Кіровоградський національний технічний університет

Кіровоградський національний технічний університет

Кафедра будівельних, дорожніх машин і будівництва

МЕТАЛЕВІ КОНСТРУКЦІЇ

Методичні вказівки до виконання курсової роботи

"Проектування сталевого каркасу одноповерхової будівлі"
для студентів напряму підготовки "Будівництво"

Усіх форм навчання

Кіровоград 2015

 

Кіровоградський національний технічний університет

 

Кафедра будівельних, дорожніх машин і будівництва

 

 

МЕТАЛЕВІ КОНСТРУКЦІЇ

Методичні вказівки до виконання курсової роботи

"Проектування сталевого каркасу одноповерхової будівлі"
для студентів напряму підготовки "Будівництво"

усіх форм навчання

 

Затверджено

на засіданні кафедри Будівельних,

дорожніх машин і будівництва

__ березня 2015 року, протокол № _

 

 

Кіровоград 2015

 

 

Металеві конструкції. Методичні вказівки до виконання курсової роботи "Проектування сталевого каркасу одноповерхової будівлі" для студентів спеціальності "Промислове та цивільне будівництво" усіх форм навчання. – Кіровоград: КНТУ, 2015. - 62 с.

 

Укладач – д.т.н., професор Пашинський В.А.

 

Рецензент – к.т.н., доцент Портнов Г.Д.

 

Відповідальний за випуск – завідувач кафедри будівельних,
дорожніх машин і будівництва,
професор Настоящий В.А.

 

 

© РВЛ КНТУ, Кіровоград, пр. Університетський, 8

© Пашинський В.А.

 

 

ЗМІСТ

ВСТУП.................................................................................................. 4

1. КОМПОНОВКА КАРКАСА І РОЗРАХУНОК ПОПЕРЕЧНОЇ РАМИ 5

1.1. Загальна компоновка каркаса та системи в’язей................................. 5

1.2. Конструктивна схема поперечної рами............................................... 7

1.3. Навантаження на поперечну раму....................................................... 9

1.4. Статичний розрахунок поперечної рами............................................ 13

1.5. Визначення загальних розрахункових параметрів
та вибір сталі для конструкцій.............................................................. 15

2. ПРОЕКТУВАННЯ КОЛОНИ КАРКАСА........................................... 16

2.1. Визначення розрахункових зусиль в колоні....................................... 16

2.2. Підбір перерізу колони........................................................................ 18

2.3. Розрахунок і конструювання оголовка колони................................... 21

2.4. Розрахунок і конструювання бази колони.......................................... 23

3. ПРОЕКТУВАННЯ КРОКВЯНОЇ ФЕРМИ.......................................... 27

3.1. Визначення зусиль у стержнях ферми................................................. 27

3.2. Підбір перерізів стержнів ферми......................................................... 28

3.3. Розрахунок і конструювання проміжних вузлів ферми..................... 34

3.4. Розрахунок і конструювання опорного вузла ферми......................... 38

3.5. Розрахунок і конструювання монтажного стика ферми..................... 40

4. ВИМОГИ ДО ОФОРМЛЕННЯ ПОЯСНЮВАЛЬНОЇ ЗАПИСКИ...... 45

5. ВИМОГИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ОФОРМЛЕННЯ КРЕСЛЕНЬ 47

Рекомендована література.................................................................... 53

Додаток А. Середньомісячні температури повітря в січні................. 54

Додаток Б. Поширені типи покрівель.................................................. 55

Додаток В. Довідкові дані для розрахунку металевих конструкцій 57

Таблиця В.1. Коефіцієнти висоти споруди для визначення
вітрового навантаження............................................ 57

Таблиці В.2–В.4. Коефіцієнти стійкості при центральному стиску 58

Таблиця В.5. Розрахункові характеристики бетону для фундаментів 61

Таблиця В.6. Риски для отворів у прокатних кутниках................. 61

Таблиця В.7. Місце під ключ при постановці болтів..................... 61

 

В С Т У П

Навчальна дисципліна "Металеві конструкції" є однією з профілюючих дисциплін фахової підготовки інженерів-будівельників, метою якої є вивчення видів, галузей раціонального використання, конструктивних форм, методів розрахунку та конструювання несучих металевих конструкцій будівель і споруд різного призначення.

Курсова робота "Проектування сталевого каркасу одноповерхової будівлі" виконується з метою поглибленого вивчення конструктивних форм, роботи та методів розрахунку металевих конструкцій масового застосування: ферм, балок, колон, каркасів цивільних і промислових будівель, а також набуття умінь проектування таких конструкцій.

Курсова робота виконується за індивідуальним завданням, яке містить вихідні дані для проектування:

· призначення будівлі та район будівництва;

· розміри в плані, висота приміщення та крок колон каркаса;

· тип конструкції покрівлі;

· схему та тип перерізу стержнів ферми;

· засоби транспортування конструкцій.

Усі інші рішення щодо вибору матеріалів для конструкцій і з’єднань, конструктивних форм несучих конструкцій, типів рішення основних вузлів тощо приймаються в процесі проектування.

Креслення курсової роботи виконуються на двох аркушах. На першому аркуші формату А 2 розміщують:

· загальну схему каркасу (план колон і поперечний переріз будівлі);

· схему в’язей по колонах і фермах;

· креслення колони на стадії КМ;

· монтажний вузол з’єднання ферми з колоною.

На другому аркуші формату А 1 або А 2 розміщують:

· креслення ферми на стадії КМД зі специфікацією сталі;

· монтажні (укрупнювальні) вузли ферми.

Зміст пояснювальної записки відповідає змісту розділів 1 – 3 цих методичних вказівок.

Оцінювання навчальних досягнень студента при виконанні курсової роботи здійснюється згідно з Правилами модульно-рейтингового оцінювання знань з дисципліни "Металеві конструкції" з урахуванням якості виконання розрахунків та креслень, а також результатів захисту курсової роботи.

КОМПОНОВКА КАРКАСА І РОЗРАХУНОК ПОПЕРЕЧНОЇ РАМИ

 

Каркас одноповерхової будівлі звичайно складається з поперечних рам, об’єднаних системою в’язей, які забезпечують геометричну незмінність будівлі. Поперечна рама, яка складається з колон і ригелів, забезпечує несучу здатність і жорсткість будівлі у поперечному напрямку. Несучу здатність і жорсткість будівлі в поздовжньому напрямку забезпечують в’язі між колонами й фермами. Компонування конструктивної схеми каркаса полягає в розбивці сітки колон, визначенні габаритних розмірів поперечної рами, генеральних розмірів основних несучих конструкцій та розробленні системи в’язей.

ПРОЕКТУВАННЯ КОЛОНИ КАРКАСА

Підбір перерізу колони

Першим етапом підбору перерізу колони є визначення розрахункових довжин. Згідно з пунктами 1.9.3.1–1.9.3.3 ДБН В.2.6-163:2010 [3] розрахункова довжина в площині рами визначається за формулою , у якій μ =2 – коефіцієнт приведення довжини для колони з жорстким закріпленням у фундаменті та вільним верхнім кінцем за 1.9.7 ДБН [3]; h – висота колони, визначена в підрозділі 1.2. Розрахункова довжина з площини рами спочатку приймається рівною висоті колони, а при необхідності зменшується в два чи три рази шляхом встановлення додаткових розпірок у вертикальних в’язях по колонах. Рішення про встановлення таких розпірок приймається за результатами перевірки стійкості колони з площини рами.

Таким чином, вихідними даними для підбору перерізу колони є її розрахункові довжини у площині та з площини рами, а також визначена в попередньому підрозділі розрахункова комбінація зусиль M і N. Перед підбором перерізу значення згинального моменту M і поздовжньої сили N необхідно перемножити та коефіцієнт відповідальності γ_n., встановлений у таблиці 1.4.

Колони одноповерхових будівель можуть виконуватися суцільними або наскрізними. Переваги суцільних колон з прокатних двотаврів чи інших профілів полягають у конструктивній простоті та високій технологічності їх виготовлення. Наскрізні колони з двох гілок, з’єднаних планками чи гратками, характеризуються меншими витратами сталі, але є конструктивно й технологічно складнішими, ніж суцільні. Тому наскрізні перерізи звичайно використовують у високих колонах, які неможливо запроектувати з прокатного двотавра, або які при дотриманні висоти перерізу з умов жорсткості підбираються з надмірними запасами стійкості. Порядок проектування наскрізних позацентрово стиснутих колон детально розглянутий в [5, 6, 7] на прикладі одноповерхових виробничих будівель з мостовими кранами.

В курсовій роботі рекомендується проектувати колони суцільного перерізу, виконані з прокатного двотавра з паралельними гранями полиць. Тип двотавра (Б, Ш чи К) визначається у процесі підбору перерізу з умови рівної стійкості в площині та з площини поперечної рами. Невисокі колони будівель з легкими покрівлями можна також виконувати з гнутозварних замкнутих профілів (прямокутних труб). Підбір перерізу суцільної колони виконується у порядку, описаному нижче.

1. За вказівками норм встановлюють параметри, що визначають відповідальність та умови роботи основної несучої колони каркасу, як це зроблено в таблиці 1.4:

· клас відповідальності будівлі (СС1, СС2, СС3) за пунктом 5.1 і додатком А ДБН В.1.2-14-2009 [1];

· категорію конструкції за призначенням (А, Б, В) та напруженим станом
(І, ІІ, ІІІ) за додатком В ДБН В.2.6-163:2010 [3];

· суму балів і номер групи конструкцій за вказівками пункту В.1 ДБН [3] з урахуванням відсутності несприятливого впливу зварних з’єднань і значних напружень розтягу від розрахункового навантаження (при цьому класам відповідальності СС1, СС2, СС3 за [1] відповідають класи ІІІ, ІІ, І за [3]);

· коефіцієнт відповідальності γ_n для розрахунку колони за граничним станом першої групи в усталеній розрахунковій ситуації за пунктом 7.6.4 ДБН [1];

· коефіцієнт умов роботи γ_с за таблицею 1.1.1 ДБН [3].

2. За встановленою групою конструкцій (як правило, для колони – група 3 або 4) вибирають сталь для проектування колони з таблиці Е.1 ДБН [3].
За таблицею Е.2 ДБН [3] попередньо визначають розрахунковий опір R_y прокату з обраної сталі. Враховуючи характер роботи та вид граничного стану колони (втрата стійкості), рекомендується обирати сталі звичайної міцності з невисокими значеннями розрахункового опору.

3. Необхідну площу поперечного перерізу колони визначають за наближеною формулою, рекомендованою [7]

, (2.2)

де M і N – розрахункова комбінація зусиль в колоні з підрозділу 2.1;

b – габаритна висота перерізу (ширина) колони, попередньо вибрана
при компоновці поперечної рами в підрозділі 1.2.

3. Виходячи з отриманої площі перерізу А_Н та встановленої при компонуванні поперечної рами габаритної висоти перерізу колони b, обирають тип і розмір профілю (прямокутна труба, двотавр типу Б, Ш або К). Висота вибраного профілю (висота двотавра чи більший розмір прямокутної труби) не повинна не меншою за 0,8× b, інакше рама не матиме достатньої поперечної жорсткості. Із сортаменту виписують позначення профілю та геометричні характеристики його поперечного перерізу:

· ширину b_f та товщину t_f полички;

· площу поперечного перерізу А;

· момент опору відносно осі більшої жорсткості W_x;

· радіуси інерції відносно обох осей i_x, i_y.

4. За таблицею Е.2 ДБН [3] з урахуванням товщини полички вибраного профілю уточнюють розрахунковий опір сталі R_y.

5. Згідно з вимогами пункту 1.6.2.2 ДБН [3] визначають розрахункові параметри, необхідні для перевірки стійкості колони в площині рами:

· гнучкість та умовна гнучкість колони в площині рами

; ; (2.3)

· відносний ексцентриситет навантаження

; (2.4)

· відношення площі полички до площі стінки вибраного профілю

; (2.5)

· коефіцієнт впливу форми перерізу за формулами з таблиці К.2 ДБН [3] з інтерполяцією по величині відношення A_f / A_w;

· приведений відносний ексцентриситет m_ef за формулою (1.6.6) ДБН [3];

· коефіцієнт стійкості при позацентровому стиску φ_е за таблицею К.3 ДБН [3] о інтерполяції залежно від приведеного відносного ексцентриситету m_ef і умовної гнучкості .

6. Виконують перевірку стійкості колони у площині рами (у площині дії згинального моменту) за формулою (1.6.5) ДБН [3] і визначають граничну гнучкість за відповідною формулою з таблиці 1.9.9. ДБН [3], використовуючи результат перевірки стійкості в якості значення α. Якщо стійкість колони не відповідає вимогам ДБН [3] (гранична нерівність не задовольняється чи задовольняється з надмірним запасом), або фактична гнучкість колони в площині поперечної рами λ_x перевищує граничну, слід відповідним чином змінити переріз колони й повторити розрахунки за пунктами 3 – 5.

7. Визначають гнучкість та умовну гнучкість колони з площини рами

; ; (2.6)

Розрахункова довжина колони з площини рами спочатку приймається рівною висоті колони: l_y=h. Якщо отримане значення λ_y перевищує визначену в пункті 6 граничну гнучкість, у системі в’язей по колонах встановлюють додаткову поздовжню розпірку й повторюють розрахунки за пунктом 7. Таке конструктивне рішення зменшує розрахункову довжину l_y та гнучкість колони з площини рами λ_y у 2 рази.

8. Визначають розрахункові параметри, необхідні для перевірки стійкості колони з площини рами (за згинально-крутильною формою втрати стійкості):

· коефіцієнт стійкості при центральному стиску відносно осі y – φ_y залежно від умовної гнучкості за таблицями В.2 – В.4 для типу кривої стійкості, що відповідає вказівкам пункту 1.4.1.3 ДБН [3];

· розрахункове значення згинального моменту M_x, яке згідно з пунктом 1.6.2.3 ДБН [3] приймається рівним найбільшому значенню згинального моменту в межах середньої третини довжини колони (у курсовій роботі в запас надійності можна прийняти M_x =2× M /3);

· коефіцієнт с за додатком Н ДБН [3] залежно від відношення площі полички до площі стінки (для прямокутної труби враховують дві стінки);

· коефіцієнт δ_x за формулою (1.6.16) ДБН [3].

9. Виконують перевірку стійкості колони з площини рами (за згинально-крутильною формою втрати стійкості): для двотаврового перерізу – за формулою (1.6.7) ДБН [3], а для перерізу з прямокутної труби – за формулою (1.6.14) та вказівками останнього абзацу пункту 1.6.2.10 ДБН [3]. Якщо стійкість не забезпечена, рекомендується зменшити розрахункову довжину колони з площини рами l_y за рахунок встановлення додаткової поздовжньої розпірки в системі в’язей по колонах і повторити розрахунки за пунктами 7 –9.

Згідно з пунктом 1.6.1.2 ДБН [3], перевірка міцності позацентрово стиснутих стержнів при значенні відносного приведеного ексцентриситету не виконується. Місцева стійкість поличок і стінки колони завжди забезпечується за рахунок відповідної компоновкою перерізів прокатних профілів у сортаменті.

 

 

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

1. ДБН В.1.2-14-2009. Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об'єктів. Загальні принципи забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель, споруд, будівельних конструкцій та основ. К.: Мінрегіонбуд України, 2009.

2. ДБН В.1.2-2:2006. Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об'єктів. Навантаження і впливи. Норми проектування. К.: Мінбуд України, 2007.

3. ДБН В.2.6-163:2010. Конструкції будівель і споруд. Сталеві конструкції. Норми проектування, виготовлення і монтажу. К.: Мінрегіонбуд України, 2010.

4. ДСТУ Б А.2.4-43:2009 (ГОСТ 21.502-2007, MOD). Система проектної документації для будівництва. Правила виконання проектної та робочої документації металевих конструкцій. К.: Мінрегіонбуд України, 2009.

5. Клименко Ф. Є., Барабаш В. М., Стороженко Л.І. Металеві конструкції: / За ред. Ф.Є Клименка: Підручник. – 2-ге видання, випр. і доп. – Львів: Світ, 2002. – 312 с.

6. Металлические конструкции. Учебник для студентов высших учебных заведений / Ю.И. Кудишин, Е. И. Беленя, В.С. Игнатьева и др.; под редакцией Ю.И. Кудишина. 10-е издание. – М.: Издательский центр "Академия", 2007. – 688 с.

7. Лихтарников Я.М., Ладыженский Д.В., Клыков В.М. Расчет стальных конструкций. - К.: Будівельник, 1984. - 366 с.

Д О Д А Т К И

Кіровоградський національний технічний університет