Расчет и проектирование конструкций одноэтажного промышленного здания

80

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

курсовой проект по дисциплине

«Металлические конструкции»

Тема: Расчёт и проектирование конструкций ОДНОЭТАЖНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ

2009 г.

Содержание

Введение

1. Расчет подкрановой балки

1.1 Задание

1.2 Сбор нагрузок

1.3 Определение расчетных усилий

1.4 Подбор сечения подкрановой балки

1.5 Проверка прочности по нормальным напряжениям в верхнем поясе

1.6 Проверка жесткости и устойчивости

1.7 Проверка местной устойчивости стенки подкрановой балки

1.8 Расчет опорного ребра

1.9 Расчет поясных швов

1.10 Расчет подкрановой балки на выносливость при

2. Расчет фермы

2.1 Сбор нагрузок

2.2 Расчет стального профилированного настила

2.3 Расчет прогона

2.4 Расчет трубчатой стропильной фермы

2.4.1 Определение усилий в элементах фермы

2.4.2 Определение расчетных длин стержней фермы

2.4.3 Подбор сечений элементов

2.4.4 Расчет узлов фермы

3. Расчет поперечной рамы

3.1 Компоновка рамы

3.2 Нагрузки, действующие на раму

4. Расчет колонны

Введение

Для металлургической, машиностроительной, легкой и других отраслей промышленности возводят одноэтажные каркасные здания. Конструктивной и технологической особенностью таких зданий является оборудование их транспортными средствами - мостовыми и подвесными кранами. Мостовые краны перемещаются по специальным путям, опертым на колонны; подвесные краны и перемещаются по путям, подвешенным к элементам покрытия.

Покрытия одноэтажного производственного здания может быть балочным (из линейных элементов) или пространственным (в виде оболочек).

К элементам конструкции одноэтажного каркасного здания с балочным покрытием относятся: колонны, заделанные жестко в фундаментах; ригели покрытия, опирающиеся на колонны; плиты покрытия, уложенные по ригелям; подкрановые балки; световые и аэрационные фонари. Основная конструкция каркаса - поперечная рама, образованная колоннами и ригелями.

1. Расчет сварной сплошностенчатой подкрановой балки

1.1 Задание

Запроектировать подкрановую балку пролетом под два крана грузоподъемностью среднего режима работы для основного цеха завода металлических конструкций.

Пролет здания . Шаг колонн .

Материал для конструкции - сталь С255 с характеристиками: при толщине материала , .

Данные по мостовому крану

Рис. 2.1. - Схема расположения колес одного крана на подкрановой балке

Таблица 1.1 Параметры мостового крана
Грузоподъемная сила крюка,	Основные размеры ригеля,	Максимальная сила вертикального давления колеса,	Сила тяжести,
Главный	Вспомогательный	Пролет	Ширина	База		Тележки	Крана (с тележкой)
300	50	22,5	6,3	5,1	315	120	520

Схема нагрузок от двух сближенных кранов на подкрановый путь.

Рис. 2.2. - Схема нагрузок от двух сближенных кранов

1.2 Сбор нагрузок

Расчетная вертикальная сила давления колеса

,

где - коэффициент надежности по нагрузке;

- коэффициент надежности по назначению; обычно

- коэффициент сочетаний; 2 крана среднего режима работы .

Тормозная сила тележки

,

где - грузоподъемная сила крюка крана, .

Сила поперечного торможения на одно колесо крана

,

где - число колес крана на одной стороне моста крана, при грузоподъемности крана

Расчетная сила поперечного торможения на одно колесо крана

1.3 Определение расчетных усилий

Схема перемещения колес на подкрановой балке для определения и (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3 Схема размещения колес на подкрановой балке для определения M_x и M_T

Определим положение равнодействующей от двух грузов на балке относительно крайнего левого груза

Величина отрезка между равнодействующей и ближайшим к ней грузом (критическим) .

Рис. 2.4 Линия влияния M_x=M_T

Найдем значения по линии влияния в точках приложения сосредоточенной нагрузки от колес крановой тележки.

Расчетные моменты

где - для балок пролетом .

Схема размещения колес на подкрановой балке для определения и л.в. (см. рис. 2.5).

Рис. 2.5 Схема размещения колес на подкрановой балке для определения и л.в.

Ординаты л.в. :

Расчетные поперечные силы

1.4 Подбор сечения подкрановой балки

Определяем . С учетом ослабления верхнего пояса отверстиями для крепления рельса

,

где - коэффициент, учитывающий ослабление верхнего пояса отверстиями болтов и напряжение в нем от болтовых сил.

Определяем из условия требуемой жесткости при .

Для балки симметричного сечения имеем:

Определяем оптимальную высоту балки из условия наименьшего расхода стали:

В соответствии с положением по унификации принимаем предварительную высоту балки .

Требуемая толщина стенки из условия прочности на срез

.

Из условия местной устойчивости стенки без продольного ребра жесткости

Принимаем ; .

