Компоновка каркаса производственного здания

Введение

Металлические конструкции благодаря своим качествам получили широкое распространение во всех отраслях хозяйства. Проектирование экономически эффективных металлических конструкций основывается на комплексном учете требований эксплуатации, надежности и долговечности, изготовления и монтажа, на знании особенностей работы этих конструкций под нагрузкой, правильность выбора конструктивных форм, использование типовых и унифицированных решений и соответствующем расчете.

Целью данного курсового проекта является разработка схемы компоновки каркаса одноэтажного производственного здания, расчет подкрановой балки, компоновка и расчет поперечной рамы каркаса, конструирование и расчет строительной фермы, колонны.

Исходные данные

Спроектировать поперечную раму одноэтажного производственного здания пролетом L = 24 м, оборудованного двумя мостовыми кранами грузоподъемностью Q = 50 т, групп режимов работы 7К. Длина здания – 108 м, отметка головки кранового рельса Н₁ = 11 м. Шаг поперечных рам В = 12 м. Район строительства – г.Саратов. Здание однопролетное с жестким сопряжением ригеля с колоннами. Ригель проектируется в виде стропильной фермы; высота фермы на опоре 2,65 м; уклон кровли 1/10. Тип покрытия –стальной профнастил.

Компоновка каркаса производственного здания

Компоновка поперечной рамы

Расчет подкрановой балки

Подкрановые конструкции предназначены для восприятия нагрузок от подъемно-транспортного оборудования и состоят из подкрановых балок, воспринимающих вертикальную крановую нагрузку, и тормозных конструкций, воспринимающих поперечные горизонтальные воздействия. Подкрановые балки проектируются сплошными двутаврового сечения. Тормозная конструкция состоит из швеллера и листа, усиленного ребрами жесткости и приваренного к верхнему поясу подкрановой балки.

 

Определение нагрузок на подкрановую балку

 

Определяем поперечные горизонтальные усилия на колесе крана по формуле 3.1, для групп режимов работы кранов 1К – 4К:

(3.1)

где G_T – вес тележки, кН; G_T = 135 кН;

n ₀ – число колес с одной стороны крана; n₀ = 2.

Расчетные значения вертикальных и горизонтальных усилий на колесе крана определяем по формулам:

(3.2)

где k_n =0,95 – коэффициент надежности по назначению [2];

n_k =1,1 – коэффициент надежности по нагрузке [1];

n_c =0,85 – коэффициент сочетания нагрузок [1];

k ₁ =1,2 и k ₂ =1,1 – коэффициенты динамичности, учитывающие ударный характер нагрузки при движении крана по неровностям пути и на стыках рельсов [1].

Расчетная схема рамы

Расчетная схема рамы является многократно статически неопределимой сквозной системой с жесткими узлами. Принято, что при использовании легких ферм можно пренебрегать жесткостью узлов при определении усилий (т.е. считать их шарнирными), а сквозные элементы рамы (колонны, фермы) заменять сплошными эквивалентной жесткости. Весьма малым углами поворота верхних узлов рамы при действии горизонтальных нагрузок и изгибающих моментов можно пренебречь, т.е. считать ригель бесконечно жестким.

Таким образом, при расчете поперечных рам каркасов промышленных зданий используются упрощенные расчетные схемы, которые резко сокращают трудоемкость расчета и дают погрешности, практически не влияющие на результаты расчета.

В соответствии с конструктивной схемой (рисунок 4.1) и исходными данными курсового проекта принимаем расчетную схему однопролетной рамы с жестким защемлением ригеля в ступенчатых колоннах (рисунок 4.2). Оси стоек в расчетной схеме совпадают с центрами тяжести верхнего и нижнего сечений колонны. В ступенчатых колоннах центры тяжести верхней и нижней части расположены не на одной оси, и поэтому стойка рамы имеет горизонтальный уступ, равный расстоянию между геометрическими осями колонн.

Рисунок 4.1 – Расчетная схема поперечной рамы                                               

Рисунок 4.2 – Нагрузки, действующие на раму

 

Для определения размера уступа колонны и моментов инерции сечения нижнего и верхнего участков колонн и ригеля нужно знать их сечения, которые не известны нам в данный момент. Поэтому при установлении расчетной схемы рамы используют данные проектирования аналогичных сооружений, или делают упрощенный предварительный расчет рамы с подбором сечений, и на основе этого устанавливают требуемые величины. По опыту проектирования производственных зданий известно, что расстояние между центрами тяжести сечения верхнего и нижнего участков колонны:

(4.1)

где h_n и h _в – соответственно ширина сечения верхнего и нижнего участков колонны; принято ранее h_n =1000 мм; h _в =450 мм, тогда

Для статического расчета рымы достаточно знать только соотношение моментов инерции элементов рамы, а не их абсолютные значения. Эти соотношения можно принять в пределах  где , и – соответственно моменты инерции нижней и верхней части ступенчатой колонны и ригеля.

Принимаем

Нагрузки на поперечную раму

На поперечную раму производственного здания действуют нагрузки:

- постоянные – от веса ограждающих и несущих конструкций здания;

- временные – технологические (от грузоподъемных машин – мостовых кранов) и атмосферные (от снега и ветра).

Постоянная нагрузка

Постоянная нагрузка складывается из нагрузки на ригель и нагрузки на колонну.

Постоянную нагрузку на ригель рамы принимаем равномерно распределенной по длине ригеля. В распределенную поверхностную нагрузку входят: нагрузка от кровли, конструкций фермы, фонаря, связи.

Тип кровли производственного здания – стальной плоский лист.

Таблица 4.1 – Нагрузки от веса конструкций покрытия

Вид нагрузки	Нормативная, кПа	Коэф. надежности по нагрузке	Расчетная, кПа
1. Ограждающие элементы кровли
Гравийная защита (15-20мм)	0,35	1,3	0,475
Гидроизоляционный ковер	0,17	1,3	0,235
Асфальтовая или цементная стяжка (20мм)	0,4	1,3	0,54
Утеплитель, толщиной t=50мм, пенопласт γ=0,5кН/м²	0,025	1,3	0,034
Пароизоляция (1 слой рубероида)	0,05	1,3	0,0675
2. Несущие элементы кровли
Стальной плоский лист	0,145	1,05	0,196

 

Нормативная нагрузка составит:

Расчетная нагрузка при этом будет

Расчетная равномерно распределенная линейная нагрузка на ригель рамы определяется по формуле:

(4.2)

 

где  – коэффициент надежности по назначению;

L ₁ =12м – шаг колон; 

α – угол наклона кровли к горизонту; принимаем α= 0, тогда

Опорная реакция ригеля рамы:

(4.3)

где L = 36 м – пролет здания.

С учетом того, что на верхнюю часть колонны приходится примерно 20% веса всей колонны, а на нижнюю – 80%, т.е.

	(4.4)
	(4.5)

где – коэффициент перегрузки для металлических конструкций;

 – расход металла на колонну, принимаемый по таблице 3.3 [2].

Поверхностная масса стен принимается равной  переплетов с остеклением

В верхней и нижней частях колонны (включая вес этих частей колонны):

	(4.6)
	(4.7)

где  и – длина верхней и нижней части колонны;

– модуль оконных переплетов по высоте;

– количество модулей оконных переплетов по высоте.

.

Снеговая нагрузка

Линейная распределенная нагрузка от снега на ригель рамы определяется по формуле:

(4.8)

где – вес снегового покрова на земле, зависящий от района строительства; для г. Красноярск

 – коэффициент перехода от нагрузки на земле к нагрузке на 1м² проекции кровли, равный при угле α ≤ 25º единице.

 – коэффициент перегрузки, зависит от отношения нормативного собственного веса покрытия к весу снегового покрова, определяется по таблице 3.5 [2].

Опорная реакция ригеля определяется по формуле:

(4.9)

Крановая нагрузка

При движении колеса мостового крана на крановый рельс передаются силы трех направлений: вертикальная, горизонтальная и продольная.

Вертикальная сила F_k (вес груза + вес крана вес тележки) динамическая, так как в следствии ударов колеса о рельс и рывков при подъеме груза возникают вертикальные инерционные силы, складывающиеся со статической составляющей. При движении крана происходит перераспределение вертикальных сил между колесами (которых у крана не менее четырех), движущимися по рельсу с одной стороны крана. Динамические воздействия колес крана и перераспределение усилий учитывается при расчете подкрановых балок, а при расчете рам вертикальная сила F_k считается квазистатической и одинаковой для всех колес с одной стороны крана. Наибольшее вертикальное нормативное усилие F_kmax  определяется для крайнего положения тележки на мосту.

Горизонтальная сила T_k возникает из-за перекоса крана, торможение тележки и т.п., и может быть направлена внутрь пролета или из пролета.

Продольная сила возникает от трения колес о рельс и от силы торможения крана и принимается равной 0,1 нормативной вертикальной нагрузки на тормозные колеса крана (половина колес с каждой стороны крана – тормозные).

а) вертикальная нагрузка на подкрановые балки и колонны определяется от двух кранов при выгодном их расположении. Расчетное усилие, передаваемое на колонну колесами крана, можно определить по линии влияния опорных реакций подкрановых балок по формуле:

(4.10)

где – коэффициент сочетания нагрузок;

– нормативное вертикальное усилие колеса;

 – ордината линии влияния; значения берем на рисунке 4.5.

– нормативный вес подкрановой конструкции, определяется по формуле:

(4.11)

 – полезная нормативная нагрузка на тормозной площадке;

 - ширина тормозной площадки, принимаемая раной ширине сечения нижней части колонны.

Подставляя значения получаем:

На другой ряд колонны тоже будут передаваться усилия, но значительно меньшие (рисунок 4.6)

Рисунок 4.5 – Определение ординат линий влияния

Рисунок 4.6 – Определение ординат линий влияния

 

Силу можно определить, если заменить в формуле (4.10)  на  т.е. на нормативные усилия, передаваемые колесами другой стороны крана:

(4.12)

где  – грузоподъемность крана;

 – масса крана;

 – масса тележки.

Силы и  приложены по оси подкрановой балки и поэтому не только сжимают нижнюю часть колонны, но и передают на нее изгибающие моменты (рисунок 4.6):

	(4.13)
	(4.14)

б) горизонтальная сила , передаваемая подкрановыми балками на колонну от силы  определяется при том же положении мостовых кранов и приложена к раме в уровне верха подкрановой балки (рисунок 4.6):

	(4.15)
	(4.16)

Ветровая нагрузка

Расчетная линейная ветровая нагрузка, передаваемая на стойку рамы в любой точке по высоте при отсутствии продольного фахверка, определяется по формуле:

(4.17)

где  – коэффициент перегрузки для зданий,

 – нормативный скоростной напор ветра, принимаемый по СНиП в зависимости от района строительства;

 – коэффициент, учитывающий высоту и защищенность от ветра другими строениями, определяется по таблице 3.6 [2]; в нашем случае равен: для 10 м – 0,65, для 20м – 0,9, для 30м – 1,05.

– аэродинамический коэффициент, зависящий от расположения и конфигурации поверхности; для вертикальных стен  с наветренной стороны и  для откосов.

Линейная распределенная нагрузка при высоте:

До 10 м –

20м  –

30м –

14,3м –

20,45м –

Ветровая нагрузка, действующая на участке от низа ригеля до наиболее высокой точки зрения, заменяется сосредоточенной силой, приложенной в уровне низа ригеля рамы. Величина этой силы от активного давления и отсоса определяется по формуле:

(4.18)

(4.19)

 

Эквивалентная линейная нагрузка активного давления и отсосов:

(4.20)

(4.21)

Статический расчет рамы

В связи с тем, что для разных элементов, для разных сечений наибольшие расчетные усилия можно получить при разных сочетаний временных нагрузок, определять усилия M, N, и Q в элементах рамы приходится отдельно от каждой из нагрузок, приложенных к раме. Рама рассчитывается обычными методами строительной механики (сил, перемещений) с учетом действительной работы каркаса, входящего в пространственную систему.

Расчет на снеговую нагрузку

Расчет проводится аналогично расчету на постоянные нагрузки. Основная система приведена на рисунке 4.8, а.

Сосредоточенный момент на колонне:

Моменты от нагрузки на стойках М_р коэффициенты определили методом линейной интерполяции по таблице 3.8 [1]:

тогда

Моменты на опорах ригеля (защемленная балка постоянного по длине сечений):

Определим коэффициенты канонического уравнения:

 (по эпюре М₁);

 (по эпюре М_р).

Угол поворота:

Моменты от фактического угла поворота М₁·φ:

Эпюра усилий M, Q, N (показана на рисунке 3.8, б-г):

Поперечная сила:

на ригеле

на стойке

Продольные силы:

Рисунок 4.8 - Эпюра моментов, поперечных и продольных сил

Расчет на ветровую нагрузку

Основная система и эпюра М₁ – как для крановых воздействий.

Определяем моменты и реакции в основной системе (рисунок 4.11,а), коэффициенты берем по таблице 3.11 [1]

Тогда на левой стойке:

На правой стойке усилия получаются умножением на коэффициент:

Тогда

Коэффициенты канонического уравнения:

  

Смещение рамы (ветровая нагрузка действует на вес рамы блока и поэтому ):

Рисунок 4.11 – Эпюра моментов и поперечных сил

 

Суммарная эпюра моментов () приведена на рисунке 4.11, б.

На левой стойке:

На правой стойке:

Эпюра поперечных сил приведена на рисунке 4.11,в.

На левой стойке:

На правой стойке:

Расчет ступенчатой колонны

Исходные данные

Расчетные усилия в сечениях берем из таблицы:

1) Для верхней части колонны в сечении 1-1: 

при том же сочетании нагрузок в сечении 2-2:

2) Для нижней части колонны:

 

cечение 4-4:

 

Рисунок 5.1 – К расчету колонны

Требуемая площадь полки:

(5.9)

(5.10)

Из условия устойчивости верхней части колонны из плоскости действия момента ширина полки

Из условия местной устойчивости полки:

(5.11)

где  – ширина свеса.

(5.12)

Принимаем

Вычисляем геометрические характеристики сечения.

Полная площадь сечения

(5.13)

(5.14)

(5.15)

(5.16)

(5.17)

(5.18)

(5.19)

База подкрановой ветви

Требуемая площадь плиты:

(5.78)

Ширину плиты принимаем такой же, как и в наружной ветви В =54 см, тогда консольный свес с₂ =3 см.

Длина плиты  Принимаем L =25 см, тогда получаем:

           

Средние напряжения в бетоне под плитой:

Консольный свес плиты:

(5.79)

где b_f – ширина полки двутавра, в данном случае равна 16,0 см,

t _тр =1,0 см – толщина траверсы.

Рисунок 5.4 – К расчету базы под подкрановую ветвь колонны

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты:

участок 1 – консольный свес с вылетом с₁ =6,0 см,

участок 2 – консольный свес с вылетом см  – не является расчетным.

участок 3 – плита, опертая на четыре канта, при > 2:

Принимаем для расчета

Требуемая толщина пластины:

Толщину плиты принимаем: мм.

Нагрузка на траверсу:

(5.80)

Так как нагрузка на траверсу наружной ветви больше, чем на траверсу подкрановой ветви, то высоту траверсы подкрановой ветви примем такую же, тем самым заведомо обеспечив прочность траверсы см.

Расчетная комбинация усилий в нижнем сечении колонны для расчета анкерных болтов М=-561,73 кН∙м, N= 649,49 кН.

Усилие в болтах:

Анкерные болты проектируем из стали марки 09Г2С по ГОСТ 19281-73* с расчетным сопротивлением растяжению R_{b а} =225МПа.

Требуемая площадь болтов  

Принимаем n =4 болта диаметром d =24 мм, с суммарной площадью сечения

А _bn =4∙ 4,52=18,08 см².

В связи с большим усилием крепления анкерных болтов, выполняем анкерную балочку из двух швеллеров. Анкерную балочку с пролетом l = b_f рассматриваем как свободнолежащую на траверсах и нагруженную сосредоточенной силой от анкерных болтов (рис. 5.2).

 

                          М= F ₁ ∙ l /4                      М= F ₁ ∙ a

Рисунок 5.5 –Расчетные схемы анкерной балочки при одном (а) и двух анкерных болтах (б).    

Усилие одного болта

Изгибающий момент

Требуемый момент сопротивления         

Конструктивно принимаем балочки из двух швеллеров №10 с

Расчет стропильной фермы

Исходные данные:

Пролет фермы – 36м. Шаг ферм – 12 м. Уклон верхнего пояса 1/10.

Место строительства – г. Красноярск.

Материал фермы сталь С255 по ГОСТ 27772-88* с R_y = 240 МПа.

Сварка полуавтоматическая под флюсом сварочной проволокой марки СВ-08А, диаметром d=2 мм. Болты нормальной точности класса 5,6.

Ввиду симметричности фермы и приложенной нагрузки рассчитываем половину фермы.

Сбор нагрузок на ферму

Постоянная нагрузка

Таблица 6.1 – Нагрузка от веса конструкций покрытия

Вид нагрузки	Нормативная, кПа	Коэфициент надежности по нагрузке	Расчетная, кПа
1 Ограждающие элементы
1.1 Гравийная защита (15-20мм)	0,35	1,35	0,46
1.2 Гидроизоляционный ковер из 3-4 слоев рубероида	0,18	1,35	0,234
1.3 Асфальтная стяжка, 20 мм	0,4	1,35	0,52
1.4 Минераловатные плиты, g=2,5 кН/см^2, h=50 мм	0,3	1,35	0,39
1.5 Пароизоляция (2 слоя пергамина)	0,05	1,35	0,065
2 Несущие элементы кровли
2.1 Стальной плоский лист	0,14	1,15	0,15
3 Металлические элементы покрытия
3.1 Стропильная ферма	0,27	1,15	0,28
3.2 Каркас фонаря	0,12	1,15	0,13
3.3 Связи покрытия	0,06	1,15	0,063
3.4 Прогоны	0,12	1,15	0,126
	q^нкр=1,99		q кр=2,418

Расчетная нагрузка от веса кровли g^н _кр, кН/м², без учета веса фонаря:

(6.1)

Определяем вес фонаря g_фн, кН/м², по формуле:

(6.2)

 

где  – нормативный вес фонаря.

Определяем вес бортовой стенки и остекления на единицу длины стенки g_б,ст, кН/м, по формуле:

(6.3)

 

где – нормативный вес стенки фонаря.

Вес конструкций фонаря учтем в местах его опирания на ферму.

Определим силы F_i, кН, в узлах фермы, причем силы F₀ и F₉ приложены к колоннам и в расчете не учитываются (рисунок 6.1):

(6.4)

где  – длина панели, примыкающей к рассматриваемому узлу,

 – вес фермы и связей на 1 м² горизонтальной проекции кровли.

 – вес кровли.

 – угол наклона верхнего пояса к горизонту,

– расстояние между фермами.

Рисунок 6.1 – Постоянная нагрузка на ферму

Определяем опорные реакции R_A и R_B, кН, по формуле:

(6.5)

Снеговая нагрузка

Рассмотрим первый вариант загружения (рисунок 6.2 а):

Расчетная нагрузка от снега, действующая на кровлю:

(6.6)

где m – коэффициент перехода от веса снега на земле к весу снега на покрытии по [5]; ;

– коэффициент перегрузки, g.

Определим силы F_i, кН, в узлах фермы, причем силы F₀ и F₇ приложены к колоннам и в расчете не учитываются:

(6.7)

 

 

 

 

Определяем опорные реакции  и , кН:

Рассмотрим второй вариант загружения (рисунок 6.2 б):

Определим силы F_i, кН, в узлах фермы, при условии, что ;

 где  м;

 

 

 

Определяем опорные реакции  и , кН:

а)

Рисунок 6.2 – Варианты снегового загружения

В связи с тем, что усилия, возникающие в стержнях от рамных моментов и распора значительно меньше, усилий, возникающих в стержнях от постоянной и снеговой нагрузки, можно эти усилия не рассчитывать. Таким образом, в расчеты принимая только постоянную и 2 снеговые нагрузки.

Подбор сечения стоек

Стержень 4-5.

Расчетное усилие N_4-5= -191,662 кН. Задаемся гибкостью l=160, j=0,224.

Требуемая площадь сечения:

 

Принимаем 2∟125х10, А =48,46 см², i _х =3,85 см, i _у =5,58 см.

Гибкости стержня

j _х = j _min =0,628;

j_у =0,779;

Условие выполняется.

Стержень 7-8.

Расчетное усилие–N_7-8= -182,609 кН. Задаемся гибкостью l=150, j=0,276.

Требуемая площадь сечения:

 

Принимаем 2∟125х8, А =39,38см², i _х =3,87см, i _у =5,55см.

Гибкости стержня

j _х = j _min =0,524;

j_у =0,800;

Условие выполняется.

Все расчеты сводим в таблицу 6.3.

Таблица 6.3 – Расчет сечений стержней фермы

Элемент

№ стержня

Расчетное усилие

Приня-тое сечение

Площадь, A. см².

Расчетная длина, см

Радиус инерции,см

Гибкость

[λ]

φmin

γc

Напряжение