Стальной каркас одноэтажного производственного здания

Введение
1. Компоновка конструктивной схемы каркаса
1.1. Исходные данные
1.2. Компоновка поперечной рамы каркаса
2. Сбор нагрузок на поперечную раму каркаса
2.1. Расчетная схема поперечной рамы
2.2. Постоянная нагрузка
2.3. Снеговая нагрузка
2.4. Вертровая нагрузка
2.5. Крановая нагрузка
3. Статический расчёт поперечной рамы
3.1. Определение внутренних усилий в элементах рамы
3.2. Определение расчётных комбинаций внутренних усилий
4. Расчёт и конструирование колонны крайнего ряда
4.1. Расчётные длины колонн
4.2. Подбор сечения верхней части колонны
4.3. Подбор сечения нижней части колонны
4.6. Расчет и конструирование узла сопряжение верхней и нижней частей колонны
4.7. Расчёт и конструирование базы колонны
5. Расчёт и конструирование стропильной фермы
5.1. Компоновка конструктивной схемы
5.2. Расчетная схема фермы
5.3. Сбор нагрузок на ферму
5.4. Статический расчет фермы
5.5. Подбор и проверка сечений стержней фермы
5.6. Расчет и конструирование узлов фермы
6. Расчёт и конструирование подкрановой балки
6.1. Конструктивное решение
6.2. Определение нагрузок и внутренних усилий
6.3. Подбор сечения подкрановой балки
6.4. Проверка прочности стенки на действие максимальных местных напряжений
6.5. Проверка прочности подкрановой балки по нормальным напряжениям
6.6. Проверка жесткости подкрановой балки
6.7. Расчет верхних поясных швов
6.8. Конструирование поперечных ребер жесткости
Список литературы

Узловые силы от постоянной нагрузки g = 9,63 кН/м:Pg = gd= 9,633 = 28,9 кН. Узловые силы от снеговой нагрузки s = 4,56 кН/м:Ps = sd = 4,563 = 13,68 кН.Узловые силы Ро = Р/2, действующие в крайних точках фермы, в расчёте учитывать не будем, потому что они приложены непосредственно к колоннам.Рис. 5.2Нагрузки на ферму 5.4. Статический расчет фермыСтатический расчет заключается в определении усилий, действующих в стержнях ферм. Расчет проводим на три группы нагрузок:- постоянная нагрузка на всем пролете;- снеговая нагрузка на всем пролете;- снеговая нагрузка на половине пролета.Расчет проводим в програмном комплексе SCAD. Нумерация стержней представлена на рис. 5.3Рис. 5.3 Нумерация стержней фермыРезультаты расчётов фермы на действие различных нагрузок заносим в таблицу 5.1.Таблица 5.1Элемент№ стержняУсилия в стержнях, кНРасчетные усилия, кНПостояннаяСнеговая на всем пролетеУсилие12Верхний поясВ-8-274,5-130,0-404,5В-9-274,5-130,0-404,5В-10-445,1-210,7-655,8В-11-445,1-210,7-655,8В-12-500,0-236,7-736,7Нижний поясН-1144,568,4212,9Н-2372,8176,5549,3Н-3445,1210,7655,8РаскосыР-20-216,8-102,6-319,4Р-21182,186,2268,3Р-23-141,6-67,0-208,6Р-24101,247,9149,1Р-26-60,7-28,7-89,4Р-2720,29,629,8СтойкиС-22-28,9-13,7-42,6С-25-28,9-13,7-42,6С-28-28,9-13,7-42,65.5. Подбор и проверка сечений стержней фермыРасчетные длины стержней в плоскости фермыlX обычно равны их геометрическим длинам l, то есть расстояниям между центрами узлов. Исключение составляют сжатые раскосы (кроме опорных) и стойки, расчетная длина которых составляет lX = 0,8l.Восходящие (сжатые) опорные раскосы считаются продолжением верхнего пояса, поэтому их расчётная длина равна геометрической:lX= l.Расчётные длины стержней из плоскости фермыlY равны расстояниям между точками, закреплёнными от смещения в горизонтальном направлении.Для раскосов и стоек расчётная длина из плоскости фермы равна геометрической: lY =l.Для элементов верхнего пояса расчётная длина lY равна расстоянию между точками опирания прогонов (а при беспрогонном покрытии - между рёбрами железобетонных плит). При этом прогоны сами должны быть закреплены от свободного перемещения в горизонтальной плоскости, что достигается устройством поперечных горизонтальных связей по торцам температурного блока и креплением к ним прогонов.