Предварительно принимаем стенку балки . Площадь стенки .

Определим требуемые площади всего сечения и поясов при коэффициенте асимметрии

Назначаем размеры поясов:

Проверяем местную устойчивость сжатого пояса

Принимаем .

Тормозную балку конструируем из швеллера № 24 и листа рифленой стали .

Ширина листа тормозной балки определяем из выражения

Где - привязка колонны; для зданий с мостовыми кранами грузоподъемностью ,

- расстояние от оси подкрановой балки до разбивочной оси (750 мм).

Определяем геометрические характеристики принятого сечения.

Момент инерции сечения балки брутто

Момент инерции отверстий в верхнем поясе 2 25



Рис. 2.6. - Сечения подкрановой и тормозной балок

Момент инерции балки нетто

Момент сопротивления симметричного сечения

Определяем положение центра тяжести тормозной балки относительно оси подкрановой балки

.

Момент инерции сечения брутто относительно оси

Момент инерции площади ослабления

Момент инерции площадки сечения тормозной балки нетто

.

Момент сопротивления верхнего пояса балки

.

Статический момент полусечения (сдвигаемой части)

.

1.5 Проверка прочности по нормальным напряжениям в верхнем поясе

Проверка по нормальным напряжениям в нижнем поясе

Проверка по касательным напряжениям

.

Проверка по напряжениям местного смятия стенки от давления кранового колеса

,

где - коэффициент, учитывающий неравномерность давления колес и повышенную динамику под стыками рельсов;

(см. п.2.2);

- условная длина распределения давления колеса.

,

где - сумма моментов инерции верхнего пояса относительно их собственных осей.

.

Проверки показывают, что прочность принятого сечения обеспечена.

1.6 Проверка жесткости и устойчивости

Высота балки , поэтому проверку жесткости не делают, т.к. предусмотрена тормозная конструкция для восприятия боковых сил. (Обеспечена общая устойчивость).

1.7 Проверка местной устойчивости стенки подкрановой балки

Определяем условную гибкость стенки

т.е. устойчивость стенки нужно проверять.

При следует устанавливать основные поперечные ребра жесткости. Расстояние между ними т.е. . Принимаем (кратно пролету ). Размеры отсека стенки (см. рис. 2.8).

Принимаем подкрановую балку с двусторонними поясными швами и двусторонними основными поперечными ребрами жесткости.

Ширина ребра должна быть не менее и не менее .

.

Принимаем .

Толщина ребра .

Рис. 2.7. - Схема балки, укрепленной поперечными ребрами жесткости

Проверяем устойчивость среднего отсека

Рис. 2.8

Напряжения в среднем отсеке определяются при загружении по схеме определения .

Определяем усилия для наиболее напряженного участка отсека.

Опорные реакции

Изгибающие моменты

Поперечные силы

Определяем напряжения

(см. проверку прочности)

Определяем критические напряжения для отсека .

Соотношение размеров отсека

.

Соотношение .

Коэффициент защемления стенки

При и указанном в табл. 1.3 [4]

,

Где

см. табл. 1.5 [4].

.

, где

см. табл. 1.4 [4] , при .

, где

,

, - меньшая сторона отсека .

Проверяем устойчивость стенки балки

Устойчивость стенки при обеспечена.

Проверяем устойчивость крайнего отсека

Рис. 2.9

Определяем усилия для наиболее напряженного участка отсека длиной .

Опорная реакция при схеме загружения (см. рис. 2.9)

Изгибающие моменты

Поперечные силы

Определяем напряжения

Проверяем устойчивость стенки в крайнем отсеке.

Критические напряжения для крайнего отсека равны - для среднего, т.к. размеры их одинаковы.

Следовательно толщина стенки и размещение ребер через обеспечивают устойчивость стенки.

1.8 Расчет опорного ребра

Для передачи опорного давления балки на колонну предусматриваем торцевую диафрагму с пристроганным нижним краем, называемую обычно опорным ребром.

Рис. 2.10. - К расчету опорного ребра

Площадь строганного края опорного ребра определяется из условия прочности его на смятие, если

- расчетное сопротивление стали смятию.

По конструктивным требованиям ; .

Принимаем ; ; .

Проверяем устойчивость опорной части из плоскости балки (относительно оси ), как стойки с шарнирно опертыми концами высотой .

В сечение опорной части включается

.

Момент инерции опорной части

Радиус инерции

.

Проверяем устойчивость опорной части балки по формуле

Устойчивость опорной части балки обеспечена.

1.9 Расчет поясных швов

Двусторонние поясные швы (см. рис. 2.11) при подвижной нагрузке рассчитываются по формулам

по металлу шва

по металлу границы сплавления



Сдвигающая сила на 1 пог. см. балки

,

где - статический момент брутто пояса относительно нейтральной оси

Сминающая сила на 1 пог. см. балки

Нормативные и расчетные сопротивления металла швов сварных соединений угловыми швами см. таб. 56.

