РАЗДЕЛ 1. Компоновка каркаса

1.1 Размещение колонн в плане

Длину и пролет здания, а также шаг колонн принимаем в соответствии с заданием. У торцов здания колонны смещены на 500 мм в сторону связевого блока для возможности использования типовых ограждающих панелей.

За расчетную температуру в районе строительства примем температуру наружного воздуха наиболее холодных суток обеспеченностью 0,98, определенную согласно СП 131.13330. Для Вологды t = -42°C [1]. В этом случае предельные длина и ширина температурного блока составляют 230 м и 150 м соответственно [2], что превышает заданные размеры здания. Следовательно, разбивать здание на температурные блоки не требуется.

1.2 Компоновка поперечных рам

1.2.1 Вертикальная компоновка

Расстояние от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия  найдем по формуле:

(1.1)

где  – расстояние от головки рельса до верхней точки крана грузоподъемностью 80 т плюс установленный требованиями техники безопасности зазор между этой точкой и строительными конструкциями покрытия здания [3];

f =  мм– размер, учитывающий прогиб конструкций покрытия (ферм, связей) и их выступающие детали [4].

Тогда:

Принимаем , кратно 200 мм.

Высота цеха (от уровня пола до низа стропильных ферм):

(1.2)

где  мм - отметка оголовка кранового рельса (из задания).

Тогда:

Принимаем мм (кратно 1800 мм.(из условия соизмеримости со стандартными ограждающими конструкциями)  округляем в большую строну).

Далее устанавливаются высота верхней и нижней частей колонны —  и  соответственно. Высота верхней части колонны находится по формуле:

(1.3)

где  — высота сечения подкрановой балки, предварительно примем равной 1/8 пролета балки (шага колонн), т.е. 1600 мм;

 — высота кранового рельса, для крана грузоподъемностью 80 т принимается равной 150 мм.

Размер нижней части колонны найдем по формуле:

(1.4)

где 1000 мм – заглубление опорной плиты базы колонны ниже нулевой отметки.

Определим полную высоту колонны (от низа ее базы до низа ригеля):

(1.5)

Высота фермы по наружным граням принимается равной  3150 мм, т.к. пролет равен 36 м. Ширину фонаря назначаем равной 12 м, высоту фонаря назначаем равной  = 4,5 м.

1.2.2 Горизонтальная компоновка

Т.к. грузоподъемность крана 80 т, примем привязку наружной грани к оси колонны равной a = 500 мм.

Высота сечения верхней части ступенчатой колонны  должна удовлетворять следующему условию жесткости:

(1.6)

Принимаем  мм.

Для того чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее:

(1.7)

где  = 400 мм — размер части кранового моста, выступающей за ось рельса;

75 мм — зазор между краном и колонной, принимаемый согласно требованиям безопасности;

450 – габарит прохода с ограждением;

Принимаем

Высота сечения нижней части колонны:

(1.8)

В цехах с режимом работы кранов 7К, 8К высота сечения нижней колонны должна отвечать условию обеспечения жесткости в поперечном направлении:

(1.9)

Условие не выполняется, увеличим высоту сечения:  мм.

Сечение верхней части колонны назначаем сплошным двутавровым, нижней – сквозным.

1.3 Связи

Для расчетной температуры в районе строительства наибольшее расстояние от торца отапливаемого здания до оси ближайшей вертикальной связи не должно превышать 90 м (табл. 44 [2]). Следовательно, ниже крановых путей будет достаточно установки одной вертикальной связи, расположенной между осями 4 и 5. Так как расстояние между ветвями колонн более 500 мм, вертикальные связи расположим в плоскости каждой из ветвей колонны (п. 15.4.3 [2]). Связи выше уровня балок крановых путей расположим по торцам здания и в тех шагах, где расположены связи нижнего уровня (п. 15.4.3 [2]).

