Каркас одноэтажного промышленного здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

69

1. Определение основных размеров поперечной рамы каркаса

На основании исходных данных, указанных в задании на выполнение курсового проекта, используя основные положения по унификации объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий [4], а также литературы по металлическим конструкциям [3], [5], [6] принимаем конструктивные решения по выбору несущих и ограждающих конструкций, и производим привязку их к разбивочным осям здания.

а) Принимаем привязку а0 наружной грани колонны к разбивочной оси. Привязка к разбивочным осям унифицирована и может быть нулевой (а0 = 0), равной 250 мм либо 500 мм. Нулевую привязку принимают в зданиях без мостовых кранов, а также в невысоких зданиях при шаге колонн В = 6м, оборудованных кранами грузоподъемностью не более 30 т.

Привязкуа0 = 500 мм принимают для относительно высоких зданий с кранами грузоподъемностью 100 т и более, а также, если в верхней части колонны устраивают проемы для прохода. В остальных случаях а0 = 250 мм.

Принимаем привязку а0 = 250 мм.

б) Определение вертикальных габаритов поперечной рамы

В курсовом проекте эти размеры устанавливаются на основании указанного в задании расстояния от уровня пола до верха головки кранового рельса H1, а также размера H2 (от головки кранового рельса до низа несущей конструкции покрытия - стропильной фермы), определенного в соответствии с высотой мостового крана - Hcr :

Окончательно размер H2 принимается кратным 200 мм.

Принимаем H2 = 2800 мм высоту от головки кранового рельса до низа несущей конструкции покрытия.

Определяем полную высоту цеха H0 - расстояние от пола цеха до низа несущей конструкции покрытия у колонны:

Принимаем полную высоту

,

,

Размер H0 в соответствии с требованиями унификации [4] и стандартов ограждающих конструкций (стеновых панелей) принимается кратным 1,2 м либо 1,8 м (H0?10,8 м - кратность 1,2 м; H0>10,8м - кратность1,8 м). Если в этом случае приходится несколько увеличить высоту цеха, то это следует сделать за счет увеличения размера H1 - отметки головки кранового рельса, т.е. рабочей высоты подъема грузов краном. Если это увеличение получается больше 1 м, то высоту H0 цеха разрешается принимать кратной 0,6 м.

Принимаем полную высоту цеха H0 = 14400 мм.

Длина верхней части колонны Hв. Этот размер определяется расстоянием от низа подкрановой балки до низа фермы:

Принимаем длину верхней части колонны Hв = 3720 мм.

Длина нижней части колонны Hн определяется расстоянием от низа базы колонны до низа подкрановой балки:

,

Принимаем длину нижней части колонны Hн = 11680 мм.

а) Высота hв сечения верхней части колонны определяется из условия обеспечения необходимой жесткости колонны и должна быть равной не менее Высоту сечения верхней части колонны принимают равной 450 или 700 мм. В каркасах с режимом работы с режимом работы кранов 7К и 8К в стенках верхних частей колонн устраивают проходы шириной не менее 400 мм и высотой 2000 мм. Высота сечения верхней части колонн этом случае получается не менее hв=1000 мм. Если число получилось меньше 450 мм, hв принимаем равным 450 мм, если больше, hв принимаем равным 700 мм.

,

Принимаем высоту сечения верхней части колонны hв = 450 мм.

б) Высота hн сечения нижней части колонны- назначается в зависимости от грузоподъемности крана и высоты цеха не менее и равна:

Принимаем высоту сечения нижней части колонны hн = 1000 мм.

Расчет поперечной рамы каркаса промышленного здания состоит из следующих этапов:

1. составление расчетной схемы;

2. определение нагрузок, действующих на раму, и статический расчет рамы - определение усилий в элементах рамы (колоннах и ригеле) от действующих нагрузок;

3. определение расчетных усилий в колонне рамы в соответствии с возможными сочетаниями действующих нагрузок;

4. расчет колонны рамы;

5. расчет решетчатого ригеля рамы, т.е. стропильной фермы.



2. Определение нагрузок, действующих на раму

На поперечную раму цеха действуют:

· постоянные нагрузки: собственный вес кровли и конструкций покрытия, вес колонн и подкрановых балок, вес стеновых панелей при их опирании на колонны;

· переменные кратковременные: технологические (от мостовых или подвесных кранов);

переменные кратковременные: атмосферные (воздействия снега, ветра).

а) Постоянная нагрузка

Нагрузку от собственного веса кровли и конструкции покрытия обычно принимают равномерно распределенной по длине ригеля. Для этого определяют величину нагрузки на 1 м2 покрытия, ее удобно вычислять в табличной форме.

Как правило, применяют два вида несущих конструкций покрытия: беспрогонные в виде ребристых железобетонных панелей, либо из листов профнастила по прогонам из прокатных профилей.

Таблица 1.3. Пример определения нагрузки одного из видов покрытия

Нагрузка	Характеристи-ческая нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Предельная расчетная нагрузка, кН/м2
1. Еврорубероид 2. Асфальтовая стяжка (t= 30мм, с=21кН/м3) 3. Утеплитель (h=120 мм, с=0,7кН/м3) 4. Пароизоляция из одного слоя рубероида 5. ЖБ 6. h=100 с=25 кН/м3 7. Собственный вес ме-таллоконструкций шатра (стропильных ферм, фонарей и связей)	0,05 0,63 0,084 0,05 2,5 0,49	1,2 1,3 1,2 1,2 1,1 1,05	0,06 0,82 0,101 0,06 2,75 0,51
Итого:
Всего, с учетом коэффи-циента надежности по назначению

Расчетная нагрузка на единицу длины ригеля будет равна:

б) Снеговая нагрузка

Величина снеговой нагрузки определяется по нормам [2] (определяется студентом самостоятельно) в зависимости от района строительства здания, указанного в задании. В курсовом проекте необходимо запроектировать однопролетное здание с ровной скатной крышей. Снеговая нагрузка на таком покрытии распределяется равномерно. При наличии конструкций светоаэрационного фонаря снеговая нагрузка на покрытии распределяется неравномерно.

