Компоновка конструктивной схемы поперечной рамы

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

«Стальной каркас одноэтажного промышленного здания»

по дисциплине «Металлические конструкции»

 

по направлению (специальности) 08.03.01 «Строительство»

уровень – бакалавриат для студентов ИВД

 

 

Москва 2017

Е.А. Захаренко

Металлические конструкции. Рекомендации по курсовому проекту для студентов для студентов по направлению подготовки 08.03.01 «Строительство» (уровень бакалавриата) / РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ -

МСХА ИМЕНИ К.А. ТИМИРЯЗЕВА. …………………………– 2017. – 109с.

 

Для рассмотренного примера проведён расчет поперечной рамы, определены её общие характеристики. Найдены все размеры поперечной рамы, характеристики, необходимые для дальнейшего статического расчёта. Рассчитаны постоянные и временные нагрузки поперечной рамы. Несущей конструкцией покрытия рамы выбрана ферма с параллельными поясами, пролётом 24 м, поперечное сечение - стержни из парных уголков. Для постоянной и временной снеговой нагрузок проведён статический расчет и определены расчётные усилия на сжатие и растяжение всех стержней фермы. Площади сечений стержней фермы соответствуют расчётным усилиям, что подтверждается проверками прочности. Найдены длины сварных швов прикрепления стержней фермы, предложена конструкция опорного узла. Для подбора сечений элементов рамы, расчёта ее узлов сопряжения и других деталей проведён статический расчет и определены максимальные усилия (изгибающие моменты, продольные и поперечные силы). Рассмотрена методика оценки максимальных усилий при воздействии постоянных и временных нагрузок. Определены максимальные усилия во всех требуемых сечениях рамы.

Проведен расчет устойчивости верхней части колонны как внецентренно-сжатого стержня, в плоскости и из плоскости эксцентриситета.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

.. 1

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА.. 1

ВВЕДЕНИЕ. 4

Задание на проектирование. 6

1. КОМПОНОВКА КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ.. 7

2. СБОР НАГРУЗОК ДЕЙСТВУЮЩИХ НА КАРКАС. 11

2.1. Постоянная нагрузка. 11

2.2. Временные нагрузки. 14

Пример расчет по разделам 2.1 и 2.2. 16

3. ПОКРЫТИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ. 18

3.1. Покрытие по прогонам.. 18

3.2. Беспрогонное покрытие. 20

4. НЕСУЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ПОКРЫТИЯ - ФЕРМА.. 21

4.1. Характеристики ферм.. 21

4.2. Расчет стропильной фермы. Определение расчетных усилий в стержнях ферм.. 24

Пример расчета по разделу 5.2. 25

4.3. Типы сечений стержней легких ферм. 29

4.4. Основные конструктивные требования. 30

4.5. Предельные гибкости стержней. 30

4.6. Определение расчетной длины стержней. 31

4.7. Толщина фасонки. 31

4.8. Подбор сечений стержней фермы.. 32

Пример расчета по разделу 5.8. 35

5. Конструирование узлов.. 41

5.1 Конструирование и расчет промежуточных узлов. 41

Пример расчета по п.5.9.1. 45

5.2 Конструирование и расчет опорного узла фермы.. 55

Пример расчета по п.5.9.2. 58

5.3 Конструирование и расчет укрупнительного узла. 62

Пример расчета по п.5.9.3. 65

5.4 Связи (прокладки) в составных элементах фермы.. 70

ПРИЛОЖЕНИЯ. 74

ВЫБОРКА ИЗ СОРТАМЕНТА.. 79

Сталь широкополосная (универсальная) по ГОСТ 82-70. 79

Сталь толстолистовая по ГОСТ 19903-74. 79

Сталь полосовая но ГОСТ 103-76. 79

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 91

 

ВВЕДЕНИЕ

 

    Стальной каркас промышленного здания является основной несущей конструкцией, поддерживающий кровлю и стены, а также подвесные краны, обслуживающих производство.

