Металлоконструкции

Содержание
Исходные данные 3
1 Компоновка конструктивной схемы поперечной рамы 3
1.1 Вертикальные размеры 3
1.2 Горизонтальные размеры 5
1.3 Прочие размеры 6
2 Сбор нагрузок на поперечную раму 7
2.1 Постоянные нагрузки 7
2.2 Снеговая нагрузка 8
2.3 Ветровая нагрузка 10
2.4 Крановые нагрузки 12
3 Расчет подкрановой балки 16
3.1 Задание на проектирование 16
3.2 Нагрузки на подкрановую балку 16
3.3 Определение расчетных усилий 16
3.4 Подбор сечения балки 18
3.5 Проверка прочности сечения 21
4 Расчет поперечной рамы 23
4.1 Постановка задачи и расчетная схема 23
4.2 Подсчет нагрузок, действующих на поперечную раму 24
4.3 Генерация таблицы РСУ 25
5. Расчет колонны 28
5.1 Расчетные длины колонны 28
5.2. Подбор сечения верхней части колонны 29
5.3. Подбор сечения нижней части колонны 33
5.4. Расчет базы колонны 37
6 Проектирование стропильной фермы 44
6.1 Определение усилий в стержнях фермы 44
6.2 Подбор сечений элементов фермы 47
6.2.1 Геометрия фермы 47
6.2.2. Подбор сечений сжатого (верхнего) пояса 48
6.2.3 Подбор сечений растянутого (нижнего) пояса 49
6.2.4 Подбор сечения опорного раскоса 49
6.2.5 Подбор сечений растянутых раскосов 50
6.2.6 Подбор сечения сжатого раскоса 51
6.2.7 Подбор сечения стойки 52
6.3 Расчет узлов стропильной фермы 54
6.3.1 Общие данные для расчета 54
6.3.2 Узел А 55
6.3.3 Узел В 58
6.3.4 Узел С 59
6.3.5 Узел D 59
6.3.6 Узел Е 60
6.3.7 Узел F 60
6.3.8 Узел К 61
Список литературы 63

Диаграмма Максвелла-Кремоны для фермы пролетом 24 м от действия единичной узловой нагрузки.Рис. . Нумерация узлов стропильной фермы.Таблица . Определение усилий в стержнях фермыЭлементОбозначениеУсилия в стержнях,при Р = 1при Р = 70,8Верхний пояс1-2; 2-3; 5-6; 6-7– 8,1-916,43-4; 4-5– 10,9-1233,1Нижний пояс8-9; 11-12+ 4,6520,49-10; 10-11+ 10,21153,9Сжатый раскос1-8; 7-12– 5,8-656,23-9; 5-11– 2,6-294,1Растянутый раскос1-9; 7-11+ 4,2475,13-10; 5-10+ 0,9101,8Стойка2-9; 4-10; 6-11– 1,0-113,16.2 Подбор сечений элементов фермы6.2.1 Геометрия фермыПодбор сечений центрально нагруженных элементов выполняется в соответствии с требованиями [4]. Для этого предварительно задаемся типом поперечного сечения и определяем расчетные длины последних.Элементы поясов и решетки проектируем из спаренных уголков по ГОСТ 8509 и ГОСТ 8510.Расчетные длины в плоскости фермы – и из плоскости фермы – плоских стержневых ферм определяем в соответствии с п. 6, табл. 11 [4]. Полученные данные сведены в таблицу (Таблица 3).Подбор сечений ведется согласно указаниям [4] по формулам центрального растяжения или сжатия. Материал элементов фермы – сталь С245. Учитывая симметрию, достаточно рассчитать половину фермы.Таблица . Расчетные длины элементов фермыЭлемент фермыГеометрическаядлина , мРасчетные длины, мВерхний пояс3=3=3Нижний пояс6=6=6Опорный раскос3,71=1,86=3,71Стойки2,25=1,80=2,25Сжатые раскосы3,71=2,97=3,71Растянутые раскосы3,71=2,97=3,716.2.2. Подбор сечений сжатого (верхнего) поясаДля верхнего пояса = -1233,1 кН. Задаемся предварительно значением коэффициента продольного изгиба = 0,7; = 0,95 (табл. 6 [4]), = 24 кН/см2.Тогда требуемая площадь сечения центрально сжатого элемента составит: = -1233,1/0,7/24/0,95 = 77,26 см2.Принимаем фасонки толщиной = 14 мм в зависимости от усилия в опорном раскосе = -656,2 кН по табл. 8.7. [1].Принимаем по сортаменту два уголка 180х11: = 38,80 см2, = 2*38,80 = 77,60 см2, = 5,60 см; = 7,88 см. = 300/5,60 = 54; = 0,835; = 300/7,88 = 38; = 0,901.Проверяем устойчивостьраскоса: = -1233,1/0,835/77,60 == 19,03 кН/см2> = 24/0,95 = 22,80 кН/см2, – условие выполняется.Принимаем окончательно два уголка 180х11: = 38,80 см2, = 2*38,80 = 77,60 см2, = 5,60 см; = 7,88 см.В целях унификации принимаем аналогичные уголки по всему верхнему поясу.6.2.3 Подбор сечений растянутого (нижнего) поясаДля нижнего пояса = 1153,9 кН. При = 0,95 требуемая площадь сечения центрально растянутого элемента составит: = 1153,9/24/0,95 = 50,61 см2.Принимаем по сортаменту два уголка 140х9: = 24,70 см2, = 2*24,70 = 49,40 см2, = 4,34 см; = 6,23 см. = 300/4,34 = 138; = 300/6,23 = 96.Фактические гибкости меньше предельной = 400 (табл. 20* [4]).Максимальное напряжение в элементе: = 1153,9/49,40 = 23,36 кН/см2< = 24/0,95 = 22,80 кН/см2.Поскольку пояс растянут, допустим перегруз не более 5% (фактически имеем (23,36-22,80)/22,80*100% = 2,46% < 5%.В целях унификации принимаем аналогичные уголки по всему нижнему поясу.6.2.4 Подбор сечения опорного раскосаВ опорном раскосе = -656,2кН. Задаемся предварительно = 0,6. Тогда требуемая площадь сечения: = -656,2/0,6/24/0,95 = 47,96 см 2.Принимаем по сортаменту два уголка 140х9: = 24,70 см2, = 14,0 см, = 2*24,70 = 49,40 см2, = 0,21*29,4 = 6,17 см, == 0,185*29,4 = 5,44 см, – ширина крестового сечения, равная сумме двух длин полок уголков и толщины фасонки = 14 мм, = 2*14,0+1,4 = 29,4 см. = 186/5,44 = 34; = 0,916; = 371/5,44 = 68; = 0,764.Проверяем устойчивостьраскоса: = -656,2/0,764/49,40 = 17,38 кН/см2< = 24/0,95 = 22,80 кН/см2.Условие выполняется. Принимаем окончательно два уголка 140х9: = 24,70 см2, = 14,0 см, = 2*24,70 = 49,40 см2, = 0,21*29,4 = 6,17 см, = 0,185*29,4 = 5,44 см,– ширина крестового сечения, равная сумме двух длин полок уголков и толщины фасонки = 14 мм, = 2*14,0+1,4 = 29,4 см.6.2.5 Подбор сечений растянутых раскосовДля раскоса = 475,1 кН. При = 0,95 требуемая площадь сечения центрально растянутого элемента составит: = 475,1/24/0,95 = 20,84 см2.Принимаем по сортаменту два уголка 90х6: = 10,60 см2, = 9,0 см, = 2*9,0 = 21,20 см2, = 0,21*19,4 = 4,07 см, == 0,185*19,4 = 3,59 см, - ширина крестового сечения, равная сумме двух длин полок уголков и толщины фасонки = 14 мм, = 2*9,0+1,4 = 19,4 см.Максимальная гибкость: = 371/3,59 = 103,что меньше предельной = 400 (табл. 20* [4]); = 297/3,59 = 83.Максимальное напряжение в элементе: = 475,1/21,20= 22,41 кН/см2< = 24/0,95 = 22,80 кН/см2.Принимаем сечение из двух уголков 90х6.Для раскоса = 101,8 кН. При = 0,95 требуемая площадь сечения центрально растянутого элемента составит: = 101,8/24/0,95 = 4,47 см2.Принимаемпо сортаменту два уголка 50х5: = 4,88 см2, = 5,0 см, = 2*4,88 = 9,76 см2, = 0,21*11,4 = 2,39 см, =0,185*11,4 = 2,11 см,– ширина крестового сечения, равная сумме двух длин полок уголков и толщины фасонки = 14 мм, = 2*5,0+1,4 = 11,4 см.Максимальная гибкость: = 371/2,11 = 141,что меньше предельной = 400 (табл. 20* [4]); = 297/2,11 = 176.Максимальное напряжение в элементе: = 101,8/9,76= 10,43 кН/см2< = 24/0,95 = 22,80 кН/см2.Принимаем сечение из двух уголков 50х5.6.2.6 Подбор сечения сжатого раскосаДля раскоса = -294,1 кН. Задаемся предварительно = 0,6. Тогда требуемая площадь сечения: = -294,1/0,6/24/0,8 = 25,53 см 2.Принимаем по сортаменту два уголка 100х7: = 13,80 см2, = 10,0 см, = 2*13,80 = 27,60 см2, = 0,21*21,4 = 4,49 см, = 0,185*21,4 = 3,96 см,– ширина крестового сечения, равная сумме двух длин полок уголков и толщины фасонки = 14 мм, = 2*10,0+1,4 = 21,4 см$ = 297/3,96 = 75; = 0,720; = 371/3,96 = 94; = 0,586.Проверяем устойчивостьраскоса: = -294,1/0,586/27,60 = 18,19 кН/см2< = 24/0,8 = 19,2 кН/см2.Переходим к следующему приближению. = (0,6+0,586)/2 = 0,593.Требуемая площадь сечения: = -294,1/0,593/24/0,8 = 25,83 см2.Принимаем окончательно два уголка 100х7.6.2.7 Подбор сечения стойкиДля стойки = -113,1 кН. Задаемся предварительно = 0,6. Тогда требуемая площадь сечения: = -113,1/0,6/24/0,8 = 9,82 см 2.Принимаем по сортаменту два уголка 50х6: = 5,69 см2, = 5,0 см, = 2*5,69 = 11,38 см2, = 0,21*11,4 = 2,39 см, == 0,185*11,4 = 2,11 см, – ширина крестового сечения, равная сумме двух длин полок уголков и толщины фасонки = 14 мм, = 2*5,0+1,4 = 11,4 см. = 180/2,11 = 85; = 0,646; = 225/2,11 = 107; = 0,499.Проверяем устойчивостьраскоса: = -113,1/0,499/27,60 = 19,91 кН/см2< = 24/0,8 = 19,2 кН/см2.Принимаем сечение из двух уголков 50х6.Все вычисления сведены в таблицу (Таблица 4).Таблица . Сечения элементов фермыТип элементаОбозна-чениеСече-ние, см2,кНРасчетныедлины,смРадиусыинерции, смГибкости,МПаВ. пояс3-4180х1177,60-1233,13003005,607,885,6054380,83519,030,9522,80Н. пояс9-10140х949,401153,96006004,346,234,3413896–23,360,9522,80Оп. раскос1-8140х949,40-656,21863716,176,175,4434680,76417,380,9522,80Раскос1-990х621,20475,12973714,074,073,5910383–22,410,9522,80Раскос3-9100х727,60-294,12973714,494,493,9675940,58618,190,819,2Раскос3-1090х621,20101,82973714,074,073,5910383–10,430,9522,80Стойка2-950х627,60-113,11802254,494,493,96851070,49919,910,819,26.3Расчет узлов стропильной фермы6.3.1 Общие данные для расчетаПри расчете узлов фермы определяют размеры сварных швов и назначают габариты фасонок с таким расчетом, чтобы на них размещались все сварные швы стержней. Материалы для сварки принимаем согласно табл. 55 [4]: принимаем полуавтоматическую сварку в углекислом газе проволокой Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70* диаметром 1,4…2 мм.Учитывая, что площадь сечения угловых швов, прикркпляющих стержень к фасонке, должна быть распределена обратно пропорционально расстояниям от центра тяжести стержня до обушка и пера. Т. о. при определениидлины фланговых швов расчетное усилие следует умножать на коэффициент , равный:для обушка и для пера . Для равнобоких уголков = 0,7.Полная конструктивная длина сварного шва:по металлу шва: см смпо металлу границы сплавления: см смВ соответствии с [4] имеем: = 215 МПа (табл. 56); = 0,45*370 = 166,5 МПа (табл. 3); = 1,0, = 1,0 (п. 11.2); = 1,0 = 0,9, = 1,05 (табл. 34); = 193,5 Мпа; = 174,8 МПа.Учитывая, что 193,5> 174,8, расчет ведем по металлу границы сплавления.Рис. . Расчетные схемы узлов стропильной фермы.6.3.2Узел АРассчитаем крепление опорного раскоса 1-8, расчетное усилие= 656,2 кН, сечение из 2L140х9.Принимаем толщину шва у обушка = 6 мм, у пера 4 = мм.Вычисляем длины швов:на обушок: = 0,7*656,2/2/1,05/0,6/16,65/1,0/1,0 = 21,9 см,конструктивно,с учетом добавления 1-2 см на непровар шва по концам, принимаем: = 21,9+1,5 = 23 см;у пера: = (1-0,7)*656,2/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 14,1 см,конструктивно принимаем = 14,1+1,2 = 15 см.Для крепления нижнего пояса 8-9 (2L140х9, = 520,4 кН) к фасонке при = 6 мм и = 4 мм конструктивные длины швов будут:на обушок: = 0,7*520,4/2/1,05/0,6/16,65/1,0/1,0 = 17,4 см,конструктивно принимаем = 17,4+1,7 = 19 см;у пера: = (1-0,7)*520,4/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 11,2 см,конструктивно принимаем = 11,2+1,6 = 13 см.Определим размеры опорного ребра стропильной фермы.Ширина и толщина опорного ребра определяется из условия его нормальной работы на смятие, а высота – по длине сварного шва, прикрепляющего ребро к фасонке.Толщина опорного ребра из конструктивных соображений принимается равной 12-24 мм. Принимаем = 20 мм. Величина опорной реакции фермы = 396,0 кН.Необходимая ширина ребра из условия его нормальной работы на смятие:,где = 166,5/1,025 = 162,44 МПа (табл. 1* [4]); = 1,025–коэффициент надежности по материалу (табл. 2* [4]). = 396,0/2,0/16,24/0,95 = 12,83 см.Рис. . Опорный узел фермы.Необходимая ширина ребра из условия его нормальной работы на смятие:,где = 166,5/1,025 = 162,44 МПа (табл. 1* [4]); = 1,025 – коэффициент надежности по материалу (табл. 2* [4]). = 396,0/2,0/16,24/0,95 = 12,83 см.Ребро крепится болтами Ø20 мм к надколонной опорнойстойке. Из условия размещения болтов принимаем ширину ребра = 20 см.Сварной шов, прикрепляющий опорное ребро к фасонке, располагается относительно линии действия опорной реакции с некоторым эксцентриситетом. Этот факт учитывают в расчете, увеличивая опорную реакцию на 20%.Катет шва обычно принимают по толщине фасонки. Требуемая полная длина сварного шва, а значит, и высота ребра: = 1,2*396,0/2/1,4/1,05/16,65/1,0/1,0 = = 9,7+1,2 = 11 см.Окончательно с учетом требуемых длин сварных швов, прикрепляющих опорный раскос к узлу стропильной фермы, принимаем = 39 см.6.3.3 Узел ВУзловая нагрузка = 113,13 кН. Для крепления к фасонке раскоса 1-9, состоящего из 2L100х7 при = 475,1 кН, принимаем = 5 мм; = 4 мм и рассчитываем длину сварных швов:на обушок: = 0,7*475,1/2/1,05/0,5/16,65/1,0/1,0 = 19,0 см,принимаем конструктивно = 19,0+1,6 = 21 см;у пера: = (1-0,7)*475,1/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 10,2 см,принимаемконструктивно = 10,2+1,6 = 12 см.Раскос 1-8 привариваем швами = 23 см и = 15 см,вычисленными по опорному узлу А.При конструировании узла В длина фасонки определена 680 мм (см. лист 1). Крепление к фасонке стержня пояса 1-2 рассчитываем по формуле 8.10 [1] при = 916,4-0 = 916,4 кН; расчетная длина швов = 66 см. Требуемую толщину швов с учетом узловой нагрузки = 113,13кН рассчитываем по формуле (8.10) [1]: = ((916,4-0)2+113,132)/16,65/1,0/1,0)0,5/1,05/4/66=0,82 см.Принято: у обушка = 4 мм; у пера = 4 мм.6.3.4Узел СДля крепления к фасонке раскоса 3-9, состоящего из 2L100х7 при = 294,1 кН, принимаем = 6 мм; = 4 мм и рассчитываем длину сварных швов:на обушок: = 0,7*294,1/2/1,05/0,6/16,65/1,0/1,0 = 9,8 см,с учетом добавления 1…2 см на непровар шва = 9,8+1,8 = 12 см,принимаем = 12 см.у пера: = (1-0,7)*294,1/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 6,3 см,с учетом добавления 1…2 см на непровар шва = 6,3+1,9 = 8 см,принимаем = 8 см.Для крепления к фасонке стойки 2-9 ввиду незначительности усилия и малости сечения конструктивно принимаем = 4 мм, = 6 см.Раскос 1- 9 привариваем швами = 21 см и 12= см,вычисленными по опорному узлу В.При конструировании узла С длина фасонки определена 620 мм (см. лист 1).Для крепления к фасонке стержней нижнего пояса 8-9 и 9-10 при = 1153,9-520,4=633,5 кН и минимальном значении = 4 мм получим:на обушок: = 0,7*633,5/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 31,7 см;пера: = (1-0,7)*633,5/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 13,6 см.Принято конструктивно по длине фасонки = 60 см.6.3.5 Узел DСтойку 2-9 привариваем швами = 6 см и 6= см,вычисленными по опорному узлу С.Согласно рекомендациям [1], для крепления к фасонке стержней верхнего пояса 1-2 и 2-3 принимаем = 8 мм, = 12 см (конструктивно по ширине и толщине фасонки).6.3.6Узел ЕРаскос 3-9 привариваем швами = 12 см и 8= см,вычисленными по опорному узлу С.Раскос 3- 10 привариваем швами = 6 см и 6= см,вычисленными по опорному узлу F.При конструировании узла Е длина фасонки определена 660 мм (см. лист 1).Крепление к фасонке стержней верхнего пояса 2-3 и 3-4 рассчитываем по формуле 8.10 [1] при = 1233,1-916,4=316,8 кН; расчетная длина швов = 64см. Требуемую толщину швов с учетом узловой нагрузки = 113,13 рассчитываем по формуле (8.10) [1]: = ((1233,1-916,4)2+113,132)/16,65/1,0/1,0)0,5/1,05/4/64= 0,3см.Принято: у обушка = 4 мм; у пера = 4 мм.6.3.7Узел FДля крепления к фасонке раскоса 3-10, состоящего из 2L90х6 при = 101,8 кН, принимаем = 5 мм; = 4 мм и рассчитываем длину сварных швов:на обушок: = 0,7*101,8/2/1,05/0,5/16,65/1,0/1,0 = 4,1 см,с учетом добавления 1…2 см на непровар шва = 4,1+1,7 = 6 см,конструктивно принимаем = 6 см.у пера: = (1-0,7)*101,8/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 2,2 см,с учетом добавления 1…2 см на непровар шва = 2,2+1,3 = 3 см,конструктивно принимаем = 6 см.Для крепления к фасонке стойки 4-10ввиду незначительности усилия и малости сечения конструктивно принимаем = 4 мм, = 6 см.При конструировании узла F длина фасонки определена 290 мм (см. лист 1).Для крепления к фасонке стержня нижнего пояса 9-10 при = 1153,9 кН и минимальном значении = 4 мм получим:на обушок: = 0,7*1153,9/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 57,8 см;пера: = (1-0,7)*1153,9/2/1,05/0,4/16,65/1,0/1,0 = 24,8 см.Принято конструктивно по длине фасонки = 26 см.6.3.8Узел КСтойку 4-10 привариваем швами = 6 см и = 6 см,вычисленными по опорному узлу F.Для приваривания стержня верхнего пояса 3-4 к фасонке принято при минимальном значении = 4 мм конструктивно = 18 см.Таблица . Расчет сварных угловых швов в узлах фермыУзел фермы(по Рис. 20)СтерженьРасч. усилие,кНТолщина шва, ммРасчетная длинашва,смКонструктивнаядлина шва,смПримечаниеу обушкау перау обушкау перау обушкау пераA1–8656,26421,914,12315–8–9520,46417,411,21913–B1–8656,26421,914,12315по расч. узла А1–9475,15419,010,22112–1–2916,4-0=916,4 = 113,134466666666по форм. (8.10) [1]C8–9; 9–101153,9-520,4=633,54431,713,66060–1–9475,15419,010,22112по расч. узла В2–9113,144––66–3–9294,1649,86,3128–D2–9113,144––66по расч. узла С1–2; 2–3916,4-916,4=0; =113,1388––1212по форм. (8.10) [1], конструкт.E3–9294,1649,86,3128по расч. узла С3–10101,8544,12,266по расч. узла F2–3; 3–41233,1-916,4=316,8;=113,134464646464по форм. (8.10) [1]F9–101153,94457,824,82626–3–10101,8544,12,266–4–10113,144––66–K3–41233,144––1818–4–10113,144––66по расч. узла FСписок литературыМандриков А. П. Примеры расчета металлических конструкций: Учебное пособие для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. –М.: Стройиздат, 1991. – 431 с.Кудишин Ю. И., Беленя Е. И., Игнатьева В. С. и др. Металлические конструкции: Учебник для студ. высш. учеб. заведений/Под общ. редакцией Ю. И. Кудишина – 8-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 688 с.СНиП II-23-81*. Стальные конструкции/Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2000. – 96 с.СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия/Госстрой России. – М.: ГУПЦПП, 2003. – 36 с.Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 52-101-2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. – М.: ОАО «ЦНИИПромзданий, 2005. – 214 с.Карякин, А. А. Расчет конструкций, зданий и сооружений с использованием персональных ЭВМ: учебное пособие / А. А. Карякин. – Челябинск: ЮУрГУ, 2004. – 194 с.ТУ 14-2-24-72 «Сталь горячекатаная. Двутавры и тавры с параллельными гранями полок. Сортаменты. Технические условия». – М., Стройиздат, 1972.ГОСТ 8509-93 «Уголки стальные горячекатаные равнополочные. Сортамент». – М., Стройиздат, 1993.ГОСТ 8510-86 «Уголки стальные горячекатаные неравнополочные. Сортамент». – М., Стройиздат, 1986.