Компоновка конструктивной схемы каркаса здания

Исходные данные

1. Пролет здания L = 30 м.

2. Длина здания l = 96 м.

3. Шаг поперечных рам B = 12м.

4. Район строительства г.Воронеж.

5. Здание отапливаемое.

6. Тип кровли – утепленная.

7. Утеплитель – пенопласт.

8. Высота до низа фермы H₁=21 м.

9. Класс бетона фундамента B15.

Компоновка конструктивной схемы каркаса здания

Компоновку поперечной рамы начинают с установления габаритных основных размеров элементов конструкций в плоскости рамы. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая ее нулевой. Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Вертикальные габариты здания зависят от технологических условий производства и определяются расстояниями от уровня пола до низа несущих конструкций покрытия H_1.

Определяем полезную высоту цеха Н_о:

H_o = H₁ = 21000мм

При высоте Н₀ > 10800 м Н₀ должно быть кратно 600 мм из условия соизмеряемости со стандартными ограждающими конструкциями.

Устанавливаем общую высоту колонны Н_к:

H_кол = H_о + h_загл

Принимаем h_загл = 600 мм.

H_кол = 21000 + 600 = 21600 мм.

Устанавливаем высоту верхней части колонны Н_в:

H_в = (1/3÷1/4)H_кол

Н_в = 1/3 * 21600 = 7200 мм.

Определяем высоту нижней части колонны Н_н:

H_н = H_кол - H_в

Н_н = 21600 – 7200 = 14400 мм.

Ширину верхней части колонны h_в принимаем 700 мм.

Должно выполняться условие:

h_в ≥ 1/12 H_в

700 ≥ 1/12 * 7200

700 ≥ 600 (мм) – условие выполняется.

Ширину нижней части колонны h_н принимаем 1200 мм.

Должно выполняться условие:

h_н ≥ 1/20 H_кол

1200 ≥ 1080 (мм) – условие выполняется.

Размеры фонаря выбирают в зависимости от пролета рамы. Для пролета 30000 мм– L_фон = 12000 мм.

Для фонаря шириной 12000 мм принимают две ленты остекления высотой по 1250 мм, суммарно 2500 мм. Карниз фонаря должен быть таким, чтобы суммарная высота борта и карниза фонаря была 900-1000 мм. Высоту фонаря определяем:

Н_фон = 2 * 1250 + 1000 = 3500 мм.

При плоских кровлях и фермах с элементами из парных уголков высота Н_ф (по обушкам уголков) принимается равной равной 3150 мм при пролетах 30000 мм.

 

Схема поперечной рамы

Расчётно-конструктивная часть

Для однопролетного одноэтажного производственного здания принимаем расчетную схему с жестким закреплением ригеля с колонной. При небольших уклонах пояса ферм ригель принимается прямолинейным и расположенным в уровне нижнего пояса ферм. При горизонтальных нагрузках и изгибающих моментах можно пренебречь малыми углами поворота верхних узлов рамы, то есть принять ригель абсолютно жестким. Известно, что расстояние между центрами тяжести верхнего и нижнего участков колонн:

e_o = (0,45÷0,55)(h_н - h_в),

где h_н и h_в ширина сечения нижнего и верхнего участков колонны.

Для статического расчета рамы задаются отношением моментов инерции элементов рамы, а не их абсолютными значениями:

I_н/ I_в = 5/1,

I_р/ I_н = 20/5,

где I_н, I_в, I_р – моменты инерции нижнего и верхнего участков колонны и ригеля.

 

I_н=5, I_р=20, I_в=1.

е_о = 0,5 * (1200 - 700) = 250 мм

 

 

Сбор нагрузок на раму

На поперечную раму действуют постоянные нагрузки массы ограждающих и несущих конструкций здания, атмосферные – от воздействия снега и ветра. Иногда учитывают особые нагрузки, например сейсмические.

