Расчет и конструирование стального каркаса здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Дальневосточный федеральный университет»

ИНЖЕНЕРНАЯ ШКОЛА

Кафедра «Строительные конструкции и материалы»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Металлические конструкции (общий курс)»

«Расчет и конструирование стального каркаса здания»

Выполнил:

Шульженко Е.В.

г. Владивосток 2019



1. Обоснование конструктивной схемы здания

Здание сельскохозяйственного рынка каркасного типа, одноэтажное, однопролетное, пролет 42 м, длина здания 48 м. Каркас здания рамно-связевой, пространственная жесткость каркаса обеспечивается совместной работой рам и систем связей между колоннами. Горизонтальные воздействия в поперечном направлении воспринимаются рамой, а в продольном - связями. Вертикальные связи между колоннами расположены в осях 4-5 (СВ1).

Связи по покрытию состоят из поперечной связевой фермы СГ1, вертикальной связевой фермы СВ2, распорок Р1, поперечной связевой фермы СГ2, распорок Р2, продольной связевой фермы СГ3.

Материал несущих конструкций - металл.



2. Расчет несущих конструкций

2.1 Расчетная схема рамы

Рисунок 1 - Расчетная схема рамы

Принято жесткое сопряжение колонны с фундаментом, шарнирное - фермы с колонной. При жестком сопряжении горизонтальные перемещения рам меньше, чем при таких же воздействиях на раму с шарнирным сопряжением. Большая жесткость необходима в цехах с мостовыми кранами, работающими весьма интенсивно. Однако жесткое сопряжение препятствует типизации ферм, на которые в этом случае передаются значительные опорные моменты, разные для рам с разными параметрами. В проектируемом здании целесообразно шарнирное сопряжение фермы с колонной.

Опирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструируется жестким, так как конструирование шарнира весьма сложная и трудоемкая работа. Шарниры конструируются в том случае, когда в узле опирания на фундаменты возникают большие моменты. Также шарниры оказываются экономически невыгодными при больших тепловыделениях во время эксплуатации здания.



2.2 Сбор нагрузок

Проектируемое здание расположено в г. Белогорск. Согласно СП 20.13330.2016 ветровой район - II, район по весу снегового покрова - I.

2.2.1 Постоянная нагрузка

Постоянные нагрузки, действующие на ферму, складываются из веса кровли, стропильной ферм, связей по покрытию, прогонов и др.

Таблица 1 - Нагрузки на ферму

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэф. надежности по нагрузке,	Расчетная нагрузка, кН/м2
Постоянная: сендвич-панели	0,194	1,2	0,233
прогоны	0,08	1,05	0,084
собственный вес фермы	0,215	1,05	0,226
ИТОГО постоянная	=0,489		=0,546
Временная: Снеговая	0,386	1,4	0,54
ПОЛНАЯ	=0,875		=1,086

В таблице 1 приведен вес металлических конструкций покрытий (стропильных и подстропильных ферм, связей, прогонов, фонарей) на 1 м²

горизонтальной поверхности. Собственный вес фермы (кН/м²) рекомендуется определять по формуле:

где - суммарная нормативная равномерно распределенная нагрузка от собственного веса покрытия и снега, технологического оборудования и др., кН/м²; - шаг стропильных ферм, м; - пролет стропильной фермы, м;

- коэффициент, зависящий от ригеля и стали, =1,4 - для низколегированных сталей.

2.2.2 Снеговая нагрузка

Снеговая нагрузка зависит от снегового района, в котором проектируется здание, от профиля покрытия, наличия фонарей, количества пролетов, размера уклона кровли.

Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия следует определять по формуле:

где - термический коэффициент;

коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, (так как уклон кровли меньше

вес снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли, кПа в II снеговом районе;

- коэффициент, учитывающий снос снега с покрытия здания под действием ветра или иных факторов:

,

где k=0,714 по табл. 11.2 СП20 (тип местности В);

lc - приведенный размер кровли, находится по формуле:



Тогда

2.2.3 Ветровая нагрузка

Нормативное значение ветровой нагрузки следует определять как сумму средней и пульсационной составляющих:

В данном случае пульсационную составляющую можно не учитывать.

