Расчет сварной сплошностенчатой подкрановой балки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет сварной сплошностенчатой подкрановой балки

Задание

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

Пролет здания (однопролетное, безфонарное).

Район строительства - город Магнитогорск.

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

Данные по мостовому крану:

Рисунок 1. Схема расположения колес одного крана на подкрановой балке

Таблица 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	28,5	6,3	5,1	345	120	620

Рисунок 2. Схема нагрузок от двух сближенных кранов на подкрановый путь

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.

Сбор нагрузок

вертикальная сила давления колеса

, где

- коэффициент надежности по нагрузке;

- коэффициент надежности по назначению; обычно

- коэффициент сочетаний; для 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

Определение расчетных усилий

Рисунок 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)

.

Рисунок 4. Линия влияния M_x=M_T

Найдем значения по линии влияния в точках приложения сосредоточенной нагрузки от колес крановой тележки (ординаты л.в. М_F):



Расчетные моменты

, где

- для балок пролетом .

Рисунок 5. Схема размещения колес на подкрановой балке для определения и л.в.

Ординаты л.в. :

Расчетные поперечные силы

Подбор сечения подкрановой балки

Определяем W_{X, тр.}. 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 , в этом случае

,

что больше рекомендуемых значений и h_opt нужно корректировать. Если принять t_w = 9 мм, тогда ?_w = 1160/10=116 - что соответствует принятому предвари-тельно ?_w = 125, т.к. .

Принимаем стенку балки предварительно 1160х10; h_w = 1160; t_w = 10; площадь стенки .

Определим требуемые площади всего сечения и поясов при коэффициенте асимметрии

Учитывая воздействие боковых сил сечение поясов принимаем несколько больше требуемых А_f. По конструктивным требованиям b_f400 мм, t_f3t_w. Принимаем b_f = 420 мм, t_f = 16мм. .

Проверяем местную устойчивость сжатого пояса

420<479, т.е. местная устойчивость сжатого пояса обеспечена.

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 грузоподъем-ностью ,

- 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



Момент инерции балки нетто

Момент сопротивления симметричного сечения

Рисунок 6. Сечения подкрановой и тормозной балок

Определяем положение центра тяжести тормозной балки относительно оси подкра-новой балки:

.

Момент инерции сечения брутто относительно оси

Момент инерции площади ослабления

Момент инерции площадки сечения тормозной балки нетто .

Момент сопротивления правой грани верхнего пояса балки

.

Статический момент полусечения (сдвигаемой части)

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.

Проверка жесткости и устойчивости

Проверка жесткости необходима, если в нашем случае 1200<1250. Определяем прогиб балки:

f = ;

Жесткость подобранного сечения обеспечена. Общая устойчивость подкрановой балки обеспечена тормозной конструкцией и не проверяется.

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 , если ?_w>3,2. При ?_w = 3,89 а_max = 2h_w = 2^.1,164 = 2,328. Принимаем (кратно пролету ). Размеры отсека стенки (см. рис. 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 ; принимается t_s = 7 мм.

Проверяется устойчивость среднего и крайнего отсеков.



Рисунок 7. Схема балки, укрепленной поперечными ребрами жесткости

Проверка устойчивости среднего отсека

Рисунок 8. К проверке устойчивости среднего отсека

Напряжения в среднем отсеке определяются при загружении по схеме для определения .

Определяем усилия для наиболее напряженного участка отсека длиной а₁=h_w1200.

Опорные реакции

Изгибающие моменты

Поперечные силы

Определяем напряжения

(из проверки прочности).

Определяем критические напряжения для отсека .

Соотношение размеров отсека

.

Соотношение .

Коэффициент защемления стенки

При и указанном в справочной таблице 1.3 [2].

, где

- по справочной таблице [2].

.

, где

по справочной таблице 1.4. [2], при .

, где

,

,

где - меньшая сторона отсека .

