояние между узлами решетки:

Принимаем lB1 = 125см, разделив нижнюю часть колонны на целое число панелей(9).

Проверяем устойчивость ветвей в плоскости рамы (относительно осей х1 - х1 и х2 - х2).

Для подкрановой ветви:

Для наружной ветви:

Расчет решетки подкрановой части колонны.

Поперечная сила в сечении колонны 1) Qmax = 86,27кН;

Условная поперечная сила:

2) Qусл 0,2A = 0,2(60,1 + 105) = 33,02(кН) < Qmax = 86,27кН;

Расчет решетки проводим на Qmax = 86,27кН.

Усилие сжатия в раскосе:



Задаемся гибкостью раскоса:

Требуемая площадь раскоса:

R = 225МПа = 22,5кН/см2 (фасонный прокат из стали С235); = 0,75 (сжатый уголок, прикрепляемый одной полкой).

-- коэффициент условий работы элементов решетки из одиночных уголков, прикрепляемых одной полкой (см. [6], табл. 9).

Принимаем уголок 63x5: Ар = 6,13 см2; imin = 1,25см; Гибкость для одиночного уголка определяется по формуле п.3.1.4.2 главы 3 /8/:

max = lp / imin = 147/1,25 = 117,2 = 0,50



Рис 5.4 Сечение нижней части колонны.

Напряжение в раскосе:

Проверка устойчивости колонны в плоскости действия момента как единого стержня

Геометрические характеристики всего сечения находим по формулам п.3.1.4.2 главы 3 /8/:

Геометрические характеристики всего сечения:

A = AB1 + AB2 = 60,1 + 105= 165,1см2

Ix = AB1·y12 + AB2·y22 = 60,1·652 + 105?312 = 354827,5(см4)

Приведенная гибкость:



Коэффициент зависит от угла наклона раскосов; при можно принять =27.

- площадь сечения раскосов по 2-м граням сечения колонны.

Для комбинации усилий, догружающих наружную ветвь (сечение 4-4):

N2 = -1879,16 кН; M2 = 521,75 кНм;

Для комбинации усилий, догружающих подкрановую ветвь(3-3):

N1 = 1368,28 кН; M1 = -341,5 кНм;

Устойчивость сквозной колонны как единого стержня их плоскости действия момента проверять не нужно, т.к. она обеспечена проверкой устойчивости отдельных ветвей. Колонны сечением до 1200мм принимаются сплошными. В проекте принято сквозное сечение нижней части колонны шириной 1000мм по согласованию с преподавателем.



5.3 Расчет и конструирование узлов колонны: сопряжения верхней и нижней частей колонны, база

Расчетные комбинации усилий в сечении над уступом:

М = +153,23кНм; N = -382,18кН;

M = -189,45; N = -382,18кН;

Давление кранов Dmax = 986,1кН;

Для расчета сопряжения находят усилия в полках верхней части колонны по формуле п.3.2 главы 3 /8/:

Прочность стыкового шва (ш1) проверяем по нормальным напряжениям в крайних точках сечения надкрановой части. Площадь шва равна площади сечения колонны.

1-ая комбинация М и N:

- наружная полка:

- внутренняя полка:



2-ая комбинация М и N:

- наружная полка:

- внутренняя полка:

Толщину стенки траверсы определяем из условия смятия по формуле:

где: - ширина опорных ребер балок;

- толщина стенки траверсы и плиты;

- длина сминаемой пов...