СТАЛЬНОЙ КАРКАС ОДНОЭТАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ

Исключение может составить верхний пояс фермы, у которого lx = ly, его целесообразно составить из двух равнобоких уголков, что обеспечит ему большую устойчивость из плоскости при перевозке и монтаже (причем, сечение верхнего пояса делается переменным, и меняется один раз в узле 6). Нижний пояс фермы рекомендуется скомпоновать из неравнобоких уголков, соединенных меньшими полками (причем, сечение нижнего пояса делается переменным, и меняется один раз в узле 5). Растянутые раскосы решетки обычно составляют из двух равнобоких уголков.
Для определения сечения сжатых стержней необходимо предварительно задаться их гибкостью в пределах (з= 80…100 (Зададимся (з= 80). По принятому значению (з найдем значение коэффициента продольного изгиба φз (по табл. 37 «Нормативных и справочных материалов» для (з= 80 коэффициент продольного изгиба φз=0,686). Определяем требуемую площадь сечения стержня.
Требуемую площадь двух уголков сжатого стержня определяют по формуле:
,
где N – расчетное усилие в стержне;
Ry – расчетное сопротивление стали;Rу= 24кН/см2;
(c – коэффициент условий работы, определяемый по табл.29 «Нормативных и справочных материалов»; для верхнего пояса фермы (c = 0,95; для стоек фермы (c = 0,8; для сжатых раскосов кроме опорного (c = 0,8; для опорного раскоса (c = 0,95;
По сортаменту подбираем близкие по требуемой площади уголки, из которых в соответствии с приведенными выше рекомендациями компонуем сечение стержня (следует стремиться принимать уголки с возможно более тонкими полками). Выписываем необходимые геометрические характеристики сечения A, ixиiy, и определяем гибкости стержня в плоскости и из плоскости фермы (x, (y по формулам:
; .
Т.е. для верхнего пояса и опорного раскоса [(] = 120; для остальных восходящих раскосов и стоек [(] = 150. Удовлетворив условия предельной гибкости, проверяем напряжения в стержне по формуле:
,
где N – расчетное усилие в стержне;
φmin – коэффициент продольного изгиба, принимаемый по большей из найденных гибкостей (x, (y;
А - площадь сечения двух принятых уголков;
Ry – расчетное сопротивление стали;Rу= 23кН/см2;
(c – коэффициент условий работы.
При большом запасе в прочности необходимо уменьшить сечение принятого уголка и пересчитать величины (x, (y и σ при новых значениях A, ixиiy, подбирая более подходящее сечение стержня.
Стержни В2-3,В3-4
Сечение этих стержней принимается одинаковым по наибольшему усилию в стержнях N4-6:
см2;
Принимаем сечение стержней 2-3, 3-4, 4-6 из 2-х уголков 100х12 (А = 2∙17.9= 35.8см2, ix = 3,03см, iy = 4,54см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элементов не превосходят предельной гибкости [(] = 120. По максимальной гибкости (max = (x = 98 находим коэффициент φmin = 0,658. Проверяем напряжения в самом нагруженном стержне 4-6:
кН/см2;
Стержни В4-6,В5-7:
Сечение этих стержней принимается одинаковым по наибольшему усилию в стержнях N4-6:
см2;
Принимаем сечение стержней 2-3, 3-4, 4-6 из 2-х уголков 125х14 (А = 2∙26,2= 52,4см2, ix = 3,8см, iy = 5,6см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элементов не превосходят предельной гибкости [(] = 120. По максимальной гибкости (max = (x = 78,9 находим коэффициент φmin = 0,693. Проверяем напряжения в самом нагруженном стержне 4-6:
кН/см2
Стержень 1-2 (опорный раскос):
см2;
Определяем требуемые радиусы инерции: λ=70÷100; ;
Принимаем сечение стержня 1-3, из 2-х уголков 110х7 (А = 2∙15,2 = 30,4см2, ix =3,4см, iy = 4,85 см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элемента не превосходят предельной гибкости [(] = 120. По максимальной гибкости (max = (x = 88 находим коэффициент φmin = 0,623. Проверяем напряжения в стержне:
кН/см2 - верно;
Стержень имеет небольшой запас прочности, следовательно, сечение стержня 1-3 принимаем из 2-х уголков 110х70х8.