Предельное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия (конструкции) вычисляется по формуле:

в) Ветровая нагрузка

При расчете рамы рассматривают раздельно ветровую нагрузку на колонны рамы и на ригель рамы.

1) Ветровая нагрузка на колонны рамы передается панелями стенового ограждениями, как равномерно распределенная.

Предельное расчетное значение равномерно распределенной ветровой нагрузки на колонну рамы определяется по формуле:

,

,

,



Типы местности, что окружают здание или сооружение, определяются для каждого расчетного направления ветра отдельно:

I - открытые поверхности морей, озер, а также плоские равнины без преград, которые подаются действию ветра на участках длинной не менее, чем 3 км;

II - сельская местность с ограждениями (заборами), небольшими сооружениями, домами и деревьями;

III - пригородные и промышленные зоны, лесные массивы;

IV - городские территории, на которых хотя бы 15 % поверхности заняты зданиями, которые имеют среднюю высоту более 15 м.

2) Ветровая нагрузка на шатер каркаса

Ветровая нагрузка, расположенная выше нижнего пояса стропильных ферм приводится к сосредоточенной силе , условно приложенной к нижнему поясу фермы, определяется по следующей формуле:

,

,

г) Крановые нагрузки

При движении мостового крана его колеса передают крановому рельсу вертикальное давление Fm (которое зависит от собственного веса крана, веса груза на крюке крана и положения тележки на крановом мосту) и горизонтальные силы Нm, направленные поперек кранового пути (они возникают из-за торможения тележки, перекосов крана, распирающего воздействия колес при движении по рельсам и др.).

Нагрузка на колонны определяется от двух кранов, сблизившихся вплотную. Ее можно определить по линии влияния опорных реакций подкрановых балок при найневыгоднейшем расположении кранов на подкрановых балках (когда два крана сблизились вплотную, а колесо одного из них находится над осью колонны) при максимальном значении суммы ординат «y» линии влияния.

При этом определяют вертикальные максимальное давление Dmax и минимальное давление колес на колонну, а также горизонтальную поперечную нагрузку от боковой силы крана.

Расчетные предельные значения нагрузок на колонну от мостовых кранов:

а) максимальное давления крана Dmax:

в) горизонтальная поперечная нагрузка Hm от боковой силы крана:

Горизонтальная поперечная нагрузка Hm включает в себя боковые силы Hk и Hс приложенные к соответствующим колесам крана.

Боковые силы Hk приложены только к двум колесам с одной стороны или по диагонали и всегда направлены в разные стороны, к двум другим колесам приложены силы Hс, всегда направленные в одну сторону - внутрь или наружу пролета .

Горизонтальная нагрузка на колонну определяется для каждой стороны пролета по той же линии влияния, что и вертикальная нагрузка, но с учетом воздействия только одного крана.

Для расчета поперечной рамы следует выбрать из возможных схем приложения боковых сил Hk и Hс наиболее невыгодную схему загрузки линии влияния.

2.1 Варианты приложения боковых сил для четырехколесных кранов

Для приведенной схемы предельная расчетная горизонтальная нагрузка на колонну от боковых сил равна:

- на левую колонну

,

- на правую колонну

,

В курсовом проекте в целях упрощения расчетов допускается рассмотреть одну составляющую расчетного горизонтального давления на колонну от сил поперечного торможения

Составление расчетной схемы и статический расчет рамы

При составлении расчетной схемы рамы необходимо установить расчетные размеры рамы, определить жесткости колонн и ригеля, тип соединения колонн с ригелем и фундаментом (жесткое или шарнирное).

Статический расчет каркаса промышленного здания заключается в определении внутренних усилий (M, Q, N), возникающих в его элементах под действием предельных расчетных нагрузок.

Точный расчет поперечной рамы известными методами строительной механики с учетом упругих деформаций всех стержней решетчатого ригеля и колонн требует большого объема вычислений. Поэтому в практике проектирования вводятся некоторые допущения, существенно упрощающие расчет и незначительно влияющие на величины определяемых усилий.

Такими допущениями являются:

- решетчатый ригель заменяют условным сплошным эквивалентной жесткости, ось которого совмещается с осью нижнего пояса фермы;

- нижнюю часть колонн сквозного сечения заменяют условным сплошным стержнем эквивалентной жесткости;

- расчетный пролет рамы принимают равным расстоянию между разбивочными осями;

- раму принимают бесшарнирной с жестким сопряжением колонн с ригелем и фундаментами.

Статический расчет рамы можно выполнить любым из известных методов строительной механики, - аналитическим методом сил или перемещений.

Расчетными загружениями рамы являются:

1. Постоянная нагрузка от собственного веса покрытия, распределённая по всему ригелю интенсивностью qm,ригель (нагрузка от массы колонн, подкрановых балок и стенового заполнения, учитывается непосредственно при построении эпюр N);

2. Снеговая нагрузка, равномерно распределенная по ригелю интенсивностью Sm;

3. Вертикальное давление кранов, передающееся через подкрановые балки, Dmax - на левой колонне и Dmin - на правой колонне;

4. Вертикальное давление кранов, передающееся через подкрановые балки, Dmin - на левой колонне и Dmax - на правой колонне;

5. Горизонтальная поперечная нагрузка от боковой силы крана, - сила Hm приложена к левой колонне, с права на лево;

6. Горизонтальная поперечная нагрузка от боковой силы крана, - сила Hm приложена к правой колонне, слева направо;

7. Ветровая нагрузка Wm,экв на колонны и Wm,шатра - на шатер, действующие слева направо;

8. Ветровая нагрузка Wm,экв на колонны и Wm,шатра - на шатер, действующие с права на лево.

