Инженерно-Строительный факультет

Кафедра “Строительных конструкций и материалов”

Курсовой проект

Проектирование каркаса одноэтажного промышленного здания

Санкт-Петербург 2012

В данном курсовом проекте необходимо разработать проект каркаса одноэтажного промышленного здания, определить усилия в основных несущих элементах, подобрать их сечения, рассчитать и запроектировать основные узлы конструкции.

Исходные данные для проектирования:

- снеговой район - II;

- ветровой район - IV;

- пролет здания в осях - 36 м;

- длина здания - 66 м;

- очертания фермы - H;

- отметка нижнего пояса фермы - 8,25 м;

- тип покрытия - БСП;

- класс сооружения по степени ответственности - II;

1. Конструктивная схема каркаса производственного здания

Современные производственные здания проектируются по каркасному типу. Комплекс несущих конструкций, воспринимающих нагрузки от веса ограждающих конструкций, атмосферные нагрузки, нагрузки от технологического оборудования называются каркасом здания. В данном проекте используется стальной каркас одноэтажного однопролётного производственного здания.

Стальной каркас состоит из колонн, жёстко прикреплённых к фундаменту, и решётчатых ригелей (стропильных ферм), шарнирно соединенных с колоннами. Расстояние между осями колон поперёк здания называется пролётом здания . Расстояние между рамами по длине здания называют шагом рам (шаг рам совпадает с шагом колон).

Пространственная жёсткость каркаса и устойчивость отдельных его элементов обеспечивают путём постановки системы связей:

- горизонтальных и вертикальных связей между стропильными фермами, обеспечивающих устойчивость конструкции покрытия при монтаже и в процессе эксплуатации;

В данном курсовом проекте стеновое ограждение не оговаривается. Будем считать, что стеновое ограждение выполняется из стандартных крупноразмерных стеновых панелей длиной, равной расстоянию между колоннами. Таким образом, на колонны здания через стеновые панели передаются ветровая нагрузка и нагрузка от собственного веса панелей.

2. Статический расчет поперечной рамы каркаса

2.1 Расчётная схема рамы

Для расчёта рамы её конструктивную схему надо привести к расчётной (конструктивные элементы изображают осевыми линиями с идеализированными сопряжениями в узлах).

Расчётный пролёт рамы отличается от пролёта здания не более, чем на 2%, в расчёте будем принимать.

Отметки по высоте отсчитывают от уровня пола здания, совпадающего с отметкой поверхности земли, принимаемой за нулевую.

,

где - высота помещения от уровня пола до низа стропильных ферм (отметка нижнего пояса-8.250); =0.6м - заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола.

H=8.250+0.6=8.850м.

Расчётная схема рамы приведена на рис. 2.1.

Рис.2.1. Расчётная схема рамы.

2.2 Сбор нагрузок действующих на раму

На поперечную раму каркаса производственного здания действуют нагрузки: постоянная нагрузка то веса конструкций, кратковременные нагрузки от веса снегового покрова давления ветра на стеновое ограждение.

2.2.1 Постоянная нагрузка от веса покрытия, колонн и стенового ограждения

В данном курсовом проекте использован беспрогонный вид покрытия, конструкция которого представлена на рис. 2.2. Состав покрытия: 1 - защитный слой из гравия на битумной мастике; 2 - трёхслойный гидроизоляционный ковёр на кровельной мастике; 3 - асфальтовая или цементная стяжка (20мм); 4 - утеплитель; 5 - железобетонные плиты. Для удобства сбор нагрузок будем производить в табличной форме. Нагрузки приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Нагрузки от веса покрытия.

2.2.2 Кратковременная нагрузка от веса снегового покрова

Расчётная линейная нагрузка на ригель рамы от веса снегового покрова находится по формуле

6.85кН/м,

где - нормативное значение веса снегового покрова на 1 площади горизонтальной поверхности земли (зависит от снегового района строительства), С - аэродинамический коэффициент, - коэффициент надёжности по снеговой нагрузке, - коэффициент надёжности по назначению - принимается в зависимости от класса ответственности здания. В - расстояние между соседними колоннами.

Расчётная схема приложения снеговой нагрузки показана на рис. 2.5.

2.2.3 Кратковременная нагрузка от ветра

Ветровая нагрузка создаёт нагрузку на наветренную сторону здания и на заветренную сторону нагрузку , направленное в ту же сторону, что и . Давлением ветра на кровлю в данном курсовом проекте пренебрегаем ввиду его малости по сравнению с другими нагрузками из-за малого уклона кровли.

c наветренной стороны

=0.951.430.480.5490.86=1.72кН/м,

c заветренной стороны

=0.951.430.480.5490.66=1.29 кН/м,

где - среднее значение коэффициента изменения скоростного напора по высоте (зависит от высоты и от типа местности), и -аэродинамические коэффициенты, - коэффициент надёжности по снеговой нагрузке, - коэффициент надёжности по назначению - принимается в зависимости от класса ответственности здания. В- расстояние между соседними колоннами, - нормативное ветровое давление на 1 вертикальной поверхности.