 

Постоянные нагрузки

Постоянные нагрузки по длине ригеля принимают равномерно-распределенными. Величина расчетной постоянной нагрузки на 1м² покрытия:

Состав покрытия	Нормативная нагрузка, кН/м^2	Коэффициент надёжности по нагрузке	Расчётная нагрузка, кН/м^2
1. Защитный слой – битумная мастика	0,4	1,3	0,52
2. Гидроизоляция – 4 слоя рубероида	0,2	1,3	0,26
3. Утеплитель минеральные плиты пенобетон пенопласт	0,18 0,74 0,03	1,2 1,2 1,2	0,22 0,89 0,04
4. Пароизоляция – 1 слой рубероида	0,05	1,3	0,07
5. Стальная панель из профнастила	0,35	1,05	0,37
6. Собственная масса металлических конструкций	0,3	1,05	0,32

 

g^норм = 0,4 + 0,2 + 0,03 + 0,05 + 0,35 + 0,3 = 1,33 кН/м²

g^рас = 0,52 + 0,26 + 0,04 + 0,07 + 0,37 + 0,32 = 1,58 кН/м²

Расчетную равномерно – распределенную линейную нагрузку вычисляем по формуле:

g^рас = 1,58 кН/м²

В = 12 м

cosα = 1, так как α ~ 0.

q^пост = 1,58 * 12 / 1 = 18,96 кН/м²

Опорная реакция ригеля рамы определяем по формуле:

F_ригеля = 18,96 * 30 / 2 = 284,4 кН

Расчетный вес нижней части колонны определяем по формуле:

где γ_n – коэффициент надежности по назначению, равный 0,95.

γ_­f – коэффициент надежности по нагрузке, равный 1,05.

q_i - расход стали на колонну, q_i = 0.3 кН/м.

L = 30 м, В = 12 м.

G_кол = 0,95 * 1,05 * 0,3 * (30/2) * 12 = 53,86 кН.

Так как стены приняты самонесущими, нагрузки от стенового ограждения и остекления не учитываем.

Снеговая нагрузка

Снеговая нагрузка зависит от района строительства. Расчетное значение веса снегового покрова принимаем по СНиПу «Нагрузки и воздействия». Вертикальная линейно-распределенная нагрузка на ригель рамы от снега определяется:

q_s = µ S_g B,

где µ – коэффициент перехода от нагрузки на земле к нагрузке на 1 м² проекции кровли равный 1, при α< 25°.

S_g – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли.

S_g = 1,8 кН/м² (III район строительства г.Воронеж).

В = 12 м.

q_s = 1 * 1,8 * 12 = 21,6 кН/м².

Опорная реакция ригеля от снеговой нагрузки:

F_ригеля = 21,6 * 30 / 2 = 324 кН.

 

Ветровая нагрузка

Давление на высоте 10 м над поверхностью земли в открытой местности называется скоростным напором ветра и обозначается q₀(w₀). Увеличение при большей высоте учитывается коэффициентом k. За зданием (по направлению ветра) возникает зона пониженного давления и появляется нагрузка q^’₀, направленная также как q₀. Условие обтекания ветром учитывает аэродинамический коэффициент с.

n – коэффициент перегрузки, n=1,2.

w₀ = 0,3 кН/м² – ветровое давление (II ветровой район строительства, г.Воронеж).

k принимается для городов с окраинами:

Высота k

10м 0.65

20м 0.85

30м 0.98

40м 1.1

с – аэродинамический коэффициент с наветренной стороны с=0.8, с подветренной с=0.6.

В – шаг поперечных рам, В=12 м.

Расчетная нагрузка с наветренной стороны:

q_в = 1,2 * 0,3 * k * 0,8 * 12 = 3,456k

С подветренной стороны:

q_в = 1,2 * 0,3 * k * 0,6 * 12 = 2,592k

Нагрузка с учетом коэффициента k.

С наветренной стороны:

Высота q_в

10 м q_в = 3,456 * 0,65 = 2,246 кН/м

20 м q_в = 3,456 * 0,85 = 2,938 кН/м

30 м q_в = 3,456 * 0,98 = 3,387 кН/м

40 м q_в = 3,456 * 1,1 = 3,802 кН/м

Общая высота здания складывается из высоты колонны, высоты фермы и фонаря:

H_общ = Н_в + Н_н + Н_фон + Н_ф

H_общ = 7,2 + 14,4 + 3,5 + 3,15 = 28,25 м

Нагрузка на этой высоте q₁:

Нагрузка на высоте колонны Н_кол = 21,6 м q₂:

С подветренной стороны:

Высота q_в

10 м q_в = 2,592 * 0,65 = 1,685 кН/м

20 м q_в = 2,592 * 0,85 = 2,203 кН/м

30 м q_в = 2,592 * 0,98 = 2,54 кН/м

40 м q_в = 2,592 * 1,1 = 2,851 кН/м

Нагрузка на высоте 28,25 м:

Нагрузка на высоте 18 м:

Сосредоточенные силы от ветровой нагрузки с наветренной стороны:

h^’ = H_ф + Н_фон = 3,15 + 3,5 = 6,65 м

Сосредоточенная сила с подветренной стороны:

Для удобства расчета фактическую линейную нагрузку (в виде ломаной прямой) заменяем эквивалентной равномерно-распределенной по всей длине:

q_э = q_в10 * a

q^’_э = q^’_в10 * a

q_в10, q^’_в10 – расчетная ветровая нагрузка на высоте 10м.

С наветренной стороны: q_в10 = 2,246 кН/м

С подветренной стороны: q^’_в10 = 1,685 кН/м

а = k_э – коэффициент, который принимается в зависимости от высоты Н_кол, Н_кол = 21,6 м.

Высота а

10 м 1

15 м 1.04

20 м 1.1

25 м 1.17

30 м 1.23

35 м 1.29

При высоте Н = 21,6 м:

q_э = 2,246 * 1,122 = 2,52 кН/м

 

q^’_э = 1,685 * 1,122 = 1,891 кН/м

 

ЭЛЕМЕНТЫ ФЕРМ

Общие характеристики

Группа конструкции по таблице 50* СНиП: 1

Сталь: C255 - лист 4-10 мм

Расчетное сопротивление стали R_y= 24,0 kN/см²

Коэффициент надежности по назначению 1,15

 

 

При подборе и проверке элементов ферм приняты следующие значения коэффициента условий работы:

- поясов, опорных раскосов, растянутых элементов решетки, сжатых элементов решетки крестового сечения - 0.95

- сжатых элементов решетки таврового сечения при гибкости их больше 60 - 0.8

 

Тип фермы

Пролет фермы L = 30,0 м

Высота фермы H = 3,15 м

Количество панелей верхнего пояса 10

 

Раскрепления из плоскости

Узлы верхнего пояса: все

Узлы нижнего пояса: только крайние

 

 

Сечение верхнего пояса - Уголок равнополочный по ГОСТ 8509-93 L150x18

Сечение нижнего пояса - Равнополочный уголок по Euronorm 56-77 L180x180x16

Сечение раскосов - Равнополочный уголок по Euronorm 56-77 L120x120x15

Сечение стоек - Равнополочный уголок по Euronorm 56-77 L110x110x12

Сечение опорных раскосов - Равнополочный уголок по Euronorm 56-77 L90X90x9

 

Сечение верхнего пояса

 

Сечение: Уголок равнополочный по ГОСТ 8509-93 L150x18

 

Загружения

Загружение 1 - Постоянное

Пояс, к которому приложена нагрузка: верхний

 

Загружение 2 - Снеговое

Пояс, к которому приложена нагрузка: верхний

 

 

Усилия в элементах фермы

 

(Значения усилий приведены в kN)

 

№ эл.	Комбинации	Загружения
	Nmin	Nmax
Верхний пояс
	-614,069	-295,879	-257,286	-276,688
	-614,069	-295,879	-257,286	-276,688
	-1427,157	-713,164	-620,143	-620,863
	-1427,157	-713,164	-620,143	-620,863
	-1673,217	-837,364	-728,143	-726,829
	-1673,217	-837,364	-728,143	-726,829
	-1443,769	-713,164	-620,143	-635,309
	-1443,769	-713,164	-620,143	-635,309
	-628,84	-295,879	-257,286	-289,531
	-628,84	-295,879	-257,286	-289,531
Нижний пояс
	0,0	0,0	0,0	0,0
	533,6	1089,788	464,0	483,642
	806,314	1609,625	701,143	698,531
	806,314	1617,932	701,143	705,754
	533,6	1110,096	464,0	501,301
	5,44205e-15	1,14561e-14	9,96181e-15	-5,22959e-15
Раскосы
	429,024	890,401	373,064	401,197
	-689,792	-344,696	-299,736	-300,084
	260,368	489,184	226,407	198,97
	-264,58	-135,067	-117,45	-112,619
	45,023	92,208	39,15	41,031
	45,023	80,164	39,15	30,558
	-252,536	-135,067	-117,45	-102,146
	260,368	483,826	226,407	194,311
	-697,822	-344,696	-299,736	-307,066
	429,024	911,818	373,064	419,821
Стойки
	-644,773	-310,673	-270,15	-290,522
	-145,268	-61,065	-53,1	-73,22
	-162,644	-90,735	-78,9	-62,53
	-124,821	-65,205	-56,7	-51,84
	-167,486	-90,735	-78,9	-66,74
	-154,963	-61,065	-53,1	-81,65
	-660,282	-310,672	-270,15	-304,008

 

Результаты расчета

Проверено по СНиП	Фактор	Коэффициент использования
п.5.1	прочность верхнего пояса	0,71821
п.5.3	устойчивость верхнего пояса в плоскости фермы	0,92596
п.5.3	устойчивость верхнего пояса из плоскости фермы	0,817336
пп. 6.1-6.4,6.15	гибкость верхнего пояса	0,529303
п.5.1	прочность нижнего пояса	0,642306
пп. 6.1-6.4,6.16	гибкость нижнего пояса	0,925351
п.5.1	прочность раскосов	0,45102
п.5.3	устойчивость раскосов в плоскости фермы	0,941865
п.5.3	устойчивость раскосов из плоскости фермы	0,775637
пп. 6.1-6.4,6.15	гибкость раскосов	0,557816
п.5.1	прочность стоек	0,575969
п.5.3	устойчивость стоек в плоскости фермы	0,994109
п.5.3	устойчивость стоек из плоскости фермы	0,728177
пп. 6.1-6.4,6.15	гибкость стоек	0,785765
п.5.1	прочность опорных раскосов	0,606213
пп. 6.1-6.4,6.15	гибкость опорных раскосов	0,398238

 

Список используемой литературы

1. Металлические конструкции / Под ред. Горева В.В- М.: Высш. шк., 2001.

2. СНиП 2.01.-85^*. Нагрузки и воздействия.-М.: Стройиздат,1996.

3. СНиП ІІ-23-81^*. Стальные конструкции.-М.: Стройиздат, 1998.

4. Металлические конструкции: Учеб. Пособие для техникумов/ А.А. Васильев. – М: Стройиздат, 1979.

 

Исходные данные

1. Пролет здания L = 30 м.

2. Длина здания l = 96 м.

3. Шаг поперечных рам B = 12м.

4. Район строительства г.Воронеж.

5. Здание отапливаемое.

6. Тип кровли – утепленная.

7. Утеплитель – пенопласт.

8. Высота до низа фермы H₁=21 м.

9. Класс бетона фундамента B15.

Компоновка конструктивной схемы каркаса здания

Компоновку поперечной рамы начинают с установления габаритных основных размеров элементов конструкций в плоскости рамы. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая ее нулевой. Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Вертикальные габариты здания зависят от технологических условий производства и определяются расстояниями от уровня пола до низа несущих конструкций покрытия H_1.

Определяем полезную высоту цеха Н_о:

H_o = H₁ = 21000мм

При высоте Н₀ > 10800 м Н₀ должно быть кратно 600 мм из условия соизмеряемости со стандартными ограждающими конструкциями.

Устанавливаем общую высоту колонны Н_к:

H_кол = H_о + h_загл

Принимаем h_загл = 600 мм.

H_кол = 21000 + 600 = 21600 мм.

Устанавливаем высоту верхней части колонны Н_в:

H_в = (1/3÷1/4)H_кол

Н_в = 1/3 * 21600 = 7200 мм.

Определяем высоту нижней части колонны Н_н:

H_н = H_кол - H_в

Н_н = 21600 – 7200 = 14400 мм.

Ширину верхней части колонны h_в принимаем 700 мм.

Должно выполняться условие:

h_в ≥ 1/12 H_в

700 ≥ 1/12 * 7200

700 ≥ 600 (мм) – условие выполняется.

Ширину нижней части колонны h_н принимаем 1200 мм.

Должно выполняться условие:

h_н ≥ 1/20 H_кол

1200 ≥ 1080 (мм) – условие выполняется.

Размеры фонаря выбирают в зависимости от пролета рамы. Для пролета 30000 мм– L_фон = 12000 мм.

Для фонаря шириной 12000 мм принимают две ленты остекления высотой по 1250 мм, суммарно 2500 мм. Карниз фонаря должен быть таким, чтобы суммарная высота борта и карниза фонаря была 900-1000 мм. Высоту фонаря определяем:

Н_фон = 2 * 1250 + 1000 = 3500 мм.

При плоских кровлях и фермах с элементами из парных уголков высота Н_ф (по обушкам уголков) принимается равной равной 3150 мм при пролетах 30000 мм.

 

Схема поперечной рамы