В II ветровом районе

Коэффициент с зависит от того, с подветренной (0,5) или наветренной (0,8) стороны находится здание.

Коэффициент определяется исходя из высоты: для 5 м - 0,75, для 7,2 - 0,86 для 10,3 м - 1,008.

Тогда нормативное давление ветра с наветренной стороны составит:

С подветренной:

Расчетная ветровая нагрузка на раму (учитываем шаг рам 6 м и коэффициент надежности 1,4) с наветренной стороны составит:

С подветренной:

Рисунок 2 - Расчетная нагрузка от ветра

Неравномерно распределенную по высоте нагрузку от ветра приводим к эквивалентной по изгибающему моменту равномерно распределенной.

Рисунок 3 - Представления ветровой эпюры в виде суммы сосредоточенных сил

Рисунок 4 - Расчетная схема поперечной рамы

Продольное усилие в ригеле находится по следующей формуле:

где - усилие от равномерно распределенной части ветровой нагрузки;

- усилие от сосредоточенной части ветровой нагрузки.



где - приведенные значения ветровой нагрузки на раму с наветренной и подветренной сторон, дающие те же значения изгибающих моментов в заделке стоек, что и фактические эпюры ветрового давления;

Н - высота рамы, м.

Тогда

Найдем максимальные внутренние усилия, возникающие в заделке стержне колонны в фундамент:

2.3 Расчет фермы

2.3.1 Обоснование конструктивной схемы фермы

В качестве несущей конструкции покрытия принята трапецеидальная ферма. Трапецеидальное очертание лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества. Решетка таких ферм не имеет длинных стержней в середине пролета, принята треугольная система решетки, так как она весьма эффективна для трапецеидальной фермы, дающая наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. К треугольной решетке добавляются дополнительные стойки, позволяющие уменьшать расстояния между узлами фермы, также уменьшают расчетную длину сжатого пояса. Стойки получаются легкими, так как они работают только на местную нагрузку. Недостатком треугольной системы решетки является наличие сжатых раскосов.

2.3.2 Определение узловых нагрузок

Узловая расчетная нагрузка от расчетной нагрузки:

Узловая расчетная нагрузка от расчетной нагрузки в крайних узлах:

2.3.3 Статический расчет фермы

Статический расчет фермы выполнен с применением программного комплекса SCAD, основанном на методе конечных элементов. Метод конечных элементов основан на мысленном представлении сплошного тела в виде совокупности отдельных конечных элементов, взаимодействующих между собой в конечном числе точек, которые в МКЭ принято называть узлами.

Система разбивается на простые конечные элементы (КЭ) напряженно-деформированное состояние которых исследуется заранее.