Ветровая нагрузка, действующая на здание выше оси ригеля рамы, заменяется равнодействующими и , которые прикладываются к верхним узлам рамы на уровне оси нижнего пояса фермы:

= =6.40кН;

==4.80кН

где =2.2+0.45+0.45=3.1м - превышение стены здания над отметкой нижнего пояса фермы; - высота опорной стойки фермы; - высота конструкций кровли; -превышение парапета над кровлей;-значение коэффициента на отметке середины высоты .

Итоговая расчётная схема нагрузки от ветра на здание приведена на рис.2.6.

Рис. 2.6. Нагрузка от ветра.

2.3 Определение усилий в элементах рамы

Определим усилия в колоннах от нагрузок, действующих на раму. Рама состоит из двух стоек, имеющих в плоскости рамы жесткое закрепление снизу и шарнирное закрепление с ригелем. Ригель располагается на уровне отметки нижнего пояса, равной 8.850м по высоте стойки.

2.3.1 Расчёт рамы на постоянную нагрузку

Под действием нагрузки q от веса шатра ригель работает на изгиб как балка, шарнирно закреплённая на опорах, а колонны, являющиеся опорами ригеля, испытывают сжатие продольной силой

= 0.520.8236=374.76кН.

Теперь определим усилия в колоннах от собственного веса колонн и стеновых панелей.

=2.328.850=20.53кН,

где X- расстояние от верха колонны до рассматриваемого сечения. X= 8.850 т.к. нас интересуют сечения внизу колонн (сечения А и В) см. рис. 2.7.

=11.411.95=136.23кН,

где X- расстояние от верха стены до рассматриваемого сечения (сечения А и В). X= 8.85+3.1=11.95м.

Продольное сжимающее усилие в колонне от собственного веса колонны и стеновых панелей в рассматриваемом сечении (А и В) равно

=20.53+136.23=156.76кН.

Рис. 2.7. Сечения, рассматриваемые при статическом расчёте рамы.

2.3.2 Расчёт рамы на снеговую нагрузку

От снеговой нагрузки в колоннах рамы возникает только продольная сжимающая сила

=0.56.8536=123.30кН.

2.3.3 Расчёт рамы на ветровую нагрузку

Формулы для определения величины изгибающего момента в сечениях колонн у узлов А и В и горизонтальных реакций опорных закреплений имеют следующий вид:

где и - расчётная ветровая нагрузка на стойку каркаса с наветренной и заветренной стороны; - равнодействующая ветровая нагрузка, которая прикладывается к верхнему узлу рамы на уровне оси нижнего пояса фермы; Н - высота колонны.

Эпюры изгибающего момента, поперечной силы и продольной силы в раме от ветровой нагрузки представлены на рис.2.8.-2.10.

Рис.2.9.Поперечная сила.

Для последующих расчётов внутренние усилия М, Q, N со своими знаками в расчётных сечениях колонны от каждого вида нагрузки удобно записать в табличной форме (табл. 2.2.).

Таблица 2.2. Внутренние усилия в сечениях А и В от нагрузок.

где p - расчётная снеговая нагрузка; - длинна панели верхнего пояса фермы.

3.3 Определение расчётных усилий в стержнях фермы

В курсовом проекте при определении усилий в стержнях будем рассматривать стропильную ферму как стержневую систему с шарнирами в узлах. Расчётные усилия от вертикальной нагрузки (постоянной и снеговой) можно определить, если предварительно вычислить усилия во всех стержнях стропильной фермы, загрузив её односторонней (например, левую половину фермы) единичной нагрузкой (рис.3.2.).

Вычисление расчётных усилий в стержнях стропильной фермы будем вести в табличной форме (табл. 3.1.). Так как ферма симметрична, то в таблицу достаточно включить стержни только одной её половины.

Таблица 3.1. Расчётные усилия в стержнях.

3.4 Подбор сечений элементов фермы

После того как мы определили расчётные усилия в стержнях фермы, приступаем к подбору их поперечных сечений. В стержнях фермы возникают только осевые усилия, поэтому задача сводится к подбору центрально сжатых и растянутых стержней. Для её решения необходимо: 1) установить расчётную длину каждого элемента; 2) знать предельную гибкость; 3) выбрать тип поперечного сечения стержней; 4) назначить марки стали для конструкции.

3.4.1 Расчётные длины стержней фермы

Сжатый элемент фермы может потерять устойчивость, как в плоскости расположения фермы, так и в перпендикулярном направлении (из плоскости фермы). Поэтому для каждого стержня фермы необходимо установить расчётную длину в плоскости фермы и расчётную длину из плоскости фермы.

1. Верхний пояс. По нормам расчётная длина верхнего пояса в плоскости фермы принимается равной расстоянию между центрами узлов верхнего пояса: , где =1- коэффициент расчётной длины (зависит от способа закрепления); - геометрическая длина элемента.

Расчётная длина верхнего пояса из плоскости фермы зависит от схемы размещения связей по верхним поясам ферм и от типа кровельного покрытия: , где =1- коэффициент расчётной длины (зависит от способа закрепления); - геометрическая длина элемента.

2. Нижний пояс. Расчётная длина нижнего пояса в плоскости фермы равна расстоянию между центрами узлов нижнего пояса: , где =1 - коэффициент расчётной длины (зависит от способа закрепления); - геометрическая длина элемента.

Расчётная длина нижнего пояса из плоскости фермы равна расстоянию между узлами нижнего пояса: , где =2 - коэффициент расчётной длины (зависит от способа закрепления); - геометрическая длина элемента.

3. Промежуточные раскосы и стойки. Расчётная длина в плоскости фермы промежуточных раскосов и стоек: , где =0.8 - коэффициент расчётной длины (зависит от способа закрепления); - геометрическая длина элемента.

Расчётная длина из плоскости фермы промежуточных раскосов и стоек равна их геометрической длине: , где =1 - коэффициент расчётной длины (зависит от способа закрепления); - геометрическая длина элемента.

4. Опорные раскосы. При отсутствии шпренгеля расчётную длину опорных раскосов в плоскости фермы и из плоскости фермы принимают одинаковой: , , где ,=1 - коэффициенты расчётной длины (зависят от способа закрепления); - геометрическая длина элемента.

3.4.2 Предельные гибкости стержней

Нормами ограничивается гибкость сжатых и растянутых элементов фермы. Гибкость стержней ограничивают потому, что слишком гибкий стержень может провисать под собственным весом и может быть погнут при транспортировке и монтаже фермы.

Для сжатых сильно нагруженных элементов верхнего пояса и опорных раскосов предельную гибкость принимаем 120. Для всех растянутых стержней - 400. Для слабо нагруженных и сжатых промежуточных раскосов и стоек-150. Для не нагруженных элементов - 220.

3.4.3 Подбор сечений сжатых стержней

Мы установили расчётные длины для каждого элемента фермы. Марку стали, принимаем - С255 (по указанию преподавателя). Крестообразное сечение из двух равнополочных уголков будем применять в средней стойке. Для поясов и опорных раскосов целесообразно принять составное сечение из двух не равнополочных уголков, соединенных между собой по короткой стороне. А для решётки примем сечение из двух равнополочных уголков соединенных, по какой либо стороне.

,

где N - расчётное сжимающее усилие в стержне; - расчётное сопротивление по пределу текучести выбранной марки стали; - коэффициент продольного изгиба; - коэффициент условий работы; A - площадь поперечного сечения.

а) задаемся =0,58||

б) вычисляем требуемые радиусы инерции сечения:

и

и - расчетные длины в плоскости и из плоскости фермы соответственно;

в) вычисляем требуемую площадь поперечного сечения:

,

где N - расчётное сжимающее усилие в стержне; - расчётное сопротивление по пределу текучести выбранной марки стали; - коэффициент продольного изгиба; - коэффициент условий работы;

г) по сортаменту определяем сечение с площадью большей, чем требуемая площадь поперечного сечения.

е) по максимальному значению гибкости находим минимальное значение коэффициента продольного изгиба.

ё) проверяем стержень на устойчивость.

Подбор сечений растянутых стержней.

,

где N - расчётное сжимающее усилие в стержне; - расчётное сопротивление по пределу текучести выбранной марки стали; - коэффициент условий работы;

б) из сортамента по требуемой площади выбирают сечение.

в) вычисляем гибкость стержня в плоскости и из плоскости фермы. Наибольшая из этих гибкостей не должна превышать предельную гибкость.

г) вычисляем фактическое напряжение в стержне:

,

где N - расчётное сжимающее усилие в стержне; - расчётное сопротивление по пределу текучести выбранной марки стали; - коэффициент условий работы; A - площадь поперечного сечения.

Подбор сечений, не нагруженных элементов.

г) вычисляем гибкость стержня в плоскости и из плоскости фермы. Наибольшая из этих гибкостей не должна превышать предельную гибкость.

Для наглядности подбор сечений будем производить в табличной форме.

Окончательный выбор сечений элементов фермы. Определив расчётом необходимые сечения всех стержней фермы, необходимо проследить, чтобы число различных сечений не превышало 4-5, так как большое количество сечений на практике усложняет заказ металла и возможности его постановки.

Чтобы этого не произошло, то на практике применяют унификацию сечений - близкие по площади сечения принимают одинаковыми по большему сечению. Сечения для верхнего и нижнего пояса принимают одинаковыми (для верхнего своё и для нижнего своё).

Таким образом, окончательные сечения стержней:

200x125x10 - стержни номер 2,3,4,5,6,7,12.

125x80x12 - стержни номер 9,10,11.

100x7 - стержни номер 13,15,17,18,19.

63x5 - стержни номер 1,8,14,16.

3.5 Расчёт и конструирование узлов фермы

По расположению на ферме, конструкции и характеру работы узлы условно делят на опорные (1,2), промежуточные (3,4,5,6,7,9,10,11), укрупнительные(8,9). Расположение узлов изображено на рис.3.3.

Стержни фермы из парных уголков соединяются между собой в узлах фасонками. Плановые размеры и конфигурация фасонок определяется в процессе конструирования каждого из узлов. Толщина фасонок во всех узлах фермы принимают одинаковой и назначают в зависимости от усилия в опорном раскосе (толщина фасонки - 14мм). Сварной габарит назначаем по толщине фасонки (сварной габарит - 65мм).

3.5.1 Промежуточные узлы

Конструирование промежуточных узлов будем вести одновременно с вычерчиванием.

Узел 11.

Схематично узел изображён на рис.3.4.

Рис.3.4.Узел 11.

Стержень 13.

+1=+1= 29.28+1=30см,

где N - нагрузка в элементе; - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение усилий по обушку; - коэффициент глубины проплавления по металлу шва; - катет углового шва; - расчётное сопротивление шва срезу; - коэффициент условий работы конструкции.

Длина шва по перу:

+1=+1= 12.55+1=13см,

где - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение усилий по перу.

Стержень 14.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 5.90+1=6см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 2.53+1=3см.

Стержень 15.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 17.77+1=18см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 7.62+1=8см.

Проверка поясного сварного шва.

,

каркас здание промышленный

где - равнодействующая усилий в стержне.

,

,

.

Узел 10.

Схематично узел изображён на рис.3.5.

Стержень 16.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 6.99+1=7см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 2.99+1=3см.

Стержень 17.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 5.90+1=6см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 2.53+1=3см.

Стержень 18.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 0.96+1=1см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 0.41+1=1см.

Проверка поясного сварного шва.

где - равнодействующая усилий в стержне.

,

,

.

Узел 3.

Стержень 12.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 26.69+1=27см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 17.80+1=18см,

Стержень 13.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 29.28+1=30см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 12.55+1=13см,

Проверка поясного сварного шва.

Утопленный шов по обушку:

где - изгибающий момент;- равнодействующая усилий в стержне,

,

,

.

Узел 4.

Схематично узел изображён на рис.3.7.

Стержень 14.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 5.90+1=6см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 2.53+1=3см.

Проверка поясного сварного шва.

где - усилие в стержне,

=432-10=430мм.

.

Узел 5.

Схематично узел изображён на рис.3.8.

Рис.3.8. Узел 5.

Стержень 15.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 17.77+1=18см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 7.62+1=8см.

Стержень 16.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 6.99+1=7см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 2.99+1=3см.

Проверка поясного сварного шва.

Утопленный шов по обушку:

где - изгибающий момент;- равнодействующая усилий в стержне,

,

,

.

Узел 6.

Стержень 17.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 5.90+1=6см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 2.53+1=3см.

Проверка поясного сварного шва.

где - усилие в стержне,

=470 -10=470мм.

.

Узел 7.

Схематично узел изображён на рис.3.9.

Стержень 18.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 0.96+1=1см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 0.41+1=1см.

Стержень 19.

Длина шва по обушку:

+1=+1= 8.78+1=9см,

Длина шва по перу:

+1=+1= 3.76+1=4см,

Проверка поясного сварного шва.

Утопленный шов по обушку:

где - изгибающий момент;- равнодействующая усилий в стержне,

,

,

.

3.5.2 Опорные узлы

В нашем курсовом проекте сопряжение ригеля с колонной шарнирное. Шарнирное сопряжение достигается такой конструкцией узлов, при которой нижний опорный узел допускает некоторый поворот относительно поверхности опирания, а верхний допускает свободное линейное смещение узла фермы относительно колонны. Мы будем использовать вариант шарнирного опирания на опорный столик.

Узел 2.