    Основным элементом несущего стального каркаса, воспринимающего почти все действующие на них нагрузки, являются плоские поперечные рамы, образованные колоннами и стропильными фермами. Рамы ставятся одна за другой с определенными расстояниями между ними, называемыми шагом. Каркас здания должен обладать пространственной жесткостью, что достигается устройством связей в продольном и поперечном направлениях.

    Для конструкций покрытия основными расчетными нагрузками являются снеговая и собственный вес покрытия.

    Дополнительной нагрузкой для рамы является воздействие ветровой нагрузки.

    В данном методическом пособии приведена методика и примеры расчетов стропильной фермы и её элементов.

        

 

Задание на проектирование

    Исходными данными при проектировании являются:

    - пролет рамы (фермы) ;

    - очертание фермы: с параллельными поясами (уклон i = 0);

    - высота фермы в коньке ;

    - шаг колонн (ферм) , что определяется видом покрытия: железобетонные плиты  м;

    - нормативные максимальная и минимальная крановые нагрузки от подвесного крана ;

    - высота цеха от уровня пола (нулевой отметки) до низа ригеля

;

    - заглубление базы колонны от уровня пола ;

    - длина здания ;

    - материалконструкций (сталь);

    - место строительства.

    Расчетные сопротивления сталей и сварных соединений определяют по приложению 8.

Рис. 1.1. Конструктивная схема каркаса с фермой 24 м.

а – с беспрогонным покрытием; б – с покрытием по прогонам.

Рис. 1.2. Конструктивная схема каркаса с фермой 30 м.

а – с беспрогонным покрытием; б – с покрытием по прогонам.

Рис. 2.1. Грузовая площадь сечения

 

    2.2. Временные нагрузки

    Снеговая нагрузка определяется районом строительства и конфигурацией поперечного разреза здания.

    Расчетную нагрузку принимаем равномерно распределенной по длине фермы и определяем по формуле:

где  – расчётное значение веса снегового покрова на 1  горизонтальной поверхности земли, принимаемое в зависимости от района строительства по СниП 2.01.07-85*(т.4) [1];

      – коэффициент перехода от веса снегового покрова на поверхности земли к снеговой нагрузке на покрытии, зависящий от конфигурации кровли.

    Коэффициент  для однопролетных зданий без фонарей принимаем при угле наклона кровли , при , а в интервале  значения коэффициента  определяют интерполяцией.

    Нормативное значение снеговой нагрузки  следует определять умножением расчетного значения на коэффициент 0,7.

    Схема снеговой нагрузки на раму показана на рис.2.2, а.

    Ветровая нагрузка на сооружение вызывает давление с наветренной стороны и отсос с заветренной. Направление активного давления и отсоса совпадают с направлением ветра. Расчетные погонные нагрузки (кН/м) на поперечные рамы зданий от активного давления  и отсоса  могут быть вычислены по формулам:

где  – нормативное значение ветрового давления, принимаемое в зависимости от района строительства по СНиП 2.01.07-85* (т.5) [1];

      k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте (для проектируемых зданий можно принимать );

       – аэродинамические коэффициенты, зависящие от конфигурации здания; для производственных зданий прямоугольных в плане ; для плоских покрытий,  для двускатных покрытий;

       – коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый 1,4.

       Схема ветровой нагрузки на раму показана на рис.2.2, б.

   

Рис.2.2. Конструктивные и расчетные схемы однопролетных рам при жестком сопряжении ригеля с колонной.

 

    Необходимо учитывать также давление ветра на боковые плоскости покрытия, которое прикладывается в уровне нижних поясов строительных ферм в виде сосредоточенных сил.

    Величина этой силы от активного давления W и отсоса W ’ соответственно равна:

где  - высота ригеля (фермы).

 

    Крановая нормативная вертикальная нагрузка задается для подвесных кранов в виде максимальной и минимальной величин (. Точки приложения этих сил, соответствующие местам прикрепления балок монорельса, по которым движется подвесной кран легкого режима работы, указываются на рис.2.2, в.

Расчетная крановая нагрузка определяется:

где  – коэффициент надежности по нагрузке для кранового воздействия.