Рисунок 5 - Нумерация элементов фермы

Таблица 2 - Результаты статистического расчета

Тип элемента	№	Длина элемента l, м	Расчетная длина	Расчетные усилия
			lef	lef1	N, кН	M, кНм
Верхний пояс	9	3.03	3.03	3.03	-0.34	-0.15
	10	3.03	3.03	3.03	-184.13	0.62
	11	3.03	3.03	3.03	-184.18	0.4
	12	3.03	3.03	3.03	-251.23	0.44
	13	3.03	3.03	3.03	-251.25	0.39
	14	3.03	3.03	3.03	-255.15	0.49
	15	3.03	3.03	3.03	-255.11	0.42
	16	3.03	3.03	3.03	-255.11	0.42
	17	3.03	3.03	3.03	-255.15	0.49
	18	3.03	3.03	3.03	-251.25	0.39
	19	3.03	3.03	3.03	-251.23	0.44
	20	3.03	3.03	3.03	-184.18	0.4
	21	3.03	3.03	3.03	-184.13	0.62
	22	3.03	3.03	3.03	-0.34	-0.15
Нижний пояс	3	6	6	6	111.13	0.38
	4	6	6	6	225.7	0.16
	5	6	6	6	256.38	0.09
	23	3	3	3	239.44	0.05
	24	3	3	3	239.44	0.05
	6	6	6	6	256.38	0.09
	7	6	6	6	225.7	0.16
	8	6	6	6	111.13	0.38
Опорные стойки	1	3	3	3	-10.11	0.15
	2	3	3	3	-10.11	0.15
Опорные раскосы	44	2.278	2.278	4.556	-168.45	-0.4
	45	2.278	2.278	4.556	-168.45	-0.4
	46	2.278	2.278	4.556	-168.45	-0.4
	47	2.278	2.278	4.556	-168.45	-0.4
Стойки	25	3.857	3.0856	3.857	-19.37	0.22
	26	4.714	3.7712	4.714	-19.53	0.1
	27	5.571	4.4568	5.571	-19.54	-0.22
	28	6	4.8	6	0	0
	29	5.571	4.4568	5.571	-19.54	0.22
	30	4.714	3.7712	4.714	-19.53	0.1
	31	3.857	3.0856	3.857	-19.37	-0.22
Раскосы	32	4.555	3.644	4.555	108.01	0.11
	33	5.231	4.1848	5.231	-75.63	0.25
	34	5.231	4.1848	5.231	40.1	0.08
	35	5.932	4.7456	5.932	-15.37	0.88
	36	5.932	4.7456	5.932	-7.69	0.77
	37	6.378	5.1024	6.378	29.31	0.13
	38	6.378	5.1024	6.378	29.31	0.13
	39	5.932	4.7456	5.932	-7.69	0.77
	40	5.932	4.7456	5.932	-15.37	0.88
	41	5.231	4.1848	5.231	40.1	0.08
	42	5.231	4.1848	5.231	-75.63	0.25
	43	4.555	3.644	4.555	108.01	0.11
Шпренгели	48	1.975	1.58	1.975	0.36
	49	1.975	1.58	1.975	0.36

2.3.4 Подбор сечений стержневой фермы

Толщину соединительных прокладок для всех элементов фермы назначаем по наибольшему продольному усилию и принимаем равной 10 мм.

Так как изгибающие моменты во всех элементах фермы незначительны, то ими пренебрегаем и считаем, что стержни работают на центральное сжатие-растяжение.

Нижний пояс

N=256,38 кН, l_ef=6 м, l_ef1=6 м.

Требуемая площадь сечения центрально-растянутых стержней определяется по формуле:



Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=5,69 см², i_x=1,52 см, i_y=2,48 см.

Рассчитаем условную гибкость данного сечения:

Следовательно, данное сечение удовлетворяет предельной гибкости из плоскости действия момента (в плоскости ХОУ). Окончательно принимаем ГОСТ 8509-86 с А=5,69 см², i_x=1,52 см, i_y=2,48 см.

Так как ферма пролетом больше 6 м, сечение поясов изменяется один раз (в верхнем поясе обычно в четвертом от опоры узле, считая опорный в нижнем - во втором от опоры узле).

Требуемая площадь уменьшенного сечения:

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=3,79 см², i_x=1,21 см, i_y=2,31 см.

Толщину уменьшенного сечения оставляем 6 мм для удобства соединения. Центр тяжести соединяемых элементов имеет смещение не более 1 см, что допустимо, значительные дополнительные моменты не возникают.

Прочность уменьшенного сечения обеспечена.

Верхний пояс

N=-255,15 кН, l_ef=3,03 м, l_ef1=3,03 м.

Предварительно зададимся гибкостью стержня и определим отвечающие этой гибкости радиус инерции сечения:

По условной гибкости найдем приведенную гибкость:

По табл. Д1 СП16 определяем коэффициент снижения несущей способности при центральном сжатии

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=9,38 см², i_x=2,47 см, i_y=3,65 см.



Уточним условную гибкость данного сечения:

Так как разница между больше 10%, то следует посчитать

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=12,28 см², i_x=2,77 см, i_y=3,96 см.

Уточним условную гибкость данного сечения:

Так как разница между между незначительна, то данную часть можно считать достаточной, и выполнить проверку сечения при коэффициенте продольного изгиба 0,441.

Окончательно принимаем ГОСТ 8509-86 с А=12,28 см², i_x=2,77 см, i_y=3,96 см.

Стойки

Сечения слабонагруженных сжатых стержней решетки подбирается по предельной гибкости, для чего определяются минимально необходимые радиусы инерции подбираемого сечения, и по ним из сортамента выбирается профиль. Предельная гибкость устанавливается по указаниям таблицы 32 СП16.

Опорные стойки (1,2): N=-10,11 кН, l_ef=3 м, l_ef1=3 м.

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с А=8,78 см², i_x=2,30 см, i_y=3,22 см.

Окончательно принимаем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=8,78 см², i_x=2,30 см, i_y=3,22 см.

Рядовые стойки

Элементы № 25, 31: N=-19,37 кН, l_ef=3,08 м, l_ef1=3,857 м.

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с А=7,28 см², i_x=1,93 см, i_y=2,98 см.

Окончательно принимаем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=7,28 см², i_x=1,93 см, i_y=2,98 см.

Элементы № 26, 30: N=-19,53 кН, l_ef=3,77 м, l_ef1=4,71 м.

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с А=8,78 см², i_x=2,30 см, i_y=3,44 см.

Окончательно принимаем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=8,78 см², i_x=2,30 см, i_y=3,44 см.

Элементы № 27, 29: N=-19,54 кН, l_ef=4,46 м, l_ef1=5,57 м.



Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с А=13,75 см², i_x=3,08 см, i_y=4,45 см.

Окончательно принимаем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=13,75 см², i_x=3,08 см, i_y=4,45 см.

Элемент № 30: N= 0 кН, l_ef=4,8 м, l_ef1=6 м.

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с А=13,75 см², i_x=3,08 см, i_y=4,45 см.

Окончательно принимаем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=13,75 см², i_x=3,08 см, i_y=4,45 см.

Раскосы

Центрально-сжатые опорные раскосы (44-47): N=-168,45 кН, l_ef=2,28 м, l_ef1=4,56 м.

Предварительно зададимся гибкостью стержня и определим отвечающие этой гибкости радиус инерции сечения:

По условной гибкости найдем приведенную гибкость:

По табл. Д1 СП16 определяем коэффициент снижения несущей способности при центральном сжатии .

Требуемая площадь сечения:

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=6,13 см², i_x=1,94 см, i_y=2,96 см.

Уточним условную гибкость данного сечения:



Так как разница между больше 10%, то следует посчитать

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=8,63 см², i_x=2,47 см, i_y=3,63 см.

Уточним условную гибкость данного сечения:

Так как разница между больше 10%, то следует посчитать

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=10,61 см², i_x=2,78 см, i_y=4,03 см.



Так как разница между между незначительна, то данную часть можно считать достаточной, и выполнить проверку сечения при коэффициенте продольного изгиба 0,428.

Окончательно принимаем ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=10,61 см², i_x=2,78 см, i_y=4,03 см.

Центрально-сжатые рядовые раскосы (33, 35, 36, 39, 40, 42): N=-75,63 кН, l_ef=4,18 м, l_ef1=5,23 м.

Предварительно зададимся гибкостью стержня и определим отвечающие этой гибкости радиус инерции сечения:

По условной гибкости найдем приведенную гибкость:



По табл. Д1 СП16 определяем коэффициент снижения несущей способности при центральном сжатии .

Требуемая площадь сечения:

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=4,80 см², i_x=1,53 см, i_y=2,45 см.

Уточним условную гибкость данного сечения:

Так как разница между больше 10%, то следует посчитать

Подбираем сечение из ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=8,63 см², i_x=2,47 см, i_y=3,59 см.



Так как разница между между незначительна, то данную часть можно считать достаточной, и выполнить проверку сечения при коэффициенте продольного изгиба 0,229.

Окончательно принимаем ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=8,63 см², i_x=2,47 см, i_y=3,59 см.

Центрально-растянутые рядовые раскосы (32, 34, 37, 38, 41, 43): N=180,01 кН, l_ef=3,64 м, l_ef1=4,56 м.

Принимаем расчетное сечение данных элементов таким же, как и для сжатых раскосов. Проверим данное сечение на прочность при центральном растяжении величиной расчетного усилия:

Проверка выполняется. Окончательно принимаем ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=8,63 см², i_x=2,47 см, i_y=3,59 см.

Шпренгели (48, 49): N=0,36 кН, l_ef=1,58 м, l_ef1=1,975 м.

Подберем сечения данных элементов по предельной гибкости



Принимаем с запасом ГОСТ 8509-86 с А=9,6 см², i_x=1,53см, i_y=2,45 см.

Проверка выполняется. Окончательно принимаем ГОСТ 8509-86 с площадью поперечного сечения А=9,6 см², i_x=1,53см, i_y=2,45 см.

Результаты подбора сечений всех элементов фермы вместе с промежуточными сведениями представлены в таблице 3.

2.3.4 Расчет и конструирование узлов фермы

При расчете узлов фермы определяют размеры сварных швов и назначают размеры габариты фасонок с таким расчетом, чтобы на них размещались сварные швы стержней.

Действующее в стержне усилие передается на обушок и перо уголка не одинаково, так как ось стержня смещена в сторону обушка.

Выбираем обычное соединение с одним угловым швом, коэффициенты При электродах Э42А.

Таблица 3 - Подбор сечений элементов фермы

Тип элемента	№	Расчетное усилие, кН	Принятое сечение	Площадь, см2	Расчетная длина, см	Радиус инерции, см	Гибкость	цmin	гc	Минимальное напряжение, кН/см2
					lef	lef1	ix	iy	лx	лy			Фактическое	Расчетное
Верхний пояс	9-22	-255,15	ГОСТ 8509-86	12,28	303	303	2,77	3,96	109,39	76,52	0,441	1	23,55	24
Нижний пояс	4-5,23-24,6-7	256,38	ГОСТ 8509-86	5,69	600	600	1,52	2,48	394,73	241,94	-	1	22,53	24
	3,8	111,13	ГОСТ 8509-86	3,79	600	600	1,21	2,31	348,84	226,42	-	1	14,66	24
Опорные стойки	1-2	-10,11	ГОСТ 8509-86	8,78	300	300	2,30	3,22	159,6	129,43	0,352	1	6,35	24
Стойки	25,31	-19,37	ГОСТ 8509-86	7,28	308	385,7	1,93	2,98	168,3	134,86	0,234	1	5,83	24
	26,30	-19,53	ГОСТ 8509-86	8,78	377	471	1,83	3,44	163,9	136,92	0,239	1	4,65	24
	27,29	-19,54	ГОСТ 8509-86	13,75	445,6	557	3,08	4,45	144,81	125,17	0,295	1	2,41	24
	28	0	ГОСТ 8509-86	13,75	480	600	3,08	4,45	155,8	134,83	0,263	1	0	24
Опорные раскосы	44-47	-168,45	ГОСТ 8509-86	10,61	228	456	2,78	4,03	82,01	113,15	0,428	1	18,55	24
Раскосы	32,34,37,38,41,43	180,01	ГОСТ 8509-86	8,63	364	455	2,47	3,59	147,36	126,74	-	1	10,43	24
	33,35,3639,40,42	-75,63	ГОСТ 8509-86	8,63	418	523	2,47	3,59	159,23	145,68	0,229	1	19,13	24
Шпренгели	48-49	0,36	ГОСТ 8509-86	9,6	158	197,5	1,53	2,45	103,27	80,61	0,476	1	1,15	24

Тогда при ручной сварке:

- расчетное сопротивление по металлу шва;

- расчетное сопротивление по металлу границы сплавления.

Следовательно, менее благоприятным расчетным случаем является расчет по металлу шва.

Следует рассчитать минимальные длины сварных швов для всех типовых элементов фермы, а затем определить размеры стандартных фасонок всех типов, представленных на рисунке 6.

Рисунок 6 - Типы фасонок фермы

В узлах типа 6, 7, 10, происходит разрыв верхнего/нижнего поясов, в остальных узлах пояс не разрывается.

Раскосы

Опорные раскосы (44-47): расчетное усилие N=-168,45 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:

Длина шва по обушку:



Длина шва по перу:

Рядовые раскосы (32,34,37,38,41,43): расчетное усилие N=180,01 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:

Длина шва по обушку:

Длина шва по перу:

Рядовые раскосы (33,35,36,39,40,42): расчетное усилие N=-75,63 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:

Длина шва по обушку:



Длина шва по перу:

Стойки

Рядовые стойки (27,29): расчетное усилие (максимальное) N=-19,54 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:

Длина шва по обушку:

Длина шва по перу:

Опорные стойки (1,2): расчетное усилие N=-10,11 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:

Длина шва по обушку:



Длина шва по перу:

Верхний пояс

Элементы верхнего пояса в месте разрыва (15,16, фасонка типа 6) расчетное усилие N=-255,11 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:

Длина шва по обушку:

Длина шва по перу:

Элементы верхнего пояса в надопорном узле (9, фасонка типа 1) расчетное усилие N=-0,34 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:

Длина шва по обушку:



Длина шва по перу:

Нижний пояс

Элементы нижнего пояса в надопорном узле (3, фасонка типа 11) расчетное усилие N=111,13 кН, сечение из Катет шва должен соответствовать требованиям:

1

Длина шва по обушку:

Длина шва по перу:

Элементы нижнего пояса в месте перемены сечения (3,4, фасонка типа 10) расчетное усилие (максимальное) N=225,7 кН, сечение из Катет шва должен соответствовать требованиям:



Длина шва по обушку:

Длина шва по перу:

Элементы нижнего пояса в месте разрыва (23, фасонка типа 7) расчетное усилие N=239,44 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:

Длина шва по обушку:

Длина шва по перу:

Шпренгели

Шпренгель (48,49) расчетное усилие N=0,36 кН, сечение из . Катет шва должен соответствовать требованиям:



Длина шва по обушку:

Длина шва по перу:

Результаты расчета сварных швов для всех типов элементов решетки сведем в таблицу 4.

Толщину фасонок принимаем равной 10 мм.

Отступ с для снижения концентрации напряжений в зоне сварки рассчитывается по формуле:

Между торцами стыкуемых поясов ферм, перекрываемых накладками, следует оставлять зазор не менее 50 мм. Фланговые сварные швы, прикрепляющие элементы решетки ферм к фасонкам, следует выводить на торец на длину не менее 20 мм

Таблица 4 - Расчет сварных угловых швов в узлах фермы

Тип элемента	№	Расчетное усилие, кН	Катет шва, мм	Расчетная длинашва, см	Расчетная длинашва, см
			обушок	перо	обушок	перо	Обушок	перо
Верхний пояс	15,16	255,11	8	8	10,86	5,79	11	6
	9,22	0,37	8	8	2	2	15	14
Нижний пояс	3,8	111,13	6	6	7,14	4,2	8	8
	4,5,6,7	225,7	6	6	12,4	6,47	13	7
	23,24	239,44	6	6	13,08	6,75	14	7
Опорные стойки	1,2	10,11	6	6	9,4	7,2	14	14
Стойки	25-31	19,45	8	8	4,9	4,39	6	6
Опорные раскосы	44-47	168,45	6	6	9,79	5,34	10	5
Раскосы	32,34,37,38,41,43	180,01	6	6	10,33	5,57	11	6
	33,35,36,39,40,42	75,63	6	6	7,51	2,9	11	6
Шпренгель	48,49	0,36	6	6	2	2	4	4

2.3.5 Расчет узла сопряжения фермы с колонной

При шарнирном сопряжении наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколонника), но вследствие того, что ферма получилась легкой, колонна небольших размеров, выбираем узел опирания на колонну с использованием опорного фланца.

Опорное давление фермы передается с опорного фланца фермы через строганные или фрезерованные поверхности на опорную плит колонны. Фасонка опорного узла располагается на 10…20 мм выше опорной плиты. Учитывая возможный эксцентриситет передачи нагрузки, возникающий и-за неплотного опирания фланца и его перекоса в своей плоскости, угловые швы крепления рассчитываются на усилие 1,2.



Рисунок 7 - Схема нижнего опорного узла

Особенностью этого опорного узла является передача вертикальной опорной реакции от фермы на колонну. Эта опорная реакция передается посредством фланца. Толщина фланца определяется из условия смятия:

=36 кН/см², для стали С255, из которой выполнена опорная плита оголовка колонны.

Ширина фланца принимается конструктивно по размерам сечений уголков ферм оголовка колонны. С торца фланца передается на два вертикальных сварных шва крепления фланца к фасонке. Расчетная длина каждого этого шва:

Высота опорного фланца выбирается исходя из минимального требуемого шва и по конструктивным соображениям, исходя из размеров фасонки. Опорный узел конструктивно соединяют болтами диаметром 20 с опорной плитой колонны



2.4 Расчет колонны

2.4.1 Подбор сечения стержня колонны

Максимальные внутренние усилия, возникающие в заделке стержня колонны в фундамент:

Предварительно примем высоту сечения колонны

Определим расчетные длины колонны:

где

где

Предварительно назначаем

, т.к

тогда



Требуемая площадь сечения

По ГОСТ 26020-83 принимаем I 40Ш1 с геометрическими характеристиками:

Площадь сечения: А=122,40 см²;

Момент инерции x-x: I_x=34360 см⁴;

Момент инерции y-y: I_y=6306 см⁴;

Радиус инерции x-x: i_x=16,76 см;

Радиус инерции y-y: i_y=7,18 см;

Высота сечения:

Высота стенки:

Толщина стенки:

Ширина полки:

Толщина полки:

Радиус ядра сечения:

Гибкость:



Условная гибкость:

Эксцентриситет приложения силы:

Относительный эксцентриситет:

При коэффициент влияния формы сечения вычисляем по формуле:

Приведенный относительный эксцентриситет:

Коэффициент устойчивости при внецентренном сжатии принимаем

1. Проверка колонны на устойчивость в плоскости рамы:



Устойчивость колонны в плоскости рамы обеспечена.

Предельная гибкость стержня колонны:

2. Проверка колонны по предельной гибкости:

Относительно оси x

Относительно оси y

Гибкость данного сечения удовлетворяет требованиям норм.

Момент инерции при кручении:

3. Проверка устойчивости стержня колонны из плоскости действия момента

Максимальный момент в средней трети сечения колонны:



Устойчивости стержня колонны из плоскости действия момента обеспечена. Окончательно принимаем в качестве стержня колонны I 40Ш1.

2.4.2 Расчет и конструирование оголовка колонны

К оголовку колонны приложена сила

Толщину и размеры в плане опорной плиты назначаем конструктивно:

Определяем ширину опорного ребра:



Принимаем

Определяем толщину вертикального ребра из расчета на смятие под опорной плитой:

где для стали С255, коэффициент учитывает перекос опорного фланца ферм. Принимаем .

Плиту соединяем со стержнем колонны с помощью угловых сварных швов с катетом . Принимаем автоматическую сварку. Электрод - Э42. Положение шва - вертикальное. Тогда ; ; ; опасное сечение проходит по металлу шва.

Расчет сварного шва выполняем по сечению, проходящему по металлу шва:

По конструктивным требованиям принимаем длину сварного шва Проверка конструктивного требования по фланговому шву:

Условие выполняется.

Длину ребра назначаем по длине сварного шва:

Стенку колонны у концов вертикальных ребер укрепляем поперечными ребрами толщиной 8 мм.

Определение толщины стенки в месте крепления к ней вертикальных ребер из расчета на срез по двум сечениям:

2.4.4 Расчет и конструирование базы колонны

Рисунок 8 - Конструирование базы колонны

Расчетные усилия: ; .

Бетон класса В20,

Назначаем ширину опорной плиты В=300+90+90=480 мм

Минимальная длина опорной плиты:

Исходя из конструктивных соображений принимаем длину опорной плиты L=550 см. Таким образом, устанавливаются размеры опорной плиты в плане 550х480 мм.

Краевые напряжения в бетоне фундамента:

Положение нулевой точки на эпюре напряжений:

Определение толщины опорной плиты:

Участок 1

Площадь трапеции условного консольного участка плиты:

Расстояние от центра тяжести трапеции до условной кромки плиты:

Изгибающий момент:

Минимальная толщина плиты на данном участке:

Участок 2

Площадь трапеции условного консольного участка плиты:

Расстояние от центра тяжести трапеции до условной кромки плиты:

Изгибающий момент:

Минимальная толщина плиты на данном участке:



Участок 3

Так как соотношение меньшей стороны к большей:

то по табл. Е2 СП [4]:

Изгибающий момент:

Минимальная толщина плиты на данном участке (рассматривается пластинка шириной 1 см):

Принимаем толщину плиты равной

Проверка прочности опорной плиты в сечении 1-1

Поперечная сила:

Изгибающий момент:

Условие прочности выполняется, принятой толщины плиты достаточно.

