Определение расчётных нагрузок.

Задание на курсовой проект

Запроектировать элементы одноэтажного однопролетного производственного здания по исходным данным:

Запроектировать:

1 Стальную ферму (с разработкой чертежей КМД).

2 Подкрановую составную сварную балку.

3 Стальную колонну.

4 Базу колонны (жесткое сопряжение).

5 Стальной фахверк.

Исходные данные:

· место строительства – г. Оренбург;

· пролет здания – 18 м;

· длина здания – 120 м;

· шаг колонн и ферм – 6 м;

· высота до низа несущей конструкции покрытия – 13.5 м;

· грузоподъёмность крана – 70 т.

· количество кранов – 2

 

 

Расчет стальной фермы

В качестве несущих конструкций покрытия запроектируем стальные стропильные фермы с уклоном верхнего пояса 1/12 из спаренных стальных горячекатаных профилей, соединенных в узлах фасонками.

Исходные данные для расчета фермы: пролёт 18 м.; шаг ферм 6 м.; снеговой район IV. Район строительства – город Оренбург.

Состав малоуклонной кровли: покрытие по стропильным фермам беспрогонного типа, утепленное, состоящее из ребристых железобетонных плит размером 1,5×6 м, пароизоляции, утеплителя из пенобетонных плит, асфальтобетонной стяжки и четырёхслойного гидроизоляционного ковра из рубероида и пергамина.

Коэффициент надёжности по назначению - .

Определение расчётных нагрузок.

Сбор нагрузок, действующих на ферму, приведён в таблице 1.

Таблица 1. Расчётные нагрузки на ферму.

Нагрузка	Элементы покрытия	Нормативная нагрузка, Н/м^2	Коэффициент надежности по нагрузке γf	Расчетная нагрузка, Н/м^2
Постоянная	Четырехслойный гидроизоляционный ковер на битумной мастике, расчет 40×1		1,3
Цементная стяжка – 20 мм		1,3
Утеплитель из пенобетонных плит		1,2
Пароизоляция (два слоя пергамина), расчет 40×2		1,3
Ж/б ребристые плиты покрытия 3×6 м		1,1
Стальные конструкции (фермы и связи) ориентировочно		1,05
Итого
Временная	Снеговая нагрузка по всему покрытию (IV снеговой район)
Итого

 

Вычисляем узловые нагрузки. Для этого предварительно намечаем длину панели фермы равной 3 м (см. рис. 1), равную ширине ж/б плит покрытия. Нагрузка передаётся непосредственно на узлы фермы. При уклоне кровли 1/10 угол и .

 

Рисунок 1. Геометрическая и расчетная схемы фермы.

Последовательно определяем:

· усилие Р₁ на крайнюю стойку фермы.

,

где - шаг ферм и продольном направлении, ;

- длина панели, ;

- расчётная нагрузка от собственного веса конструкции;

- расчётная нагрузка от снежного покрова;

- угол уклона кровли;

- коэффициент надёжности по назначению, .

.

 

 

· усилие Р₂ на средние узлы фермы.

,

.

 

 

· опорная реакция от полного загружения фермы.

,

.

Определение усилий в элементах фермы.

Принимаем стальную стропильную ферму трапецеидального очертания с уклоном верхнего пояса 1/10 из спаренных стальных горячекатаных профилей, соединенных в узлах фасонками. Высоту фермы принимаем унифицированной равной – на опоре 2,2 м, в середине пролета 3,1 м. по осям (см. рис. 1). Усилия в стержнях фермы находим с помощью программного комплекса ПК «Лира 9.6». Найденные усилия в стержнях заносим в таблицу 2.

Таблица 2. Усилия в стержнях фермы.

Элементы фермы.	Обозначение стержня.	Расчётное усилие, кН
сжатие	растяжение
Верхний пояс.	7,18 8,17 9,16 10,15 11,14 12,13	0.000 -612,639 -612,639 -875,199 -875,199 -889,315	0.000 - - - - -
Нижний пояс.	1,6 2,5 3,4	- - -	356.68 776.376 904.066
Раскосы.	26,37 27,36 28,35 29,34 30,33 31,32	-662,931 - -338,566 - -73,2727 -42,2828	- 407,078 - 191,799 - -
Стойки.	19,25 20,24 21,23	-50.8 -101,6 -101,6 -	- - - 75,3805

Подбор сечений.