Стержень 5-6
см2;
Принимаем сечение стержня 5-6 из 2-х уголков 90х9 (А = 2∙15,6 = 31,28см2, ix = 2,75см, iy = 4,11см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элемента не превосходят предельной гибкости [(] = 150. По максимальной гибкости (max = (x = 124 находим коэффициент φmin = 0,397. Проверяем напряжения в стержне:
кН/см2 - верно;
Стержень 8-9:
Определяем требуемые минимальные радиусы инерции:
;
Гибкость стержня слишком большая, необходимо изменить сечение. Принимаем сечение стержня 8-9 из 2-х уголков 75х5 (А = 2∙7,39 = 14,78см2, ix = 2,31см, iy = 3,49см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элемента не превосходят предельной гибкости [(] = 150. По максимальной гибкости (max = (x = 148 находим коэффициент φmin = 0,284. Проверяем напряжения в стержне:
кН/см2;
Стержень имеет небольшой запас прочности, следовательно, сечение стержня 8-9 принимаем из 2-х уголков 75х6.
Стержни 3-4, 6-7;
Определяем требуемые минимальные радиусы инерции:
;
Гибкость стержня слишком большая, необходимо изменить сечение. Принимаем сечение стержня 4-5,7-8 из 2-х уголков 70х8 (А = 2∙10,7 = 21,4см2, ix = 2,13см, iy =3,28см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элемента не превосходят предельной гибкости [(] = 150. По максимальной гибкости (max = (x = 115 находим коэффициент φmin = 0,449. Проверяем напряжения в стержне:
кН/см2;
Требуемая площадь сечения растянутых стержней определяется по формуле:
,
где N – расчетное усилие в стержне;
Ry – расчетное сопротивление стали;Rу= 23кН/см2;
(c – коэффициент условий работы, определяемый по табл.29 «Нормативных и справочных материалов»; для нижнего пояса фермы (c = 0,95; для растянутых раскосов (c = 0,95;
По сортаменту определяем ближайшие большие по площади уголки, компонуем в соответствии с рекомендациями, сечение и выписываем геометрические характеристики сеченияA, ixиiy. После этого определяем гибкости стержня в плоскости и из плоскости фермы (x, (y по формулам:
; .
Гибкость растянутых стержней не должна превышать [(] = 400. Далее проверяем прочность стержней по формуле:
,
где N – расчетное усилие в стержне;
А - площадь сечения двух принятых уголков;
Ry – расчетное сопротивление стали;Rу= 23кН/см2;
(c – коэффициент условий работы; (c = 0,95 (для всех растянутых элементов).
Стержень Н-2:
см2;
Принимаем сечение стержня 1-5 из 2-х уголков 75х6 (А = 2∙6.89=13.78см2, ix = 1,12см, iy = 3,34см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Гибкость стержня слишком большая, необходимо изменить сечение. Принимаем сечение стержня 1-5 из 2-х уголков 90х56х5,5 (А = 2∙7,86 = 15,72см2, ix = 1,58см, iy = 4,54см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элементов не превосходят предельной гибкости [(] = 400. Проверяем прочность стержня:
кН/см2 .
Стержни Н-5, Н-8;
см2;
Принимаем сечение стержня 5-8 из одинакового профиля – из 2-х уголков 100х14 (А = 2∙20.6 = 41.2см2, ix = 2,29см, iy = 6,11см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элементов не превосходят предельной гибкости [(] = 400. Проверяем прочность стержня:
кН/см2 ;
кН/см2.
Стержень 2-3:
см2;
Принимаем сечение стержня 3-5 из 2-х уголков 70х8 (А = 2∙10.7 = 21.4см2, ix = 1,72см, iy = 2,76см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элементов не превосходят предельной гибкости [(] = 400. Проверяем прочность стержня:
кН/см2 ;
Стержень 6-8:
см2;
Принимаем сечение стержня 6-8 из 2-х уголков 56х4 (А = 2∙4,38 = 8,76см2, ix =1,73см, iy = 2,73см при t1 = 12мм). Определяем гибкости стержня:
; ;
Значения гибкостей элементов не превосходят предельной гибкости [(] = 400. Проверяем прочность стержня:
кН/см2.
.
При конструировании стержней следует обратить внимание на размещение соединительных прокладок, обеспечивающих совместную работу двух уголков, составляющих стержень (рис. 6.5).
Рисунок. 17. Размещение соединительных прокладок.
Соединительные прокладки в сжатых стержнях ставятся на расстояниях lп ≤ 40∙iyои не менее двух прокладок на стержне, а в растянутых ставятся на расстояниях lп ≤ 80∙iyо и не менее одной прокладки на стержне (iyо– радиус инерции одного уголка относительно оси, параллельной плоскости прокладки).
3.3Расчет и конструирование узлов стропильных ферм
Порядок конструирования и расчета узлов стропильных ферм следующий:
– провести осевые линии элементов гак, чтобы они сходились в центре узла;
– к осевым линиям «привязать» поясные уголки. Для этого определить по сортаменту размер Zo от центра тяжести уголка до обушка и округлить его по правилу округления до 5 мм, получив тем самым расстояние от обушка уголка до осевой линии. Таким же образом нанести контурные линии стержней решетки. Расстояние между краями элементов решетки и пояса в узлах следует принимать равным a = 6∙t - 20 мм, но не более 80 мм (здесь t - толщина фасонки, мм);
– рассчитать прикрепление стержней решетки к фасонкам угловыми швами. Усилие N, действующее в прикрепленном стержне, распределяется между швами по перу и обушку уголка(рис. 2.6).
Рисунок 18. К расчету сварных швов.
Усилия, действующие на сварные швы по обушку и по перу, определяются по формуле:
,
где N – расчетное усилие в стержне;
α – коэффициент распределения усилий по сварным швам, принимаемый приближенно: для равнобоких уголков α = 0,3; для неравнобоких уголков, прикрепляемых узкой полкой, α = 0,25; для неравнобоких уголков, прикрепляемых широкой полкой, α = 0,35.
Требуемая длина сварных швов определяется по формулам:
– для шва по перу:
;
– для шва по обушку:
,
где Nоб – расчетное усилие на шов по обушку;
Nп – расчетное усилие на шов по перу;
βf– коэффициент глубины проплавления шва, определяемый по табл.20 «Нормативных и справочных материалов». Для полуавтоматической сварки при катете шва до 8мм βf = 0,9;
– катет углового шва по обушку, принимаемый равным: для опорного раскоса 1,0см; для следующего раскоса 0,8см; для третьего раскоса 0,6см; для остальных раскосов и стоек 0,4см;
– катет углового шва по перу, принимаемый равным: для опорного раскоса 0,8см; для следующего раскоса 0,6см; для остальных раскосов и стоек 0,4см;
Rwf– расчетное сопротивление углового шва, определяемое по табл.19 «Нормативных и справочных материалов». Для сварки электродами Э-42 Rwf = 18кН/см2.
Расчет сварных швов в узлах фермы для удобства выполним в табличной форме (табл. 6.2). Размеры фасонок зависят от длины швов крепления к ней стержней решетки.
Таблица 5
Элемент Обозначение стержня Расчетные усилия N, кН Шов по обушку Шов по перу , кН , см , см , кН , см , см Раскосы 430
301

1
430
9,29

129

0,8

5,98
339 237,3 0,8 339 9,16 101,7 0,6 6,23 248 173,6 0,6 248 8,93 74,4 0,4 6,74 128 89,6 0,4 128 6,91 38,4 0,4 3,96 15,97 11,179 0,4 15,97 0,86 4,791 0,4 1,37 Стойки 65,62 45,934 0,4 65,62 3,54 19,686 0,4 2,52 92,38 64,666 0,4 92,38 4,99 27,714 0,4 3,14
Должны соблюдаться следующие условия: lw ≤ 85∙ βf∙Kf; lw≥ 4∙Kf;lw≥ 40мм. Первое условие выполняется во всех случаях. Где не выполняется второе и третье условие, длину швов принимаемlw= 40мм. Полученные значения длин швов округляются в большую сторону до целого числа.
Верхний опорный узел .
В опорном сечении фермы возникает отрицательный момент (-Mmax). Для расчета узла опорный момент заменяем парой сил H:
H=I-MmaxI/h0,
где: h0=3,15м - плечо для двускатных ферм.
H=1047,614/3,1=338 кН.
Требуемую площадь болтов нормальной точности определяем по формуле:
ΣAb=H/Rbt,
где: Rbt - расчетное сопротивление болта на растяжение, принимаемое в зависимости от класса болта. Принимаем класс болтов 5.6 (Rbt=210 МПа).
ΣAb=338*1000/210=1609мм2.
Минимальное количество болтов:
n=ΣAb/A,
где А=303 мм2 - площадь сечения одного болта по нарезке резьбы болта с наружным диаметром dнар=22 мм.
n=1190/303=5,3, принимаем n=6.
Болты устанавливают симметрично относительно центра узла с соблюдением конструктивных требований, в результате определяется длина фланца. Толщину фланца определяем из условия прочности на изгиб, рассматривая его как балку с защемленными опорами пролетом b (а – длина фланца):
,
tфл=(3*338*90*1000/(4*280*240))0,5=15.8 мм <tфлmin=16 мм, принимаем tфл=16 мм.
Швы, прикрепляющие фасонку к фланцу, работают на срез. Так как длина швов известна, то при заданной толщине шва kf можно проверить прочность:
,
или из условия прочности определить kf:
,
kf≥338*103/(0.9*180*2*(280-10)=2.8 мм, принимаем kf=5 мм.
Требуемая длина сварных швов из условия прочности угловых швов на условный срез по металлу шва определена в таблице 6 для стержня В-1.
Нижний опорный узе
Толщину фланца нижнего опорного узла принимаем равной толщине фланца верхнего опорного узла: tфл=16 мм. Ширину фланца принимаем конструктивно: bфл=180 мм.
Проверяем условие прочности торцевой поверхности на смятие:
,
где Rр – расчетное сопротивление на смятие торцевой поверхности с пригонкой по ГОСТ 27772-88, Rр=360 МПа;
V=367,65 кН – опорная реакция фермы.
σ=367,65*103/(180*16)=116.7 МПа <Rр=360 МПа.
В швах, прикрепляющих фасонку к фланцу, возникают срезающие напряжения:
– от опорной реакции вдоль шва:
,
τwv=367,65*103/[2*(450-10)*0.9*6]=70.7 МПа;
– от распора Н перпендикулярно шву:
,
τwH=338*103/[2*(450-10)*0.9*6]=52.0 МПа;
– от изгибающего момента вследствие эксцентричного действия силы H, создающей момент M=e*H:
,
τwM=6*150*338*103/[2*(450-10)2*0.9*6]=106.3 МПа.
Прочность швов при условном срезе проверяют по формуле:
,
τef=[70.72+(52.0+106.3)2]0.5=173.4 МПа <Rwf=180 МПа - условие прочности выполняется.
Для крепления фермы к колонне предусматривают болты нормальной точности, которые работают на растяжение. С целью унификации наружный диаметр болтов нижнего узла принимают, как и для верхнего - dнар=22 мм.
Опорный столик передает опорную реакцию V на колонну. Из условия прочности сварных швов на срез при известном значении катета шва определяем длину столика:
мм,
где 2/3 - учитывает возможный эксцентриситет приложения опорной реакции.
lст=2/3*36065*103/(0.9*10*180)+10=148.3 мм. Принимаем lст=160 мм.
Ширину столика принимаем конструктивно:
bs=bфл+(50…100) мм,
bs=180+40=220 мм.
Рисунок 19. Схема нижнего узла крепления фермы к колонне
4. Расчет и конструирование подкрановой балки
вес поднимаемого груза - Q=100 кН,
пролет крана – 23,5 м,
база крана –9350 мм,
ширина крана – 4600мм,
нагрузка на колесо 469 и489 кН,
вес тележки Gт=363 кН,
вес крана с тележкой G=1401 кН,
Нормативный вес подкрановой балки
Fк,max=479
Tk=479*0,1=47,9
Fк= =479*1,1*1,1=579,59кН,
Tk=1,1*47,9=52,69 кН
Mx= α∑ Fkyi; Mу= ∑ Tkyi;
α=1,05;
Mx=1.05*0.95*579,59*8,18=4729,2кНм
Mx=0,95*52,69*8,18=409,5кНм
Qх=1,02*0,95*579,59*4,89=2746,3кН
Qy=0,95*52,69*4,89=244,8кН
Подбор сечения балки
W=Mγβ/R=4729,2*1.14*0.95/24=21340,5см3
Λ=h/t=120
Минимальная высота балки
Где Мх-момент от загружения балки одним краном
Принимаем
Зададимся толщиной поясов
Определяем минимальную толщину стенки
– из условия среза
Принимаем толщину стенки
Находим требуемую площадь поясов
Принимаем
Геометрические характеристики принятого сечения главной балки равны:
А затем, геометрические характеристики тормозной балки относительно оси у-у ( в состав тормозной балки входит верхний пояс, тормозной лист и швеллер)
Проверка нормального напряжения
Прочность стенки на действие касательных напряжений на опоре обеспечена, так как принятая толщина стенки больше определенной из условия среза.
Жесткость балки также обеспечена, так как принятая высота балки
Проверим прочность стенки балки от действия местных напряжений под колесом крана
Проверка стенки на совместное действие нормальных, касательных и местных напряжений на уровне верхних поясных швов
При проверке прочности стенок подкрановых балок особого режима работы следует учитывать все компоненты напряженного состояния
Устойчивость стенки подкрановой балки проверяется с учетом нормальных напряжений
Список литературы
1. Кудишин Ю.И. Металлические конструкции. 2007.
2. Металлические конструкции. Под ред. Г. С. Веденикова. М., 1998.
3. СНиП II-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции. М.,1996.
4. СНиП 2.01.07-85*.Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия.М.,2003.
5. Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП II-23-81*.Стальные конструкции). М., 1985.
6. Справочник проектировщика. Металлические конструкции. КузнецовВ.В. и коллектив. М., изд-во АСВ, 1998.
7. Свод правил СП 53-102-2004. Общие правила проектированиястальных конструкций.,
54