Для элементов нижнего пояса расчётная длина lY равна расстоянию между распорками, установленными по нижним поясам ферм.Подбор сечений сжатых стержнейСжатые стержни подбираются из условия обеспечения устойчивости, растянутые - из условия прочности, непогруженные ~ по предельной гибкости.Подбор сжатых стержней выполняется в следующем порядке. Результаты заносятся в таблицу 5.2.1. Предварительно задаём гибкость элементов:для поясов λ = 60...80, для раскосов λ= 100... 120 .2. В зависимости от заданной гибкости по табл. 72 СНиП [2] определяем коэффициент продольного изгиба φ.3. Определяем требуемую площадь сечения стержней из условия обеспечения их устойчивости (число 2 учитывает, что сечение состоит из двух уголков):4.Определяем требуемые радиусы инерции сечения относительно осей х и у :iX ≥ lX/λ, iY ≥ lY/λ.5. По требуемым значениям площади А и радиусов инерции ix, iyпо сортаменту подбираем номер профиля и выписываем его характеристики.6. Определяем фактические гибкости:λX = lX/iX, λY = lY/iY7. По значению наибольшей гибкости λMAX определяем коэффициент продольного изгиба φMIN(по табл. 72 СНиП [2]).8. Проверяется условие λMAX< λU.9. Производится проверка устойчивости сжатого стержня: σ = Подбор сечений растянутых стержнейПодбор сжатых стержней выполняется в следующем порядке. Результаты заносятся в таблицу 5.2.1. Определяем требуемую площадь сечения стержней из условия обеспечения их прочности (число 2 учитывает, что сечение состоит из двух уголков):2. По требуемому значению площади А в сортаменте подбираем номер профиля и выписываем его характеристики (A, ix,iY).3. Определяем фактические гибкости, находим среди них наибольшую:λX = lX/iX, λY = lY/iY4. Проверяется условие λMAX< λU.5. Производится проверка прочности растянутого стержня:σ = где Аn- площадь сечения с учётом ослабления отверстиями; при креплении на сварке допустимо считать, что ослаблений отверстиями нет.Таблица 5.2Элемент№ стержняРасчетные усилияСечениеПлощадь А, кв.смlx/ly, смix/iy, смλx/λyλUφMINПроверка сеченийУстойчивость ПрочностьВерхний поясВ-8-404,52xL 100x1038,4300/3003,05/4,5298,3/66,41200,57218,4≤ 22,8В-9-404,52xL 100x1038,4300/3003,05/4,5298,3/66,41200,57218,4≤ 22,8В-10-655,82xL 140x1054,6300/3004,33/6,1169,3/49,11200,75116,0≤ 22,8В-11-655,82xL 140x1054,6300/3004,33/6,1169,3/49,11200,75116,0≤ 22,8В-12-736,72xL 140x1054,6300/3004,33/6,1169,3/49,11200,75117,9≤ 22,8Нижний поясН-1212,92xL 70x513,72580/5802,16/3,23268,5/18040015,5 < 24,0Н-2549,32xL 140x1054,6600/24004,33/6,11139/39340010,1 < 24,0Н-3655,82xL 140x1054,6600/24004,33/6,11139/39340012,0 < 24,0РаскосыР-20-319,42xL 100x1038,4348/4353,05/4,52114,0/96,21200,45418,3≤ 22,8Р-21268,32xL 70x513,72348/4352,16/3,23161/134,740019,6 < 24,0Р-23-208,62xL 100x1038,4348/4353,05/4,52114,0/96,21200,45412,0≤ 22,8Р-24149,12xL 50x59,79348/4351,53/2,45227,5/17840015,2 < 24,0Р-26-89,42xL 100x1038,4348/4353,05/4,52114,0/96,21200,4545,1≤ 22,8Р-2729,82xL 50x59,79348/4351,53/2,45227,5/1784003,0 < 24,0СтойкиС-22-42,62xL 70x513,72244/3052,16/3,23112,9/94,41200,5705,4≤ 22,8С-25-42,62xL 70x513,72244/3052,16/3,23112,9/94,41200,5705,4≤ 22,8С-28-42,62xL 70x513,72244/3052,16/3,23112,9/94,41200,5705,4≤ 22,85.6. Расчет и конструирование узлов фермыСтержни решетки крепятся к поясам с помощью сварных швов. Передача усилий на швы происходит неравномерно, так к5ак продольная сила приложена в центре тяжести уголка (рис. 5.4). Неравномерность усилий учитывается в расчете коэффициентом α. Условно считается, что шов у обушка равнополочного уголка воспринимает 70% усилия (α=0,7), а шов у пера – 30% (α=0,3).Рис.5.4 Распределение усилий между сварными швами крепления равнополочного уголкаНазначаем катеты сварных швов назначаем для всех стержней kf = 8 мм, но не более наименьшей толщины свариваемых элементов. Необходимая длина сварных швов:= 21,6 кН/см2Расчет сварных швов приведен в таблице 5.3.Таблица 5.3Элемент№ стержняСечениеУсилие, N кНШов по обушкуШов по перуkf, смlW, смkf, смlW, смОпорный раскосР-202xL 100x10-319,40,87,50,83,8Сжатый раскосР-232xL 100x10-208,60,85,20,82,8Растянутый раскосР-212xL 70x5268,30,59,70,54,7СтойкаС-252xL 70x5-42,60,52,40,51,66. Расчёт и конструирование подкрановой балки6.1. Конструктивное решениеПроектируем подкрановые балки со сплошной стенкой, работающие по разрезной статической схеме (балка на двух опорах).Сечение балок - двутавровое сварное. Для восприятия - боковых нагрузок предусматривается устройство горизонтальной тормозной балки (рис. 6.1).Рис. 6.1 Общий вид подкрановой балки1 – подкрановая балка, 2- тормозной лист, 3- вспомогательный швеллер, 4- поперечные ребра жесткости, 5 колонны.Расчётный пролёт l - это расстояние между центрами тяжести опорных площадок; принимается равным шагу колонн 1 = 6 м, поскольку опирание балок выполняется через строганный торец опорного ребра.Высота сечения Н принята при компоновке конструктивной схемы поперечной рамы каркаса; Н = НПБ = 1000 мм.6.2. ОпределениенагрузокивнутреннихусилийДействие двух крановНаибольшие вертикальные и горизонтальные нагрузки на подкрановую балку, используемые в расчётах на прочность и устойчивость, определяются от действия двух сближенных кранов, расположенных в одном пролёте. Нагрузка является подвижной, поэтому необходимо найти такое её положение, при котором внутренние усилия в балке будут наибольшими.Наибольший изгибающий момент М в балке от заданной системы сил возникает при таком их положении, когда от середины пролёта балки равноудалены равнодействующая всех сил и ближайшая к ней сила; под этой силой действует наибольший момент (рис. 6.2,а) - правило Винклера.Наибольшая поперечная сила Q в балке возникает, когда одна из сил находится непосредственно у опоры, а остальные располагаются как можно ближе к ней (рис. 6.2, б).Рис. 6.2 Определение наибольших внутренних усилий в подкрановой балкеОпределение изгибающих моментовМаксимальный момент возникает в сечении, близком к середине пролета. Загружаем линию влияния момента в среднем сечении, устанавливая краны невыгоднейшим образом (рис. 6.3).Рис. 6.3 Определение максимального момента в подкрановой балкеОпределение поперечных силДля определения максимальной поперечной силы загружаем линию влияния поперечной силы на опоре (рис. 6.4).Рис. 6.4. Определение максимальной поперечной силы в подкрановой балкеОпределение расчетных значений внутренних усилийРасчетный момент от вертикальной нагрузки:МХ = αΣFKMAXyiγf γd ψ,где α – коэффициент, учитывающий собственный вес балки, для балок пролетом 6 мα = 1,03;FKMAX – максимальное давление колеса крана;γf – коэффициент надежности по нагрузке, для крановой нагрузки принимаем равным 1,1;γd – коэфициент динамичности, принимам равным 1,0;ψ – коэффициент сочетаний, для двух сближенных кранов принимаем равным 0,85.МХ = 1,03∙[446∙(3+1,79) + 3730,65]∙1,1∙1,0∙0,85 = 2290,9 кН∙м.Расчетный момент от горизонтальной нагрузки:МY = ΣTyiγf γd ψ,где T – нормативная горизонтальная крановая нагрузкаМY = [20,1∙(3+1,79) + 13,80,65]∙1,1∙1,0∙0,85 = 173,9 кН∙м.Расчетная поперечная сила:QХ = αΣFKMAXyiγf γd ψ = 1,03∙[446∙(0,36+0,21) + 373(1+0,85)]∙1,1∙1,0∙0,85 = 909,4 кН.Действие одного кранаПри расчете подкрановых балок на жесткость учитывается нагрузка только от одного крана. Коэффициенты γf, γd, ψ не учитываются.