Применяем для сварки электроды Э 42, Э 42А.

; ;

; (см. )

Назначаем поясные швы минимально возможной толщины. При сварке и .

;

Рис. 2.11. - К расчету поясных швов.

1.10 Расчет подкрановой балки на выносливость при

Где - коэффициент, учитывающий количество циклов нагружения

- расчетное сопротивление усталости (при временном сопротивлении стали до )

- расчетное сопротивление по временному сопротивлению стали,

- коэффициент надежности по временному сопротивлению.

Проверка показывает, что выносливость балки обеспечена

2. Расчет фермы

2.1 Сбор нагрузок

Постоянные нагрузки на 1 м² от массы конструкций покрытия приведены в таб. 3.1.

Таблица 3.1

№	Вид нагрузки	Нормативная нагрузка,	Коэффициент надежности по нагрузке,	Расчетная нагрузка,
1.	Защитный слой 15 мм из гравия, втопленного в мастику	0,3	1,3	0,39
2.	Водоизоляционный ковер из трех слоев рубероида	0,1	1,3	0,13
3.	Утеплитель 100 мм из плитного пенопласта ()	0,05	1,2	0,06
4.	Пароизоляция из одного слоя рубероида	0,05	1,2	0,06
5.	Стальной профилированный настил	0,125	1,05	0,131
Итого	0,625		0,771
6.	Прогоны при	0,08	1,05	0,084
7.	Стропильные фермы со связями	0,2	1,05	0,21
Итого общая нагрузка	0,905		1,065

Узловая нагрузка от веса конструкций покрытия

Временная узловая нагрузка от массы снегового покрова. Для первого снегового района .

 т.к.

Узловая нагрузка

т.к. что больше (см. СНиП 2.01.07-85 п.5.7)

2.2 Определение усилий в элементах фермы

Усилия определяем по следующим формулам:

- от постоянной нагрузки -

;

- от снеговой нагрузки -

.

Где - усилие от загружения вертикальной единичной силой (по таблице 13 [5])

Результаты расчета сводим в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

Элемент фермы	Обозначение стержней	Усилия от предельных загружений	Расчетные усилия
		Постоянная нагрузка	Снеговая нагрузка	Растяжение	Сжатие
Верхний пояс	В1	-	-	-	-
	В2	-107,83	-70,88	-178,71	-
	В3	-107,83	-70,88	-178,71	-
	В4	-145,21	-95,45	-240,66	-
Нижний пояс	Н1	60,39	39,69	-	100,08
	Н2	135,63	89,15	-	224,77
Раскосы	Р1	-91,06	-59,85	-150,91	-
	Р2	67,10	44,10	-	111,20
	Р3	-40,74	-26,78	-67,51	-
	Р4	13,42	8,82	-	22,24
Стойки	С1	-19,17	-12,60	-31,77	-
	С2	-19,17	-12,60	-31,77	-

2.3 Подбор сечений элементов фермы

Расчетные длины стержней назначаем согласно указаниям СНиП «Стальные конструкции».

Подбор сечений в панели В₂ ()

По сортаменту принимаем сечение Т13ШТ1, , ,

Проверка

(см, прил, IV, таб, 1[3])

Подбор сечений остальных элементов фермы приведен в таблице 3.3.

Элемент фермы	Обозначение	Расчетное усилие,	Сечение	Площадь А,	Марка стали	Расчетная длина	Радиусы инерции	Гибкость	Предельная гибкость		,		,
Верхний пояс	В1	-	Т13ШТ1	21,8	С-235	280	280	3,34	4,27	84	66	120	1	230	-	конст
	В2	-178,71	Т13ШТ1	21,8	С-235	300	300	3,34	4,27	90	70	120	1	230	0,625	131,2
	В3	-178,71	Т13ШТ1	21,8	С-235	300	300	3,34	4,27	90	70	120	1	230	0,625	131,2
	В4	-240,66	Т13ШТ1	21,8	С-235	300	300	3,34	4,27	90	70	120	1	230	0,625	176,6
Нижний пояс	Н1	100,08	Т13ШТ1	21,8	С-235	580	580	3,34	4,27	174	136	250	0,95	230	-	53,8
	Н2	224,77	Т13ШТ6	21,8	С-235	600	600	3,34	4,27	180	141	250	0,95	230	-	120,8
Раскосы	Р1	-150,91	+63х6	14,56	С-235	210	420	1,93	3,14	109	134	150	1	230	0,36	287,9
	Р2	111,20	+63х6	14,56	С-235	348	435	1,93	3,14	180	139	400	0,95	230	-	76,4
	Р3	-67,51	+80х6	18,76	С-235	348	435	2,47	3,8	141	114	150	0,8	230	0,33	109,1
	Р4	22,24	+80х6	18,76	С-235	348	435	2,47	2,58	141	169	400	0,95	230	-	11,9
Стойки	С1	-31,77	+56х5	10,82	С-235	252	315	1,72	2,85	147	111	150	0,41	230	-	конст
	С2	-31,77	+56х5	10,82	С-235	252	315	1,72	2,85	147	111	150	0,41	230	-	конст

Таблица 3.3

2.4 Расчет узлов фермы

Стержни раскосов решетки из круглых труб прикрепляют непосредственно к поясам впритык сварными швами с проверкой их несущей способности (- усилие в раскосе). Стойки, имеющие сплющенные концы, прикрепляют к поясам угловыми швами.