    Расчетную горизонтальную крановую нагрузку, учитываемую при расчете рам, приближенно вычисляем по формуле:

Пример расчет по разделам 2.1 и 2.2.

    2.1. Постоянная нагрузка

Крановая нагрузка

Расчетная крановая нагрузка определяется:

где  - коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок.

    Расчетная крановая нагрузка:

Рис.3.1. Промежуточный узел фермы

1- самонарезающий винт; 2 – комбинированная заклепка.

Рис.3.2. Прогон. Разложение нагрузки на составляющие

 

    Расчет сплошного прогона

    Прогоны, работающие на наклонном верхнем поясе, подвержены косому изгибу. Расчет их производят на нагрузку от веса кровли и снега. Эту погонную нагрузку раскладывают на составляющие по главным осям сечения прогона (рис.3.2):

нормальному скату:

вдоль ската:         

    Погонную вертикальную нагрузку на прогон определяют по формулам:

где   нормативная и расчетная нагрузки в кПа от веса  кровли (таб.2.2);

  нормативная расчетная нагрузки в кПа от веса снегового покрова;

  угол наклона кровли;

  расстояние между прогонами в плане ();

  нормативная погонная нагрузка от собственного веса прогона (принимаем равной );

  расчетная погонная нагрузка от собственного веса прогона.

    Прогон имеет малую жесткость относительно оси , по этой причине даже небольшой изгибающий момент вдоль ската  вызывает в нем большие напряжения и требует значительного увеличения прогона. Между прогонами ставят тяжи, что и позволяет уменьшить неблагоприятное влияние скатных составляющих (нагрузки ).

    Расчетные изгибающие моменты в прогоне могут быть определены по формулам:

    Подбор сечения прогона удобно производить, задаваясь соотношением моментов сопротивления:

    В результате определяют требуемый момент сопротивления относительно оси наибольшей жесткости (ось ):

где   расчетное сопротивление для фасонной стали толщиной 20 мм.

    По приложению 5 подбираем сечение.

    Полученное сечение проверяют на прочность по нормальным напряжениям:

    Тяжи принимают конструктивно из круглой стали диаметром .

    Прогиб прогонов проверяют только в плоскости его наибольшей жесткости (относительно оси ):

где   предельный прогиб;

  нормативная нагрузка относительно оси .

    Если условие прочности и прогиба не выполнено, то необходимо увеличить сечение прогона и повторно сделать проверки.

Беспрогонное покрытие

    В случае беспрогонного покрытия для теплой кровли применяют крупнопанельные железобетонные плиты. Укладывают плиты на верхние пояса стропильных ферм.

    Размер плит составляет  и  м, данный размер зависит от шага ферм.

    В углах плиты имеют закладные детали, которые и приваривают к поясам ферм. По плитам укладывают утеплитель толщиной не менее 20 мм, выравнивающую асфальтовую стяжку и гидроизоляционный ковер.

Рис. 3.3. Промежуточный узел фермы с покрытием из железобетонных плит

Характеристики ферм

В качестве несущего элемента покрытия могут быть использованы различного вида балок, ферм, арок и т.д. В курсовом проекте в качестве ригеля принята ферма.

Ферма – это конструкция, в которой концы стержней соединяются в узлах, образуя статически неизменяемую систему, к которой нагрузка, как правило, прикладывается только в узлах. Благодаря узловой передачи нагрузки, стержни фермы подвергаются только осевым воздействиям растягивающих или сжимающих сил.

В зависимости от назначения ферм, материала кровли, системы водоотвода и экономических соображений, очертания поясов ферм могут быть (рис.5.1):

- с параллельными поясами;

- односкатные;

- трапециевидные;

- треугольные.

В курсовом проекте используют фермы двух типов: трапециевидные и с параллельными поясами (рис.5.1,в-г).

Фермы трапециевидного очертания(рис.5.1,в) обычно имеют уклоны верхнего пояса в пределах 1/8...1/12. Такое очертание ферм лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества. В сопряжении с колоннами позволяет устраивать жесткие рамные узлы, что повышает жесткость здания. Решетки таких ферм не имеют длинных стержней в середине пролета.