По результатам статического расчета рамы необходимо построить эпюры изгибающих моментов М и нормальных усилий N .

Примечание: при построении эпюр нормальных усилий « N » в колоннах от постоянных нагрузок необходимо учитывать также массу участков колонны (стенового заполнения при навесных стеновых панелях) и подкрановых балок.

Массу участков колонны можно ориентировочно определить так:

- для верхнего участка колонны

- для нижнего участка колонны

,

Масса стенового ограждения передается на колонны через крепления - столики на колоннах, по ярусам в виде сосредоточенных сил. Эксцентриситет приложения сил от стенового ограждения на колонны условно не учитывается.

Массу подкрановой балки с учетом тормозной балки можно ориентировочно определить по формуле:

Для выполнения статического расчета рам в ОГАСА, на кафедре Металлических, деревянных и пластмассовых конструкций разработана программа с минимальным объемом исходных данных, удобная для использования в учебном проектировании.



3. Статический расчет рамы поперечника здания

Большая трудоемкость статического расчета рамы поперечника здания и необходимость больше времени уделить конструктивной разработке, целесообразно статический расчет рамы выполнить с помощью программы.

Поперечная рама рассматриваемого стального каркаса одноэтажного однопролетного промышленного здания является системой трижды статически неопределимой.

Расчет рамы выполняется по программе РАМА-М, разработанная на кафедре Металлических, деревянных и пластмассовых конструкций.

Алгоритм расчета, реализованный в программе, основан на классическом методе строительной механики - методе сил. Исходными данными расчета являются геометрические характеристики рамы (длины ее элементов, сечений колонн), а также значения действующих на раму нагрузок и расчетное сопротивление стали.

В результате расчета печатается следующая информация: исходные данные, введенные для расчета рамы , значения изгибающих моментов в восьми сечениях рамы от восьми видов загружений рамы, значения вертикальных « V » и горизонтальных, « H » опорных реакций, а также принятые для расчета рамы значения моментов инерции верхней и нижней частей колонны и ригеля рамы.

По данным результатов статического расчета рамы следует построить эпюры изгибающих моментов и продольных сил от восьми видов загружения рамы.

Исходные данные для статического расчета рамы

№ п.п.	Наименование величины	Обозначение	Ед. изм.	Величина
1.	Пролет рамы		м	30
2.	Длина подкрановой части колонны		м	11,68
3.	Длина надкрановой части колонны		м	3,82
4.	Высота сечения подкрановой части колонны		м	1
5.	Высота сечения надкрановой части колонны		м	0,45
6.	Постоянная нагрузка на ригель		кН/м	32,7625
7.	Снеговая нагрузка на ригель		кН/м	11,17
8.	Максимальное давление кранов на колонну		кН	360,
9.	Минимальное давление кранов на колонну		кН	97,4
10.	Горизонтальная поперечная нагрузка		кН	41,22
11.	Ветровая равномерно распределенная нагрузка		кН/м	11,7
12.	Ветровая сосредоточенная нагрузка		кН	15,5
13.	Расчетное сопротивление материала конструкции		МПа	240

3.1 Определение расчетных усилий в колонне рамы

Одноступенчатые колонны рамы состоят из двух частей: надкрановой и подкрановой. Так как наибольшие усилия M и N от различных загружений рамы возникают по концам указанных частей колонн, определение расчетных усилий производят:

Определять расчетные усилия в сечениях колонн удобнее в табличной форме . Для этого из эпюр усилий, полученных из статического расчета, выписываем в таблицу 1.10 значения усилий M и N по указанным четырем сечениям для одной из колонн рамы.

Для примера таблица 1.10 усилий в левой колонне рамы заполнена данными статического расчета.

Все усилия в таблице 1.10 записываются с двумя коэффициентами сочетаний нагрузок: и , которые используются при определении суммарных усилий от различных сочетаний нагрузок на раму (правая часть таблицы 1.10.

В загружениях рамы боковой силой Н кранов в каждом виде загружения возможны два варианта действия силы Н, - слева направо или справа налево. Это обстоятельство отражено в таблице 1.10 знаками « ± » при значениях усилия. Таким образом, мы получаем вместо восьми - десять видов загружения рамы, которые и следует рассматривать при составлении правой части таблицы 1.11, 1.12 - определении возможных наиболее невыгодных сочетаний силовых воздействий на раму и возникающих при этом суммарных усилий M и N в сечениях колонны.

Рассматриваются два варианта основных сочетаний нагрузок на раму:

1. Постоянная нагрузка всегда с коэффициентом сочетаний от собственного веса конструкций и одна из переменных нагрузок, та нагрузка, которая даёт наибольшие суммарные усилия в рассматриваемых сечениях колонны.

2. Постоянная нагрузка и две или более переменные нагрузки. Переменные нагрузки при этом принимаются с коэффициентом сочетаний , который учитывает вероятность одновременного их действия при максимальных значениях.

В каждом сочетании нагрузок на раму рассматривается по четыре комбинации суммарных усилий в сечениях колонны:

При определении суммарных усилий в сечениях колонны при различных сочетаниях нагрузок следует руководствоваться следующими правилами:

1. Усилия в раме от постоянных нагрузок должны учитываться всегда независимо от знака плюс или минус.

2. Усилия от боковой силы Н кранов, которые для каждого сечения могут иметь значение со знаком «+» или со знаком «-» (табл. 1.10, загружения № 5 и № 6), должны приниматься только при одновременном учете одного из усилий вертикального давления D кранов ( и ) (табл. 1.9, загружение № 3 или № 4), так как при отсутствии вертикального давления кранов не может быть и боковой силы и наоборот.