2.4.1 Промежуточный узел фермы

Промежуточный узел фермы с заводским стыком верхнего пояса (см. рис. 3.4.1)

Рис. 3.4.1

Исходные данные

Материалы фермы:

Пояса - сталь С235, элементы решетки и опорный раскос - сталь С235.

Сварочная проволока - Св 08 А.

Расчетные характеристики:

угловых швов - ,

опорного фланца - .

Размеры накладки подбираем из условия их равнопрочности с перекрываемыми полками:

;

ширина накладки ;

толщина накладки , принимаем

Прочность стыка в предположении центрального его загружения силой:

Швы «А» прикрепления горизонтальной полки пояса к накладке рассчитываем по расчетному усилию, воспринимаемому накладкой.

см

- сварка полуавтоматическая,

- коэффициент условий работы шва.

, принимаем 18м.

Требуемая длина швов раскоса Р₃:

по перу , принимаем 6 см;

по обушку , принимаем 9см;

где - усилие по перу,

- усилие по обушку.

Требуемая длина швов раскоса Р₄:

по перу , принимаем 3см;

по обушку , принимаем 4см;

где - усилие по перу,

- усилие по обушку.

2.4.2 Укрупнительный стык верхнего пояса фермы на монтажной сварке (см. рис. 3.4.2)

Рис. 3.4.1

Размеры горизонтальных накладок и фасонки подбираем из условия их равнопрочности с перекрываемыми полками:

1) ;

ширина накладки ;

толщина накладки , принимаем

2) ;

ширина накладки ; толщина накладки , принимаем

Остальные соединительные накладки в расчет не вводятся.

Прочность стыка проверяем в предположении центрального нагружения силой:

Швы «А» прикрепления горизонтальной полки пояса к накладке рассчитываем по предельному усилию, воспринимаемому накладкой.

см

- сварка полуавтоматическая,

- коэффициент условий работы шва.

, принимаем 40см.

Принимаем длину швов с дух сторон по 20см.

Швы «B» прикрепления вертикальных накладок к станке тавра рассчитываем по несущей способности вертикальной накладки:

.

Шов выполняется косым. Определяем угол наклона:

2.4.3 Прикрепление нижнего пояса к колонне

Рис. 3.4.3

Опорная реакция воспринимается опорным фланцем. Проверка опорного фланца на смятие

Конструктивно назначаем размеры фланца

,

условие прочности выполняется.

Швы «Б», «В», «Г», «Д» рассчитываем на максимальные усилия в опорном раскосе и нижнем поясе.

Требуемая длина швов раскоса Р₁:

по перу , принимаем 10см;

по обушку ,

где - усилие по перу,

- усилие по обушку.

Требуемая длина швов нижнего пояса Н₁:

по перу , принимаем 6см;

по обушку , принимаем 18см,

где - усилие по перу,

- усилие по обушку.

По длине выше найденных швов назначаем высоту фасонки

Крепление фасонки к опорному фланцу см,

3. Расчет поперечной рамы с шарнирным прикреплением ригеля к колоннам

Здание однопролетное, отапливаемое с мостовыми кранами среднего режима работы.

Пролет цеха - ;

Уровень головки кранового рельса - .

3.1 Компоновка рамы

Основные величины:

- наименьшая отметка головки кранового рельса, которая задается из условия необходимой высоты подъема крюка над уровнем пола,

- расстояние от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия

где - вертикальный габарит крана;

- зазор, установленный по требованиям техники безопасности;

- размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия

.

Окончательно (кратно ).

Внутренний габарит цеха

Принимаем (кратно ).

Высота верхней части стойки

Где - из расчета подкрановой балки;

- высота кранового рельса КР-80.

Высота нижней части стойки

Высота стойки рамы

Высота фермы на опоре

.

Высота покрытие от низа ригеля до конька кровли

.

Определяем размер элементов рамы по горизонтали , , .

Привязка наружной грани колонны к разбивочной оси , т.к. .

Ширина верхней части колонны

.

Необходимо, чтобы ;

имеем .

Ширина нижней части колонны

,где

, т.к. и нет необходимости устройства проходов в надкрановой части колонны.

Условие необходимой жесткости колонны

Габарит безопасности движения крана

.

условие свободного прохода крана обеспечивается.

Рис 4.1. - конструктивная схема рамы

Конструктивная схема рамы показана на рис. 4.1., расчетная схема - на рис 4.5.

3.2 Нагрузки, действующие на раму

3.2.1 Постоянные нагрузки

Покрытие принято по стальным прогонам и профилированному настилу.

