Нагрузки, действующие на поперечную раму

1.1.1. Постоянные нагрузки -это нагрузки от веса покрытия, стропильных и подстропильных, конструкций, связей, подкрановых балок, световых и аэрационных фонарей, веса стеновых панелей и остекления, веса колонн и фундаментов.

Нагрузка от веса покрытия и стропильной конструкции.

 

Нагрузка передается через закладные детали фермы на колонны в виде сосредоточенных сил. Расчетный эксцентриситет, различен для верхней и нижней частей колонн и зависит от размеров колонн и их привязки к разбивочным осям. При определении эксцентриситетов учитывают требование унификации сборных конструкций, в соответствие с которым, центр опирания стропильной конструкции находится на расстоянии 0,175 м от разбивочной оси и смещен внутрь здания. Расчетный эксцентриситет для нагрузки, приложенной к верхней части колонны определяется в соответствии с рис. 1. Расчетный эксцентриситет для верхней части колонны при привязке «0»

 

Расчетный эксцентриситет для верхней части колонны при привязке «250»

 

Расчетный эксцентриситет для нижней части колонны при любой привязке определяется по приближенной формуле

 

При привязке «250» высота сечения верхней части колонны не может быть менее 500 мм, так, при стандартной длине площадки опирания стропильной конструкции 150 мм, минимальная высота сечения должна быть h_в,min =250 +175 +(150/2) = 500 мм.

Продольное расчетное усилие N₁ в крайних колоннах

N₁= (gB·0,5L+0,5γ_f G)γ_n.

Здесь g–расчетная нагрузка от веса покрытия, B и L шаг и пролет в сетке колонн, G- собственный вес стропильной конструкции (нормативный), коэффициент надежности по нагрузке γ_f, коэффициент надежности по назначению здания γ_п =0,95. Для средней колонны N=2N₁.

 

Таблица 1

Основные характеристики некоторых элементов покрытия здания

Наименование	Размеры, м.	Снеговой район	Вес изделия или 1 м^2
Ребристые плиты	3´6	Все районы	gn=160 кг/м^2
3´12	I-II	gn=175 кг/м^2
III-VI	gn=205 кг/м^2
Стропильные фермы	18х6	I-III	Gn=4,5т
IV-VI	Gn=6,0т
18х12	I-III	Gn=6,9т
IV-VI	Gn=8,4т
24´6	I-III	Gn=9,2 т
IV-VI	Gn=10,2 т
24´12	I-III	Gn=13,9 т
IV-VI	Gn=18,6 т
30´6	I-III	Gn=16,2 т
IV-VI	Gn=18,6 т
30´12	I-III	Gn=24,0 т
III-IV	Gn=30,8т
Стропильные балки	18´6	все районы	Gn=7,2т
18´12	все районы	Gn=8,2т

Нагрузка от веса стеновых панелей и остекления.

Нагрузка от навесных стеновых панелей через опорные столики и закладные детали передается на колонны в виде сосредоточенных сил, расположенных по высоте колонны с шагом, равным высоте стеновых панелей. Эксцентриситет силы равен расстоянию от центра тяжести стеновой панели до физической оси колонны. В предварительных расчетах можно допустить, что центр тяжести находится в середине сечения и высоты панели рис. 2.

 

Продольное расчетное усилие N₂

Здесь g₁ – нормативный вес 1 м² стеновых панелей, g₂ – нормативный вес 1 м² остекления, h₁- высота стеновых панелей на расчетном участке, h₂ – высота остекления на расчетном участке, B- шаг колонн, γ_f -коэффициент надежности по нагрузке γ_п – коэффициент надежности по назначению здания равен 0,95. При длине панели 6м для теплых кровель можно принять вес 1м² - 230 кг; холодных - 170 кг/м². При длине панели 12м для теплых кровель вес 1м² - 280 кг/м², холодных- 215 кг/м². Вес 1 м² остекления с переплетами для предварительных статических расчетов можно принять 40 кг/м².

Нагрузка от веса подкрановых балок.

Вес подкрановых балок определяется по фактическим размерам элемента или по справочным данным. Для статических расчетов можно принять:

· при шаге колонн В=6м вес железобетонной балки G_n =4,2тс,

· при шаге колонн В=12м вес железобетонной балки G_n =11,5тс.

Эксцентриситет приложения продольной силы есть расстояние от оси симметрии сечения балки до физической оси сечения подкрановой части колонны, рис. 3«а». Так как расположение подкранового рельса, а следовательно и подкрановой балки зависит от унифицированных размеров кранов, то и величина эксцентриситета будет зависеть от размера λ, который при грузоподъемности кранов Q ≤ 50 тс, равен 750 мм. При нулевой привязке е_0н=0,75-h_н/2, при привязке 250 е_0н=0,75+0,25-h_н/2. N₄= G_nγ_f γ_n.

 

 

Нагрузка от веса колонн.

Нагрузка от веса колонны определяется как произведение объема колонны на плотность применяемого материала. Эксцентриситет силы от веса верхней части колонны определяется приближенно, из-за невозможности реального учета эксцентриситета, вследствие больших высот надкрановых частей колонн.

 

Эксцентриситет усилия от веса нижней части колонны равен нулю.

Расчетные усилия от собственного веса верхней части колонны.

N₄^в = G^в_к = h_в b H_в γ_f γ_n ρ.

Расчетные усилия от собственного веса нижней части колонны.

N₄^н = G^н_к = h_н b H_н γ_f γ₂ ρ.

Здесь ρ – средняя плотность железобетона, Для элементов из тяжелого бетона с содержанием арматуры менее 3% ρ =2500кг/м³, h, b, H – размеры расчетного участка колонны, γ_n – коэффициент надежности по назначению здания. γ_{f –} коэффициент надежности по нагрузке.

1.1.2. Временные нагрузки на поперечную раму ОПЗ

Временные нагрузки подразделяются на длительные и кратковременные.

Временными являются нагрузки от давления ветра, снеговые и крановые нагрузки. К временным длительным нагрузкам относятся 50% снеговой и 50% вертикальной крановой нагрузки для кранов режимов 4к–6к /12/.

Ветровая нагрузка

Значения коэффициента Се3 Таблица 2
В/L	Значения се3 при
h/L≤0,5	h/L=1	h/L≥2
≤ 1,0	-0,4	-0,5	-0,6
≥ 2	-0,5	-0,6	-0,6

Величина ветрового напора (давления) зависит от высоты здания, типа местности, направления ветра. Различают активное давление (наветренная сторона) и пассивное давление (подветренная сторона), зависящее от формы здания. По СНиП 2.01.07-85* различают три типа местности А, В, С, например: А – открытая местность, В–городская застройка. Изменение ветрового напора по высоте оценивается коэффициентом k_i.

Наветренное или подветренное значения давление ветра учитываются аэродинамичес к им коэффициентом с_е. Величины аэродинамических коэффициентов «с_е3» для зданий с плоскими или двускатными с углом наклона до 60⁰ покрытиями можно определить по таблице 2 или по /11/. На схеме (рис.4) и в таблице 2 приняты обозначения: h-высота здания, В-длина здания, L-ширина здания. Обычно, реальную схему давления ветра заменяют эквивалентной равномерно распределенной нагрузкой (рис.5), которая определяется из равенства момента от реального значения k и момента в заделке колонны от равномерно распределенной нагрузки, с ординатой равной k_экв.

 

 

В приведенных формулах приняты обозначения: P^Н_о – нормативное значение давления ветра, зависящее от района и типа местности, определяется по /11/ СНиП 2.01.07-85*, «Нагрузки и воздействия»; (0,8-0,5) - аэродинамический коэффициент, устанавливается по СНиП или по таблице 2; k_экв –эквивалентное значение коэффициента k; γ_n – коэффициент надежности нагрузки γ_n =1,4; γ_f– коэффициент по назначению здания; В – шаг поперечных рам (грузовая ширина нагрузки на одну промежуточную поперечную раму).

 

 

Рис. 5. К определению эквивалентных ветровых нагрузок

 

Равномерно распределенную нагрузку выше уровня головы колонны при ручном счете удобно заменить сосредоточенной силой W, собранной с грузовой площади с размерами В(Н₁ – Н). Слева W₁=P_экв(Н₁-Н), справа W´₁= P´_экв(Н₁-Н).

Поскольку в статическом расчете жесткость ригеля в плоскости поперечной рамы задается бесконечной, то сосредоточенную силу можно переносить вдоль линии ее действия. Перемещая силу W₂ к силе W₁, получим общее значение сосредоточенной силы W, действующей на раму на уровне оголовка колонны (низа стропильной конструкции).

W = W₁ + W₂ = (P_экв+ PC_экв)(H₁ – H).

Снеговая нагрузка

Нормативная снеговая нагрузка на 1м² горизонтальной поверхности S_0n определяется в зависимости от района строительства по /11/. Коэффициент надежности по нагрузке γ_f = 1,4. Длительная часть снеговой нагрузки составляет половину от нормативной величины. В расчетах необходимо учитывать уменьшение снегового покрова за счет действия ветра. При покрытиях, наиболее часто встречающихся в практике, (пологие с уклоном < 12% или f/L < 0,05, без фонарей), следует снижать нагрузку умножением на коэффициент с_е1. Для зданий других форм и уклонов кровли снеговую нагрузку необходимо определять, руководствуясь СНиП.

Если скорость ветра «v» за три холодных месяца больше или равна 2 м/с

с_е1 =1,2 - 0,1v√k)(0,8+0,002b),

где k- коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте на уровне покрытия, b – ширина покрытия, но не более 100м. Если в нормах задается сразу расчетная снеговая нагрузка S₀, то расчетное усилие, передаваемое на крайнюю колонну, определяемое по формуле.

N_сн= с_еs₀γ_nBL/2.

Усилие на среднюю колонну удваивается.

Крановые нагрузки

Максимальное усилие на колонну определяется по линиям влияния опорной реакции подкрановой балки от двух сближенных кранов. Габариты крана, необходимые для размещения его на подкрановой балке при вычислении линий влияния, а также вес тележки и моста крана, максимальное и минимальное давление на рельс принимаются по паспортным данным, по каталогу на мостовые краны или таблице 3.

 

Максимальное Д_max и минимальное Д_min вертикальные усилия на колонну, а также горизонтальное усилие Т определяются как произведение максимального давления или минимального давления колеса крана на сумму ординат линий влияния.

Д_max = P_max ∑y_i; Д_min= P_min ∑y_i; T = ±T_max∑y_i.

 

Эксцентриситеты приложения крановых нагрузок совпадают с эксцентриситетами, определенными для подкрановых балок.

е_0н=0,75+0,25-h_н/2.

M_max =Д_max e_0н; M_min= Д_min e_0н.

 

 

Таблица 3

Основные технические параметры мостовых кранов.

Грузоподъемность и габариты мостовых кранов среднего режима работы с двумя крюкам и четырьмя опорными колесами
Пролет здания L, м.	Пролет крана Lкр, м/	Грузоподъемность крана Q,тс/	Основные размеры, мм.	Давление колеса на рельс, кН.	Вес, кН.
Длина М.	База К.	Высота Н.	Зазор b.	Максимальное Рn,max	Минимальное Рn,max	Тележки G	Крана Gкр
	17,0	15/3
	22,5
	28,5
	16,5	20/5
	22,5
	28,5
	16,5	30/5
	22,5
	28,5

 

 

Моменты от вертикальных крановых нагрузок приложены к нижней части колонны, а усилие от тормозной силы тележки в уровне верхнего пояса подкрановой балки. Нормативное значение горизонтальной нагрузки, направленной поперек кранового пути и вызываемой торможением электрической тележки, следует принимать для кранов с гибким подвесом груза - 0,05 суммы подъемной силы крана и веса тележки /11/.

1.3. Статический расчет поперечной рамы

Раму можно рассчитывать любым способом, в том числе с помощью различных компьютерных программ (Лира, Scad и др.). Для ручного счета наиболее удобен метод перемещений, по которому неизвестным является одно горизонтальное перемещение Δ. Для этого основная система подвергается единичному горизонтальному перемещению Δ=1. При этом в колоннах возникают моменты и реакции R_Δi (R_Δ1, R_Δ2, R_Δ3). Затем к раме прикладываются временные нагрузки и определяются основные усилия.

Каноническое уравнение метода перемещений С_dimr₁₁Δ+R_1p=0.

Здесь

r₁₁ = ∑ R_Δi – сумма реакций колонн рамы от единичной нагрузки,

R_Δ1 = ∑ R_Δi - сумма реакций верха колонн от нагрузки,

Δ – горизонтальное перемещение верха колонны от внешнего воздействия.

R_Δi – реакция верха каждой колонны от единичного перемещения Δ=1

С_dim –коэффициент, учитывающий пространственную работу каркаса.

 

Определяется r₁₁ – суммарная реакция связи от единичного смещения

 

Определяется реакция каждой колонны R_i от силовых воздействий M, N, T, P, W по таблицам. Допускается в курсовом проекте определять усилия в колоннах от вертикальных нагрузок без учета горизонтальных перемещений.

1.4. Составление таблицы расчетных усилий

Расчет конструкций по предельным состояниям I и II групп выполняют с учетом наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок или усилий. Эти сочетания устанавливаются из анализа реальных вариантов одновременного действия временных нагрузок или их отсутствия.

Различают основные и особые сочетания нагрузок.

1. Основные сочетания, состоят из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок.

2. Особые сочетания нагрузок, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок (в пособии не рассматриваются).

В основных сочетаниях следует рассмотреть вариант с учетом действия всех нагрузок (коэффициент условий работы бетона γ_b1=1,0) и дополнительный, состоящий из постоянных и длительных нагрузок, (коэффициент условий работы бетона γ_b1=0,9).

При учете сочетаний, включающих постоянные нагрузки и не менее двух временных, расчетное значение временных нагрузок, следует умножить на коэффициент сочетаний ψ, принимаемый для длительных нагрузок ψ = 0,95, для кратковременных нагрузок ψ = 0,9 для групп режимов кранов 1К–6К.

При учете основных сочетаний, включающих постоянные нагрузки и одну временную нагрузку (длительную или кратковременную), коэффициенты y=1.

За одну временную нагрузку принимается нагрузка от одного мостового крана или нагрузка от нескольких мостовых кранов с учетом коэффициента ψ. При учете двух кранов для групп режимов кранов 1К–6Кψ = 0,85.

К длительным нагрузкам относятся:

· вертикальные нагрузки от мостовых кранов с пониженным нормативным значением, определяемым умножением полного нормативного значения вертикальной нагрузки от одного крана в каждом пролете на коэффициент 0,5 для кранов режимов работы 1К-6К; 0,6 - для группы режима работы кранов 7К; 0,7 - для группы режима работы кранов 8К. Группы режимов работы кранов принимаются по ГОСТ 25546-82.

· снеговые нагрузки с пониженным расчетным значением, определяемым умножением полного расчетного значения на коэффициент 0,5.

1.5. Колонны ОПЗ

Железобетонные колонны одноэтажных промышленных зданий выполняются сплошного или сквозного сечения. Сплошные колонны применяются при пролетах l < 24м, грузоподъемности крана Q_кр ≤ 30т и высоте головки рельса Hр ≤ 10 м. В остальных случаях рекомендуется использовать сквозные колонны.

Высота поперечного сечения принимается кратной 50мм, ширина кратной 20 мм. Ширина надкрановой части колонн принимается не менее 400 мм при шаге колонн 6м не менее 500 мм при шаге 12м. Во всех случаях ширина колонны ≥ 1/25Н_н. Для подкрановой части высота сечения h_н ≥ (1/9÷1/12)Н_н. Высота сечения ветвей в сквозной колонне принимаются 250÷300 мм. Проемы выполняются высотой 1800÷2400 мм, высота сечения распорок 400 мм. Нижняя распорка высотой сечения 250 мм устраивается в уровне пола. Высота первого проема от пола должна приниматься не менее 2000 мм, чтобы обеспечить технологический проход.

№	Вид закрепления	При вычислении коэффициентов
ψv	ψh
	Шарнирное опирание на двух концах	1,0 l	-
	Шарнирное опирание на одном конце и жесткая заделка на другом	0,7 l	1,5 l
	Шарнирное опирание на одном конце и податливая заделка на другом	0,9 l	2,0 l
	Жесткая заделка на двух концах	0,5 l	0,8 l
	Податливая заделка на двух концах	0,8 l	1,2 l
	Податливая заделка на одном конце и жесткая на другом	0,7 l	1,0 l
	Жесткая заделка на одном конце и незакрепленный конец на другом	-	2,0 l

Расчет колонн осуществляется по результатам статического расчета в нескольких расчетных сечениях, количество которых зависит от высоты колонны и характера напряженного состояния. В каждом сечении действуют изгибающий момент M, продольная сила N, поперечная сила Q. Для колонны сплошного сечения поперечную силу Q не учитывают.

При проведении расчетов прочности эксцентриситеты е₀ определяют с учетом прогибов. В соответствии с СП 52-01-2004 и /11/ прочность сжатых элементов следует рассчитывать с учетом вида нагрузок, для чего в расчетной комбинации необходимо указать отдельно усилия от вертикальных (M_v, N_v) и горизонтальных (M_h, N_h) нагрузок. Разрешается рассчитывать конструкции по недеформированной схеме, а учет влияния прогибов оценивать путем умножения моментов на коэффициенты η_v и η_h

Расчетная длина определяются для верхней и нижней частей колонны в зависимости от условий закрепления отдельно при действии горизонтальных и вертикальных нагрузок.

Верхняя часть колонны рассматривается как элемент с шарнирным опиранием на верхнем конце (соединение со стропильной конструкцией) и податливой заделкой в подкрановой части колонны ψ_v =0,9 и ψ_h =2,0.

l ₀= ψ_v,(h)Н_в.

Нижняя часть рассматривается как элемент с податливой заделкой на одном конце и жесткой на другом. ψ_v =0,7 и ψ_h =1,0.

Гибкость колонны равна λ= l ₀ /r. Для прямоугольных сечений гибкость λ= l ₀ / h.

При гибкости λ= l ₀ / h более 4 учет прогибов обязателен /5/.

Суммарный момент от всех нагрузок М= М_v+М_h.

Нормальная сила от всех нагрузок N=N_v+N_h.

Начальный эксцентриситет приложения нагрузки e₀= M/N.

Для колонн каркасных зданий эксцентриситет e_0, равен значению эксцентриситета, полученного из статического расчета, но не менее е_а.

Случайные эксцентриситеты е_а принимаются не менее:

е_а= l /600, е_а= h/30, е_а= 0,01м.

При определении жесткости элемента следует учитывать длительность действия нагрузки введением коэффициента φ _l =1+ М_{1 l} /М₁, причем φ _l ≤ 2,0.

М₁= М+N(h₀-a')/2.

М_{1 l} = М_{1 l} +N _l (h₀-a')/2.

Жесткость элемента в предельной стадии

Здесь

α =Е_s/E_b –коэффициент приведения,

μ - коэффициент армирования. Предварительно назначают μ=0,01÷0,02.

δ_e=e₀/h, принимается не менее 0,15.

Условная критическая сила определяется отдельно от действия горизонтальных и вертикальных нагрузок

N_cr= π²D/l₀².

Вычисляются коэффициенты η_v и η_h

η_v(h)=1/(1-N/Ncr),

Расчетный момент с учетом прогибов колонны.

М=М_vη_v+М_hη_h.

Для двухветвевых колонн квадрат радиуса инерции определяется по формуле

Здесь

с - расстояние между осями ветвей,

n – количество проемов (панелей) в колонне,

h_в- высота сечения ветви,

ψ_v,(h) –коэффициент, зависящий от условий закрепления и вида нагрузки.

Приведенный радиус инерции

Приведенная гибкость сечения

λ= l ₀ /r_red

При гибкости колонны λ= l ₀ /r_red ≥ 14

необходим учет прогибов /5/.

Усилия в ветвях колонн

 

Изгибающий момент в ветвях находят при нулевой точке моментов в середине высоты панелей

Изгибающий момент в распорках

Поперечная сила в распорке

Если одна из ветвей окажется растянутой, то изгибающие моменты в сжатой ветви и в распорках вычисляют из условия воздействия всей поперечной силы на одну (сжатую) ветвь.

Продольное армирование ветвей и распорок осуществляется симметричной арматурой классов А400, поперечное арматурой А240. Продольная арматура распорок должна быть заведена в ветви на длину, обеспечивающую надежную анкеровку стержней.

Нижняя распорка обеспечивает прочность ветвей колонны при транспортировании и как правило, выполняется высотой 200÷250мм.

Фундаменты

Фундаменты служат для передачи нагрузок от вышележащих частей здания на основание. Конструктивно фундаменты могут выполняться ленточными, отдельно стоящими или в виде сплошной плиты. Отдельные фундаменты устраиваются под колонны при сравнительно прочных грунтах и шаге колонн более 6 метров. Ленточные фундаменты под ряды колонн устраивают при слабых или неоднородных грунтах и шаге колонн менее 6 метров.