Кафедра: металлических и деревянных конструкций

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ПРИРОДООХРАННОГО

И КУРОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

 

 

КАФЕДРА: МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

 

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

К выполнению курсового проекта

По теме: «Конструкции одноэтажного промышленного здания»

по дисциплине: Металлические конструкции

Для специальности 7.092.101

«Промышленное и гражданское строительство»

 

Симферополь, 2008 год
    

Учебное пособие к выполнению курсового проекта «Конструкции одноэтажного промышленного здания» по дисциплине «Металлические конструкции» для студентов дневной и заочной формы обучения специальности 7.092.101 «Промышленное и гражданское строительство»/ сост. В.П.Синцов, В.А.Митрофанов, В.В.Молошный – Симферпооль: НАПКС,2008

 

 

УЧЕБНОЕ  ПОСОБИЕ

К выполнению курсовой работы

По теме: «Конструкции одноэтажного промышленного здания»

по дисциплине: Металлические конструкции

Для специальности 7.092.101

«Промышленное и гражданское строительство»

Составители: доцент Владимир Петрович Синцов

                                  доцент Владимир Алексеевич Митрофанов

                                            Виталий Викторович Молошный

                                                       Сергей Владимирович Митрофанов

Утверждено

На заседании кафедры

Металлических и деревянных

Конструкций

Протокол №             2008 г

Введение

1.КОМПОНОВКА КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ КАРКАСА.

Компоновка конструктивной схемы каркаса включает в себя следующие разделы: размещение колонн здания в плане, определение основных габаритных размеров элементов конструкций в плоскости рамы, разработку системы связей между колоннами и по покрытию здания.

 

1.1. РАЗМЕЩЕНИЕ КОЛОНН В ПЛАНЕ.

Шаг колонн однопролётных зданий не зависит от расположения технологического оборудования и его принимают равным 6 или 12м. У торцов зданий колонны обычно смещают с модульной сетки на 500 мм для возможности использования типовых ограждающих панелей (рис.1.1.).

 

Рис.1.1.План колонн на отм.0.000

 

1.2. КОМПОНОВКА ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ.

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных габаритных размеров элементов конструкций в плоскости рамы.

Вертикальные размеры согласовывают с отметкой уровня пола, принимая её равной нулевой (рис. 1.2). Расстояние от уровня пола до головки кранового рельса Н₁ берётся в задании /назначается технологами/.

Размер Н₂диктуется высотой мостового крана:

 ,                (1.1)

где Н_к+100 - расстояние от головки рельса до верхней точки тележки крана плюс установленный по требованиям техники безопасности зазор между этой точкой и строительными конструкциями, равный 100мм;

f -размер, учитывающий прогиб конструкций покрытия, принимаемый 200…400мм в зависимости от величины пролёта.

 Габариты мостовых кранов Н_к даны в соответствующих стандартах и заводских каталогах [Прил.В].

Полезная высота цеха от уровня пола до низа стропильных ферм:

        ,                            (1.2)

Размер Н принимается кратным 1,2 м до высоты 10,8 м, а при большей высоте кратным — 1,8 м. Если приходится несколько увеличить высоту цеха, следует изменить отметку головки рельса, а размер Н₂ оставить минимально необходимым и кратным 200мм.

По размерам производственного здания устанавливают размеры верхней Н _в и нижней Н _н части колонны:

 

,             (1.3)

где Н _б —высота подкрановой балки, которая предварительно принимается равной (1/8—1/10)В, где В - пролёт балки /шаг колонн/;

Н _р —высота кранового рельса, предварительно принимаемая равной 200мм;

Н_з=600-1000мм- принимаемое заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола.

Общая высота колонны рамы от низа базы до низа фермы:

                    (1.5)

Высота колонны у опоры ригеля Н_ф зависит от принятой конструкции стропильных ферм и равна 2,25; 3,15 м (см.3.2 настоящих указаний).

Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Привязка наружной грани колонны крайнего ряда к продольной оси здания может быть нулевой b₀=0 или равной 250 или 500 мм.

Нулевая привязка — здания без мостовых кранов, невысокие здания шаг колонн 6м с кранами грузоподъёмностью до 30 т включительно.

Привязка b₀=500мм- относительно высокие здания /свыше 30м/ с кранами грузоподъёмностью 75 т и более, здания с кранами режима работы 8К,если в верхней части колонны устраивают проём для прохода. В остальных случаях b₀=250мм.

Ширина верхней части колонны из условия необходимости жесткости должна быть больше h_b>=1/12 Н_в. Обычно ширина верхней части колонны принимается 500 или 1000мм /b₀=250 или b₀=500мм/. При устройстве проёма для прохода /ширина-400,высота-1800мм/ ширина верхней части колонны принимается 1000мм.

Расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны при устройстве проёма для прохода внутри колонны (рис.1.1б)

 ,            (1.6)

где В₁- часть кранового моста, выступающая за ось рельса [ 3; табл.4.7];

(h_в-b₀) - расстояние от продольной оси здания до внутренней грани колонны;

/60…75/мм-зазор между краном и колонной, по требованиям техники безопасности.

 При устройстве прохода вне колонны (рис.1.2.в)

 ,         (1.7)

где 450мм - минимальный габарит прохода 400 и 50мм на ограждение со стороны движущегося моста крана.

Размер l должен быть кратным 250,поскольку пролёты кранов имеют модуль 500мм. Ось подкрановой ветви колонны совмещают с осью подкрановой балки, при этом ширина нижней части колонны:

,               (1.8)

Для обеспечения жёсткости цеха в поперечном направлении высота сечения нижней части колонны

назначается не менее 1/20 Н₀,а в цехах с кранами режима работы 7К,8К, не менее 1/15 Н₀.

б                в

Рис.1.2. Схема поперечной рамы одноэтажного промышленного здания.

а — схема поперечной рамы; б — схема устройства прохода; в— схема устройства прохода вне колонны.

 

1.3. СВЯЗИ МЕЖДУ КOЛОННАМИ.

Система связей между колоннами обеспечивает во время эксплуатации и монтажа геометрическую неизменяемость каркаса и его несущую способность в продольном направлении, а также устойчивость колонн из плоскости поперечной рамы.

При небольшой длине здания /температурного блока/ вертикальные связи устанавливают ближе к середине блока ВС-5 (рис.1.3) [Прил.А].

Наиболее простая схема вертикальных связей — крестовая, применяемая при шаге колонн до 12м. При большой высоте колонн /более 10м/ выполняют два яруса крестов (рис.1.3).

По торцам здания крайние колонны иногда соединяют между собой связями, установленными в верхней части колонны (рис.1.3). Эти торцовые связи также делают в виде крестов, что целесообразно с точки зрения монтажных условий.

Рис.1.3. Схема вертикальных связей.

 

1.4. СВЯЗИ ПО ПОКРЫТИЮ.

Связи между фермами, создавая общую пространственную жёсткость каркаса, обеспечивают: устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм, перераспределение местных нагрузок/например, крановых /, приложенных к одной из рам на соседние рамы, удобство монтажа, заданную геометрию каркасов, восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей. Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижнего и верхнего поясов ферм и состоят продольных и поперечных (рис.1.4а,б).

Поперечные связи по верхним поясам ферм располагают в торцах цеха для закрепления прогонов от продольных смещений, при этом они совместно с поперечными горизонтальными связями по нижним поясам ферм и вертикальными связями обеспечивают пространственную жёсткость покрытия.

В однопролётных зданиях большой высоты /Н>18 м/,в зданиях с мостовыми кранами грузоподъёмностью Q>10т, с кранами режима работы 6К и выше, при любой грузоподъёмности обязательна система связей по нижним поясам ферм.

Поперечные связи закрепляют продольные. В плоскости нижних поясов также устанавливаются поперечные связи, расположенные в тех же панелях, что и поперечные связи по верхним поясам ферм. Для сокращения свободной длины растянутой части нижнего пояса в некоторых случаях предусматривают растяжки, закрепляющие нижний пояс в боковом направлении (рис.1.4б).

Вертикальные связи между фермами располагают в плоскости вертикальных стоек стропильных ферм. Обычно устраиваются одна—две вертикальные связи по ширине пролёта, они обеспечивают предварительное взаимное раскрепление стропильных ферм в процессе монтажа (рис.1.4в).

Вертикальные связи вместе с поперечными связевыми фермами по верхним и нижним поясам обеспечивают создание жестких пространственных блоков у торцов здания. К этим блокам распорками и растяжками привязывают промежуточные фермы.

Варианты схем связей по покрытию приведены на рис.1.5.

 

Рис.1.4. Схемы связей по покрытию:

а—связи по верхним поясам;

б—связи по нижним поясам;

в—вертикальные связи.

 

 

Рис.1.5. Варианты схем связей:

а—связи по верхним поясам;

б—связи по нижним поясам;

в—вертикальные связи.

2.ПОДКРАНОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ.

2.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И НАГРУЗКИ.