Фасонки принимаем t=14 мм в зависимости от усилия в опорном раскосе

N=-662,931кН

Верхний пояс 8,17,9,16:

Расчётное усилие: N= -612,639 кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; .

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали С245 с R_y=24кН/см² φ=0.686.

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟110×8.

Характеристики: А_∟=17,2; J_x=198см⁴; i_x=3,39см; i_y=4,87см; z₀=3см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=44,45: φ_min=0.875

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элементов 8,17,9,16 из ∟110×8.

Верхний пояс 10,11,14,15:

Расчётное усилие: N= -875,199 кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; .

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали С245 с R_y=24кН/см², φ=0.686.

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟125×10.

Характеристики: А_∟=24,3см²; J_x=360см⁴; i_x=3,85см; i_y=5,52см; z₀=3,45см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=39,14: φ_min=0,897

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элементов 10,11,14,15 из ∟125×10.

Верхний пояс 12,13:

Расчётное усилие: N= -889,315 кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; .

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали С245 с R_y=24кН/см², φ=0.686.

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟125×10.

Характеристики А_∟=24,3см²; J_x=360см⁴; i_x=3,85см; i_y=5,52см; z₀=3,45см

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=39,14: φ_min=0,897

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элементов 12,13 из ∟125×10.

 

Нижний пояс 6,1:

Расчётное усилие: N=356,68кН.

;

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟70×6.

Характеристики: А_∟=8,15см²; J_x=37,6см⁴; i_x=2,15см; i_y=3,25см; z₀=1,94см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 6,1 из ∟70×6.

Нижний пояс 2,5:

Расчётное усилие: N=776,376кН.

;

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟110×8.

Характеристики: А_∟=17,2см²; J_x=198см⁴; i_x=3,39см; i_y=4,87см; z₀=3см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 2,5 из ∟110×8.

Нижний пояс 3,4:

Расчётное усилие: N=904,066кН.

;

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟125×9.

Характеристики: А_∟=22см²; J_x=327см⁴; i_x=3,86см; i_y=5,48см; z₀=3,4см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 3,4 из ∟125×9.

Раскос 26,37:

Расчётное усилие: N= -662,931кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; ;

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали с R_y=24кН/см² φ=0.686.

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟125×9.

Характеристики: А_∟=22см²; J_x=327см⁴; i_x=3,86см; i_y=5,48см; z₀=3,4см

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=72: φ_min=0.740

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 26,37 из ∟125×9

Раскос 27,36:

Расчётное усилие: N=470,078кН.

;

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟75×8.

Характеристики: А_∟=11,5см²; J_x=59,8см⁴; i_x=2,28см; i_y=3,5см; z₀=2,15см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 27,36 из ∟75×8.

Раскос 28,35:

Расчётное усилие: N= -338,566кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; ;

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали с R_y=24кН/см² φ=0.686.

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟90×7.

Характеристики: А_∟=12,3см²; J_x=94,3см⁴; i_x=2,77см; i_y=4,06см; z₀=2,47см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=87,8: φ_min=0,628

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 28,35 из ∟90×7

Раскос 29,34:

Расчётное усилие: N=191,799кН.

;

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟56×4.

Характеристики: А_∟=4,38см²; J_x=13,1см⁴; i_x=1,73см; i_y=2,66см; z₀=1,52см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 29,34 из ∟56×4.

 

Раскос 30,33:

Расчётное усилие: N= -107,441кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; ;

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали с R_y=24кН/см² φ=0.686.

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем прокат: ∟75×5.

Характеристики: А_∟=7,39см²; J_x=39,5см⁴; i_x=2,31см; i_y=3,42см; z₀=2,02.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=114,61: φ_min=0,450

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 30,33 из ∟75×5

Раскос 31,32:

Расчётное усилие: N=-83,6825

;

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟75×5.

Характеристики: А_∟=7,39см²; J_x=39,5см⁴; i_x=2,31см; i_y=3,42см; z₀=2,02.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 31,32 из ∟75×5.

 

Раскос 31:

Расчётное усилие: N=32,9893кН.

;

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟50×4.

