Стальной каркас одноэтажного производственного здания

Оглавление
Введение 4
Исходные данные 6
1. Компоновка конструктивной схемы каркаса 7
1.1. Вертикальные размеры колонны 7
1.2. Горизонтальные размеры колонны 9
2. Расчет поперечной рамы здания 10
2.1. Расчетная схема поперечной рамы 10
2.2. Определение постоянных нагрузок 10
2.3. Определение снеговых нагрузок 12
2.4. Определение ветровой нагрузки 13
2.5. Определение вертикальной крановой нагрузки 15
2.6. Определение горизонтальной крановой нагрузки 17
3. Статический расчёт поперечной рамы 19
3.1. Определение внутренних усилий в элементах рамы 19
3.7. Определение расчётных комбинаций внутренних усилий 19
4. Расчёт и конструирование подкрановой балки 22
4.1. Исходные данные 22
4.2. Определение нагрузок и внутренних усилий 22
4.3. Подбор и проверка сечения подкрановой балки 24
4.4. Проверка прочности подкрановой балки 27
5. Расчёт и конструирование колонны крайнего ряда 29
5.1. Исходные данные 29
5.2. Определение расчетных длин колонны 29
5.3. Подбор сечения верхней части колонны 30
5.4. Подбор сечения нижней части колонны 33
5.5. Расчет решетки подкрановой части колонны 37
5.6. Проверка устойчивости колонны в плоскости действия момента как единого стержня 38
5.7. Расчет и конструирование узла сопряжения верхней и нижней частей колонны 39
5.8. Расчет и конструирование базы колонны 42
6. Расчёт и конструирование стропильной фермы 47
6.1. Расчетная схема фермы 47
6.2. Сбор нагрузок на ферму 47
6.3. Статический расчет фермы 48
6.3.4. Определение расчетных усилий в стержнях 49
6.4. Подбор и проверка сечений стержней фермы 50
6.5. Расчет и конструирование узлов фермы 53
6.5.1. Расчет сварных швов крепления элементов решетки 53
6.5.3. Расчет и конструирование опорного узла фермы 54
Список литературы 55

Усилие сжатия в раскосе:; α = 520 (угол наклона раскоса). Примем λр = 100; φ = 0,563 Требуемая площадь раскоса:R = 225 МПа = 22,5 кН/см2 (фасонный прокат из стали Вст3); γ = 0,75 (сжатый уголок, прикрепленный одной полкой). Принимаем └125×8: Ар = 19,7 см2; imin = 3,87cм; λmax = lр / imin = 190/3,87 = 49,0lр = hн / sinα = 150/0,79 = 190cм; φ = 0,851. Проверяем напряжение в раскосе: 5.6. Проверка устойчивости колонны в плоскости действия момента как единого стержня Геометрические характеристики всего сечения:А = АВ1 + АВ2 = 225,3 + 206,8 = 432,1 см2;Ix = AВ1 ·y12 + AВ2 ·y22 = 225,3·70,62 + 206,8·69,92 = 2133403 cм4;Приведенная гибкость:Где α1=27 (т.к. угол раскосов в интервале 45º-60º), Для комбинации усилий, догружающих наружную ветвь N = -1116,1 кН; M =-1522,6 кН·м (сечение 3-3):φ = 0,501; Для комбинации усилий, догружающих подкрановую ветвь N = -2730,3 кН; M = 1184,2 кН·м:φ = 0,476; Устойчивость сквозной колонны как единого стержня из плоскости действия момента проверять не нужно, так как она обеспечена проверкой устойчивости отдельных ветвей.5.7. Расчет и конструирование узла сопряженияверхней и нижней частей колонныРасчетные комбинации усилий в сечении над уступом (сечение 2-2):M = + 241,8 кН·м; N =-749,9 кН ;M = -608,2кН·м; N = -729,4 кН .Давление кранов Dmax = 2159,4кН. Прочность стыкового шва (ш1) проверяем по нормальным напряжениям в крайних точках сечения надкрановой части. Площадь шва равна площади сечения колонны. 1-я комбинация M и N:наружная полка: внутренняя полка:2-я комбинация M и N:наружная полка:внутренняя полка: Толщину стенки траверсы определяем из условия смятия по формуле:Принимаем tтр = 2,0 см.Усилие во внутренней полке верхней части колонны (2-я комбинация)Длина шва крепления вертикального ребра траверсы к стенке траверсы (ш2): Применяем полуавтоматическую сварку проволокой марки Св-08А, d = 1.4…2 мм, βш = 0,9; βс = 1,05. Назначаем кш = 10 мм; γу.шсв = γу.ссв = 1; Rу.шсв = 180 МПа = 18 кН/см2; Rу.ссв = 165 МПа = 16,5 кН/см2;Для расчета шва крепления траверсы к подкрановой ветви (ш3) составляем комбинацию усилий, дающую наибольшую опорную реакцию траверсы. Такой комбинацией будет сочетание N = -435,6 кН; M = +902,6 кН·м.Требуемая длина шва:Из условия прочности стенки подкрановой ветви в месте крепления траверсы определяем высоту траверсы hтр по формуле:где tст.в= 16 мм – толщина стенки двутавра 60Ш2;Rср – расчетное сопротивление срезу фасоного проката стали Вст3кп2.Принимаем hтр= 70 см.Проверим прочность траверсы как балки, нагруженной усилиями N,M и Dmax. Нижний пояс траверсы принимаем конструктивно из листа 420х12 мм, верхние горизонтальные ребра – из двух листов 180х12 мм.Геометрические характеристики траверсыПоложение центра тяжести сечения траверсы:S0-0-статический момент сечения относительно наружней грани полкисмсм4Максимальный изгибающий момент в траверсе:Где К=1,2(кН)Рис. 5.3 Сечение траверсы5.8. Расчет и конструирование базы колонныПроектируем базу раздельного типа. Расчетные комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 4 - 4)N1= -2412,1 (кН); M1= 2845,0 (кН*м); N2= -2626,6 (кН); M2= -2367,7 (кН*м) Усилия в ветвях колонны:Подкрановая ветвь НаружнаяветвьБаза наружной ветвиТребуемая площадь плиты: (см2 ) кН/см2Rб=0,6 кН/см2 (бетон класса В10).По конструктивным соображениям свес плиты с2 должен быть не менее 4см. Тогда В ≥ bк+2С2= 62+25 = 72 (см), принимаем В= 80 см; (см), принимаем L= 55 (см).Апл.факт.= 5580 = 4400 ( см2).Среднее напряжение в бетоне под плитой: (кН/см2).Из условия симметричного расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету равно:р=2(bп - z0 + tCT) = 2(30 – 9,8 + 1,4) = 43,2 (см).При толщине траверсы 12 мм с1= (L - p - 2tтр)=(55 – 43,2 -21,2)/2= 4,7 см Определим изгибающие моменты на отдельных участках плиты: Участок 1 (консольный свес с = с1= 4,7 см) (кН*см).Участок 2 (консольный свес с = с2 = 9 см)(кН*см).Участок 3 (α=0,125) (кН*см).Участок 4 (α=0,125)11,8 (кН*см).Принимаем для расчета Мmax= М3 = 66,6 (кН*см).Требуемая толщина плиты: см.R=205 МПа для стали Вст3кп2.Принимаем две плиты tпл= 24 мм каждая.Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилия в ветви передаем на траверсы через четыре угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-0,8А, d=1.4…2мм; kш=8мм. Требуемая длина шва определяется по формуле: см.lш< 85*kш*βш=85*0,9*0,8=61Принимаем lтр=40 см.Прикрепление траверсы к колонне рассчитываем по металлу шва, принимая катет угловых швов kш=8мм. < 16,62 (кН/см2).Крепление траверсы к плите принимаем угловыми швами kш=10мм. < 16,62 (кН/см2).Швы удовлетворяют требованиям прочности. При вычислении суммарной длины швов с каждой стороны шва не учитывалось по 1см на непровар.Приварку торца колонны к плите выполняем конструктивными швами kш=6 мм, так как эти швы в расчете не учитывались.База подкрановой ветвиТребуемая площадь плиты: (см2).С2 = 5 см; В = 60 + 25 = 70; принимаем В = 80см. , принимаем 60 см.см2Рассчитываем напряжение под плитой базы:(кН/см2).Конструируем базу колонны с траверсами толщиной 12мм, приваривая их к полкам колонны и к плите угловыми швами. Определим изгибающие моменты на отдельных участках плиты: участок1 ( α=0,096) (кН*см);участок 2 (кН*см);участок 3 (кН*см);Принимаем для расчета Мmax = М3= 54,9 (кН*см).Требуемая толщина плиты:R=205 МПа для стали Вст3кп2.Принимаем две плиты толщинойtпл=22мм каждая.Прикрепление траверс к колонне выполняем полуавтоматической сваркой проволокой марки Св-0,8А, d=1.4…2мм.Толщину траверс принимаем tтр=1,2 см, высоту hтр= 60 см.Расчетные характеристики:Ryшсв=21,5кН/см2;Ryссв=0,45*36,5=16,4 кН/см2;βш =0,7; βс=1; γyшсв =γyссв =1.βшRyшсвγyшсв=0,7*21,5=15,05 < βсRyссвγyссв=1*16,4=16,4 кН/см2;Прикрепление траверсы к колонне рассчитываем по металлу шва, принимая катет угловых швов kш=10мм.=< 15,05 (кН/см2).Крепление траверсы к плите принимаем угловыми швами kш=10мм.=< 15,05 (кН/см2).Швы удовлетворяют требованиям прочности. При вычислении суммарной длины швов с каждой стороны шва не учитывалось по 1см на непровар.Приварку торца колонны к плите выполняем конструктивными швами kш=6 мм, так как эти швы в расчете не учитывались. Расчет анкерных болтовРасчетные комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 4 - 4):М= 1522,6 (кНм), N= -1116,1 (кН).Требуемая площадь нетто сечения анкерных болтов определяют по формуле:, гдеа – расстояние от оси колонны до середины опорной плиты подкрановой ветви, а = 70,6 см;у – расстояние от оси анкерных болтов до середины опорной плиты подкрановой ветви, у = 140,2 см;Rба – расчетное сопротивление растяжению анкерных болтов из стали марки 09Г2С, Rба=17,5 кН/см2.(см2).Сечение одного болта Аб1 = Аб/4 = 46,5/4 = 11,63 см2.Устанавливаем болты с диаметром40 мм, расчетная площадь сечения нетто А = 12,56 см2. Длина заделки болта в бетон должна быть 1150 мм.6. Расчётиконструированиестропильной фермы6.1. Расчетная схема фермыСоединение стержней в узлах считается шарнирным (рис. 5.2). Если нагрузка приложена к узлам, то в стержнях будут действовать только продольные усилия.Расчетная высота фермыh0 – это расстояние между осями поясов. Приняв сумму привязок поясов к внешним граням z = 100 мм получим:h0 = HФ – z = 3150 – 100 = 3050 мм.Расчетная схема фермы представлена на рис. 6.1.Рис. 6.1 Расчетная схема фермы6.2. Сбор нагрузок на фермуК вертикальным нагрузкам на ферму относятся постоянная и снеговая. Постоянной является нагрузка от собственного веса несущих и ограждающих конструкций покрытия (включая вес фермы и элементов связей).Расчётные значения линейных равномерно распределённых нагрузок на ригель рамы определены в п. 2. Эта нагрузка передается на раму через прогоны и может быть представлена в виде сосредоточенных сил, приложенных в узлах (рис. 6.2). Величина узловых сил определяется сбором линейной нагрузки по длине панели d= 3 м.Узловые силы от постоянной нагрузки g = 35,34 кН/м:Pg = gd= 35,343 = 106,02 кН. Узловые силы от снеговой нагрузки s = 13,7 кН/м:Ps = sd = 13,73 = 41,1 кН.Узловые силы Ро = Р/2, действующие в крайних точках фермы, в расчёте учитывать не будем, потому что они приложены непосредственно к колоннам.Рис. 6.2Нагрузки на ферму 6.3. Статический расчет фермыСхемы приложения постоянной и снеговой нагрузок совпадают, поэтому целесообразно рассчитать ферму в общем виде, на действие узловых сил Р. При проведении расчета воспользуемся графическим методом, т.е. построением диаграммы Кремоны. Диаграмма для фермы пролетом 30 м представлена на рис. 6.3Рис. 6.3 Диаграмма Кремоны для фермы пролетом 30 м6.3.4. Определение расчетных усилий в стержняхРезультаты расчётов фермы на действие различных нагрузок заносим в таблицу 6.2. Таблица 6.2Элемент№ стержняУсилия в стержнях, кНРасчетные усилия, кНПостояннаяСнеговая12№ усилийРастяжение№ усилийСжатиеВерхний поясВ-2, С-3-804,55-311,901+21116,5D-5, E-6-1228,0-476,061+21704,1Нижний поясK-1444,6172,371+2617,0K-41058,7410,401+21469,1К-7, К-81270,3492,481+21762,8РаскосыA-1-656,4-254,451+2910,93-4-370,5-143,641+2514,16-7, 8-9-74,1-28,731+2102,81-2529,32205,201+2734,54-5222,386,181+2308,5Стойки2-3, 5-6-105,9-41,041+2146,96.4. Подбор и проверка сечений стержней фермыСжатые 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 6.3.1. 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. Определяется предельная гибкость λU и проверяется условие λMAX< λU.9. Производится проверка устойчивости сжатого стержня: σ = Подбор растянутых стержней выполняется в следующем порядке. Результаты заносятся в таблицу 6.6.1. 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. Определяется предельная гибкость λU ) и 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.Сечения ненагруженных или слабонагруженных стержней подбирают по предельной гибкости, которая равна λU = 200. Сначала определяют необходимые радиусы инерции:iX ≥ lX/λU, iY ≥ lY/λU.Затем по сортаменту подбирают подзодящий номер профиля.Таблица 6.3Элемент№ стержняРасчетные усилияСечениеПлощадь А, кв.смlx/ly, смix/iy, смλx/λyφMINПроверка сеченийСжатие/Растяж.Устойчивость ПрочностьВерхний поясВ-2, С-3-1116,52xL 160x1062,8300/3004,96/6,9160,5/43,40,85820,7≤ 22,8D-5, E-6-1704,12xL 160x1487,14300/3004,92/6,9860,9 /43,00,85222,7≤ 22,8Нижний поясK-1617,02xL 100x1038,4580/5803,05/4,5291,9/128,3-16,1 ≤ 22,8K-41469,12xL 160x1487,14600/18004,92/6,98121,9 /258-16,9 ≤ 22,8К-7, К-81762,82xL 160x1487,14600/18004,92/6,98121,9 /258-20,2 ≤ 22,8РаскосыA-1-910,92xL 160x1062,8217,5/4354,96/6,9164/62,90,78518,5 ≤ 19,23-4-514,12xL 100x1452,6348/4353,00/4,60116/94,50,54317,9 ≤ 19,26-7, 8-9-102,82xL 90x724,6348/4352,77/4,06125,6/107,10,31513,2 ≤ 19,21-2734,52xL 100x1452,6348/4353,00/4,60116/94,5-14,0 ≤ 22,84-5308,52xL 70x513,72348/4352,16/3,23161,1/134,7-22,5 ≤ 22,8Стойки2-3, 5-6-146,92xL 70x513,72244/3052,16/3,23112,9/94,40,57018,7 ≤ 19,26.5. Расчет и конструирование узлов фермы6.5.1. Расчет сварных швов крепления элементов решеткиСтержни решетки крепятся к поясам с помощью сварных швов. Передача усилий на швы происходит неравномерно, так как продольная сила приложена в центре тяжести уголка (рис. 6.4). 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.6.4 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 6.7.Таблица 6.7Элемент№ стержняСечениеУсилие, N кНШов по обушкуШов по перуkf, смlW, смkf, смlW, смОпорный раскосA-12xL 160x10-910,91,015,81,07,3Сжатый раскос3-42xL 100x14-514,11,09,31,04,5Растянутый раскос1-22xL 100x14734,51,012,91,06,1Стойка2-3, 5-62xL 70x5-146,90,55,80,55,1Швы, 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).6.5.3. 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 = (1060,2 + 411,0)/2 = 735,6кН. Тогда площадь фланца: см2.Принимаем опорный фланец толщиной 1 см, и шириной 18 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.