Фермы с параллельными поясами (рис.5.1,г) по своему очертанию далеки от эпюр моментов и неэкономичны по расходу стали. Однако равные длины элементов решетки, одинаковая схема узлов, повторяемость элементов и деталей, возможность их унификации способствуют индустриализации их изготовления. Поэтому фермы с параллельными поясами стали основными для покрытия производственных зданий.

По типу решетки фермы могут быть (рис.5.2):

- раскосные;

- треугольные;

- крестовые;

- ромбические и др.

Рис.5.1. Очертание поясов ферм.

а - сегментное; б – полигональное; в – трапециевидное; г – с параллельными поясами; д-и – треугольное.

 

Решетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки.

От системы решетки зависит вес фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид. Поскольку нагрузка на ферму передается в узлах, то решетка должна соответствовать схеме приложения нагрузки.

В курсовом проекте используют фермы с треугольным типом решетки (рис.5.2,а-б).

Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами рациональной является треугольная система решетки (рис.4.2,а), дающая наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. В фермах, поддерживающих прогоны кровли или балки настила, к треугольной решетке часто добавляют дополнительные стойки (рис.4.2,б), а иногда и подвески, позволяющие уменьшить расстояние между узлами фермы. Дополнительные стойки уменьшают также расчетную длину сжатого пояса. Работают дополнительные стойки только на местную нагрузку и не участвуют в передаче на опору поперечной силы. 

Рис.5.2. Система решетки ферм

а – треугольная; б – треугольная с дополнительными стойками; в- раскосная с восходящими раскосами; г – раскосная с нисходящими раскосами; д – шпренгельная; е – крестовая; ж – перекрестная; и – ромбическая; к – полураскосная

Пример расчета по разделу 5.2.

    Расчетные узловые сосредоточенные силы, действующие на промежуточные узлы:

- от постоянной нагрузки

- от снеговой нагрузки

    Расчетная узловая нагрузка на промежуточные узлы фермы:

Для определения усилий в стержнях ферм воспользуемся графическим методом, т.е. построением диаграммы Максвелла-Кремоны. Диаграммы представлена на рис. 5.3.

 

Рис. 5.3. Диаграмма Максвелла-Кремоны от единичной нагрузки

Крановая нагрузка:

    Определение расчетных усилий в стержнях фермы выполнено в табличной форме (таб.5.1).

 

 

Рис. 5.4. Диаграмма Максвелла-Кремоны от крановой нагрузки

 

 

Рис.5.5. Типы сечения стержней легких ферм.

а – трубчатое; б – прямоугольное гнуто замкнутое; в-д – из двух уголков в виде тавра;

е –из одиночного уголка; ж – крестовое.

4.4. Основные конструктивные требования

    Для несущих элементов конструкций покрытий, за исключением настилов, из-за условий транспортировки и монтажа не допускается применение: листовой стали толщиной менее 6 мм; равнополочной угловой стали сечением менее  мм; неравнополочной угловой стали сечением менее  мм.

    Катет угловых сварных швов должен быть не менее 4 мм( мм), длина – не менее 40 мм или  ().

Толщина фасонки

    Толщину фасонок, с помощью которых образуют узлы ферм с поясами из уголков, определяют по наибольшему усилию в опорном раскосе, причем толщина фасонки обычно принимается одинаковой для всей фермы.

    Требуемая толщина фасонок представлена в табл.5.3.

Таблица 5.3

Максимальные усилия в стержнях решетки, кН	до 150	150-200	250 до 400	400 до 600	600 до 1000	1000 до 1400	1400 до 1800	1800 до 2200	2200 до 2600	2600 до 3000
Толщина фасонки, мм	6	8	10	12	14	16	18	20	22	25

Исходя из максимальных усилий в стержнях N_6e = 853кН, N_1д = 802кН, в соответствии с таблицей 5.3 назначаем толщину фасонок 14мм.

 

Пример расчета по разделу 5.8.