3. Для удобства вычислений и контроля правильности определения суммы усилий для каждой расчетной комбинации и для каждого сечения колонны рекомендуется (правая часть) вписывать все суммируемые значения усилий и указывать при них номера принятых.

В результате заполнения правой части таблицы 1.10 для каждого сечения колонны получаем по шесть или восемь комбинаций усилий M и N. Так как подбор сечений колонны производится раздельно для ее надкрановой и подкрановой частей, то для этих частей колонны необходимо определить невыгодные (наибольшие) значения сочетаний усилий M и N, которые и будут расчетными для подбора необходимого сечения колонны для надкрановой и подкрановой ее частей.

Расчетной комбинацией усилий является такая, которая вызывает наибольшее усилие в ветви (поясе) колонны - внутренней или наружной.

Обычным сравнением величин M и N довольно трудно установить, какая из шестнадцати комбинаций усилий для каждой части колонны является самой невыгодной. Поэтому рекомендуется прием, основанный на разложении суммарных усилий - M и N по ветвям колонны делением продольной силы пополам (N/2), в предположении, что центр тяжести сечения находится посередине, а момента - на расстояние между ветвями колонны, т.е. на высоту сечения колонны (M/h).

Просуммировав найденные таким путем усилия в ветвях колонны от продольных сил и изгибающих моментов, легко установить, какая комбинация усилий дает наибольшее суммарное усилие в ветвях (поясах) колонны, а следовательно, и является расчетной для подбора необходимого сечения колонны.

При разложении усилий M и N по ветвям колонны необходимо правильно ориентировать направлении пары сил от изгибающих моментов. Следует учитывать, что положительные изгибающие моменты вызывают сжатие в наружной ветви колонны и растяжение в подкрановой ветви, а отрицательные изгибающие моменты наоборот: сжатие в подкрановой и растяжение в наружной. Продольные силы - вызывают сжатие в обеих ветвях колонны.

для верхней части колонны: M=-594,09кНм

(сечение 4-4) N= -579,33кН

для нижней части колонны:

наружная ветвь: M=+1403,5кНм, N= -575,37кН

подкрановая ветвь: M= -1403,5кНм, N=-574,74кН

Расчет колонны

Подбор сечения колонны производим по расчетным усилиям M и N, полученным из статического расчета рамы. При этом предварительно определяем расчетные длины участков колонны в плоскости и из плоскости рамы в зависимости от принятой конструктивной схемы каркаса здания.

Расчет колонны рамы выполняется в такой последовательности:



4. Определение расчетных длин подкрановой и надкрановой частей колонны

Устойчивость сжато-изогнутого стержня колонны рамы зависит от соотношения погонных жесткостей и усилий, от геометрических длин надкрановой и подкрановой частей колонны и условий закреплений ее концов, которые учитываются при определении расчетных длин стержня колонны коэффициентами и .

Коэффициент расчетной длины нижнего участка колонны для принятой расчетной схемы рамы в зависимости от двух параметров «» и «», которые определяются по следующим формулам:

Коэффициент расчетной длины для верхнего участка колонны определяется из соотношения:

При > 3, то принимаем

Таким образом, расчетные длины надкранового и подкранового участков колонны в плоскости рамы (в плоскости действия расчетных изгибающих моментов) будут соответственно равны:

Расчетные длины участков колонны из плоскости рамы принимаются равными геометрическим расстояниям между закреплениями этих участков колонны от их смещения из плоскости рамы. Для рассматриваемого нами случая расчетные длины колонны из плоскости рамы для нижнего и верхнего участков соответственно равны:

Подбор сечения верхней части колонны

Подбор сечения верхней части колонны производится в такой последовательности:

а) определение требуемой площади сечения;

б) компоновка сечения из составного двутавра и определение его геометрических характеристик;

в) проверка устойчивости верхней части колонны в плоскости рамы;

г) проверка устойчивости верхней части колонны из плоскости рамы.

а) Определение требуемой площади поперечного сечения

Требуемую площадь ориентировочно определяем по формуле:

Для дальнейших расчетов следует выписать из табл. 6 или 7 Приложения размеры элементов принятого сечения и его основные геометрические характеристики: , , , , .

б) Компоновка поперечного сечения колонны

При компоновке размеров поперечной рамы каркаса сечение верхней части колонны принимается из сварного двутавра, составленного из трех листов. Для определения размеров листов сечения сварного двутавра можно использовать приведенные в Приложении МУ сечения составных двутавров с номинальной высотой и . Тогда процесс компоновки сечения колонны может быть сведен к подбору в таблице Приложения 6 или 7 двутавра с площадью сечения ближайшей большей требуемой по формуле (2.9), и с радиусами инерции и сечения, не меньшими, чем вычисленными по формулам:

,

,



в) Проверка устойчивости верхней части колонны в плоскости рамы

Расчет на устойчивость внецентренно сжатых элементов постоянного по длине сечения в плоскости действия момента, совпадающего с плоскостью симметрии следует выполнять по формуле:

Коэффициент определяют в зависимости от значений условной гибкости и приведенного относительного эксцентриситета , который вычисляется по формуле:

,

,

,

,

,

Для , принимаем, интерполируя,.

,

Условие выполняется.

г) Проверка устойчивости колонны из плоскости рамы

Проверка устойчивости внецентренно сжатых колонн из плоскости действия момента выполняется по формуле :

,

,

,

,

Коэффициент с определяется в зависимости от относительного эксцентриситета mx:

,

Значение в средней трети длины колонны, можно определить по формулам:

,

,

,

,

,

д) Проверка местной устойчивости элементов сечения колонны

Местную устойчивость стенок внецентренно сжатых колонн следует считать обеспеченной, если значения условной гибкости стенки не превышает значения предельной условной гибкости , вычисленной по формулам таблицы 1.6.3 [1]:

,

Стенки внецентренно сжатых элементов сплошного сечения (колонн, стоек и т.д.) при , как правило, следует укреплять основными поперечными ребрами жесткости согласно с требованиями п.