Таблица 4.1

№	Вид нагрузки	Нормативная нагрузка,	Коэффициент надежности по нагрузке,	Расчетная нагрузка,
1.	Защитный слой 15 мм из гравия, втопленного в мастику	0,3	1,3	0,39
2.	Водоизоляционный ковер из трех слоев рубероида	0,1	1,3	0,13
3.	Утеплитель 100 мм из плитного пенопласта ()	0,05	1,2	0,06
4.	Пароизоляция из одного слоя рубероида	0,05	1,2	0,06
5.	Стальной профилированный настил	0,125	1,05	0,131
Итого	0,625		0,771
6.	Прогоны при	0,08	1,05	0,084
7.	Стропильные фермы со связями	0,2	1,05	0,21
Итого общая нагрузка	0,905		1,065

Постоянная линейная нагрузка на ригель

,

где - угол ската кровли.

Для покрытий промзданий принимается из-за малости угла ската.

Расчетное давление на колонну от покрытия

Расчетный сосредоточенный момент в уровне уступа

, где

- расстояние между осями надкрановой и подкрановой части колонны (см. рис. 4.2).

.

Рис. 4.2

3.2.2 Нагрузки от стенового ограждения

Стены приняты из ребристых панелей толщиной 300 мм. Нагрузка от них передается на фундаментные балки и при расчете рамы не учитывается.

3.2.3 Снеговая нагрузка

Снеговой район - I.

т.к. т.е.

Расчетная поверхностная снеговая нагрузка на покрытие

т.к. см. СНиП «Нагрузки и воздействия».

Расчетная линейная снеговая нагрузка на ригель

.

Расчетное давление на колонну от снеговой нагрузки

.

Расчетный сосредоточенный момент в уровне уступа

.

3.2.4 Нагрузки от мостовых кранов

Вертикальное давление на среднюю колонну продольного ряда определяется от действия двух сближенных кранов с помощью линий влияния опорного давления (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3

Ординаты линий влияния

.

Пролет крана .

По ГОСТ на краны . Масса урана с тележкой , сила тяжести .

Нагрузка от подкрановых конструкций определяется приближенно по данным таб. 2.2[6]. площади пола.

Расчетное максимальное давление на колонну

Где - коэффициент сочетаний для двух кранов легкого и среднего режимов работы,

- наибольшее давление колеса крана,

- сумма ординат линии влияния опорного давления на колонну (см. рис. 4.3),

- давление подкрановых конструкций.

Расчетное минимальное давление на колонну

Минимальное давление колеса крана на подкрановый путь

.

Крановые моменты

Где - эксцентриситет, принимаемый предварительно - для крайних ступенчатых колонн (см. рис. 4.2).

.

3.2.5 Горизонтальное давление от торможения крановой тележки

Горизонтальное давление от торможения крановой тележки действует поперек цеха и определяется по формуле

,

Где .

Масса тележки , сила тяжести .

Число колес с одной стороны моста крана , для крана .

Сила поперечного торможения, передаваемая на колонну

.

Сила приложена к раме в уровне верхнего пояса подкрановой балки, может действовать на одну или другую колонну, причем как вправо, так и влево. В курсовом проекте для упрощения расчета допускаем, что давление передается в уровне уступа, т.е. в месте изменения сечения колонны.

3.2.6 Ветровая нагрузка

Ветровой район - I. см. таб. 5 СНиП 2.01.07-84*. Тип местности .

Расчетные погонные нагрузки на стойку рамы от активного давления и отсоса равны:

, , , .

Коэффициент зависит от высоты и типа местности (см. п. 6.5 СНиП 2.01.07-85*).

на отметке ; на отметке ; на отметке .

Промежуточные значения определяем линейной интерполяцией. В уровне низа ригеля на отметке ; верха покрытия на отметке .

Рис. 4.4. - Схема ветровой нагрузки на раму; а - по нормам проектирования; б - приведенная к эквивалентной; в - расчетная схема

Расчетные погонные нагрузки от ветра на стойку рамы:

на высоте до

;

.

в уровне ригеля на высоте

;

.

в уровне верха покрытия на высоте

;

.

Ветровая нагрузка, действующая на участке от низа ригеля до наиболее высокой точки здания, заменяется сосредоточенной силой, приложенной в уровне низа ригеля рамы.

Момент в заделке стойки от ветрового напора

Эквивалентная равномерно распределенная ветровая нагрузка

;

.

Ветровая нагрузка, действующая на шатер: .

Таблица 4.2

Элемент рамы	Вид нагрузки	Обозначение нагрузки	Величина нагрузки
Ригель	Постоянная линейная от покрытия		6,39 кН/м
	Снеговая		4,2 кН/м
Стойка	Опорное давление ригеля:
	от постоянной нагрузки		76,68 кН
	от снеговой нагрузки		50,4 кН
	Вертикальное давление колес мостовых кранов:
	максимальное		597 кН
	минимальное		195,9 кН
	Сила поперечного торможения:		19,1 кН
	момент от		298,5 кНм
	момент от		149,25 кНм
	Ветровая нагрузка:
	активное давление		1,38 кН/м
	отсос		1,04 кН/м
	сосредоточенная сила		9,9 кН

3.3 Расчетная схема

Определяем соотношения моментов инерции , , при , , .