Толщина фасонки

Опорный раскос а – б

.

    Задаемся гибкостью (см. таб.5.2):

  С255 до 10 мм включительно;

.

    Находим требуемую площадь сечения стержня:

    Площадь сечения одного уголка

Принимаем .

    Подобранное сечение необходимо проверить. Для этого определяют фактическую гибкость:

Проверка стержня на устойчивость:

Устойчивость обеспечена.

Раскос б - в

.

    Требуемую площадь поперечного сечения:

    Требуемая площадь сечения уголка:

Принимаем .

    Подобранное сечение проверяем на прочность:

Прочность обеспечена.

Стойка в-г и е-е’

    Задаемся гибкостью (см. таб.5.2):

  С255 до 10 мм включительно;

.

Находим требуемую площадь сечения стержня

Площадь сечения одного уголка

Принимаем .

    Подобранное сечение необходимо проверить. Для этого определяют фактическую гибкость:

Проверка стержня на устойчивость:

Устойчивость обеспечена.

Раскос г-д

.

Задаемся гибкостью (см. таб.5.2):

  С255 до 10 мм включительно;

.

    Находим требуемую площадь сечения стержня:

    Площадь сечения одного уголка:

Принимаем .

    Подобранное сечение необходимо проверить. Для этого определяют фактическую гибкость:

Проверка стержня на устойчивость:

Устойчивость обеспечена.

Раскос д-е

.

    Требуемую площадь поперечного сечения:

    Требуемая площадь сечения уголка:

Принимаем .

    Подобранное сечение проверяем на прочность:

Прочность обеспечена.

    Окончательные результаты подбора стержней фермы сводим в таб.5.4.

 

Таблица подбора сечений стержней фермы

Таблица 5.4

Наименование стержня	Обозначение стержня	Расчетное усилие, кН	Тип и размеры сечения	Площадь сечения, А,	Расчетная длина, см		Радиус инерции, см		Гибкость				σ, кН/см^2	Принятое сечение
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Верхний пояс	3 - а	0
	4 - в	-649,93
	5 - г	-649,93
	6 - е	-853,07	∟140х10	54,66	300	600	4,33	6,12	69,28	196	0,669	1	233,3	∟140х10
Нижний пояс	1 - б	+374,61
	1 - д	+802,3	∟110х8	34,4	600		3,39		176,99			1	233,2	∟110х8
Раскосы	а - б	-568,48	∟140х10	54,66	453,43	453,43	4,33		104,72		0,453	1	229,6	∟140х10
	б - в	-413,82	∟75х6	17,56	453,43	453,43	2,3		197,16			1	235,7	∟80х6
	г - д	-237,31	∟110х7	30,3	362,72	453,43	3,4		106,7		0,442	0,8	215	∟110х8
	д - е	+92,39	∟50х5	7,78	453,43		1,54		116,56			1	118,7	∟80х6
Стойки	в - г	-115,36	∟80х6	7,36	272	340	2,47		110,12		0,424	0,8	184,7	∟80х6
	е - ж	-115,36	∟80х6	7,36	272	340	2,47		110,12		0,424	0,8	184,7	∟80х6

 

 

Конструирование узлов

    Конструирование начинают с нанесения схемы узла: оси сходящихся в нем элементов, затем контуры последних, начиная с пояса. С осевыми линиями схемы совмещают линии центров тяжести элементов. Для нанесения контуров уголков от осевых линий откладывают в сторону обушка уголка расстояние Zо. От проведенной на этом расстоянии линии откладывают в противоположную сторону полную ширину уголка b (по приложению 4).

    После нанесения контура элементов показывают обрез уголков решетки так, чтобы в сварных узлах между краями пояса и элементов решетки оставался зазор 40-50 мм для уменьшения влияния усадки швов. Такое же расстояние желательно соблюдать между краями соседних элементов решетки в узлах. Обрезают торец уголка перпендикулярно к его оси.