Стенки центрально-сжатых элементов сплошного сечения (колонн, стоек и т.д.) при значениях условной гибкости стенки , как правило, следует укреплять основными поперечными ребрами жесткости с шагом от до , кроме того, на каждом отправном элементе должно быть не менее чем два ребра жесткости.

Ширина выступающей части ребер должны быть не менее для парного симметричного ребра и не менее для двустороннего ребра, толщина ребра не менее

.

,

,

Местную устойчивость сжатых поясных листов (полок) внецентренно сжатых стержней

,

следует считать обеспеченной, если значение условной гибкости свеса полки не превышает соответствующих значений предельной гибкости , вычисленных по формуле .

,

,

,

Местная устойчивость элементов сечения колонны обеспечена.Необходимо установить ребра жесткости с шагом от .

4.1 Подбор сечения нижней части колонны

Нижняя часть колонны может выполняться сплошного или сквозного сечения. При высоте сечения колонны ее обычно выполняют сплошного сечения, которое может быть либо симметричного вида - из составного двутавра, составленного из трех листов, либо несимметричного вида - рис. 1.6. Расчет нижней части колонны сплошного сечения производится аналогично приведенному выше для верхней части колонны.

Колонна сквозного сечения

При высоте сечения колонны ее выполняют сквозного сечения, состоящей из двух ветвей, связанных между собой решеткой.

На рис. 2.3 показан один из вариантов поперечного сечения внецентренно нагруженной колонны. Подкрановую ветвь колонны проектируют из прокатного двутавра. Наружную ветвь для удобства примыкания стеновых панелей компонуют из составного швеллера, (из двух равнобоких уголков и листа), либо выполняют из прокатного двутавра с параллельными гранями полок (по сортаменту ГОСТ 8239-89 или ГОСТ 26020-83).

Колонна сквозного сечения при соединении ветвей с помощью уголковой решетки рассматривается как ферма с параллельными поясами. От действующих в колонне усилий M и N в ее ветвях возникают только продольные силы. Поперечная сила Q в сечениях колонны полностью воспринимается решеткой колонны.

Несущая способность такой колонны может быть исчерпана в результате:

- потери устойчивости какой-либо её ветвью (в плоскости или из плоскости рамы);

- потери устойчивости колонны как единого стержня.

Порядок расчета колонны сквозного сечения:

а) определение расчетных усилий в ветвях колонны;

б) подбор сечения подкрановой ветви колонны и проверка ее устойчивости из плоскости и в плоскости рамы;

в) подбор сечения наружной ветви колонны и проверка ее устойчивости из плоскости и в плоскости рамы;

г) расчет соединительной решетки ветвей колонны;

д) проверка устойчивости колонны как единого стержня в плоскости рамы;

е) проверка соотношений жесткостей (моментов инерции сечений) нижней и верхней частей колонны с полученными в результате статического расчета.

а) конструктивная схема; б) сечение нижней части колонны

а) Определение расчетных усилий в ветвях колонны

Расчетные продольные усилия в наружной и подкрановой ветвях колонны (и) находим из полученных комбинаций усилий M и N в сечениях колонны, для которых значение суммы наибольшим (см. табл.1.11, 1.12).

В приведенном примере такими комбинациями усилий M и N являются:

для нижней части колонны:

наружная ветвь:

M=+1403,5кНм, N= -575,37кН

подкрановая ветвь:

M= -1403,5кНм, N=-574,74кН

- для проверки устойчивости колонны как единого стержня:

M=+1403,5кНм, N= -575,37кН

т. к. эта комбинация усилий дает максимальное значение суммы .

Поскольку сечение колонны несимметричное, необходимо определить положение центра тяжести сечения колонны (рис. 2.3).

,

,

Тогда расчетные значения усилий в ветвях колонны будут равны:

,

,

б) Подбор сечения подкрановой ветви колонны и проверка устойчивости принятого сечения

Подкрановая ветвь колонны принимается из прокатного двутавра и рассчитывается на устойчивость как центрально сжатый стержень сначала из плоскости рамы (относительно оси y-y, рис. 2.3), а затем в плоскости рамы относительно оси .

Определяем ориентировочно требуемую площадь ветви колонны:

,

По требуемой площади поперечного сечения подкрановой ветви колонны подбираем соответствующий номер прокатного двутавра по таблицам 13, 14 Приложения и выписываем характеристики его сечения.

Принимаем двутавр № 55: A = 118см2, Ix = 55962 см4, Iу = 1356 см4, Wx = = 2035 см3, Wу = 151см3, ix = 21,8см, iy = 3,39см.

Определяем гибкость принятого сечения подкрановой ветви колонны из плоскости рамы.

Условная гибкость стержня



,

Определяем тип кривой устойчивости - «b».

Коэффициент устойчивости определяется интерполяцией. Для типа кривой устойчивости «b», интерполируя.

Предельно допустимая гибкость

Проверяем устойчивость подкрановой ветви колонны из плоскости рамы:

Устойчивость нижней части колонны зависит от назначаемого расстояния lв между узлами присоединения элементов соединительной решетки к ветвям колонны. Тогда гибкость подкрановой ветви в плоскости рамы:

Условная гибкость стержня.

,

Коэффициент устойчивости определяется интерполяцией. Для типа кривой устойчивости «b», интерполируя .