Принимаем: , , .

; .

Вычисляем погонные жесткости

; ; .

При расчете на нагрузки, приложенные к стойкам допускается принимать , если выполняется условие

.

Расчетная схема показана на рис 4.5.



Рис. 4.5. - Расчетная схема

3.4 Статический расчет

Учитывая симметрию рамы и нагрузки, пренебрегаем горизонтальным смещением верхних узлов рамы.

Определяем изгибающие моменты в колоннах от действия моментов и , как в отдельных несмещаемых стойках.

Схема загружения рамы от воздействия равномерно распределенных нагрузок на ригель показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6.

4.4.1 Постоянная линейная нагрузка от покрытия

,

.

.

т.е.

Рис. 4.7. - Эпюры и от постоянной нагрузки

3.4.2 Снеговая нагрузка

Эпюры и от снеговой нагрузки получаем умножением ординат эпюр от постоянной нагрузки на соотношение .

Рис. 4.8. - Эпюры и от снеговой нагрузки

Расчет на нагрузки, приложенные к стойкам

Условно закрепленная рама (т.е. основная система) показана на рис 4.9.

Рис. 4.9

В расчете принято . Неизвестное смещение рамы определяем из уравнения

,

Где - смещающая горизонтальная сила.

Определяем моменты от единичного смещения верхних узлов рамы (см. рис. 4.10).

Рис. 4.10

, где

.

Эпюра используется в расчете на крановые и ветровые нагрузки.

3.4.3 Вертикальное давление кранов , и крановые моменты ,

Определяем моменты в стойках условно закрепленной рамы, когда и приложены к левой стойке, и к правой.

; .

Для левой стойки:

;

Для правой стойки:

;

Реакция в дополнительной связи условно разделенной рамы:

Горизонтальная смещающая сила

где - коэффициент опорного действия, учитывающий пространственность системы.

Для кровли со стальным профилированным настилом при наличии мостовых кранов грузоподъемностью , .

Определяем смещение рамы в системе каркаса

Определяем значения моментов в стойках рамы и строим эпюры и (см. рис. 4.11).

Для левой стойки:

;

;

;

;

.

Для правой стойки:

;

;

;

;

.



Рис. 4.11. - схема загружения и эпюры и от кранового давления ,

3.4.4 Горизонтальное давление кранов на раму

Для упрощения расчета силу принимаем действующей в уровне уступа левой колонны.

Определяем реакцию связи и моменты в левой стойке для условно закрепленной рамы.

.

при ; .

; ;

;

.

В правой стойке .

С учетом пространственной работы каркаса смещающая горизонтальная сила в уровне ригеля

Смещение рамы в системе каркаса

Определяем значения моментов в стойках рамы и строим эпюру (см. рис. 4.12).

Для левой стойки:

;

;

.

Проверка .

Для правой стойки:

;

;

.

При изменении направления силы знаки усилий меняются на обратные, поэтому в таблице усилий они вносятся со знаком ±. Продольными силами в стойках от воздействия силы пренебрегаем.

3.4.5 Ветровая нагрузка

Ветер слева.

Определяем значения моментов и реакций в дополнительной связи условно закрепленной рамы.

;

;

Реакция дополнительной связи

.

Считаем, что все рамы загружены одинаково и имеют равные смещения . Из уравнения определяем перемещение рамы.

.

Моменты :

Для левой стойки:

;

.

Для правой стойки:

;

.

Определяем значения моментов и поперечных сил от ветровой нагрузки. Строим эпюры и (см. рис. 4.13).

Для левой стойки:

;

.

Для правой стойки:

;

.

Продольными силами от воздействия ветра пренебрегаем.

Поперечная сила в сечении 1-1 может быть определена как сумма опорных реакций

где - реакция в заделке левой стойки условно закрепленной рамы от активного давления ветра;

- реакция от смещения рамы на =1, равная .

; ;

;

;

;

.

правильность определения поперечных сил в заделках стоек можно проверить тождеством

Оценим погрешность вычислений .

Поперечные силы в сечении 3-3

;

.