    Следующая операция по конструированию узлов заключается в нанесении связей, крепящих элементы к фасонке, - сварных швов. В зависимости от расположения швов назначают очертания фасонок, стремясь к наиболее простому очертанию их: прямоугольник, прямоугольная трапеция, параллелограмм. Входящие углы в фасонках недопустимы; длинные и узкие, далеко выступающие части фасонки малонадежны и не рекомендуются к применению.

Катеты угловых сварных швов

Таблица 5.5

	4 - 5	6 -10	11 -16	17 -22	23 -32	33 - 40
	4	5	6	7	8	9

Рис. 5.9. Фланговый шов

Длину швов определяют независимо от направления усилия по формулам:

 

где  коэффициент для ручной сварки;

      расчетное сопротивление сварного соединения с угловыми швами по металлу шва (табл.);

        коэффициенты условий работы конструкции и соединения;
    1см - добавление к длине шва, компенсирующее непровар.

    Полученные длины швов округляют кратно 10 мм в большую сторону.

    Минимальная длина сварного шва – 40 мм, максимальная длина флангового шва - .

    Найденные длины швов откладывают на чертеже со стороны обушка и пера уголков, образующих стержни решетки, и вычерчивают узловую фасонку.

    Фасонки ферм с треугольной решеткой (именно она используется в курсовом проекте) конструируют прямоугольного сечения.

    Для обеспечения плавной передачи усилий и снижение концентрации напряжений угол между краем фасонки и элементом решетки должен быть не менее 15 .

    Длина швов, прикрепляющих фасонку к поясу, определяется размерами фасонки и измеряется по чертежу. Задача здесь сводится к определению требуемого катета шва.

    Прикрепление фасонки к поясу из уголков, если в узле не устраивают стык пояса, должно быть рассчитано на равнодействующую усилий всех элементов решетки , примыкающих непосредственно к узловой фасонке. В прямолинейном поясе эта равнодействующая равна разности усилий в соседних панелях. Если к поясным уголкам в узле приложена сосредоточенная нагрузка (что имеет место в верхних узлах стропильных ферм), то швы, прикрепляющие фасонки к поясу, рассчитывают на равнодействующее усилие от сосредоточенной нагрузки и разности усилий в соседних панелях (указанное не относится к случаю, когда сосредоточенная сила прикладывается непосредственно к фасонке, что имеет место, например в узлах крепления балки монорельса).

    Таким образом, катет швов, прикрепляющих фасонку к поясу, может быть определен по формулам:

где           фактические длины швов со стороны пера и обушка с учетом непровара (от измененной на чертеже длины швов следует вычесть по 1 см на непровар; если со стороны обушка выступающая часть состоит из двух участков, то из длины каждого из них следует вычесть по 1 см на непровар);

  для случаев, когда нет сосредоточенной нагрузки в узле;

 для случаев, когда в узле действует сосредоточенная нагрузка;

  усилия в смежных панелях ();

 узловая сосредоточенная нагрузка, складывается из снеговой и постоянной узловой нагрузок (см.раздел 5.2);

  угол, определяющий уклон верхнего пояса.

Разность усилий, где к нему примыкает только стойка (рис.5.9.3), равно нулю, крепление стойки к фасонке и фасонки к поясу здесь производят на расчетное усилие в стойке .

Рис.5.9.1. Конструкция промежуточного узла

Пример расчета по п.5.9.1.

 коэффициент для ручной сварки;
 расчетное сопротивление сварного соединения с угловыми швами по металлу шва;

  коэффициенты условий работы конструкции и соединения;
1см добавление к длине шва, компенсирующее непровар.

Узел а-б-в

Раскос а-б

.

    Длина шва со стороны пера:

Длина шва со стороны обушка:

Раскос б-в

.

Длина шва со стороны пера:

Длина шва со стороны обушка:

Катет швов, прикрепляющих фасонку к поясу.

Находим катет шва со стороны пера:

 - в узле действует сосредоточенная нагрузка;

Длина шва со стороны обушка:

Узел представлен на рис.5.9.2.

 

 

Рис.5.9.2. Промежуточный узел а-б-в

Узел в-г

Стойка в-г и е-е’

.

      Длина шва со стороны пера: