стальной каркас одноэтажного производственного здания

Оглавление
Исходные данные 4
1. Компоновка поперечной рамы 5
1.1. Вертикальные размеры колонны 5
1.2. Горизонтальные размеры колонны 7
2. Расчет поперечной рамы здания 8
2.1. Расчетная схема поперечной рамы 8
2.2. Определение постоянных нагрузок 8
2.3. Определение снеговых нагрузок 10
2.4. Определение ветровой нагрузки 11
2.5. Определение вертикальной крановой нагрузки 13
2.6. Определение горизонтальной крановой нагрузки 15
3. Статический расчёт поперечной рамы 17
3.1. Выбор метода расчёта и основной системы 17
3.2. Учёт пространственной работы каркаса здания 18
3.3. Единичное перемещение 19
3.4. Расчет на действие постоянной нагрузки 20
3.5. Расчет на действие снеговой нагрузки 23
3.6. Расчет на действие ветровой нагрузки 26
3.7. Расчет на действие вертикальной крановой нагрузки 29
3.8. Расчет на действие горизонтальной крановой нагрузки 33
3.9. Определение расчётных комбинаций внутренних усилий 35
4. Расчёт и конструирование подкрановой балки 38
4.1. Исходные данные 38
4.2. Определение нагрузок и внутренних усилий 38
4.3. Подбор и проверка сечения подкрановой балки 40
4.4. Проверка прочности подкрановой балки 43
5. Расчет колонны 45
5.1. Исходные данные 45
5.2. Определение расчетных длин колонны 45
5.3. Подбор сечения верхней части колонны 46
5.4. Подбор сечения нижней части колонны 49
5.5. Расчет решетки подкрановой части колонны 53
5.6. Проверка устойчивости колонны в плоскости действия момента как единого стержня 54
5.7. Расчет и конструирование узла сопряжения верхней и нижней частей колонны 55
5.8. Расчет и конструирование базы колонны 58
6. Расчёт и конструирование стропильной фермы 63
6.1. Исходные данные 63
6.2. Сбор нагрузок на ферму 63
6.3. Статический расчет фермы 67
6.4. Подбор и проверка сечений стержней фермы 70
6.5. Расчет и конструирование узлов фермы 73
6.6. Расчет и конструирование опорного узла фермы 74
Список литературы 75

Длина шва крепления вертикального ребра траверсы к стенке траверсы (ш2) рассчитывается по формуле:Применяем полуавтоматическую сварку проволокой марки Св-08А, d = 1,4…2 мм, тогда βШ = 0,9; βС = 1,05. Назначаем толщину сварных швов kШ = 6 мм; γУШСВ = γУССВ = 1; RУ.Ш.СВ = 18 кН/см2; RУ.С.СВ = 16,5 кН/см2.Тогда длина сварного шва .lШ2<85·βШ·kШ = 85·0,9·0,6 = 46 см.В стенке подкрановой ветви делаем прорезь, в которую заводим стенку траверсы.Для расчета шва крепления траверсы к подкрановой ветви (ш3) составляем комбинацию усилий, дающую наибольшую опорную реакцию траверсы N = -1575,8 кН, М = 205,5 кН·м.,k – коэффициент, который учитывает неравномерность передачи усилия, принимаем равным 1,2.Коэффициент 0,9 учитывает, что усилия N и М приняты для 2-го основного сочетания нагрузок..Тогда требуемая длина сварного шва рассчитывается по формуле:.lШ3<85·βШ·kШ = 85·0,9·0,6 = 46 см. Из условия прочности стенки подкрановой ветви в месте крепления траверсы определяем высоту траверсы hТР по формуле:,где tСТ.В– толщина стенки двутавра 45Б1, 7,6 мм;RСР – расчетное сопротивление срезу фасонного проката из стали ВСт3кп2, 13 кН/см2., принимаем hТР = 80 см.Проверим прочность траверсы как балки, нагруженной усилиями N, M, и DМАХ. Расчетная схема и сечение траверсы приведены на рисунке. Нижний пояс траверсы принимаем конструктивно из листа 420×12 мм, верхние горизонтальные ребра из двух листов 180×12 мм.Найдем геометрические характеристики траверсы. Положение центра тяжести сечения траверсы:Рис. 5.3 Поперечное сечение траверсы;IX = +78,8·2·4,62 + 1,2·42·35,42 + 2·18·1,2·292 = 184376 см4;Максимальный изгибающий момент в траверсе возникает при 1-й комбинации усилий:;Напряжения, возникающие в траверсе находим по формуле:кН/см2.Максимальная поперечная сила в траверсе с учетом усилия от кранов возникает при комбинации усилий .,коэффициент k = 1,2 учитывает неравномерную передачу усилия DМАХ.Найдем касательные напряжения, возникающие в траверсе:.5.5. Расчет и конструирование базы колонныШирина нижней части колонны составляет 1 м, поэтому проектируем раздельную базу.Расчетные комбинации усилий в нижнем сечении колонны: М2 = 947,5 кН·м, N2 = -2572,3 кН (для расчета базы наружной ветви); М1 = -216,7 кН·м, N1 = -1298,6 кН (для расчета базы подкрановой ветви).Усилия в ветвях колонны определяем по формулам:База наружной ветвиТребуемая площадь плиты, гдеRФ = γ·Rб = 1,2·0,7 = 0,84 кН/см2,Rб = 0,7 кН/см2,По конструктивным соображениям свес плиты с2 должен быть не менее 4 см. Тогда ширина плиты В ≥ bК + 2с2 = 44,5 + 2·4 = 52,5 см, принимаем В = 60 см. Длина плиты вычисляется как L = ATP/B = 3381,3/60 = 56 см, принимаем L = 58 см. Тогда фактическая площадь плиты АФАК = 60·58 = 3480 см2 > АТР.Среднее напряжение в бетоне под плитой:.Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету равно: 2·(bП + tСТ – z0) = 2·(18 + 2,0 –5,6) = 28,8 см. Толщина траверсы 1,2 см: с1 = (58 – 28,8 – 2·1,2)/2 = 13,4 см.Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты:Участок 1(консольный свес с = с1 = 13,4 см).Участок 2 (консольный свес с = с2 = 6,4 см).Участок 3( плита, опертая на четыре стороны; b/a = 42/18 = 2,3 > 2, α = 0,125)М3 = α·σФ·а2 = 0,125·0,81·182 = 32,8 кН·см.Участок 4 (плита, опертая на четыре стороны; b/a = 42/8,8 = 4,8 > 2, α = 0,125)М4 = α·σФ·а2 = 0,125·0,81·8,82 = 7,8 кН·см.Принимаем для расчета МMAX = М3 = 72,7 кН·см.Требуемая толщина плиты , принимаем две плиты толщиной tПЛ = 2,4 см каждая.Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилие в ветви передаем на траверсы через 4 угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-08А, d = 1,4…2 мм, kШ = 8 мм. Требуемая длина шва определяется по формуле:см, принимаем 56 см.lШ3<85·βШ·kШ = 0,85·0,9·0,8 = 61 см.принимаем высоту траверсы hТР = 60 см. Крепление траверсы к полите принимаем угловыми швами kШ = 10 мм., где ΣlШ = (60 + 2·6,4+42,3)·2 = 230,2 см,.Швы удовлетворяют требованиям прочности. При вычислении суммарной длины швов с каждой стороны шва не учитывалось по 1 см на непровар.База подкрановой ветви Требуемая площадь плиты, RФ = 0,84 кН/см2,Свес плиты с2 принимаем равным 4 см. Тогда ширина плиты В ≥ bК + 2с2 = 44,5 + 2·4 = 52,5 см, принимаем В = 60 см. Длина плиты L = ATP/B = 715,4/60 = 11,9 см, принимаем L = 30 см. Тогда фактическая площадь плиты АФАК = 60·30 = 1800 см2 > АТР.Среднее напряжение в бетоне под плитой:.Расстояние между траверсами равно b = 18 см. Толщина траверсы 1,2 см: с1 = (30 – 18 – 2·1,2)/2 = 4,8 см.Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты:Участок 1(консольный свес с = с1 = 4,8 см).Участок 2 (консольный свес с = с2 = 7,8 см).Участок 3 (плита, опертая на четыре стороны; b/a = 44,5/8,6 = 5,2 > 2, α = 0,125)М3 = α·σФ·а2 = 0,125·0,33·8,62 = 3,1 кН·см.Принимаем для расчета МMAX = М1 = 10,0 кН·см.Требуемая толщина плиты , принимаем tПЛ = 2 см.Требуемая длина шва определяется по формуле:см, принимаем 13 см.lШ3<85·βШ·kШ = 0,85·0,9·0,8 = 61 см.Окончательно принимаем высоту траверсы hТР = 60 см как и для базы наружной ветви. Крепление траверсы к полите принимаем угловыми швами kШ = 10 мм., где ΣlШ = (60 + 2·4,8 +42,3)·2 = 223,8 см,.Швы удовлетворяют требованиям прочности. Расчет анкерных болтов.Требуемая площадь нетто сечения анкерных болтов определяется по формуле:АБ = , гдеМ4 = 947,5 кН·м ;N4 = 2572,3 кН. – момент и нормальная сила, действующие в уровне верхнего обреза фундамента, определяемые при выборе наихудшего сочетания;а - расстояние от оси колонны до середины опорной плиты наружной ветви, 27 см;y – расстояние от оси анкерных болтов до середины опорной плиты подкрановой ветви, 100 см;Rb – расчетное сопротивление растяжению анкерных болтов из стали 09Г2С, 17,5 кН/см2.АБ = ,Тогда площадь поверхности сечения одного болта составит:АБ1 = АБ/4 = 14,45/4 = 3,6 см2.Находим ближайший диаметр 24 мм А = 4,5 см2.6. Расчёт и конструирование стропильной фермы6.1. Исходные данныеВ данной работе рассматривается ферма с параллельными поясами и треугольной решеткой с дополнительными стойками. Для повышения устойчивости опорных раскосов предусматриваются дополнительные шпренгельные элементы (подкосы).Уклон кровли i= 1,5 % создаётся за счет строительного подъема.В работе принята стальная ферма с параллельными поясами пролетом 24 м, высота фермы 2,25м. Размер панели верхнего пояса d = 3 м.Привязка ферм к продольной разбивочной оси b = 200 мм.Элементы поясов и решетки фермы выполняются из парных равнополочных уголков.Для удобства транспортировки ферму разбивают на отправочные элементы длиной 12 м.Схема стропильной фермы приведена на рисунке 6.1.Рис. 6.1 Схема стропильной фермы6.2. Сбор нагрузок на фермуПостоянная нагрузкаСостав кровли ранее приводился в таблице6.1. Нагрузка отпокрытия (за исключением веса фонаря):qКР’ = (qКР – f· qФ)·γn ,qКР = 1,38 кН/м2;qФ = 0,1 кН/м2;γn – коэффициент надежности по назначению здания, 0,95;f – коэффициент надежности по нагрузке, для металлических конструкций 1,05.qКР’ = (1,38 – 1,05·0,1)·0,95 = 1,25 кН/м2.Вес фонаря, в отличие от расчета рамы, учитываем в местах фактического опирания фонаря на ферму. Вес каркаса фонаря на единицу площади горизонтальной проекции фонаря qФ’ = 0,1 кН/м2. Вес бортовой стенки и остекления на единицу длины стенки qБ СТ = 2 кН/м.Тогда узловые силы (рис. 6.2):Рис. 6.2 Схема приложения постоянной нагрузкиF0 = F7 = qКР’·b·d,где b – шаг поперечных рам здания, 12 м;d – ширина грузовой площади, 3 м.F0 = F7 = 1,25·12·1,5 = 22,5 кН;F1 = F6 = qКР’·b·d,F1 = F6 = 1,25·12·3 = 45 кН;F2 = F5 = qКР’·b·d + qФ’·b·0,5d· γН + qБ СТ’·b· γН,F2 = F5 = 1,25·12·3 + 0,1·12·1,5·0,95 + 2·12·0,95 = 69,5 кН;F3 = F4 = qКР’·b·(d+0,5d) + qФ’·b·(d+0,5d) ·,F3 = F4 = 1,25·12·4,5 + 0,1·12·4,5·0,95 = 72,6 кН.Опорные реакции колонны:FА = FВ = F0 + F1 + F2 + F3,FА = FВ = 22,5 + 45 + 69,5 + 72,6 = 209,6 кН.1-й вариант снеговой нагрузкиРасчетная нагрузка:S = s0·с· γn, где s0 – расчетное значение снеговой нагрузки для данного района, 1,8 кН/м2;с – коэффициент перехода от нагрузки на земле к нагрузке на 1 м2 проекции кровли. (рис. 6.3)Рис. 6.3 Схема 1-го варианта снеговой нагрузкиs = 1,8·с·0,95 =1,71·с кН/м2.Принимая с1 равным 0,8, а с2 = 1 + 0,1а/b. а = 12 м, b = 6 м,с2 = 1 + 0,1·12/6 = 1,2Узловые силы:F0 = F7 = s·с2·b·0,5d,F0 = F7 = 1,71·12·1,5·1,2 = 36,9кН;F1 = F6 = s·с2·b·d,F1 = F6 = 1,71·1,2·12·3 = 73,9кН;F2 = F5 = s·b·d·(с1+с2)/2 ,F2 = F5= 1,71·12·3·(0,8+1,2)/2 = 61,6кН;F3 = F4 = s·b·(0,5d+d)·с1,F3 = F4 = 1,71·12·(0,5·3+3)·0,8 = 73,8кН.Опорные реакции:FА = FВ = F0 + F1 + F2 + F3,FА = FВ = 36,9 + 73,9 + 61,6 + 73,8 = 246,2 кН.2-й вариант снеговой нагрузкиРасчетная нагрузка s = 1,71с. (рис. 6.4)Рис. 6.4 Схема приложения 2-го варианта снеговой нагрузкис3 = 1 + 0,5·а/hФ,где hФ – высота фонаря, равная 3,3 м,с3 = 1 + 0,5·12/3,3 = 2,8.Узловые силы:F0 = F7 = s·b·0,5d ,F0 = F7 = 1,71·12·1,5 = 30,8кН;F1 = F6 = s·b·(1,8·с3 + 1,2·1,0),F1 = F6 = 1,71·12·(1,82,8 + 1,21,0) = 128,0кН;F2 = F5 = s·b·0,5dс3F2 = F5 = 1,71·12·0,532,8 = 86,2кН;F3 = F4 = 0.Опорные реакции:FА = FВ = F0 + F1 + F2 + F3,FА = FВ = 30,8+128,0 + 86,2 + 0 = 245,0 кН.6.3. Статический расчет фермыСтатический расчет заключается в определении усилий, действующих в стержнях ферм.Усилия в стержнях фермы определяем раздельно для каждой нагрузки с помощью метода вырезания узлов, согласно схеме, изображенной на рисунке 6.5.Затем составляются расчётные комбинации усилий.Рис. 6.5 Расчетная схема фермыПостоянная нагрузкаF0Σy = -F0 – S1 = 0,S1 = -F0 = -22,5кН; S4Σх = S4 = 0, S4 = 0. S1Σy = FA+S1 +S2·sin 36,9º = 0,S1 S2Σx = S3+s2·cos36,9º = 0, 36,9º кН, S3 S3 = -S2·cos36,9º = 311,8·0,8 = 249,5кН.FAF1Σy = -F1 - S2·sin 36,9º - S6·sin 36,9º = 0, S436,9 S5кН ; S2 S6Σx = -S4 - S2·cos 36,9º + S5 + S6·cos 36,9º = 0, S5 = S4 + S2·cos 36,9º - S6·cos 36,9º = = 0-311,8·0,8 – 236,8·0,8 = -438,9кН. F2Σy = -F2 – S7 = 0,S7 = -F2 = -69,5кН;S5 S8Σх = -S5 + S8 = 0S8 = S5 = -438,9кН. S7 S7Σy = S7 + S6·sin 36,9º + S9·sin 36,9º = 0, S6S9кН;S3 36,9º S10Σx = S10 - S3 + S9·cos 36,9º - S6·cos 36,9º = 0, S10 = S3 - S9·cos 36,9º + S6·cos 36,9º = = 249,5 + 120,9·0,8 + 236,8·0,8 = 535,7кН. F3Σy = -F1 – S9·sin 36,9º - S12·sin 36,9º = 0, S836,9 S11кН ; S9 S12Σx = -S8 – S9·cos 36,9º + S11 + S12·cos 36,9º = 0, S11 = S8 + S9·cos 36,9º - S12·cos 36,9º = = -438,9 – 120,9·0,8 – 0 = 535,6кН.S11 S14 Σy = – S13 = 0, S13 = 0, S13Σх = -S11 + S14 = 0S14 = S11 = -535,6кН. S13Σy = S13 + S12·sin 36,9º + S15·sin 36,9º = 0, S12 S15 S15 = 0;Σx = - S10 + S16 + S15·cos 36,9º - S12·cos 36,9º = 0,S10 36,9º S16S16 = S10 = 535,7кН. F4Σy = -F4 – S17·sin 36,9º - S15·sin 36,9º = 0, S1436,9 S18кН ; S15 S17Σx = -S14 – S15·cos 36,9º + S18 + S17·cos 36,9º = 0, S18 = S14 + S15·cos 36,9º - S17·cos 36,9º = = -535,6 + 0 + 121,0 = -414,6 кН.Усилия от снеговых нагрузок рассчитываем аналогично. Результаты расчётов фермы на действие различных нагрузок заносим в таблицу 6.1. Таблица 6.1Элемент№ стержняУсилия в стержнях, кНРасчетные усилия, кНПостоянная1-й вариант снеговой2-й вариант снеговой123№ усилийРастяжение№ усилийСжатиеВерхний поясВ-400,00,0----В-5-438,9-499,0-380,51+2-937,9В-8-438,9-499,0-380,51+2-937,9В-11-535,6-592,5-380,51+2-1128,1Нижний поясН-3249,5296,3338,71+3588,2Н-10535,7592,6447,91+21128,3РаскосыР-2-311,8-370,4-339,21+2-682,2Р-6236,8253,4136,51+2490,2Р-9-120,9-116,90,01+2-237,8Р-1200,00,0----СтойкиС-1-22,5-35,1-29,21+2-57,6С-7-69,5-81,9-81,91+3-151,4С-1300,00,0----6.4. Подбор и проверка сечений стержней фермыСжатые стержни подбираются из условия обеспечения устойчивости, растянутые - из условия прочности, недогруженные ~ по предельной гибкости.Данные по подбору и проверке стержней фермы заносим в таблицу 6.2.Таблица проверки сечений стержней фермы Таблица 6.2Элемент№ стержняРасчетные усилияСечениеПлощадь, см2lX/lYiX/iYλX/λY[λ]φminγПроверка сеченийРаст.Сжат.ПрочностьУстойчивость1234567891011121314Верхний поясВ-4-┐┌ 80×618,762802802,473,65113,476,71200,4620,95-В-5-937,9┐┌125×1257,83003003,824,9278.560.91200,8450,9519,2<22,8В-8-937,9┐┌125×1257,83003003,824,9278.560.91200,8450,9519,9<22,8В-11-1128,1┐┌125×1257,83003003,824,9278.560.91200,8610,9521,4<22,8Нижний поясН-3588,2┐┌125×1257,85805802,473,65151,8117,92500,9510.2<22,8Н-101128,3┐┌125×1257,86006006,207,9496,875,62500,9519.5<22,8СтойкиС-1-57,6┐┌50×59,61802251,532,45104,783,61200,5050,811.9<19,2С-7-151,4┐┌ 80×618,761802252,473,6572,861,61200,7420,810.819,2С-13-┐┌50×59,61802251,532,45117,691,81200,4290,8-1234567891011121314РаскосыР-2-682,2┐┌125×1257,81883756,207,9433,652,41200,8080,9514.6<22,8Р-6490,2┐┌90×724,63003752,774,06108,392,42500,9519.9<22,8Р-9-237,8┐┌90×724,63003752,774,06108,392,41200,7280,813.2<19,2Р-12--┐┌90×724,63003752,774,06108,392,41200,4860,8-6.5. 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. 6.6). 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. 6.6 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 6.3.Таблица 6.3Элемент№ стержняСечениеУсилие, N кНШов по обушкуШов по перуkf, смlW, смkf, смlW, смОпорный раскосР-2┐┌140×10-682.20,814.80,86.9Сжатый раскосР-9┐┌110×10-237.80,85.80,82.5Растянутый раскосР-6┐┌110×10490.20,810.90,85.2СтойкаС-7┐┌ 80×6-151.40,65.00,62.8Швы, прикрепляющие фасонку к поясу, рассчитываются на усилие, равное разности усилий в смежных панелях пояса: NФ = N1 – N2. В данном проекте катеты этих швов принимаются конструктивно (kf= 6 мм).6.6. Расчет и конструирование опорного узла фермыПри шарнирном сопряжении фермы с колонной наиболее простым является узел опирания фермы на колонну сверху с использованием дополнительной стойки (надколонника). Опорное давление фермы FФ передается с опорного фланца фермы через строганные или фрезерованные поверхности на опорную плиту колонны или опорный столик подстропильной фермы опорный фланец для четкости опирания выступает на 10-20 мм ниже фасонки опорного узла. Площадь торца фланца определяется из условия смятия:,где RСМγC – расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности, принимаем 45 кН/см2,Опорное давление фермы складывается из давления от постоянной нагрузки и давления от снеговой V = 209.6 + 246.2 = 455.8 кН. Тогда площадь фланца: см2.Принимаем опорный фланец толщиной 14мм, и шириной 10 см.Список литературыМеталлические конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ под ред. Ю.И. Кудишина. – 8-е изд., перераб. и доп. – М.:Издательский центр «Академия», 2006. – 688 с.СП16.13330.2011 Стальные конструкции.СП 20.13330.2011 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.ГОСТ 23119-78 Фермы стропильные стальные сварные с элементами из парных уголков для производственных зданий.