В уровне нижних поясов стропильных ферм предусмотрим поперечные и горизонтальные связи. Поперечные связи расположим с торцов, а продольные – вдоль крайних рядов колонн (п. 15.4.5 [2]). В уровне верхних поясов необходимы только поперечные связевые фермы, повторяющие связевые фермы по нижнему поясу. Верхние пояса стропильных ферм, не примыкающие непосредственно к поперечным связям, следует раскреплять в плоскости расположения этих связей распорками (п. 15.4.6 [2]). В пределах фонаря, где прогоны по верхнему поясу ферм отсутствуют, установим распорки по коньковым узлам ферм и у опор ферм. Связи по фонарям расположим в плоскости верхних поясов у торцов фонаря (п. 15.4.9 [2]).

В местах расположения поперечных связей покрытия необходима установка вертикальных связей между фермами. Назначим вертикальные связи в плоскостях опорных стоек и в пролете, с шагом 6 м (п. 15.4.10 [2]).

РАЗДЕЛ 2. Сбор нагрузок

2.1 Постоянные нагрузки

Нагрузки от массы конструкций покрытия (приняты по табл. 11.3 в [3]) сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 – Нагрузки от массы конструкций

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м2
1. Защитный слой (битумная мастика со втопленным гравием)	0,4	1,3	0,52
2. Гидроизоляция (4 слоя рубероида)	0,2	1,3	0,26
3. Утеплитель (минераловатные плиты повышенной жесткости), ρ = 200 кг/м3, толщиной 100 мм	0,2	1,2	0,24
4. Пароизоляция (один слой рубероида)	0,05	1,3	0,07
5. Стальная панель с профилированным настилом	0,35	1,05	0,37
6. Связи покрытия	0,06	1,05	0,064
Итого	1,26		g = 1,524

Расчетная равномерно распределенная погонная нагрузка на ригель рамы:

(2.1)

где  – шаг рам;

 – угол уклона фермы;

Кроме вышеприведенных нагрузок, в месте опирания каркаса фонаря на ферму передается вес этого каркаса:

(2.2)

а также вес ограждающих конструкций фонаря (в крайние узлы каркаса)

(2.3)

 

где  – суммарная высота стеновых панелей, м;

 – вес стеновых панелей, кН/м²;

 – высота переплетов с остеклением, м;

 – вес переплетов с остеклением, кН/м²;

Соберем перечисленные нагрузки в узлы фермы. Номера узлов показаны на рисунке 2.1.

Рис. 2.1 – Нумерация узлов фермы

(2.4)

где  – расстояние между соседними узлами.

		(2.5)
		(2.6)
		(2.7)

На колонны также действует постоянная нагрузка от стен. Погонная нагрузка от веса ограждения, закрепленного на верхней  и нижней  части колонны составит:

(2.8)

где  – высота верхней части колонны.

(2.9)

где  – высота нижней части колонны (вместе с траверсой).

2.2 Снеговая нагрузка

Нормативное значение снеговой нагрузки [4]:

(2.10)

где ,  коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра и термический коэффициент, в нашем случае равные 1;

 – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли. Вологда относится к 4 снеговому району [4], для которого  = 2,4 кН/м²;

 - коэффициент формы, учитывающий переход от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие. Его значение принимается в соответствии со схемой распределения снеговой нагрузки, принимаемой по приложению Б СП 20.13330.2016.

Для зданий с продольными фонарями, закрытыми сверху, рассматриваются две схемы распределения снеговой нагрузки.

Вариант 1 показан на рисунке 2.1.

Рис. 2.2 – Схема распределения снеговой нагрузки (вариант 1)

На схеме: а = 12 м – ширина фонаря, b = 12 м – расстояние от края фермы до фонаря,  = 0,8,  определяется по формуле:

(2.11)

Расчетная погонная снеговая нагрузка на стропильную ферму:

		(2.12)
		(2.13)

При сборе нагрузки в узлы имеем:

		(2.14)
		(2.15)
		(2.16)
		(2.17)

Вариант 2 показан на рисунке 2.2.

Рис. 2.3 – Схема распределения снеговой нагрузки (вариант 2)

На схеме: а = 12 м – ширина фонаря, b₁ = 4,5 м - принимается равной высоте фонаря, но не более b,  – коэффициент, определяемый по формуле:

(2.18)

Расчетная погонная снеговая нагрузка на стропильную ферму:

		(2.19)
		(2.20)

При сборе нагрузки в узлы имеем:

		(2.21)
		(2.22)
		(2.23)
		(2.24)

2.3 Ветровая нагрузка

Нормативное значение ветровой нагрузки определяется как сумма средней  и пульсационной  составляющих [4]:

(2.25)

Расчетное значение средней составляющей ветровой нагрузки  в зависимости от эквивалентной высоты  над поверхностью земли определятся по формуле:

,

(2.26)

где  – нормативное значение ветрового давления. Для Вологды (I ветровой район) по табл. 11.1 [4]  кПа;

 – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты  (эквивалентной высоты). Рассчитываем для типа местности А;

с – аэродинамический коэффициент. Принимается равным: с = 0,8 с наветренной стороны, с = - 0,5 с подветренной стороны.

Эквивалентная высота определяется в зависимости от соотношения высоты несущей системы и размера здания в направлении, перпендикулярном направлению ветра. Для зданий, если их высота (h = 40,02) меньше длины в направлении, перпендикулярном направлению ветра (d = 120 м),  = h (не зависит от высоты от поверхности земли).

Для  м (определяется интерполяцией по таблице 11.2 СП 20.13330 [3]). Определим расчетные значения средней составляющей:

Для наветренной стороны:

Для подветренной стороны:

Расчетное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки  определяем по формуле:

,

(2.27)

где  – коэффициент пульсации, определяется интерполяцией по значениям, приведенным в табл. 11.4 СП [4]. Для высоты  =0,62;

 – коэффициент пространственной корреляции определяется двойной интерполяцией по табл. 11.6 СП [4]. При ρ = d = 120 м, χ = h = 40,02 м → .

Расчетное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки :

Для наветренной стороны:

            

Для подветренной стороны:

Соберем распределенную ветровую нагрузку с фонаря и приложим её к верхнему поясу стропильной фермы.  – средняя составляющая,  – пульсационная.

Для наветренной стороны:

		(2.28)
		(2.29)

Для подветренной стороны:

		(2.30)
		(2.31)

2.4 Нагрузки от мостовых кранов

Максимальная вертикальная нагрузка от мостовых кранов определяется по формуле:

(2.32)

где  – коэффициент надежности по крановой нагрузке;

 - коэффициент сочетаний, вводимый при учете нагрузки от двух кранов. При режиме работы крана К8 равен ;

 – вес подкрановой балки, в первом приближении принимаемый:

(2.33)

 – коэффициент надежности по нагрузке для металлических конструкций.

𝐹к𝑛1 = 436 кН – нормативное вертикальное давление колеса [5];

𝐹к𝑛2 = 446 кН – нормативное вертикальное давление колеса [5];

 – ордината линии влияния. Схема для расчета крановых нагрузок представлена на рисунке 2.3.

Рис. 2.4 - Схема для расчета вертикальных крановых нагрузок

По свойству подобных треугольников получим:

(2.34)

Аналогично получим 𝑦3 = 0,317, 𝑦4 = 0,679, 𝑦5 = 0,754, 𝑦6 =

0,925, 𝑦7 = 0,563, 𝑦8 = 0,488

 определяем по формуле:

(2.35)

где  - усилия, передаваемые колесами с другой стороны (от ) крана:

(2.36)

где  – грузоподъемность крана, кН;

 – вес крана с тележкой, кН;

 – количество колесиков с одной стороны одного крана;

 

Определим горизонтальную нагрузку, направленную поперек кранового пути, вызываемую торможением электрической тележки. Принимаем для крана гибкий подвес, тогда в соответствии с п. 9.4 СП 20.13330 [4], тормозное усилие, приходящееся на одно колесо, определяется по формуле:

(2.37)

где  – вес тележки крана;

(2.38)