Компоновка конструктивной схемы каркаса

Исходные данные по шифру 97062

·	Пролет производственного здания (L)	- 36м;
·	Грузоподъемность мостового крана (Q)	- 50/10т;
·	Режим работы	- С(средний);
·	Группа здания	- I;
·	Длина промышленного здания	- 120м;
·	Район строительства	- Н.Новгород;
·	Тип здания	- отапливаемое;
·	Уклон верхнего пояса фермы	- i = 0%;
·	Отметка головки рельса (Н1)	- 18м;
·	Шаг ферм (Вф)	- 6м;
·	Шаг рам (В)	- 12м;
·	Снеговой район	- IV;
·	Вес снегового покрова (Sg)	-2,4кН/м;
·	Ветровой район	- I;
·	Ветровое давление (Wo)	- 0,23кН/м.

 

Шифр 229

 

Компоновка конструктивной схемы каркаса

 

Размещение колонн в плане в данном курсовом проекте принимаем в соответствии с заданием; шаг колонн – 12м, пролет 36м. Схема размещения колонн представлена на рис. 1.1.

 

    

 Рис. 1.1.

       Важной задачей является решение системы связей каркаса. Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм, перераспределение местных нагрузок, приложенных к одной из рам, на соседние рамы, удобство монтажа, заданную геометрию каркаса, восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

       Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей. Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижнего и верхнего пояса ферм. Горизонтальные связи состоят из продольных и поперечных (рис. 1.2;1.3,а).

 

      Рис.1.2. Горизонтальные связи по верхнему поясу

       Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса, его несущую способность и жесткость в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам (рис.1.3, б, в).

Рис.1.3.

а) схема горизонтальных связей по нижнему поясу; б) схема вертикальных связей между фермами; в) схема вертикальных связей между колоннами

 

Компоновка однопролетных рам

 

     Компоновку рамы начинают с установления генеральных размеров элементов конструкций в плоскости поперечника по вертикали и по горизонтали.

 

Определение вертикальных размеров

 

 

Рис. 2.1.

 

H₂ = h_k + a + 100,                                                                               

где h_k =3150 мм – высота крана 50/10 по ГОСТ 6711-70;

       a = 250 мм – учитывает прогиб фермы;

       100 мм– зазор безопасности.

Н₂ = 3150 + 250 + 100 = 3600 мм.

H₀ = H₁ + H₂                                                                                         

H₀ = 18000 + 3600 = 21600мм.

В соответствии с "Основными положениями по унификации" размер Н₀ принимаем кратным 1,8 при H₀ >10,8 м.

Высота верхней части колонны:

H_B = H₂ + h_p + h_п.б.,                                                                             

где h_p = 130 мм, h _п.б. = 1500 мм – соответственно высота рельса и высота подкрановой балки;

H_B = 3600 + 130 + 1500 = 5230мм.

   Принимаем 5400мм.

Высота нижней части колонны будет:

H_H = H₀ + h_б – H_B,                                                                               

где h _б = 1000 мм – высота заглубления базы колонны

H_H = 21600+1000-5400=17200мм.

Общая высота стоек рамы:

H = H_H + H_B,                                                                                         

H = 17200+5400=22600 мм.

Высота фермы у опоры будет h _оп = 3150 ммт.к. уклон верхнего пояса равен i =0 ^o.

 

Определение нагрузок на раму

 

Снеговая нагрузк а

 

На этом этапе расчета распределение снега принимают равномерно по всему покрытию. Погонная расчетная нагрузка на стропильную ферму составит:

S = s_g × B_ф,                                                                                             

где s _g –расчетное значение  веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли, принимаемое в зависимости от снегового района,

s_g = 2,4 кН/м² (IV снеговой район);

B_ф = 6 м – шаг стропильных ферм;

S = 2,4 ·6 = 14,4 кН/м.

Сосредоточенная сила на колонну от снеговой нагрузки при наличии промежуточных стропильных ферм:

V´_s = S × L = 14,4 × 36 = 518,4 кН.                                                     

 

 

Нагрузки от мостовых кранов

 

При расчете однопролетных промышленных зданий крановую нагрузку учитываю только от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности с учетом сочетания крановых нагрузок n_c = 0,85 для среднего режима работы.