Рис. 4.13. - Схема загружения и эпюры и от ветровой нагрузки

Усилия в левой стойке рамы

Расчетные усилия для левой стойки

Таблица 4.4

Сочетания	Усилия	Нижняя часть стойки	Верхняя часть
		Сечение 1-1	Сечение 2-2	Сечение 3-3
		M	N	Q	M	N	M	N
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Основные сочетания n=1,0		+219,47	76,68	-20,3	+46,95	76,68	+114,43	76,68
		1,5*	1,5*	1,3,4
		+233,26	76,68	+26,82	-233,93	375,68	-36,03	76,68
		1,5	1,3,4	1,5
		+94,37	375,68	-4,85	-	-	-	-
		1,3,4	-	-
		-122,63	375,68	-4,85	-233,93	375,68	-9,2	127,05
		1,3,4	1,3,4	1,2
Основные сочетания n=0,95		+365,62	199,62	-20,9	+54,98	127,05	+149,13	76,68
		1,3*,4,5*	1,2,5*	1,3,4,5*
		-353,48	426,05	+21,57	-264,53	375,68	-39,68	127,05
		1,2,3,4,5	1,3,4,5	1,2,5
		+301,98	426,05	-25,56	-	-	+21,8	127,05
		1,2,3,4,5*	-	1,2,3,4,5*
		-353,48	426,05	+21,57	-256,49	426,05	-39,68	127,05
		1,2,3,4,5	1,2,3,4,5	1,2,5
		+233,26	76,68	+26,82	-	-	-	-
		1,5	-	-

4. Расчет внецентренно сжатой колонны

4.1 Исходные данные

Колонна одноступенчатая со сплошной верхней и сквозной нижней частью. Сопряжение колонны с фундаментом - жесткое, с ригелем шарнирное.

Материал - С235 , для листового, широкополосного, универсального проката. - для фасонного проката.

Геометрические размеры: , , , , - определены при компоновке рамы (см. рис. 4.1).

Расчетные усилия:

для верхней части (сеч. 3);

для нижней части (сеч. 1);

(сеч. 1);

и соотношение жесткостей - из расчета рамы.

Конструктивная схема показана на рис. 5.1.

4.2 Расчетные длины участков колонны

При и

по таб. 2,2[7] , .

В плоскости рамы

;

;

из плоскости рамы

, .

4.3 Расчет надкрановой части колонны

Расчетные усилия: ,

высота сечения .

Требуемая площадь.

Принимаем для верхней части колонны сварной двутавр h_b =500мм.

Определяем приближенно ,

, ,

, по таблице 3.3 [7] при и :

отсюда . Для сварных сечений рациональны тонкие стенки, и . Поэтому принимаем . и в расчетную площадь сечения включается

.

Отсюда .

Принимаем полки 240х8, .

Проверяем местную устойчивость полки:

.

Геометрические характеристики сечения:

- общая площадь: ,

- расчетная площадь: ,

,

,

,

,

.

Проверяем устойчивость в плоскости рамы.

, ,

, , по таблице 3.1 [7]

.

, затем по таблице 3.2 [7] при и находим и проверяем устойчивость по формуле

.

Проверяем устойчивость в плоскости рамы. Предварительно проверим местную устойчивость стенки.

Определим краевые напряжения в стенке:

- сжимающие: ,

- растягивающие: ,

- величину (эпюра напряжений на рисунке 5.1 б).

- поперечную силу Q в сечении 3-3: ,

- .

Местная устойчивость стенки обеспечена т.к.

и

здесь .

, ; .

При и

где ,

.

Гибкость стенки , поэтому ребра жесткости не нужны.

4.4. Расчет подкрановой части колонны

4.4.1 Расчет ветвей подкрановой части

Принимаем и определяем

, .

Усилия в ветвях:

,

.

Требуемая площадь ветвей

, .

Подкрановую ветвь принимаем из 26Б2; его характеристики: ,

, , , ; наружную ветвь компонуем из трех листов как составной швеллер, толщину его стенки и полок назначаем по требованию жесткости.

Местная устойчивость стенки обеспечена, если

,

где .

Отсюда , принимаем стенку из листа 300x0.7, , полки 10x0.6, , .

Местная устойчивость полок обеспечена т.к.

Геометрические характеристики наружной ветви:

,

;

;

;

;

,

;

.

Уточняем усилия в ветвях

,

.

Гибкости и коэффициенты продольного изгиба:

, , ;

, ,.

Проверяем устойчивость ветвей из плоскости рамы (относительно оси у).

Подкрановая ветвь

.

Наружная ветвь

.

Требуемая по условию равноустойчивости длина ветви:

- подкрановой: ,

- наружной: .

Принимаем ,

.

Проверяем устойчивость ветвей в плоскости рамы (относительно осей x₁ и x₂)

Для подкрановой ветви;

, ,.

, ,.

4.4.2 Расчет решетки

Определим поперечную силу

,

(из расчета рамы, загружения 1,2,3,4,5).

Принимаем

Определяем , .

.

.

Принимаем L50х4, А=3,89см², i_min=2,43см².

, , ,.

4.4.3 Проверка устойчивости колонны в плоскости рамы как единого сквозного стержня

Геометрические характеристики:

А=39,7+33=72,8см²,

,

, ,

.

Проверка устойчивости

При

, ,.

При

, ,.

4.5 Расчет узла сопряжения верхней и нижней частей колонны (рисунок 6.2)

Рисунок 5.2 К расчету узла сопряжения частей колонн

Расчетные усилия в сечении с уступом:

1),

2),

D_max=299кН.