Предельно допустимая гибкость

,



,

Проверяем устойчивость подкрановой ветви колонны в плоскости рамы:

Проверки выполняются, однако сечение подобрано неэффективно - с запасом 35,3% прочности.

в) Подбор сечения наружной ветви колонны

Наружная ветвь колонны, как и подкрановая, рассчитывается как центрально сжатый стержень.

Определяем ориентировочно требуемую площадь сечения ветви колонны.

Наружная ветвь колонны принимается по сортаменту колонных двутавров с высотой сечения, равной принятому для подкрановой ветви. Порядок подбора сечения в этом случае аналогичен, как и для подкрановой ветви.

Наружную ветвь колонны компонуем обычно из составного швеллера.

Компонуем сечение наружной ветви колонны из листа и двух равнополочных уголков при условии, что их общая площадь сечения больше либо равна требуемой, определенной по формуле 2.37.

Ширина листа bл принимается на 50 мм меньше высоты сечения двутавра подкрановой ветви.

,

Толщина листа tл принимается в пределах tл = (10…20) мм. Размеры листа подбирают так, чтобы площадь его сечения составила 50…60% требуемой площади ветви колонны. Для остальной части 40…50% требуемой площади сечения по сортаменту принимают два равнополочных уголка с возможно большей шириной полок (при минимальной их толщине). Выписываем из сортамента характеристики их сечения: площадь сечения - Ауг, момент инерции Jx и расстояние от обушка уголка до его центра тяжести .

Принимаем лист с размерами сечения:

,

Определяем требуемую площадь поперечного сечения уголков:

,

Принимаем два равнополочных уголка 125х16: Aуг = 37,8см2, Ix = 539 см4, = 3,68 см.

Определяем скомпонованную площадь сечения наружной ветви колонны:

Уточняем привязку оси (рис. 2.5) наружной ветви колонны к её наружной грани:

Определяем моменты инерции сечения наружной ветви колонны относительно осей y и :

Вычисляем радиусы инерции ветви колонны:

Определяем гибкости ветви колонны:

Проверяем устойчивость наружной ветви колонны:

- из плоскости рамы

Коэффициент устойчивости определяется интерполяцией . Для и типа кривой устойчивости «c» принимаем, интерполируя,.

- в плоскости рамы

Коэффициент устойчивости определяется интерполяцией. Для типа кривой устойчивости «c» принимаем, интерполируя.

г) Расчет соединительной решетки ветвей колонны

Раскосы соединительной решетки воспринимают поперечную силу значение которой определяется в сечении 1-1 колонны. Для этого выбираем комбинацию нагрузок, при которой поперечная сила в колонне будет максимальной.

Такая комбинация нагрузок обычно состоит из постоянной нагрузки и четырех переменных (снеговой, ветровой, а также вертикальной и боковой крановых).

Расчет элементов соединительной решетки стержней составного сечения необходимо выполнить, как для элементов плоских ферм.

Условная поперечная сила, приходящаяся на одну плоскость решетки:

Так как подбор элементов решетки выполняем по

Для решетки усилия в раскосе определяется по формуле:

Находим требуемую площадь сечения раскоса:

Исходя из требуемой площади раскоса, принимаем его сечение из равнополочного уголка. Из сортамента выписываем его площадь сечения и радиус инерции (относительно оси в сортаменте уголка).

Принимаем равнополочный уголок 75х7: Ad = 10,1см2, iy0 = 2,14см.

Определяем расчетную длину раскоса, гибкость раскоса и условную гибкость раскоса:

Коэффициент устойчивости определяется интерполяцией. Для и типа кривой устойчивости «c» принимаем, интерполируя,.

Производим проверку устойчивости раскоса:

Проверка выполняется.

Стойки соединительной решетки рассчитываем на условную поперечную силу .

Определяем требуемый радиус инерции сечения стойки:

По значению требуемого радиуса инерции из сортамента выбираем равнобокий уголок при условии, что радиус инерции уголка

,

Принимаем равнополочный уголок № 50х5: А = 4,8см; iy0 = 0,98см.

Проверка выполняется.

д) Проверка устойчивости нижней части колонны как единого стержня в плоскости рамы

Определение геометрических характеристик всего сечения колонны (рис. 2.3):

- площадь всего сечения колонны

- момент инерции сечения колонны относительно оси :

Момент инерции равняется моменту инерции подкрановой ветви

- радиус инерции сечения колонны

,

,

,

Находим гибкость стержня колонны относительно свободной оси Х-Х:

Тогда приведенная гибкость стержня колонны с учетом податливости решетки по таблице 18 Приложения (табл. 1.4.2., [1]):



Определяем условную приведенную гибкость колонны:

,

Вычисляем относительный эксцентриситет для комбинации усилий, вызывающих наибольшее сжатие в одной из ветвей колонны. Обычно наиболее сжатой ветвью является наружная ветвь колонны. По этой комбинации усилий Mн и Nн производим определение относительного эксцентриситета mx и проверку устойчивости сечения колонны в целом.

Относительный эксцентриситет для наружной ветви колонны находим по формуле:

,

,

Затем производим проверку устойчивости колонны как единого стержня в плоскости рамы:

Условие устойчивости колонны как единого сжатого стержня в плоскости рамы выполнено.

д) Проверка соотношения жесткостей (моментов инерции сечений) нижней и верхней частей колонны



,

,

Расхождение значений и составляет:

,

Проверка соотношений жесткостей нижней и верхней частей колонны выполнена.

4.2 Расчет и конструирование базы колонны

База колонны - нижняя часть колонны, передающая нагрузку от стержня колонны на фундамент, имеет в своем составе такие основные элементы: опорную плиту, траверсы, ребра жесткости и анкерные болты.

Размеры элементов базы колонны определяются расчетом по максимальным усилиям в сечении 1-1 колонны. Конструктивное решение базы зависит от типа сечения колонны и должно обеспечивать удобство выполнения сварных швов, соединяющих ее элементы.