Рис. 3.1.

Вертикальное давление кранов определяю по линиям влияния опорной реакции общей опоры двух соседних подкрановых балок.

Расчетные давления на колонну будут:

D_max = n_c× n× P_max× S y_i + G_п.к.,                                                             

D_max = 0,85 × 1,1 × 455 × 2,875 + 54 = 1277,1 кН,

D_min = n_c× n× P_min× S y_i + G_п.к.,                                                              

D_min =0,85 × 1,1 × 153 × 2,875 + 54 = 465,3 кН,

где n = 1,1 – коэффициент перегрузки;

       G _п.к. = B × G = 12·4,5 = 54 кН – вес подкрановых конструкций.

Максимальное давление колеса крана P_max:

P_max = ½ × (P_{1 max} + P_{2 max}) = Р₁,                                                         

т.к. Р₁ = Р₂ , P_max = 455 кН.

Минимальное давление колеса крана определяется по формуле:

P_min = [(Q – G_k) / n₀ ] – P_max ,                                                             

где G_k = 665 кН – вес крана с тележкой;

                   n ₀ = 2 – количество колес на одной стороне моста крана.

P_min = [(500 + 716)/ 2] – 455 = 153 кН.

Подкрановые балки устанавливаю с эксцентриситетом e ₁ по отношению оси нижней части колонны, поэтому от вертикальных давлений возникают сосредоточенные изгибающие моменты:

M_max = e₁ × D_max ,                                                                       

M_min = e₁ × D_min ,                                                                               

e₁ = 0.5 × b_н,                                                                                           

где    e₁ = 0,5 × b _Н = 0,5 × 1,25 = 0,625 м,

M_max = 0,625× 1277,1 = 798,19 кН×м,

M_min = 0,625× 465,3 = 290,81 кН×м.

Расчетное горизонтальное давление T от торможения тележки с грузом определяется по формуле:

,                                                   

где f = 0,1 – коэффициент трения;

       G_T = 132 кН – вес тележки.

кН.

 

Ветровая нагрузка

 

Для одноэтажных производственных зданий учитывается только статическая составляющая ветровой нагрузки. Она вызывает активное давление – с наветренной стороны и отсос – с противоположной стороны.

Нормальное значение давления ветра на вертикальную поверхность продольной стены зависит от района строительства, типа местности и высоты от уровня земли. Согласно СНиП “Нагрузки и воздействия” давление ветра на произвольной отметке от уровня земли (рис. 3.2.) определяется по формуле:

q = W₀ × k × c, [кН/м²],                                                                          

где W ₀ = 0,23 кН/м² – нормативная скорость напора ветра на уровне 10 м;

       с = 0,8  – аэродинамический коэффициент учета конфигурации здания: для активного давления с = 0,8, для отсоса – с’ = 0,6;

       k – коэффициент учета изменения высоты и типа местности (табл.3.4.1.[ 4]).

                      

Для определения ветровой нагрузки рассматривается расчетный блок шириной В (часть продольной стены). При этом давление ветра до низа ригеля прикладывается к стойкам рамы в виде распределенных нагрузок, а давление от шатровой части – в виде сосредоточенной силы, приложенной к верхушкам стоек.

С целью упрощения расчетов фактическая эпюра давления ветра до отметки низа ригеля (по высоте Н) заменяется эквивалентной равномерно распределенной нагрузкой:

q_экв = q₀¹⁰× (1+Dk)=W_o×k_э×c,                                                                            

где k = 0,731 (прил.,табл.4 [6]).       

q_экв = 0,23× 0,731 × 0,8 = 0,134 кН/м².

Рис. 3.2.

Для определения сосредоточенной силы от давления ветра в пределах шатра принимается фактическая эпюра давления, которая имеет вид двух трапеций, средняя общая ордината которых соответствует давлению на отметке 20 м(рис. 3.2.)

а) интенсивность распределения нагрузок на колонну будет:

- активная

q_в = q_экв× ×n×B_фахв,                                                                                         

q_в = 0,134× 1,2× 12 = 1,93 кН/м²,

- отсос

q¢_в =  q_экв × n × B_фахв = 0.75× q_в = 1,93 кН/м².                                      

где В_фахв – шаг колонн.

 

б) Расчетная сосредоточенная сила от давления ветра на шатер цеха представляет собой равнодействующую давления на грузовую площадь с размерами Н_ш ´ В.

- для активного давления

 , n = 1,2,                                                

 кН/м²;

- для отсоса

W’ = 0,75·W = 0.75·9,98=7,485 кН/м².                                           

 

           4. Статический расчет рамы с жесткими узлами

Общие указания

 

Целью статического расчета является определение расчетных усилий в характерных сечениях элементов рамы, которые необходимы для подбора сечения элементов, для расчета сопряжений и узлов.

Принято усилия определять от каждой нагрузки в отдельности, затем на основе сочетаний нагрузок выявить неблагоприятное загружение для каждого сочетания и соответствующие расчетные усилия.

В первую очередь необходимо принять расчетную схему рамы на основании конструктивной схемы поперечника. Принятая расчетная схема на рис. 4.1.

На этом этапе сечения стоек и ригеля неизвестны, приходится задаваться отношением жесткостей элементов рамы:

n = I_B / I_H = 1/5…1/10, I_P / I_H = 2…4,             

Из опыта проектирования известно:

                                e = (0.45…0.55) × b_H – 0.5 × b_H

На практике часто принимают среднее значение:

                                 e = 0.5 × (b_H – b_B)                    

e = 0.5 × (1250 – 700) = 275 мм.

 

 

Рис. 4.1. Расчетная схема

                                                     

    

 

Получим I_В=1, I_Н=7, I_Р=21.

Коэффициент пространственной работы каркаса a _пр зависит от типа кровли. При жестких кровлях из ж/б плит с замоноличиванием швов a _пр находится по формуле:

,                                                                     

        

 

 

Дальнейший статический расчет рамы произведен на ЭВМ с помощью программы “СТАТРАСЧЕТ 3”.Все исходные данные для выполнения расчета занесены в табл. 2.

Рис. 4.2.

 

Таблица 2.

L, м	Н1, м	Н2, м	НВ, м	IH	IB	IP	E, м	АПР	К	N	S	Dmax, кН	Dmin, кН
36	21.6	5.4	5.4	7	1	21	0,2 75	0,3 3	1	0.8 1	2	1277.1	465.3

 

Mmax, кНм	Mmin, кНм	G, кН/м	P, кН/м	T, кН	GEK, кН/м	W, кН	GEK1, кН/м	W1, кН	NB	NH
798.19	290.81	16.21	14.4	42.47	1.93	9.98	1.45	7.49	0	0

 

Определение нагрузок

5.1.1.Постоянные нагрузки

 

Рис. 5.1.

Нагрузки от собственной массы 1 м² кровли определяется по фактическому составу, учитывая собственную массу стропильных ферм и связей (см. табл. 1).

Величина сосредоточенной силы от постоянных нагрузок определяется с учетом грузовой площади bxd, где b – шаг ферм; d – длина панели верхнего пояса

       Р = g ·3 = 16.21·3=48.63 кН                                                            

 

       5.2.1.Снеговая нагрузка

При бесфонарных зданиях нагрузки во всех узлах будут одинаковы и равны:

Р_с = p ·3= 14.4·3 = 43.2 кН.                                                         

 

5.2.Определение опорных моментов

В опорных сечениях ферм, являющихся ригелями рам с жесткими узлами, возникают изгибающие моменты. Для выявления дополнительных усилий в раскосах и приопорной панели верхнего пояса рассматриваются – М_лев^max и соответствующий момент на правой опоре – М_пр^соот, вычисляемый для тех же нагрузок. Здесь – M_лев^max принимается по таблице расчетных комбинаций усилий для колонны левого ряда (из условия равновесия узла сопряжения ригеля со стойкой).

Для определения отрицательных опорных моментов ригеля рассматриваются два вида основных сочетаний:

1. Постоянная и одна наиболее неблагоприятная временная нагрузка с коэффициентом сочетаний n_c = 1 (крановая или ветровая);

2. Постоянная и две кратковременные нагрузки (крановая и ветровая) с коэффициентом n_c = 0,9.

Расчетные моменты в опорных сечениях фермы        Таблица 3.

nc = 1	-	-	-586.19	-586.19
№ загружений	-	-	1;2	1;2
nc = 0,9	-	-	-773.5	-542.58
№ загружений	-	-	1;2;4;5;10	1;2;3;7;9

    5.3. Определение расчетных усилий в стержнях фермы

Для определения расчетных усилий с учетом сочетания нагрузок усилия в стержнях ферм определяют от каждой нагрузки в отдельности. Для симметричных ферм в таблицу включают только стержни одной половины фермы.

 

 

5.4. Подбор сечения стержней ферм

 

Стержни стропильных ферм выполнены из прокатных уголков сечением, показанном на рис. 5.2:

 

      Рис. 5.2. Сечение элементов легких ферм

Сечение а) принят для поясов ферм, т.к. обеспечивает большую жесткость из плоскости ферм, б) принято для раскосов и стоек.

Для изготовления фермы принята сталь марки С245 с расчетными сопротивлением:

R_y = 240 МПа = 24 кН/см²,

Для подбора сечения стержней использованы формула расчета на прочность и устойчивость центрально растянутых и сжатых элементов:

а) Условие прочности центрально-растянутого элемента имеет вид:

                                                                                     

где  N – расчетное усилие в рассматриваемом стержне;

R_y – расчетное сопротивление материала;

А_n – площадь сечения стержня нетто;

g _с – коэффициент условия работы, g _с =1,00 (для растянутых элементов)

Требуемая площадь из условия будет:

                                                                                

Далее из сортамента соответствующего профиля подбираю два уголка: равнобокий по ГОСТ 8509-72*, неравнобокий по ГОСТ 8510-72*.

 

б) Расчет на устойчивость центрально-сжатого стержня выполняют по формуле:

                                                                             

где  А – площадь сечения элементов брутто;

j – коэффициент продольного изгиба, который зависит от гибкости стержня l

Коэффициент условия работы учитывают для тех стержней решетки, которые получаются с небольшим сечением гибкостью l ³ 60 и которые могут легко деформироваться во время изготовления, транспортирования и монтажа фермы. Следовательно, для сжатых раскосов (кроме опорного) и стоек при l ³ 60 следует вводить g _с = 0,8.

Требуемая площадь сжатого стержня определяется из условия:

                                                                             

т.к. коэффициент j в неявном виде зависит от площади сечения, то задачу решают методом последовательных приближений. В первом приближении задаюсь: для поясов l = 80…100. Для раскосов и стоек l = 100…120.

Определив j в зависимости от l и R_y вычисляем величину А^тр в первом приближении, из сортамента подбираем соответствующие профили уголков.

Необходима проверка принятого сечения по условию устойчивости: сжатый стержень потеряет устойчивость в той плоскости, относительно которой гибкость максимальная, т.к. при этом j - минимальный. Поэтому вычисляют гибкости l _x и l _y.

                                                              

где  l^x_ef – расчетная длина сжатого стержня в плоскости фермы;

l^у_ef – то же, из плоскости фермы;

r_x, r_y – моменты инерции сечения относительно осей х и у.

Для верхнего пояса и опорного раскоса будем иметь:

l^x_ef = l;                                                                                                

где  l – расстояние между центрами узлов.

Для остальных сжатых стержней раскосов и стоек вводится коэффициент опорного защемления m = 0.8, так что расчетная длина будет:

l^x_ef = 0.8 × l,                                                                                         

Для определения расчетных длин сжатых стержней из плоскости фермы рассматривается схема связей по верхним поясам ферм.

Связи по верхним поясам ферм уменьшают расстояние между узлами, закрепленными от горизонтального смещения, поэтому:

l^y_ef = l_закр,                                                                                            

где  l _закр. – расстояние между закрепленными от горизонтального смещения точками.

При беспрогонной системе покрытия с применением крупноразмерных ж/б плит считается, что проверка плит к верхним поясам ферм создает закрепленные точки, поэтому:

l_закр. = d,                                                                                                         

Для сжатых раскосах и стоек расчетная длина принимается по формуле (6.6.).

При подборе сечений необходимо иметь в виду предельные гибкости стержней (табл. 3, графа 13)

Слабо загруженные сжатые стержни решетки рассчитываются по предельной гибкости, а сечения подбирают по требуемому радиусу:

,                                                                                        

Толщина фасонок назначается конструктивно, исходя из величины усилий в опорном раскосе: при N = 649,25 толщина фасонки принимается t _ф = 14 мм.

Во избежание повреждения при транспортировке и монтаже наименьший уголок принимается с размерами 50 ´ 5 мм.

 

Таблица проверки сечений стержней ферм

Таблица 5.

Элемент	Обозначение стержня	Расчетные усилия	Сечение	Площадь А см2	Геометрическая длинна, мм	Расчетная длинна, см		Радиус инерции, мм		Гибкости		Предельная гибкость	Коэффициент предельного изгиба	Коэффициент условия работ	Расчетные напряжения
					l	lxеf	lуеf	rx	ry	lx	ly
												lпр	jmin
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Верхний пояс	B1	+247,52	70х5	13,36	2800	280	280	2,16	3,38	129,6	82,8	400	-	-	+18,5
	Г3;Д4	-843	140х10	54,6	3000	300	300	4,33	6,25	69	48	129,3	0,759	1	-20,3
	Е6; Ж7	-1373,8	160х12	74,8	3000	300	300	4,94	7,09	60,7	42,3	122,8	0,803	1	-22,9
	И9	-1554,7	180х12	84,4	3000	300	300	5,59	7,9	53,7	38	124,8	0,835	1	-22,1
Нижний пояс	А2	+443,54	140х90х8	36	5800	580	580	2,58	6,86	224,8	84,5	400	-	-	+12,3
	А5	+1157,9	160х100 х10	50,6	6000	600	600	2,84	7,84	211,3	76,5	400	-	-	+22,9
	А8	+1510,6	160х100 х14	69,4	6000	600	600	2,8	7,93	214,3	151,3	400	-	-	+21,8
Раскосы	1-2	-649,25	125х10	48,6	4190	209,5	419	3,85	5,66	54,4	74,0	134,3	0,73	1	-18,3
	2-3	+558,19	90х8	27,8	4265	426,5	426	2,76	4,23	154,3	100,7	40	-	-	+20,1
	4-5	-441,8	125х10	48,6	4330	346,4	433	3,85	5,66	89,9	76,5	163,8	0,615	0,8	-14,8
	5-6	+313,17	70х5	13,36	4265	426	426	2,16	3,38	197,2	126	400	-	-	+23,4
	7-8	-196,78	90х8	27,8	4330	346,4	433	2,76	4,23	125,5	102,4	153,8	0,392	0,8	-18
	8-9	+77,33	50х5	9,6	4265	426	426	1,53	2,61	278	163,2	400	-	-	+8,05
Стойки	3-4	-91,83	70х5	13,36	3075	246	307	2,16	3,38	113,9	91	163,4	0,46	0,8	-14,9
	6-7	-91,83	70х5	13,36	3075	246	307	2,16	3,38	113,9	91	163,4	0,46	0,8	-14,9
	9-10	-91,83	70х5	13,36	3075	246	307	2,16	3,38	113,9	91	163,4	0,46	0,8	-14,9

 

Общее количество различных уголков типоразмеров должно быть равно 6…8 шт, поэтому окончательно принимаем:

 А5,А8,В1,Г3,Д4 –  L 160х100х14;

 А2 – L 140х90х8;

 1-2,4-5 – L 125х10;

 Е6,Ж7,И9  – L 180х12;

 2-3,7-8 – L 90х8;

 3-4,5-6,6-7,8-9,9-10 – L 70х5.

 

6.   Расчет и конструирование узлов ферм

Шов по обушку

Шов по перу

k ^об _f, см N _об, кН l ^об _w, см k ^п _f, см N_n, кН L ^п _w, см 1 2 3 4 5 6 7 8 9 В1 160х100х14 +247,52 1,2 80,4 6 1 43,3 4 Г3,Г4 160х100х14 -843 1,2 273,9 17 1 147,5 11 Е6,Ж7 180х12 -1373,77 1,2 480,8 29 1 206 15 И9 180х12 -1554,69 1 544,1 35,5 1 233,2 17 А2 140х90х8 +443,54 0,8 166,3 14 0,6 55,4 7 А5 160х100х14 +1157,97 1,2 434,3 26,5 1 144,7 11 А8 160х100х14 +1510,6 1 566,5 37 1 189 14,5 1-2 125х10 -649,25 0,8 227,2 18,5 0,8 97,39 8,5 2-3 90х8 +558,19 0,8 195,37 16 0,6 83,73 9,5 4-5 125х10 -441,8 0,8 154,63 12 0,8 66,27 6 5-6 70х5 +313,17 0,4 109,63 18 0,4 46,98 8,5 7-8 90х8 -196,78 0,8 68,87 6,5 0,6 19,52 4 8-9 70х5 +77,33 0,4 27,07 5,5 0,4 11,6 4 3-4 70х5 -91,83 0,4 32,14 6 0,4 13,77 4 6-7 70х5 -91,83 0,4 32,14 6 0,4 13,77 4 9-10 70х5 -91,83 0,4 32,14 6 0,4 13,77 4

 

Для уменьшения сварочных напряжений в фасонках минимально принимаем:

a = 6 × t_ф – 20 = 6·14-20=64 мм,                                          

где t_ф = 14 мм– толщина фасонки.

Для плавной передачи усилий от стержня к фасонке угол между краями фасонки и уголка принят 20°.

Расчетные усилия

Для верхней части колонны:

Сечение 1-1:

М = - 773,50 кН × м, N = - 1050,12 кН, Q = -89,13 кН.

Сечение 2-2 при том же сочетании нагрузок (1,2,4,5,10):

М = - 273,14 кН × м.  

Для нижней части колонны:

Сечение 3-3:

М = -736,70кН × м, N = -2199,51кН, Q = -107,0кН.          

Сечение 4-4:

М = +1168,024кН × м,     N = -2199,51кН, Q = -128,15кН.

 

Исходные данные по шифру 97062

·	Пролет производственного здания (L)	- 36м;
·	Грузоподъемность мостового крана (Q)	- 50/10т;
·	Режим работы	- С(средний);
·	Группа здания	- I;
·	Длина промышленного здания	- 120м;
·	Район строительства	- Н.Новгород;
·	Тип здания	- отапливаемое;
·	Уклон верхнего пояса фермы	- i = 0%;
·	Отметка головки рельса (Н1)	- 18м;
·	Шаг ферм (Вф)	- 6м;
·	Шаг рам (В)	- 12м;
·	Снеговой район	- IV;
·	Вес снегового покрова (Sg)	-2,4кН/м;
·	Ветровой район	- I;
·	Ветровое давление (Wo)	- 0,23кН/м.

 

Шифр 229

 

Компоновка конструктивной схемы каркаса

 

Размещение колонн в плане в данном курсовом проекте принимаем в соответствии с заданием; шаг колонн – 12м, пролет 36м. Схема размещения колонн представлена на рис. 1.1.

 

    

 Рис. 1.1.

       Важной задачей является решение системы связей каркаса. Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм, перераспределение местных нагрузок, приложенных к одной из рам, на соседние рамы, удобство монтажа, заданную геометрию каркаса, восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

       Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей. Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижнего и верхнего пояса ферм. Горизонтальные связи состоят из продольных и поперечных (рис. 1.2;1.3,а).

 

      Рис.1.2. Горизонтальные связи по верхнему поясу

       Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса, его несущую способность и жесткость в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечных рам (рис.1.3, б, в).

Рис.1.3.

а) схема горизонтальных связей по нижнему поясу; б) схема вертикальных связей между фермами; в) схема вертикальных связей между колоннами