4.5.1 Проверяем прочность шва 1 (Ш1)

, .

Комбинация усилий 1.

Слева ,

Справа .

Комбинация усилий 1.

Слева ,

Справа .

4.5.2 Назначаем высоту траверсы h_тр=1000мм и толщину подкрановой площадки t_пл=20мм.

,

принимаем , из условия свариваемости.

здесь

4.5.3 Расчет швов 2 крепления ребра к траверсе

Усилия в швах

(1 комбинация);

(2 комбинация)

,

где

Принята сварка полуавтоматическая проволокой СВ-08А, d=1,4….2мм. расчет выполнен по металлу шва.

4.5.4 Расчет швов 3 крепления траверсы к подкрановой ветви

Наибольшую нагрузку на швы 3 (их4) дает комбинация усилий от нагрузок 1,2,3,4,5 (сечение 3-3, над уступом).

Нагрузка на швы

,

где 0,9 - коэффициент сочетаний.

Требуемая длина шва, если

.

4.5.5 Из условия прочности стенки подкрановой ветви на срез в зоне швов (линия 1-1) определяем h_тр.

,

для 29Б2, .

Принимаем .

5.5.6 Проверяем прочность траверсы как балки, загруженной N, M, D_max (см. рисунок 5.2.).

Нижний пояс траверсы принимаем конструктивно 300x10, верхний пояс из двух горизонтальных ребер 120х10.

Геометрические характеристики траверсы:

Максимальный изгибающий момент в траверсе возникает при N_n.max.

При загружении +М_max =149.13кНм и N=78.8кН во внутренней полке

Максимальная поперечная сила в траверсе с учетом D_max возникает при загружениях 1,2,3,4,5 (расчет шва 3).

.

Коэффициент 1,2 учитывает неравномерную передачу усилия D_max на два сечения.

.

4.6 Расчет и конструирование базы колонны

Проектируем базу раздельного типа (рисунок 5.3). Бетон фундамента класса В-12,5, R_b=7.5МПа. Для расчета базы принимаем комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 1-1), создающие наибольшее давление на базу каждой ветви.

Для подкрановой ветви:.

Для наружной ветви: .

(снег наружную ветвь не разрушает).

Усилия в ветвях: , .

Рисунок 5.3. К конструированию базы колонны

4.6.1 База подкрановой ветви.

Требуемая площадь плиты

.

По конструктивным соображениям свес плиты тогда , принимаем .

принимаем

.

Напряжение в бетоне под плитой .

Центр тяжести (ц.т.) плиты совмещается с ц.т. ветви. Траверсы базы крепятся сварными швами и полками ветви, они делят плиту на три участка 1,2,3. Первый и второй - консольные с вылетами соответственно и , третий оперт по контуру, его размеры: и , толщина траверсы принята 10мм.

Изгибающие моменты на отдельных участках:

.

здесь , так как .

Требуемая толщина плиты:

.

Высоту траверсы определяем из условия размещения четырех швов креплений траверс ветви. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-08А, d=1,4…2см, к_ш=0,5см.

Требуемая длина шва:

. Принимаем .

Проверка прочности траверсы ни изгиб и срез не требуется, т.к. вылет траверсы по отношению к высоте мал.

4.6.2 База наружной ветви

Требуемая площадь опорной плиты

, , , принимаем .

Из условия симметричного расположения траверс относительно ц.т. ветви расстояние между траверсами в свету равно

.

При толщине траверсы 7мм

Размеры участков 3 и 4:

длина участков одинаковая,

, ширина участка .

Участки 1 и 2 консольные, с вылетом , участки 3 и 4 оперты по контуру с отношением сторон .

Напряжение в бетоне под плитой .

Изгибающие моменты на отдельных участках:

.

.

По наибольшему изгибающему моменту в плите базы подкрановой ветви (участок 1) назначаем

.

Траверсы принимаем с размерами: t_тр=10мм, .

4.6.3 Расчет анкерных болтов

Расчетное сочетание в сечении 1-1 N_min, M_cоот:

.

Наибольшее усилие растяжения

.

Требуемая площадь болтов нетто .

Принимаем четыре анкерных болта типа IV d=30мм по [4], с .

Список литературы

1. Абаринов А. А. Составление деталировочных чертежей металлических конструкций.- М.: Стройиздат, 1987.- 60 с.

2. Беленя Е. И., Балдин В. А., Ведеников Г. С. и др. Металлические конструкции.- 6-е изд. М.: Стройиздат, 1985.- 560 с., ил.

3. Мандриков А. П. Примеры расчета металлических конструкций: Учебное пособие для техникумов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1991.- 431 с., ил.

4. Методические указания к расчету сварной подкрановой балки для студентов специальности 1202 - Промышленное и гражданское строительство - всех форм обучения.- Краснодар: изд. КПИ, 2006.- 44 с.

5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.

6. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции.