Компановка конструктивной схемы каркаса здания

Оглавление

1 Компановка конструктивной схемы каркаса здания. 4

1.1 Ограждающие конструкции стен и покрытия. 4

1.2 Шаг колонн. Эскиз плана здания. 4

1.3 Унифицированная схема поперечной рамы здания. 4

1.4 Схема связей между колоннами. 4

1.5 Связи по покрытию.. 4

1.6 Разработка схемы фахверка. 4

2 РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ ЗДАНИЯ.. 5

2.1 Расчетная схема рамы.. Ошибка! Закладка не определена.

2.2 Сбор нагрузок на раму. 5

2.3 Таблица расчетных усилий в элементах рам.. Ошибка! Закладка не определена.

3 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОПИЛЬНОЙ ФЕРМЫ... 14

3.1 Сбор нагрузок на ферму. 14

3.2 Определение расчетных усилий в стержнях фермы, расчетных длин стержней. 15

3.3 Подбор сечения стержней. 18

3.4 Конструирование и расчет монтажных, промежуточных и опорных узлов фермы.. 22

4 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КОЛОННЫ... 28

4.1 Определение расчетной длины надкрановой и подкрановой частей колонны в плоскости и из плоскости рамы.. 28

4.2 Подбор сечения стержня колонны и проверка общей и местной устойчивости. 29

4.3 Расчет и конструирование узла сопряжения верхней и нижней
частей колонны. 44

4.4 Расчет базы колонны. 47

Компановка конструктивной схемы каркаса здания

Ограждающие конструкции стен и покрытия

В качестве несущих стен для проектирования отапливаемого здания используют железобетонные трехслойные прямоугольные панели, средний слой - утеплитель. Длина панели – 6 м, ширина – 1,8 м.

Конструкция кровли – беспрогонная, железобетонные ребристые плиты длиной 6 м опираются на верхние пояса стропильных ферм. Железобетонные плиты с утеплителем, паро- и гидроизоляцией.

1.2 Шаг колонн. Эскиз плана здания

В соответствии с требованиями унификации промышленных зданий расстояние между колоннами вдоль здания принимаем равным 6 м. Крайние колонны смещаем от оси на 500 мм для удобства оформления углов здания ограждающими панелями. Поскольку длина здания не превышает 144 м, устройство поперечных температурных швов не требуется.

На рисунке 1 приведем эскиз плана здания.

 

Рисунок 1 - Эскиз плана здания

 

Схема связей между колоннами

При проектировании стального каркаса промышленного здания устраиваем 2 системы связей: по колоннам и по покрытию. Они необходимы для:

а) Обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов;

б) Восприятие ветровых, инерционных, тормозящих воздействий крана;

в) Создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации в течение всего периода службы здания;

г) Обеспечения условий для качественного и удобного монтажа элементов каркаса.

Вертикальные связи между колоннами устраиваем в надкрановом ярусе и подкрановом ярусе (рисунок 3).

 

Рисунок 3 - Схема связей между колоннами

 

Связи по покрытию

Связи по покрытию устраиваем по нижним и верхним поясам, по тем же осям, что и связи по колоннам (рисунок 4).

Назначение связей по шатру здания:

- обеспечивают устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм;

- перераспределение местных нагрузок, приложенных к одной из рам на соседние рамы;

- обеспечивают удобство монтажа;

- обеспечивают заданную геометрию каркаса;

- восприятие и передача на колонны горизонтальных нагрузок.

Рисунок 4 - Связи по нижним (сверху) и верхним (снизу) поясам ферм

Разработка схемы фахверка.

Фахверком называют систему конструктивных элементов, служащих для закрепления стенового ограждения и восприятия ветровой нагрузки. Фахверк устраивается как для наружных, так и для внутренних стен и перегородок. При самонесущих стенах, а также при панельных стенах с длиной панели равной шагу колонн, необходимости в фахверковых колоннах нет. Устанавливаем фахверковые колонны по торцу здания с шагом 6 м, равным длине стеновых панелей.

Рисунок 5 - Схема фахверковых колонн по торцу здания

 

Сбор нагрузок на раму

Расчёт рамы требуется вести на каждую из нагрузок раздельно, так как расчётные усилия для сечений элементов получают при различной комбинации нагрузок и их возможном самом невыгодном сочетании.

Схему нагрузок, действующих на раму, представим на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема нагрузок, действующих на раму

Временные нагрузки

Снеговая нагрузка

Полное расчетное значение снеговой нагрузки определяем по формуле:

,
где  – нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² поверхности. Для снегового района, к которому относится город Самара, ;
.

Крановые нагрузки

При определении крановых нагрузок на раму предполагается, что действуют нагрузки от двух наиболее неблагоприятных по воздействию мостовых кранов.

Крановые нагрузки разделяются на вертикальные и горизонтальные. Расчетное вертикальное давление на колонну, к которой приближенна тележка крана, определяется по линии влияния опорных реакций подкрановых балок с помощью формул:

;

,
где  – коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок;
 – коэффициент сочетания усилий для работы двух кранов, для среднего режима работы кранов принимаем ;
 – сумма значений ординат с линии влияния крановой нагрузки.
 – максимальное давление колеса крана, для крана грузоподъемностью Q =500 кН,весьма тяжелом режиме работы и здания, пролетом L =36 м принимаем
 – минимальное давление колеса крана.

,
где  – грузоподъемность крана, ;
 – вес крана с тележкой, для крана с грузоподъемностью 500 кН принимаем ;
 – количество тормозных колес, для крана с грузоподъемностью 500 кН принимаем n₀ = 2;

;

Рисунок 7 - Линия влияния крановых нагрузок на опорную реакцию
подкрановой балки

Определяем значения ординат линии влияния из подобия треугольников:

; ; .

.

Значения расчетных усилий на колонну:

кН;

кН.

Подкрановые балки уложены с эксцентриситетом по отношению к геометрической оси сечения нижнего участка колонны, поэтому от вертикального давления D_max и D_min возникают изгибающие моменты, значения которых определяются по формулам:

;

,

- эксцентриситет. Значение определяется по формуле:

м

;

.

Расчетная горизонтальная сила на колонну от поперечного торможения тележек крана определяется по формуле:

,
где - нормативная горизонтальная сила на одно колесо крана, направленная поперек кранового пути;

,
где  = 0,05 - коэффициент трения при торможении тележки при гибком подвесе груза;
 – вес тележки крана, для крана с грузоподъемностью 500 кН принимаем ;

кН;

 кН;

Ветровая нагрузка

Полное расчетное значение ветровой нагрузки определяем по формуле:

, где

- нормативное значение ветрового давления. Для ветрового района, к которому относится город Самара, кПа;

- коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

 - аэродинамический коэффициент. Принимаем равным  - для наветренной стороны,  для подветренной стороны;

 - коэффициент надежности для ветровой нагрузки.

Расчетное значение ветровой нагрузки определяем на определенных уровнях высоты здания. Для данного здания определяем значения ветровой нагрузки на высотах соответственно 10 м, 20 м и 40 м от уровня земли. Для этого определяем значения коэффициента  в соответствии со СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» для соответствующего типа местности:

; ; .

Значения ветровой нагрузки для наветренной поверхности на соответствующих высотах:

;

;

.

Значения ветровой нагрузки для подветренной поверхности на соответствующих высотах:

;

.

                

                                       Рисунок 8 - Расчетная схема ветровых нагрузок

 

Для статического расчета рамы необходимо ветровую нагрузку заменить эквивалентной ей по действию. Вычисляем величину эквивалентной нагрузки для наветренной поверхности по формуле:

, где

 - интенсивность ветровой нагрузки в уровне низа фермы. Определяем графически: ;

 - интенсивность ветровой нагрузки в уровне низа фермы. Определяем графически: ;

м – высота фермы.

.

Для подветренной поверхности величина эквивалентной нагрузки:

.

Величину эквивалентной равномерно распределенной нагрузки для наветренной поверхности можно определить по формуле:

, где

 - коэффициент, для зданий высотой 18 м принимаем равным ;

;

Для подветренной поверхности величина эквивалентной нагрузки:

;

     

                    Рисунок 9 - Распределение нагрузки, эквивалентной ветровой

 

Статический расчет рамы с учетом пространственной работы конструкции

Статический расчет рамы производим на ЭВМ с помощью ПК «Мираж», разработка НИИАСС, Киев, Украина.

По результатам расчета получаем значения усилий в сечениях рамы.

 

 

Сбор нагрузок на ферму

Ферма пролетом 36 метра состоит из 12 панелей. Длину панелей фермы принимаем в соответствии с шириной плит покрытия, принятой равной 3м.

На стропильную ферму действуют следующие нагрузки:

- нагрузка от собственного веса фермы и покрытия;

- снеговая нагрузка.

Влияние опорных моментов в верхних сечениях колонн не учитываем.

Рисунок 8 - Расчетная схема стропильной фермы

Усилия от нагрузок определяются с использованием единичных нагрузок . Действие равномерно распределенной единичной нагрузкой заменяется сосредоточенными силами, приложенными в узлах.

                               

Рисунок 9 - Схема перехода от распределенной нагрузки к узловым

кН;

кН;

Величины опорных реакций:

 кН;

Величину нагрузки от собственного веса фермы и покрытия, а также величину снеговой нагрузки принимаем равными:

- нагрузки от собственного веса фермы и покрытия: ;

- снеговая нагрузка: .

Подбор сечения стержней

Сжатые стержни (верхний пояс, раскосы и стойки) подбираются по условию устойчивости, т.е. с учетом предельной гибкости. Поскольку сечение фермы принимается из двух уголков, то необходимо задать толщину фасонки. Она зависит от максимального усилия в стержнях.

Принимаем

Узел № 2

Ввиду различной толщины уголков перекрываем их листовыми накладками. Стык смещаем на 350 мм в сторону панели с меньшим усилием.

Требуемую площадь сечения накладок определяем из расчета на усилие.

;

;

.

Ширину каждой накладки назначаем исходя из ширины полки поясного уголка 200 мм, зазора между кромкой накладки и фасонкой - 40мм, свеса накладки - 20мм.

Тогда требуемая толщина накладки

;

Принимаем . Остальная часть усилия

;

передается непосредственно на фасонку, напряжение в которой при расчете на растяжение составит:

.

Здесь за условную площадь фасонки принимается площадь полосы высотой, равной удвоенной ширине прикрепляемой полки уголка.

Суммарная длина сварных швов, прикрепляющих накладки к пояcным уголкам с одной стороны стыка при мм., составит:

Длины швов, которыми раскосы крепятся к фасонке:

Исходя из полученных данных lw3, lw4, подбираем продольные размеры накладок и размеры фасонок.

Рисунок 13 - Эскиз узла №2

Узел № 3

Опорное давление фермы передается на колонну торцом листа (фланцем), прикрепленным к фасонке. Опорные фасонки имеют толщину 20 мм.

Торцовый лист (фланец) принимается толщиной 20мм и шириной 180 мм.

Напряжение смятия у торца:

,
где

Длины швов крепления уголков к фасонке:

Проверяем опорную фасонку на срез:

Опорные швы, прикрепляющие фасонку к фланцу, проверяем на срез от опорной реакции и на внецентренное сжатие силой Н:

, 45º

Н = 943,67* -689.91=-22,6

,

,

Рисунок 14 - Эскиз узла № 3

Прочность сварных швов обеспечена

 

Подкрановая ветвь

Принимаем подкрановую ветвь в виде сварного двутавра. Предварительно назначаем коэффициент продольного изгиба .

Требуемая площадь сечения составит:

Компонуем сечение, исходя из требуемой площади. Ширина двутавра должна удовлетворять условию:

см.

Принимаем см.

Ширина полок двутавра будет равна:

с м.

Принимаем см.

Принимаем: толщина стенки см, толщина полок с м.

Высота стенки при этом составит: с м.

Фактическая площадь сечения при этом составит:

.

Вычисляем геометрические характеристики подобранного сечения:

1. Момент инерции сечения относительно оси X:

;

2. Момент инерции сечения относительно оси Y:

3. Радиусы инерции по осям X и Y:

;

;

Наружная ветвь

Предварительно назначаем коэффициент продольного изгиба .

Требуемая площадь сечения составит:

Ширина листа принимается равной:

.

Толщину листа принимаем равной 20 мм.

Площадь, приходящаяся на пластину составит

Что значительно больше Атр, поэтому конструктивно принимаем уголок ∟75×5 по ГОСТ 8509-93 с площадью сечения  см².

С учетом этого площадь сечения составит:

.

Определяем координаты центра тяжести наружной ветви относительно наружной грани листа.

, где

 - расстояние от центра тяжести уголка до его грани. Для уголка ∟75×5 расстояние см.

см;

Вычисляем геометрические характеристики подобранного сечения:

1. Момент инерции сечения относительно оси X:

;

2. Момент инерции сечения относительно оси Y:

;

.

3. Радиусы инерции по осям X и Y:

Определяем координаты центра тяжести всего сечения относительно центральной оси:

, где

  см;

  см²;

см;

см.

Вычисляем геометрические характеристики всего сечения:

1. Момент инерции сечения относительно оси X:

2. Радиус инерции по оси X:

.

Подкрановая ветвь.

Определяем уточненное продольное усилие в подкрановой ветви с учетом координат центра тяжести:

Гибкость в плоскости рамы

,

Расстояние между узлами решетки принято из следующего расчета:

см.

Гибкость из плоскости рамы

;

Максимальная условная гибкость

,

Коэффициент продольного изгиба

;

.

Напряжение:

;

- условие соблюдается,устойчивость подкрановой ветви колонны из плоскости рамы обеспечена.

Наружная ветвь.

Определяем уточненное продольное усилие в наружной ветви с учетом координат центра тяжести:

Гибкость в плоскости рамы

,

Расстояние между узлами решетки принято из следующего расчета:

см.

Гибкость из плоскости рамы

 

Максимальная условная гибкость

,

Коэффициент продольного изгиба

;

Напряжение:

;

- условие соблюдается, устойчивость подкрановой ветви колонны из плоскости рамы обеспечена.

Расчет базы колонны.

Ширина нижней части колонны превышает 1 м, поэтому принимаем базу раздельного типа.

Для расчета базы принимаем усилия в наружной ветви:

наружная ветвь

 

подкрановая ветвь

Для расчета базы рассматриваем максимальное усилие .

Требуемую площадь плиты базы найдем по формуле:

, где

. Для бетона класса В15 принимаем . .

По конструктивным соображениям, свес плиты  должен быть не менее 40 мм. Тогда должно выполняться условие:

см;

Принимаем см. Тогда требуемая длина плиты будет:

см. Принимаем

Фактическая площадь плиты

,

Среднее напряжение в бетоне под плитой

Рисунок 18 - Схема базы колонны

Принимаем толщину траверсы мм, минимальный свес см.

Определяем изгибающие моменты на отдельных участках плиты.

1. Участок 1 (консольный свес ).

;

2. Участок 2 (консольный свес ).

;

3. Участок 3 (плита, опертая на четыре стороны; отношение ; значение коэффициента ).

;

4. Участок 4 (плита, опертая на четыре стороны; отношение ; значение коэффициента ).

;

Принимаем для расчета .

Определяем требуемую толщину плиты:

см

Принимаем плиту толщиной мм.

Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления траверсы к ветви колонны. В запас прочности все усилие в ветви передаем на траверсы через четыре угловых шва.

см

Принимаем см.

Конструктивно принимаем длину траверсы:

Далее необходимо произвести расчет анкерных болтов. Для расчета болтов рассматриваем комбинацию N_min, M_соотв. Усилия для этой комбинации: кН, . Усилие растяжения в анкерном болте определяем по формуле:

.

Принимаем минимальное количество болтов с одной стороны (в растянутой зоне): n=2.

Требуемая площадь сечения болта:

Принимаем болт диаметром , площадью поперечного сечения

Длина анкеровки в бетоне .

Оглавление

1 Компановка конструктивной схемы каркаса здания. 4

1.1 Ограждающие конструкции стен и покрытия. 4

1.2 Шаг колонн. Эскиз плана здания. 4

1.3 Унифицированная схема поперечной рамы здания. 4

1.4 Схема связей между колоннами. 4

1.5 Связи по покрытию.. 4

1.6 Разработка схемы фахверка. 4

2 РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ ЗДАНИЯ.. 5

2.1 Расчетная схема рамы.. Ошибка! Закладка не определена.

2.2 Сбор нагрузок на раму. 5

2.3 Таблица расчетных усилий в элементах рам.. Ошибка! Закладка не определена.

3 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОПИЛЬНОЙ ФЕРМЫ... 14

3.1 Сбор нагрузок на ферму. 14

3.2 Определение расчетных усилий в стержнях фермы, расчетных длин стержней. 15

3.3 Подбор сечения стержней. 18

3.4 Конструирование и расчет монтажных, промежуточных и опорных узлов фермы.. 22

4 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КОЛОННЫ... 28

4.1 Определение расчетной длины надкрановой и подкрановой частей колонны в плоскости и из плоскости рамы.. 28

4.2 Подбор сечения стержня колонны и проверка общей и местной устойчивости. 29

4.3 Расчет и конструирование узла сопряжения верхней и нижней
частей колонны. 44

4.4 Расчет базы колонны. 47

Компановка конструктивной схемы каркаса здания