Проверяем устойчивость стенки балки



Устойчивость стенки при обеспечена.

Проверка устойчивости крайнего отсека

Рисунок 9. К определению устойчивости крайнего отсека

Определяем усилия для наиболее напряженного участка отсека длиной .

Опорная реакция

Изгибающие моменты

Поперечные сила

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.

Расчет опорного ребра

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



Рисунок 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

.

, по ? определяем ?:

Проверяем устойчивость опорной части балки по формуле

Устойчивость опорной части балки обеспечена.

Расчет поясных швов

Двусторонние поясные швы (см. рис. 11) при подвижной нагрузке рассчитываются по формулам

по металлу шва

по металлу границы сплавления



Рисунок 11. К расчет у поясных швов

Сдвигающая сила на 1пог.см. балки

, где

- статический момент брутто пояса относительно нейтральной оси

Сминающая сила на 1 пог. см. балки

Применяем для сварки электроды Э42, Э42А.

; ;

Назначаем поясные швы минимально возможной толщины. При сварке и ;

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.

Расчет фермы

Дополнение к заданию для расчета фермы

Шаг стропильных ферм b = 12 м;

Материал конструкций - группа конструкций - 2; пояса - сталь марки 09Г2С гр. 1, фас., t = 11-20 мм, R_y = 315 МПа; решетка - сталь марки ВСт 3 пс: гр. 1, фас., t = 4-10 мм, R_y = 240 МПа; Материал фасонок 18 Гпс;

Сварка полуавтоматическая, ?_f = 0,9, сварочная проволока СВО8А;

Коэффициент условий работы ?_с = 1,0;

Расчетные характеристики:

R_y = 230 МПа,

R_s = 130 МПа,

R_wf = 180 МПа,

R_р = 351 МПа.

Сопряжение ригеля с колонной - шарнирное.

Сбор нагрузок

Постоянные нагрузки на 1м² от массы конструкций покрытия приведены в таблице 2.

Таблица2. Сбор нагрузок.

№ п/п	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.	Профилированный настил t = 1 мм	0,155	1,05	0,16
6.	Стальной каркас комплексной панели	0,13	1,05	0,14
7.	Собственная масса металлической конструкции фермы и связей	0,20	1,05	0,21
Итого общая нагрузка	0,985		1,15

Узловая нагрузка от веса конструкций покрытия

Временная узловая нагрузка от массы снегового покрова. Для города Магнитогорска .

, т.к.

Узловая нагрузка

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

Определение усилий в элементах фермы

Рисунок 12. Геометрическая схема фермы из уголков и тавров для L = 30 м.

Рассмотрим определение усилия в панели верхнего пояса В₃:

- от постоянной нагрузки - ;

- от снеговой нагрузки - .

Где - усилие в панели от загружения вертикальной единичной силой (по справочной таблице 14 [3]) .

Результаты расчета сводим в таблицу3.

Таблица3. Вычисление усилий в стержнях фермы.

Элемент фермы	Обозначение стержней	Усилия от отдельных загружений, КН	Расчетные усилия, КН
		Постоянная нагрузка	Снеговая нагрузка	Растяжение	Сжатие
Верхний пояс	В1
	В2	-310,50	-378,00	-	-688,5
	В3	-310,50	-378,00	-	-688,5
	В4	-474,03	-577,10		-1051,1
	В5	-474,03	-577,10		-1051,1
Нижний пояс	Н1	+167,70	+204,12	+371,8
	Н2	+411,93	+501,48	+913,4
	Н3	+494,73	+602,30	+1097,0
Раскосы	Р1	-252,54	-307,44		-560,0
	Р2	+202,90	+247,00	+450,0
	Р3	-147,00	-179,00		-326,0
	Р4	+87,00	+105,80	+192,8
	Р5	-30,00	-36,54		-66,5
Стойки	С1	-41,4	-50,4		-91,8
	С2	-41,4	-50,4		-91,8

Определение расчетных длин стержней фермы

Определение расчетных длин стержней фермы производим в табличной форме (см. табл. 4) согласно указаниям СНиП «Стальные конструкции» и на основании справочных таблиц 14 и 26 [3].

Подбор сечений элементов

Расчет сжатых элементов:

;

Расчет растянутых элементов: , где

? - коэффициент продольного изгиба, в первом приближении задается: для поясов 0,7-0,8, элементов решетки 0,5-0,6;

?_с - коэффициент условий работы, равный для верхнего и нижнего пояса, опорного раскоса и всех растянутых раскосов 0,95; для сжатых раскосов и стоек при ?>60 - 0,8.

Подбор сечений в панели В₄ ()

По сортаменту (табл. 20 [3]) принимаем сечение Т17,5 ШТ2, , ,

Проверка принятого сечения:

(по табл. 26 [3])

; ? = 0,723 (по табл. 25[3]), отсюда

Аналогично производим подбор сечений всех остальных стержней. Конечные результаты записываем в табличной форме - см. табл. 4.

Расчет узлов фермы

Промежуточный узел фермы с заводским стыком верхнего пояса

Стык пояса смещен в панель с меньшим усилием (N_B3< N_B4); при этом величину смещения принимаем не менее 500 мм в фермах с поясами из тавров.

В фермах с поясами из тавров полки перекрываются одной накладкой, а стенки соединяются вставкой из листа толщиной, равной большей из толщин стенок соединяемых тавров.

Размеры накладки подбираем из условия равнопрочности:

Рисунок 13. К подбору размеров накладок и вставок в фермах с поясами из тавров

а) А_В = h_r^.t = 14,7х0,9 = 13,23 см².

б) А_н = b_н^.t_н>А_гпb₁^.t₁ = 20х1,3 = 26 см², где b_н = 25,0+2х3,0 = 31 см;

t_н = ;

принимаем t₁ = 9 мм; А_н = b_н^.t_н = 31х0,9 = 27,9 см² > 26 см².

Прочность стыка проверяем по формуле:

Швы «3» прикрепления горизонтальной полки пояса к накладке рассчитываем по расчетному усилию, воспринимаемому накладкой.

N_н = А_н^.? = 27,9х16,74 = 467,0 КН. Принимаем k_f=1,0 см,

+1 = +1 = 15,4 см.

Принимаем l_w=16 см.

Вертикальная вставка прикрепляется к стенкам тавров стыковыми швами и ее прочность не проверяется.

Укрупнительный стык верхнего пояса фермы на монтажной сварке

Размеры горизонтальных накладок и фасонки подбираем из условия их равнопрочности с перекрываемыми горизонтальными и вертикальными полками пояса (Т17,5 ШТ2) - рис. 14.



Рисунок 14. К определению размеров горизонтальных накладок и фасонок.

а) 2А_н = 2b_н^.t_н>А_гпb_п^.t_уг = 25,1 х 1,4 = 35,1 см².

b_н = (25,1-4+2х3)/2 = 13,5, принимаем 14 см;

t_н = А_н/b_н = 1,25, принимаем t_н = 1,4 см.

А_н = 14 х 1,4 = 19,6 см².

б) 2А_вн = b_вн^.t_вн = А_вn = h^.t = 17,5 х 0,94 = 16,5 см²;

b_вн = h-(t_n+4) = 17,5 - (1,4 + 4) = 12 cм.

t_вн = 2 А_вн/2 b_вн = 16,5/(2 х 12) = 0,69; принимаем 0,8 см.

А_вн = b_вн^. t_вн = 12 х 0,8 = 9,6 см².

Остальные соединительные накладки в расчет не вводятся. Прочность стыка проверяем в предположении центрального нагружения силой N_ст=N+N_p^.cos?, но не менее N, в случае разных знаков усилий N и N_p.

N_ст = 1051,1 + 66,54^.cos46⁰ = 1097,3 КН.

18,8 КН/см²=188 МПа<R_y?_c=230 МПа

Швы «3» прикрепления горизонтальной полки пояса к накладке рассчитываем по предельному усилию, воспринимаемому накладкой.

N_н = А_н^.R_y = 19,6^.23 = 450,8 КН, при k_f = 0,6 см; ?_f = 0,9

см.

Принимаем длину швов с двух сторон по 25 см. Так как швы «Б» являются стыковыми, их не рассчитываем.

Прочность фасонки не проверяют.

Необходимо рассчитать шов «В», прикрепляющий вертикальные накладки к стенке тавра. Расчет ведется по несущей способности вертикальной накладки:

см,

принимаем 19 см.

Шов выполняется косым. Определяем угол наклона: sin? = 12/19 = 0,6316, ? =39⁰.

Опорный узел

В узле действует опорная реакция F = 413,1 КН, воспринимаемая опорным фланцем, который проверяют на смятие:

? = КН/см² = 172 МПа < R_р = 351 МПа.

Швы прикрепления «Б», «В», «Г», «Д» (см. рис. 15) рассчитывают на максимальные усилия в опорном раскосе и нижнем поясе. По длинам этих швов определяют размеры фасонки h_ф = 45 см.

Рисунок 15. Опорные узлы фермы.

Швы «Е» прикрепления фасонок к опорному фланцу проверяем по формуле:

КН/см² = 59 МПа < R_y?_c = 180 МПа.

А_w = 2?_f^.k_f^..= 2^.0,8^.1,0^.44 = 70,4 см², где k_f = 1,0 см; ?_f = 0,8 (табл. 27 [3]),

= h_ф - 1 = 45 - 1 = 44 см.

Расчет поперечной рамы цеха с шарнирным прикреплением ригеля к колоннам

Компоновка рамы

Здание однопролетное, отапливаемое с мостовыми кранами 300/50 КН среднего режима работы.

Уровень головки рельса - УГР = 13,5 м.

Определяем размеры рамы по вертикали: h₁, h₂, H, h_b, h_н, h, h_оп, h_ш (см. рис. 16).

h₁ = УГР = 13,5 м - 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 (по ГОСТ - табл. 2.5 [4]);

- 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-70 (по ГОСТ - табл. 2.5 [4]).

Высота нижней части стойки

Высота стойки рамы

Высота фермы на опоре

- для типовых ферм с i = 1,5%

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.

Конструктивная схема рамы показана на рис. 16.

Нагрузки, действующие на раму

Постоянные нагрузки

Покрытие принято по стальным прогонам и профилированному настилу.

Рисунок 16. Конструктивная схема рамы

Таблица 5. Постоянная распределенная поверхностная нагрузка от покрытия

№ п/п	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.	Профилированный настил t = 1 мм	0,155	1,05	0,16
6.	Стальной каркас комплексной панели	0,13	1,05	0,14
7.	Собственная масса металлической конструкции фермы и связей	0,20	1,05	0,21
Итого общая нагрузка	0,985		1,15

Постоянная линейная нагрузка на ригель

, где

- угол ската кровли. Для покрытий промзданий принимается сos? = 1 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 (рис. 17), м.

Рисунок 17. Колонна и подкрановая балка.

Нагрузки от стенового ограждения при расчете рамы не учитывается, т.к. стены приняты из ребристых панелей толщиной 300 мм. Нагрузка от них передается на фундаментные балки.

Снеговая нагрузка

Для Магнитогорска:

, 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

.

Вертикальная 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. 18).

Ординаты линий влияния

,

Пролет крана .



Рисунок 18. Размещение катков двух сближенных кранов на одном подкрановом пути

По ГОСТ на краны . Масса крана с тележкой , сила тяжести . Для расчета можно принять среднее максимальное давление колеса F_max = 315 КН.

Нагрузка от подкрановых конструкций определяется приближенно по данным табл. 2.2 [4]. 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. 18),

- давление подкрановых конструкций.

Расчетное минимальное давление на колонну

Минимальное давление колеса крана на подкрановый путь

Расчетное минимальное давление на колонну:

.

Крановые моменты

, где

- эксцентриситет, принимаемый предварительно - для крайних ступенчатых колонн (см. рис. 17).

.

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.

Ветровая нагрузка

Для Магнитогорска см. таб. 5 СНиП 2.01.07-85*. 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 .

Рисунок 19. 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

;

.

в уровне верха покрытия на высоте

;

.

Момент в заделке стойки от ветрового напора

977 КН^.м

Эквивалентная равномерно распределенная ветровая нагрузка

;

.

Ветровая нагрузка, действующая на шатер: .

Таблица 6. Расчетные нагрузки на раму

Элемент рамы	Вид нагрузки	Обозначение нагрузки	Величина нагрузки
Ригель	Постоянная линейная от покрытия		14,16 кН/м
	Снеговая		16,8 кН/м
Стойка	Опорное давление ригеля:
	от постоянной нагрузки		212,4 кН
	от снеговой нагрузки		252 кН
	Вертикальное давление колес мостовых кранов:
	максимальное		1519,31 кН
	минимальное		497,8 кН
	Сила поперечного торможения		48,75 кН
	момент от		759,66 кНм
	момент от		248,9 кНм
	Ветровая нагрузка:
	активное давление		5,58 кН/м
	отсос		4,2 кН/м
	сосредоточенная сила		44,1 кН

Расчетная схема

Определяем соотношения моментов инерции , , при , , .

=5

Принимаем: , , .

; .

Вычисляем погонные жесткости

; ; .

.

Расчетная схема показана на рис.20.

Рисунок 20. Расчетная схема рамы

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 не смещаемых стойках.

Схема загружения рамы от воздействия равномерно распределенных нагрузок на ригель показана на рис. 21.

Постоянная линейная нагрузка от покрытия

,

.

.

( определяем интерполяцией по табл. 4.1 [4]).

Рисунок 21. Схема загружения рамы от воздействия равномерно-распределенных нагрузок на ригель

, т.е.

Рисунок 22. Эпюры и от постоянной нагрузки

Снеговая нагрузка

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

.

Рисунок 23. Эпюры и от снеговой нагрузки

Расчет на нагрузки, приложенные к стойкам

Условно закрепленная рама (т.е. основная система) показана на рис. 24:

Рисунок 24. Основная система

В расчете принято . Неизвестное смещение рамы определяем из уравнения

,

где - смещающая горизонтальная сила.

Определяем моменты от единичного смещения верхних узлов рамы (см. рис.25).

Рисунок 25. К расчету на нагрузки, приложенные к стойкам

, где

.

;

Эпюра используется в расчете на крановые и ветровые нагрузки.

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.26).

Для левой стойки:

;

;

;

;

; .

Для правой стойки:

;

;

;

;

.

Рисунок 26. Схема загружения и эпюры и от кранового давления ,

Горизонтальное давление кранов «Т» 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.27).

Для левой стойки:

;

;

.

Проверка .

Для правой стойки:

;

;

.

Рисунок 27. Схема загружения и эпюры и от поперечного торможения

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.

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. 28).

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

;

.

Далее составляем сводную таблицу усилий в левой стойке и таблицу расчетных усилий.

Рисунок 28. Схема загружения и эпюры и от ветровой нагрузки

Таблица 7. Усилия в левой стойке рамы

№		Нагрузка	nc	Сечение 1-1	Сечение 2-2	Сечение 3-3
				M	N	Q	M	N	M	N
1		постоянная	1,0	-5,4	+212,4	+3,1	+39,0	+212,4	-14,1	+212,4
2		снеговая	1,0 0,9	-6,4 -5,8	+252,0 +227,0	+3,7 +3,3	+46,41 +41,77	+252,0 +227,0	-16,78 -15,1	+252,0 +227,0
3		крановое вертикал. давление (тележка слева)	1,0 0,9	-50,7 -45,63	+1519,3 +1367,4	-57,85 -34,07	-588,6 -529,7	+1519,3 +1367,4	+171,1 +153,9	- -
3*		крановое вертикал. давление (тележка справа)	1,0 0,9	+151,5 +136,4	+497,8 +448,02	-21,32 -19,19	-152,5 -137,3	+497,8 +448,02	+96,38 +86,74	- -
4		поперечное торможен. (сила при-ложена к лев стойке)	1,0 0,9	±383,5 ±345,2	- -	±32,22 ±29,0	±74,87 ±67,38	- -	±74,87 ±67,38	- -
4*		поперечное торможен. (сила при-ложена к пр. стойке)	1,0 0,9	±90,21 ±81,19	- -	±4,81 ±4,33	±21,64 ±19,48	- -	±21,64 ±19,48	- -
5		ветровая нагрузка слева	1,0 0,9	-1315 -1184	- -	+122,5 +110,3	-136,5 -122,8	- -	-136,5 -122,8	- -
5*		ветровая нагрузка справа	1,0 0,9	+1233 +1109	- -	-105,2 -94,7	+159,2 +143,3	- -	+159,2 +143,3	- -

Таблица 8. Расчетные усилия для левой стойки

Сочетания	Усилия	Нижняя часть стойки	Верхняя часть
		Сечение 1-1	Сечение 2-2	Сечение 3-3
		M	N	Q	M	N	M	N
Основные сочетания nc= 1,0		+1228,1	+212,4	-102,1	+198,23	+212,4	+231,83	+212,4
		1,5*	1,5*	1,3,4
		-1320,9	+212,4	+125,6	-624,47	+1731,7	-150,57	+212,4
		1,5	1,3,4	1,5
		+327,46	+1731,7	-2,53	-	-	-	-
		1,3,4	-	-
		-439,66	+1731,7	-66,97	-474,73	+1731,7	-30,88	+464,4
		1,3,4-	1,3,4	1,2
Основные сочетания nc = 0,9		+1321,4	+660,42	-106,46	+224,08	+439,4	+350,54	+212,4
		1,3*,4*,5*	1,2,5*	1,3,4,5*
		-895,63	+1806,8	+111,58	-680,94	+1579,8	-152,02	+439,4
		1,2,3,4,5	1,3,4-,5	1,2,5
		-1586,03	+1806,8	+53,58	-	-	+335,44	+439,4
		1,2,3,4-,5*	-	1,2,3,4,5*
		-1586,03	+1806,8	-151,37	-504,41	+1806,8	-152,02	+439,4
		1,2,3,4-,5	1,2,3,4,5	1,2,5
		-1189,4	+212,4	+113,35	-	-	-	-
		1,5	-	-

Расчет стальной одноступенчатой колонны каркаса промышленного здания

Дополнительные данные для расчета колонны

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

Материал - ВСтЗкП2 , - для листа. - для фасонного проката.

Геометрические размеры: , , , , - определены при компоновке рамы (см.рис.16).

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.29.

Рисунок 29. а) Конструктивная схема колонны; б) Сечения колонны.

Расчетные длины участков колонны

При и - по табл. 2,2 [5] , .

В плоскости рамы

;

;

из плоскости рамы

, .

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 [5] при и :

отсюда .

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

[5, 15].

Отсюда .

Принимаем конструктивно полки b_n= 300х12, .

Проверяем местную устойчивость полки:

.

Геометрические характеристики сечения:

- общая площадь: ,

- расчетная площадь: ,

,

,

,

,

.

Проверяем устойчивость в плоскости рамы.

, ,

, , по таблице 3.1 [5] определяем

.

,

затем по таблице 3.2 [5] 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 .

- поперечную силу Q в сечении: ,

.

Местная устойчивость стенки обеспечена, т.к.

и

здесь ? = 0,65+0,05m_х = 0,65+0,05^.4,35=0,87 (по табл. 3.4 [5]),

.

Определяем

,

? = 0,87 (по табл. 3.4 [5]), ,

.

Гибкость стенки , поэтому ребра жесткости не нужны. Сварные швы, соединяющие стенку и полки, принимаем сплошными k_f = 6 мм по данным таблицы 3.6 [5].

Расчет подкрановой части колонны

Расчет ветвей подкрановой части

Принимаем и определяем

, .

Усилия в ветвях:

,

.

Требуемая площадь ветвей

, .

Подкрановую ветвь принимаем из двутавра № 70Б1 [1, 549]; его характеристики: , , , , ; наружную ветвь компонуем из трех листов как составной швеллер, толщину его стенки и полок назначаем по требованию жесткости.



Рисунок 30. К расчету решетчатой колонны

Местная устойчивость стенки обеспечена, если

,

где . Отсюда ,

принимаем стенку из листа 730x20, , полки 120x10, , .

Местная устойчивость полок обеспечена т.к.

Геометрические характеристики наружной ветви:

,

;

;

;

;

,

;

.

Уточняем усилия в ветвях

,

.

Гибкости и коэффициенты продольного изгиба:

(по табл. 25 [3]); .

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:

, .

Для наружной ветви:

,.

Расчет решетки

Определим поперечную силу

,

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

Принимаем . Определяем , ,

? - угол наклона раскоса к ветви (рис. 30).

. .

Принимаем L 75х6, А_уг = 8,78 см², i_min = 1,48 см².

, ,.

Проверка устойчивости колонны в плоскости рамы как единого сквозного стержня

Геометрические характеристики:

А = А_пв + А_нв = 162 + 170 = 332 см²,

,

, ,

.

Проверка устойчивости

При

, (по табл. 4.2 [5]),

.

При

, ,

.

Расчет узла сопряжения верхней и нижней частей колонны

Рисунок 32. К расчету узла сопряжения верхней и нижней частей колонны: а) конструктивные решения узла; б) расчетная схема траверсы; в) сечение траверсы

Расчетные усилия в сечении над уступом (сечение над уступом):

1),

2),

Проверка прочности шва 1 (Ш 1)

, .

Комбинация усилий 1.

Слева ,

Справа .

Комбинация усилий 2.

Слева ,

Справа.

Назначаем высоту траверсы предварительно h_тр = 800 мм и толщину подкрановой площадки t_пл = 20 мм.

,

здесь Принимаем t_ст = 10 мм.

Расчет швов 2 крепления ребра к траверсе

Усилия в швах

(1 комбинация);

(2 комбинация).

,

где

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

Расчет швов 3 крепления траверсы к подкрановой ветви

Наибольшую нагрузку на швы 3 (их 4) 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

.

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

,

где для двутавра 70Б1, .

Окончательно принимаем .

Проверка прочности траверсы как балки, загруженной N, M, D_max

Нижний пояс траверсы принимаем конструктивно 300x10, верхний пояс из двух горизонтальных ребер 120х10 (см. рисунок 32).

Геометрические характеристики траверсы:

Максимальный изгибающий момент в траверсе возникает при N_n.max.

При загружении +М_max = +335,44 кНм и N = +439,4 кН во внутренней полке

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

,

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

.

Расчет и конструирование базы колонны

Проектируем базу раздельного типа (рисунок 33). Бетон фундамента класса В-12,5, R_b=7,5 МПа. Для расчета базы принимаем комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 1-1), создающие наибольшее давление на базу каждой ветви.

Рисунок 33. К расчету базы колонны

Для подкрановой ветви:.

Для наружной ветви: .

(снег наружную ветвь не разгружает).

Усилия в ветвях: , .

База подкрановой ветви

Требуемая площадь плиты

.

По конструктивным соображениям свес плиты тогда , принимаем .

принимаем .

Напряжение в бетоне под плитой

.

Центр тяжести плиты совмещается с центром тяжести 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 (данные для расчета длин участков взяты из характеристик двутавра 70Б1 - [1, 549]), толщина траверсы принята 12 мм.

Изгибающие моменты на отдельных участках:

.

здесь , так как .

Требуемая толщина плиты . Принимаем t_пл = 22 мм.

Высоту траверсы определяем из условия размещения четырех швов креплений траверс ветви. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-08А, d = 1,4…2 см, к_ш = 0,9 см.

Требуемая длина шва:

.

Принимаем .

Проверка прочности траверсы ни изгиб и срез не требуется, т.к. вылет траверсы 5 см по отношению к высоте 45 см очень мал.

База наружной ветви

площадь опорной плиты

,, принимаем .

Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету равно

.

При толщине траверсы 12 мм

Размеры участков 3 и 4:

длина участков одинаковая: , ширина участка 3: а₃ = 12 см, участка 4 -

.

Участки 1 и 2 консольные, с вылетами , 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 назначаем

.

С учетом расчета подкрановой ветви принимаем t_пл = 22 мм. Траверсы принимаем с размерами: t_тр=12 мм, .

Расчет анкерных болтов

Расчетное сочетание в сечении 1-1 N_minM_cоот:

Наибольшее усилие растяжения

.

Требуемая площадь болтов нетто

.

Принимаем четыре анкерных болта типа IV d = 56 мм по [7, 171], с .

Рисунок 34. Общая база внецентренно сжатой колонны: а) 1 - опорная плита; 2 - траверсы; 3 - ребра; 4 - анкерные болты; 5 - анкерные плитки; б) эпюра напряжений при N_MINM_COOT для расчета анкерных болтов

Литература

1. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов/ Е.И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Ведеников и др.; Под общей редакцией Е.И. Беленя. - 6-е издание, переработанное и дополненное - М.: Стройиздат, 1986 - 560 с., ил..

2. Методические указания по расчету сварной подкрановой балки для студентов специальности 1202 «Промышленное и гражданское строительство» всех форм обучения. Составители: ст. преп. А.К. Тарасенко, к.т.н., ст. преп. В.И. Островерхов, асс. А.Д. Рубцов-Гравиров. Краснодар: издательство КПИ, 2006 - 44 с..

3. Методические указания по выполнению расчета ферм студентами всех форм обучения для курсового проекта по курсу «Металлические конструкции», специальности 1202 «Промышленное и гражданское строительство». Составители: к.т.н. В.И. Островерхов, ст. преп. А.К. Тарасенко, асс. А.Д. Рубцов-Гравиров. Краснодар: издательство КПИ, 2004 - 53 с..

4. Методические указания по расчету поперечной рамы стального каркаса одноэтажного промышленного здания для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство» (1202) всех форм обучения. Составители: к.т.н. В.И. Островерхов, ст. преп. А.К. Тарасенко, асс. А.Д. Рубцов-Гравиров. Краснодар: издательство КПИ, 2005 - 53 с.

5. Расчет стальной одноступенчатой колонны каркаса промздания. Методические указания к курсовому проекту по металлическим конструкциям для студентов всех форм обучения специальности 1202 - Промышленное и гражданское строительство. Составители: ст. преп. А.К. Тарасенко, доц., к.т.н. В.И. Островерхов. Краснодар: издательство КПИ, 2004 - 57 с.

6. Строительные нормы и правила. Стальные конструкции. СНиП II-23-81. - М.: Стройиздат, 1981.

7. Металлические конструкции. Справочник проектировщика. Под редакцией академика Н.П. Мельникова. - М.: Стройиздат, 1980.

Размещено на Allbest.ru