Расчет поперечной рамы производственного здания

 

Поперечные рамы являются основными несущими конструкциями здания. Они воспринимают все нагрузки, действующие на здания, и передают их на грунт.

Поперечная рама состоит из колонн и ригелей, которыми являются стропильная ферма.

В зависимости от конструкции сопряжения ригеля с колонной различают рамы с жесткими узлами и с шарнирными прикреплениями ригеля. Достоинством рамы с жестким сопряжением является большая жесткость при воздействии горизонтальных нагрузок. Такие рамы применяют в однопролетных зданиях высотой более 10 м или при установке в здании мостовых кранов грузоподъемностью более 20 тонн. В иных случаях применяют рамы с шарнирным сопряжением.

Исходные данные данного курсового проекта:

- шаг колонн (длина подкрановой балки,) L ₁ =12 м;

- грузоподъемность кранов, Q =50т;

- группа режимов работы кранов – 3К;

- пролет здания L =36 м;

- длина здания –132 м;

- отметка оголовки кранового рельса Н_кр =9,75м;

- тип покрытия – стальной плоский лист;

- уклон кровли – α=1/10;

- район строительства – г. Красноярск.

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.