Характеристики: А_∟=3,89см²; J_x=9,21см⁴; i_x=1,54см; i_y=2,43см; z₀=1,38см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 31 из ∟50×4.

Стойки 19,25

Расчётное усилие: N=-50,8кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; ;

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали с R_y=24кН/см² φ=0.686

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков.

Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟63×4.

Характеристики: А_∟=4,96см²; J_x=18,9см⁴; i_x=1,95см; i_y=2,93см; z₀=1,69см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=112,82: φ_min=0,461

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 19,25 из ∟63×4

Стойки 20,24:

Расчётное усилие: N=-101,6кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; ;

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали с R_y=24кН/см² φ=0.686

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков.

Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟70×4,5.

Характеристики: А_∟=6,2см²; J_x=29см⁴; i_x=2,16см; i_y=3,22см; z₀=1,88см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=115,74: φ_min=0,444

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 17,24 из ∟70×4,5

Стойки 21,23:

Расчётное усилие: N=-101,6кН.

Задаёмся гибкостью λ=80; ;

Коэффициент продольного изгиба при λ=80 для стали с R_y=24кН/см² φ=0.686

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков.

Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟80×5,5

Характеристики: А_∟=8,63см²; J_x=52,7см⁴; i_x=2,47см; i_y=3,64см; z₀=2,17см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

φ_min при гибкости λ_x=113,36: φ_min=0,458

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 21,23 из ∟80×5,5

Стойка 22:

Расчётное усилие: N=75,3805кН.

;

Сечение проектируем из двух равнополочных уголков. Площадь одного уголка

По сортаменту принимаем ближайший прокат: ∟50×4.

Характеристики: А_∟=3,89см²; J_x=9,21см⁴; i_x=1,54см; i_y=2,43см; z₀=1,38см.

Площадь двух уголков:

Определяем λ_x, λ_y:

;

Несущая способность сечения:

Устойчивость (напряжение в сечении):

Определяем недонапряжение в стержнях:

Окончательно принимаем сечение элемента 22 из ∟50×4.

 

В целях экономии металла неработающие стержни верхнего пояса 7 и 18 назначаем из 2∟ 75×8 – минимальный профиль по расчету.

Все результаты расчёта сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Таблица подбора сечений элементов фермы.

Элемент фермы.	Обозначение стержня.	Расчётное усилие, кН	Принятое сечение.	Площадь, см^2.	Расчётная длина, см	Радиус инерции, см	Гибкость.
Верхний пояс	7,18		75´8	11,5	150,7	150,7	2,28	3,5
8,17,9,16	-612,639	125´10	24,3	150,7	150,7	3,85	5,52	44,45	30,94
10,11,14,15	-875,199	125´10	24,3	150,7	150,7	3,85	5,52	39,14	27,3
12,13	-889,315	125´10	24,3	150,7	150,7	3,85	5,52	39,14	27,3
Нижний пояс	6,1	365,68	75´8	11,5			2,28	3,5	139,53	92,31
2,5	776,376	125´10	24,3			3,85	5,52	88,5	61,60
3,4	904,066	125´10	24,3			3,85	5,52	77,72	54,74
Раскосы	26,37	-662,931	125´10	24,3			3,85	5,52		50,73
27,36	470,078	75´8	11,5	222,4		2,28	3,5	97,72	79,4
28,35	-338,566	90´7	12,3	243,2		2,77	4,06	87,8	74,9
29,34	191,799	75´8	11,5	243,2		2,28	3,5	140,81	114,48
30,33	-107,441	75´8	11,5	264,76	330,95	2,28	3,5	114,61	96,77
31,32	-83,6825	75´8	11,5	264,76	330,95	2,28	3,5	114,61	96,77
Стойки	19,25	-50,8	63´4	4,96			1,95	2,93	112,82	75,09
20,24	-101,6	75´8	11,5			2,28	3,5	115,74	77,64
21,23	-101,6	90´7	12,3			2,77	4,06	113,36	76,92
	75,3805	75´8	11,5			2,28	3,5	201,3	127,57

Расчёт связей.

 

Горизонтальные связи шатра проектируем полураскосного вида из одиночных уголков. Предельная гибкость сжатых стержней связи равна 200. Сечение подбираем по заданной предельной гибкости. Определяем требуемый радиус инерции:

,

где - расчётная длина растянутого стержня в плоскости расположения связей.

- геометрическая длина стержня.

.

.

По сортаменту подбираем уголок 70´8, для которого .

Вертикальные связи шатра в сечении по коньку кровли проектируем крестового вида из сдвоенных уголков, работающих на растяжение. Предельная гибкость растянутых стержней связи равна 400. Сечение подбираем по заданной предельной гибкости. Определяем требуемый радиус инерции:

,

где - расчётная длина растянутого стержня в плоскости расположения связей.

- геометрическая длина стержня.

.

.

По сортаменту подбираем сечение из сдвоенных уголков 56´5, для которого ;

Сечение распорок для нижних поясов ферм проектируем из сдвоенных уголков. Предельная гибкость сжатых стержней равна 200. Сечение подбираем по заданной предельной гибкости. Определяем требуемый радиус инерции:

,

где - расчётная длина растянутого стержня в плоскости расположения связей.

- геометрическая длина стержня.

.

.

По сортаменту подбираем сечение из сдвоенных уголков 100´10, для которого ;

Вертикальные связи по колоннам проектируем крестового вида из одиночных уголков, работающих на растяжение. Предельная гибкость растянутых стержней связи равна 400. Сечение подбираем по заданной предельной гибкости. Определяем требуемый радиус инерции:

,

где - расчётная длина растянутого стержня в плоскости расположения связей.

- геометрическая длина стержня.

.

.

По сортаменту подбираем сечение из уголка 90´6, для которого ;

Расчет сварных швов

Сварка узлов фермы выполняется полуавтоматом сварочной проволокой СВ-10ГА. .

Расчётные сопротивления угловых швов:

— по металлу шва:

— по металлу границы сплавления: , где

В_f = 0,9–коэффициент глубины проплавления по металлу шва;

В_z = 1,05–коэффициент глубины проплавления по металлу границы сплавления;

R_wf – расчётное сопротивление металла шва – по таблице 56 СНиП II-23-81 (1990) «Стальные конструкции»;

R_wz – расчётное сопротивление границы сплавления

R_un – нормативное значение временного сопротивления (предел прочности при растяжении).

Так как > , т.е. , расчёт выполняем по металлу границы сплавления.

Расчётную длину сварных швов определяем по формуле: - длина сварного шва с каждой стороны фасонки.

 

 

Рассмотрим опорный узел А:

Рассчитываем прикрепление опорного раскоса 26, расчётное усилие , сечение из 2∟ 125×10, сварка ручная.

Для крепления нижнего пояса 1 расчётное усилие , сечение из

2∟ 75×8.

Для крепления стойки 19 расчётное усилие , сечение из 2∟ 63×4.

Рассмотрим узел В:

Рассчитываем прикрепление раскоса 27, расчётное усилие , сечение из 2∟ 75×8, сварка ручная.

 

Раскос 26: , из расчёта узла А.

 

Для крепления верхнего пояса 8 расчётное усилие , сечение из

2∟ 125×10.

Рассмотрим узел С:

Рассчитываем прикрепление раскоса 28, расчётное усилие , сечение из 2∟ 90×7, сварка ручная.

 

Раскос 27: , из расчёта узла В.

 

Крепление к фасонке стойки 20 рассчитываем при , сечение из 2∟ 75×8, сварка ручная.

Нижний пояс 1: , из расчёта узла А

 

Для крепления нижнего пояса 2 расчётное усилие , сечение из

2∟ 125×10.

Рассмотрим узел D:

Узловая нагрузка .

Стойка 20: , из расчёта узла С.

 

Для крепления верхнего пояса8,9 расчётное усилие , сечение из

2∟ 125×10.

 

Рассмотрим узел Е:

Рассчитываем прикрепление раскоса 29, расчётное усилие , сечение из 2∟ 75×8, сварка ручная.

 

 

Раскос 28: , из расчёта узла С.

 

 

Для крепления верхнего пояса 9,10 расчётное усилие (средние) , сечение из 2∟ 125×10.

 

Рассмотрим узел F:

Рассчитываем прикрепление раскоса 30, расчётное усилие , сечение из 2∟ 75×8, сварка ручная.