При проектировании базы необходимо предварительно задаться способом установки колонн на фундаменты. Широко распространен монтаж колонн на заранее установленные опорные плиты базы колонны (безвыверочный метод монтажа), при котором опорные плиты с верхней фрезерованной поверхностью устанавливаются на фундамент заранее и с большой точностью. Ветви колонны имеют фрезерованные торцы, а колонну собирают в кондукторе, обеспечивающем точное совмещение опорных плоскостей обеих ветвей колонны.

а) Определение максимальных усилий в ветвях колонны в сечении 1-1

Комбинации нагрузок, которые дают наибольшие усилия в ветвях колонны в сечении 1-1.

Наибольшее усилие в наружной ветви колонны возникает при совместном действии нагрузок, которые вызывает в сечении 1-1 положительный изгибающий момент (+M, догружающий наружную ветвь), а в подкрановой ветви колонны - при комбинации нагрузок, вызывающий отрицательный изгибающий момент (-M, догружающий подкрановую ветвь).

Для приведенного примера такими комбинациями усилий являются:

наружная ветвь: M=+1403,52кНм, N=- 575,37кН

подкрановая ветвь: M=-1403,52кНм, N=- 574,74кН Максимальные усилия в ветвях колонны можно определить по следующим формулам:

,

,

Примечания:

1. Значения изгибающих моментов и продольных сил в формулы подставлять со знаком «+»;

2. Значения и принимаются по уточненным данным.

б) Определение размеров опорных плит ветвей колонны

Требуемая площадь опирания плиты на железобетонный фундамент:

- для наружной ветви колонны

- для подкрановой ветви

Здесь - расчетное сопротивление бетона фундамента смятию, принимается в пределах (0,5...0,9) кН/см2.

- усилия в ветвях колонн в кН.

Компоновка размеров длины и ширины опорных плит ветвей. Ширину опорных плит для обеих ветвей колонны принимают одинаковой и равной высоте двутавра подкрановой ветви колонны плюс два свеса «» по (50...80) мм.

Принимаем = 80 мм.

Длина опорных плит ветвей колонн определяется, исходя из требуемой площади: каркас колонна решетка сечение

- для наружной ветви

,

- для подкрановой ветви

,

Окончательно размеры и принимаем кратными 20 мм.

Принимаем

=72 см см

Определение толщины опорной плиты базы колонны производится из условия ее работы на изгиб от действия отпора (реактивного давления) фундамента. Для этого необходимо определить максимальные изгибающие моменты на каждом участке опорной плиты (номера участков на рис. 2.6 обозначены цифрами в кружках).

Реактивный отпор фундамента под опорной плитой, являющийся одновременно нагрузкой на опорную плиту, равномерно распределен по всей поверхности плиты на ее контакте с бетоном фундамента и равен:

,



Изгибающие моменты на участках опорной плиты:

Участки 1 и 2.

Опорная плита на этих участках работает как консольная балка. При ширине такой условной балки 1 см

- по формуле 2.44; tтр ~ 16 мм.

,

,

Участок 3.

На этом участке опорная плита опирается на 4 стороны. Изгибающий момент определяется по формуле:

,

,

Принимаем

,

По наибольшему из полученных изгибающих моментов определяем толщину опорной плиты по формуле:

,



Окончательно размер принимаем кратным 2 мм.

Принимаем

в) Расчет и конструирование траверс

Траверса работает на изгиб от реактивного отпора фундамента. При соблюдении приведенных ранее рекомендаций определения размера, напряжения в траверсе от изгиба обычно невелики, поэтому размеры траверс назначаются конструктивно.

Учитывая то, что заглубление базы сквозной колонны от уровня пола рекомендуется принимать равным 600...800 мм, высоту траверсы следует принять равной . Принимаем .

Толщина траверсы принимается конструктивно в пределах (12...16) мм, кратно 2 мм, в зависимости от размера катета углового сварного шва приварки траверс к ветви колонны с учетом условия:

,

Принимаем = 12 мм.

г) Расчет фундаментных болтов

Фундаментные болты воспринимают растягивающие усилия, возникающие в результате действия изгибающих моментов в опорном сечении 1-1 колонны. Устанавливаются анкерные болты по осям ветвей колонны.

Определяем усилие в фундаментных болтах для наиболее растянутой ветви колонны:

Эту комбинацию сочетаний нагрузок следует определить, используя данные загружений колонны в сечении 1-1 колонны (по наибольшему суммарному растягивающему усилию).

Определяем требуемую площадь сечения нетто одного фундаментного болта (по резьбе болта):

,

Рекомендуемые диаметры фундаментных болтов приведены в таблице 26 Приложения.

Принимаем болт d = 36 мм, Ав =7,58 см2.



5. Проектирование стропильной фермы покрытия

Решетчатые конструкции, работающие на изгиб, называются фермами. Фермы состоят из отдельных стержней, соединяющихся в узлах, и образующих геометрически неизменяемую систему. Если ферма в целом работает на изгиб, то во всех ее конструктивных элементах возникают только продольные усилия сжатия или растяжения.

Стальные фермы получили широкое применение: они служат несущими конструкциями покрытий (реже перекрытий) производственных и гражданских зданий, пролетными строениями мостов и эстакад; входят в состав стволов радио и телебашен, мачт, стрел грузоподъемных механизмов и т. д. По расходу металла фермы экономичнее балок, но более трудоемки в изготовлении. Для облегчения проектирования, снижения стоимости и трудоемкости изготовления и монтажа наиболее часто применяемые в строительстве фермы унифицированы. В основу унификации положен единый размер панели верхнего пояса единая высота на опоре для ферм различных пролетов.

Пролеты ферм также подчинены единому модулю - 6000 мм. Для различных типов покрытий разработаны серии типовых проектов ферм, пролетами от 18 до 36 м.

Ферма включает три основных конструктивных элемента - верхний и нижний пояса и решетку, состоящую из раскосов и стоек. Расстояние между узлами поясов фермы называют панелью, а расстояние между ее опорами - пролетом (см. Рис. 3.1).

Расчет и конструирование сварной фермы является частью курсового проекта. В настоящих указаниях рассмотрены вопросы, связанные с выбором типа фермы, ее расчетом и конструированием. Эта часть проекта включает в себя:

1. Выбор типа фермы и схемы решетки.

2. Расчет фермы.

3. Конструктивно-графическую часть - конструктивную разработку отправочной марки фермы на стадии КМД.

Расчетно-конструктивная часть оформляется в виде пояснительной записки с обоснованиями решений, расчетами, выводами и ссылками на используемую литературу.

Графическая часть выполняется на листе формата А2, где должны быть размещены:

а) геометрическая схема отправочной марки фермы в масштабе 1:100 (на схеме необходимо указать величину и знак усилий в каждом стержне).

б) рабочий чертеж отправочной марки фермы - вид сверху, фасад, вид снизу.

в) необходимые разрезы, сечения и узлы в масштабах: длина и высота отправочной марки, размеры панелей - 1:50, 1:40, 1:25; тело элементов фермы - 1:10, 1:15; узлы - 1:10, 1:5, 1:1.

г) спецификация стали на одну отправочную марку фермы и таблица отправочных марок.

д) примечания, в которых необходимо указать марку стали, ГОСТ, способ соединения элементов на заводе-изготовителе и на монтаже; способ сварки, марку электродов или сварочной проволоки, преобладающую высоту сварных швов, тип и диаметр преобладающих болтов и отверстий и др.

5.1 Компоновка конструкций ферм

Выбор типа фермы и схемы решетки

Очертание стропильной фермы зависит от назначения, величины пролетов, состава кровли, типа и размеров фонаря, способа соединения фермы с колоннами.

В настоящее время в производственных и гражданских зданиях применяются фермы покрытий (стропильные фермы) следующих типов:

а) трапецеидальные фермы со слабовспарушеным верхним поясом.

Уклон верхнего пояса принимается от 1/8 до 1/12 пролета фермы. Это очертание фермы хорошо соответствует эпюре изгибающих моментов от основных нагрузок. Развитые по высоте опорные сечения позволяют осуществлять как шарнирное, так и жесткое сопряжение с колоннами. Такие фермы применяются при мягких кровлях.

б) фермы с параллельными поясами

Уклон поясов составляет 1,5%. В последние годы стали широко применяться в производственных зданиях, вытесняя трапецеидальные, благодаря целому ряду преимуществ. Одинаковые длины стержней решетки, одинаковая схема узлов, большая повторяемость деталей - все это способствует высокой индустриализации изготовления. Эти фермы экономичнее трапецеидальных, несмотря на несколько больший расход материала. Благодаря развитому сечению на опоре сопряжение ферм с колоннами может быть как шарнирное, так и жесткое.

в) треугольные

Применяются при металлической и асбестоцементной кровлях; чаще всего в покрытиях неотапливаемых складских помещений. Верхний пояс выполняется с уклоном от 16% до 25%. Опорный узел слабо развит по высоте и допускает только шарнирное опирание на колонны. Такие фермы неэкономичны, так как высота ферм значительно превышает оптимальную, что приводит к увеличению расхода материала, а большое количество разных узлов и элементов увеличивает трудоемкость изготовления.

Решетка ферм работает на поперечную силу и должна соответствовать схеме приложения нагрузок, чтобы избежать возникновения местного изгиба в стержнях поясов. Схема решетки должна решаться таким образом, чтобы длина каждого стержня была минимально возможной, так как от их длины в значительной мере зависит вес фермы.

Углы наклона стержней решетки к поясам должны находиться в пределах 40...50° (углы наклона стержней влияют на их работу и на габариты узловых фасонок). Оптимальный угол наклона раскосов в треугольной решетке - 45°. Опорные раскосы стропильных ферм выполняются, как правило, восходящими, что позволяет организовать жесткое присоединение ферм к колоннам. При шарнирном опирании ферм, опорные раскосы могут быть как нисходящими, так и восходящими.

Шпренгельная решетка применяется при внеузловых нагрузках во избежание появления в элементах верхнего пояса местного изгиба и для уменьшения длин элементов. Следует помнить, что применение шпренгельной решетки значительно увеличивает трудоемкость изготовления и вес фермы. В современных легких стропильных фермах в основном применяется треугольная решетка с дополнительными стойками (и подвесками, в случае приложения сосредоточенных нагрузок в панелях нижнего пояса и для уменьшения длины элементов нижнего пояса в плоскости фермы).

Другие схемы решеток в легких стропильных фермах применяются редко и в настоящих методических указаниях не рассматриваются.

В курсовом проекте следует принимать типовые фермы с параллельными поясами, треугольной решеткой и дополнительными стойками. Опорные раскосы - восходящие.

Определение нагрузок на ферму

Нагрузка, действующая на ферму, обычно приложена к узлам фермы. При действии узловых нагрузок в элементах фермы возникают только осевые усилия растяжения или сжатия. Если нагрузка приложена вне узлов, то в элементе, кроме осевого усилия, возникает изгибающий момент, который также необходимо учитывать при подборе сечения элемента.

Основными нагрузками на стропильную ферму являются: постоянная нагрузка от веса кровли и несущих конструкций покрытия и переменные кратковременные - нагрузка от снега, давление ветра, нагрузки от подвесного транспорта и др. Постоянная нагрузка принимается равномерно распределенной.