2.4.5 Расчет анкерных болтов

Рисунок 9 - Фрагмент базы колонны

Расчетные усилия в анкерных болтах:

Краевые напряжения в фундаменте при этой комбинации усилий:

Положение нулевой точки на эпюре напряжений:

Рисунок 10 - К расчету анкерных болтов

Растягивающее усилие в анкерных болтах:



На один анкерный болт приходится усилие:

Требуемая площадь сечения болта:

Принимаем болты типа 1 по ГОСТ 24379.1-2012 30 мм с с глубиной заложения

Проверка прочности плиты в зоне действия анкерных болтов по сечению 2-2

Поперечная сила:

Изгибающий момент:

Прочность опорной плиты в зоне действия анкерных болтов по сечению 2-2 обеспечена.



3. Двухпоясное покрытие с параллельными вантами

Рисунок 11 - Поперечный разрез двухпоясного покрытия с параллельными вантами

Расчетная линейная нагрузка на ванту определяется по формуле:

Принимаем

Принимаем

Линейная нагрузка для предварительного напряжения стабилизирующей ванты:

где

Принимаем

Принимаем

Растягивающее усилие в несущей ванте:



Растягивающее усилие в стабилизирующей ванте:

Сжимающие усилия в распорках между вантами:

Требуемая площадь сечения несущей ванты из стального каната ЛК-РО при

По приложению 13 [8] принимаем канат двойной свивки ЛК-РО конструкции 6х36 диаметром 28 мм с временным сопротивлением проволок разрыву площадь сечения каната

Требуемая площадь сечения стабилизирующей ванты из стального каната ЛК-РО при 

По приложению 13 [8] принимаем канат двойной свивки ЛК-РО конструкции 6х19 диаметром 8,8 мм с временным сопротивлением проволок разрыву площадь сечения каната

Подбираем сечение распорки из условия её устойчивости:

здание ферма колонна рама

По приложению 9 [8] принимаем трубу 89х2 мм А=5,47 см², i=3,08 см;

условие прочности выполняется.

Вычисляем первоначальную длину несущей и стабилизирующей вант в осях здания:



Список литературы

1 Доркин В.В. Металлические конструкции: учеб. для сред. спец. учеб. заведений/ В.В. Доркин., М.П. Рябцева. - М.: ИНФРА-М, 2011. - 456 с.

2 Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций: Спец. лит-ра/ под ред. А.П. Мандрикова., Изд-во «Лань», 2012 - 432 с.

3 Трущев А.Г. Пространственные металлические конструкции. Москва: Стройиздат, 1983.

4 Умнова О.В. Стальной каркас здания павильонного типа: учебное пособие / О.В. Умнова, О.В. Евдокимцев. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. - 160 с. - 100 экз.

5 ГОСТ 8509 - 93 Уголки стальные горячекатанные равнополочные. Сортамент. Минск: Стандартиформ, 2004.

6 ГОСТ 260 - 83 Двутавры стальные горячекатанные с параллельными гранями полок. Сортамент. Гос. комитет СССР по стандартам, 1986.

7 Сортамент стальных электросварных прямошовных труб ГОСТ 10704-91 (с исправлениями). В.П.Сокуренко, канд. техн. наук; В.М.Ворона, канд. техн. наук; П.Н.Ившин, канд. техн. наук; Н.Ф.Кузенко, В.Ф.Ганзина. Комитет стандартизации и метрологии СССР.

8 ГОСТ 7668-80. Канат двойной свивки типа ЛК-РО конструкции 6х36(1+7+7/7+14)+1 о.с. Сортамент (с Изменениями N 1, 2). 1980.

9 СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07.-85*/ Минрегион России. М.: ОАО «ЦПП», 2011.

10 СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 2.23.-81*/ М.: ОАО «НИЦ «Строительство», 2011.

11 Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций: Спец. лит-ра/ под ред. А.П. Мандрикова., Изд-во «Лань»,2012 - 432 с.

12 Трущев А.Г. Пространственные металлические конструкции. Москва: Стройиздат, 1983.

Размещено на Allbest.ru

...