Максимальный изгибающий момент возникает в сечении находящемся близко к центру (рис. 6.5)Рис. 6.5. Определение максимального момента в подкрановой балкеРасчетный момент для проверки жесткости подкрановой балки:МХn = ΣFKMAXyi,МХn =446∙(3+2,12) = 2283,5 кН∙м.6.3. Подбор сечения подкрановой балкиКомпоновка размеров стенки и полкиПри компановке конструктивной схемы поперечной рабы, была принята подкрановая балка высотой НПБ = 1000 мм. Высоту стенки принимаем hW = 950 мм.Рекомендуемая толщина стенки:tW = 7 + 3hW/1000 = 7 + 3∙950/1000 = 9,85 мм.Принимаем толщину стенки tW = 10 мм.Полки обычно выполняются в два раза толще, чем стенка:tf =2tW = 2∙10 = 20ммПолная высота балки h = hW + 2tf = 950 + 2∙20 = 990 мм.Проверим прочность стенки на срез. Наименьшая толщина стенки из условия ее сопротивления срезу составит:tWmin = 3Q/2hWRSγC = 3∙909,4/2∙95∙18,27∙1 = 0,78 см <tW = 1,0 см.где RS – расчетное сопротивление стали срезу для листового проката толщиной 10…20 мм.Проверка выполняется.Момент инерции стенки: JW = tWhW3/12 = 1,0∙953/12 = 71448 см4.При определении ширины полок учтем увеличение напряжений в верхнем поясе при действии горизонтальных поперечных нагрузок при помощи коэффициента β:β = 1 + 2∙Требуемый момент сопротивления сечения:WX≥ = 8400см3,где Ry – расчетное сопротивление для листового проката толщиной 20…40 мм.Требуемаяширинаполокbf из условия прочности балки на изгиб с учетом ослабления верхнего пояса отверстиями для болтов d = 24 мм.bf ≥Ширина полок принимается не менее 16 см (из условия размещения болтов) и не более 30tf = 30∙2,0 = 60см (по условию равномерного распределения напряжений).Кроме того учитывается требование местной устойчивости полки:bf≤ tW + tfОкончательно принимаем полку ширинойbf= 45 см.Геометрические характеристики сеченияПри расчете подкрановых балок приближенно принимается, что вертикальная нагрузка воспринимается только сечением подкрановой балки (без учета тормозной конструкции), а горизонтальная нагрузка – только тормозной балкой. Сечение тормозной конструкции показано на рис. 6.6..Рис. 6.6 Поперечное сечение подкрановой балки Геометрические характеристики относительно горизонтальной оси Х.Рассматриваем балку без тормозной конструкции.Площадь верхней полки: Аf’= (bf-2d)tf = (45-2∙2,4)∙2,0 = 80,4 см2;Площадь стенки: АW = hWtW = 95∙1,0 = 95 см2;Площадь нижней полки: Аf= bftf = 45∙2,0 = 90 см2;Полная площадь сечения: A0 = Аf’ + АW + Аf = 80,4 + 95 + 90 = 265,4 см2.Расстояние от верхней грани до центра тяжести: у0’ = 51,3 см;Расстояние от нижней грани до центра тяжести: у0 = 47,7 см;Момент инерции сечения: JX = 471147 см4;Момент сопротивления для верхней грани сечения: WX’ = 9184 см3;Момент сопротивления для нижней грани сечения: WX = 9877 см3.Геометрические характеристики относительно вертикальной оси YРассматриваем только тормозную конструкцию, состоящую из верхнего пояса подкрановой балки, стального листа и вспомогательного швеллера.При шаге колонн 12 м принимается швеллер 30. Его характеристики:Высота сечения: h = 30 см;Ширина полки: b = 10 см;Площадь сечения: А = 40,5 см2;Момент инерции: Jy = 327 см4;Расстояние до центра тяжести: z = 2,52 см.Для стенки тормозной балки применяем лист толщинойtW’ =8 мм. Лист перекрывает пояса на Δ = 40 мм. Стенка швеллера размещается от наружной грани колонны на расстоянии а0 = 30 мм.Высота стенки тормозной балки:hW' = hH – (0,5bf + a0 + b) + 2Δ = 150 – (0,5∙45 + 3 +10) + 2∙4 = 106,5 см.Расстояние от оси подкрановой балки до центра тяжести листа:с = 0,5bf+ 0,5hW’ – Δ = 0,5∙45 + 0,5∙106,5 - 4 = 71,8 см.Площадь тормозного листа: AW’= tW’hW’ = 0,8∙106,5 = 85,2 см2.Площадь сечения тормозной балки: А0’ = 85,2 + 40,5 + 80,4 = 206,1 см2;Расстояние от оси подкрановой балки до центра тяжести сечения тормозной балки: X0’= 54,9см.Момент инерции сечения тормозной балки: Jy = 557400 см4;Момент сопротивления для крайней точки пояса: Wy’ = Jy/( X0’ + 0,5bf) = 557400/(54,9 + 0,5∙45) = 7201см3.6.4. Проверка прочности стенки на действие максимальных местных напряженийПроверка прочности стенки производится на уровне верхних поясных швов при действии максимального расчетного усилия от колеса крана FMAX:FMAX= FKMAX∙γf∙γn∙γf1 = 446∙1.1∙0.95∙1.1 = 512,7 кН,где γf1–коэффициент увеличения вертикальной нагрузки на колесо крана, принимается равным 1,1.Условие проверки прочности на действие местных наряжений:σloc,y=,гдеlef – условная длина распределения FMAX, определяемая по формуле:lef=,с – коэффициент, учитывающий податливость соединений пояса и стенки, для сварного соединения с = 3,25;J1f – сумма сосбственных моментов инерции верхнего пояса балки и кранового рельса:J1f =4,Jxk – момент инерции кранового рельса КР-120.Тогда: lef=;σloc,y= = 31,5 кН/см2.6.5. Проверка прочности подкрановой балки по нормальным напряжениямРасчетная точка для проверки нормальных напряжений в верхнем поясе располагается в верхнем углу обращенной в сторону пролета грани. В этой точке возникаю наибольшие напряжения от совместного действия вертикальной и горизонтальной составляющих крановой нагрузки. Условие проверки имеет вид:σMAX’ = ;σMAX’ =≤ = 30,0 кН/см2.Проверка выполняется.Нормальные напряжения в нижнем поясе проверяются на уровне нижней грани балки. Условие проверки:σMAX = ;σMAX =Проверка выполняется.6.6. Проверка жесткости подкрановой балкиПрогиб балки f при действии вертикальной нормативной нагрузки от одного крана не должен быть больше допустимого fu = l/400:f= ;f= Проверка выполняется.6.7. Расчет верхних поясных швовВерхние поясные швы, соединяющие верхний пояс балки со стенкой, выполняются с проваром на всю толщину стенки (рис. 6.7). Такие швы принимаются равнопрочными со стенкой и отдельно не рассчитываются.Рис. 6.7 Верхний поясной шов подкрановой балки с проваром на всю толщину стенкиПри других группах режимов работы кранов применяются угловые поясных швы, выполненные обычной автоматической сваркой. Эти швы рассчитываются на совместное действие горизонтально направленных касательных напряжений от изгиба балки и вертикально направленных местных напряжений от колес крана.Для определения касательных напряжений необходимо знать статический момент верхнего пояса подкрановой балки относительно центра тяжести сечения:Sxf = Af’(y0’ – 0,5tf) = 80,4(51,3 – 0,5∙2,0) = 4044,1 см3.Требуемая величина катета шва:Принимаем kf = kfmin = 6 мм.6.8. Конструирование поперечных ребер жесткостиСтенки балок при наличии подвижной нагрузки следует укреплять поперечными ребрами жесткости, если условная гибкость стенки: = = 3,71 > 2,2,необходима установка поперечных ребер жесткости.В балках под краны групп режимов работы 1К-5К допускается применять односторонние поперечные ребра жесткости с приваркой их к стенке и к верхнему поясу. К нижнему поясу ребра жесткости не привариваются.Расстояния между поперечными ребрами жесткости:а ≤ 2hWпри > 3,2; = 3,71>3,2, поэтому а ≤ 2∙0,95 = 1,9 м. Принимаем а = 1,5 м.Ширина выступающей части ребра bhпринимается не менее 90 мм и не менее:bh ≥ - для парного ребра.Устраиваем парные ребра жесткости, тогда:bh ≥ Принимаем ширину ребра bh = 90мм.Толщина ребра th ≥ 2bhсм.Принимаем th = 8 мм.Список литературыБеленя Е.И., Балдин В.А., Ведеников Г.С. и др. Металлические конструкции. – 6-е изд. М.: Стройиздат, 1985.СНиП II-23-81* Стальные конструкции.СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия.Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В. и др. Металлические конструкции. – 3-е изд., стер. – М.: Высш.шк., 2004.Мандриков А.П., Лялин И.М. Примеры расчета металлических конструкций. – М.: Стройиздат, 1982.ГОСТ 24379.0-80 Болты фундаментные.