 

Подкрановые конструкции воспринимают воздействия от различного подъёмно-транспортного оборудования и состоят из подкрановых балок и тормозных конструкций (балок или ферм). Подкрановые балки проектируют сплошными двутаврового сечения при пролётах до 12м. Тормозная балка состоит из швеллера и листа, усиленного ребрами жёсткости и приваренного к верхнему поясу подкрановой балки.

Расчётные нагрузки на подкрановые конструкции определяются от двух сближенных кранов наибольшей грузоподъемности, за исключением тех случаев, когда заданием на проектирование предусмотрен один кран.

Расчётное вертикальное давление колеса крана:

 ,                   (2.1)

где Fⁿ _max — максимальное нормативное давление катка крана, принимаемое по [Прил.В,табл.1].

Расчётная горизонтальная нагрузка на одно колесо крана от торможения тележки с грузом /режим работы К-6К/:

,                 (2.2)

где y - коэффициент сочетаний, равный 0,85 при двух кранах с режимом работы 1К-6К; 0,95 — при двух кранах с режимом работы 7К,8К; при учете четырех кранов нагрузки от них необходимо умножать на коэффициент сочетаний y =0,7 – для групп режимов работы кранов 1К-6К и y =0,8 - для групп режимов работы кранов 7К,8К [Прил.Б]; g _fm =1,1- коэффициент надёжности по крановой нагрузке [Прил.Б,табл.2]; k_d - коэффициент динамичности, равный 1,2 при шаге колонн не более 12м, для группы режима работы мостовых кранов 8К; 1,1 - для группы режимов работы мостовых кранов 6К и 7К, а также для всех групп режимов работы подвесных кранов; k_d =1,1 - для горизонтальных нагрузок от мостовых кранов группы режима работы 8К, в остальных случаях k_d =1,0 [4; п.4.9];          

  К - коэффициент, равный 0,05 для кранов с гибким подвесом груза и 0,1 - с жёстким [2;п.4.4];

Q, G _т -соответственно грузоподъёмность крана и вес тележки [Прил.В; табл.2]; 

  n -количество катков на одной стороне крана[Прил.В; табл.2].

Расчётное поперечное горизонтальное давление от катка, вызываемое распорным воздействием крана /только при режиме работы 7К, 8К/:

                        (2.3)

При этом нагрузку по формуле (2.2)не учитывают.

Для определения максимального момента на балке устанавливают такой участок двух кранов, когда на ней оказывается максимальное число колёс, и определяют положение равнодействующей всех грузов, находящихся в данный момент на балке. Расстояние от первого колеса до равнодействующей R

,              (2.4)

где Х₁ - расстояние от первого колеса до второго (рис.2.1б);

 Х₂ - расстояние от первого колеса до третьего;

 Х _n - расстояние от первого колеса до последнего, находящегося в данный момент на балке;

  S F - сумма всех сил, находящихся на балке.

По правилу Винклера: наибольший изгибающий момент М_мах в разрезной балке от системы сил /максимальное количество колёс от двух сближенных кранов/ будет в том случае, если равнодействующая всех сил, находящихся на балке, и ближайшая к ней сила равноудалены от середины балки, при этом М_{ма х} находится под критической силой F_cr, ближайшей к середине балки (рис.2.1б).

Правильность установки колёс крана проверяется по неравенствам:

,                 (2.5)

где R ₁ - равнодействующая грузов, расположенных слева от рассматриваемого сечения на участке a балки пролётом l;

F_cr - величина критического груза;

S F - сумма давлений всех подвижных грузов, расположенных на балке.

Наибольшая поперечная сила Q _мах в разрезной балке будет в том случае, если одна из сил расположена над опорой, а в пролёте расположено наибольшее количество сил как можно ближе к опоре (рис.2.1в). Расчётный изгибающий момент и поперечная сила с учётом веса подкрановой балки и тормозной конструкции:

                  (2.6)

,                  (2.7)

где b _м и b _Q -коэффициенты, учитывающие собственный вес конструкции [Прил.Е, табл.1].

 Максимальный изгибающий момент и соответствующая поперечная сила по линиям влияния (рис.2.1б):

                     (2.8)

,                   (2.9)

где y_i – по рис.2.1б.

Максимальная поперечная сила на опоре (рис.2.1в):

,                  (2.10)

где y_i – по рис.2.1в.

Расчётный изгибающий момент и перерезывающая сила от торможения:

                  (2.11)

                   (2.12)

Рис.2.1. Схема установки кранового поезда для определения усилий в балке:

а — схема кранового поезда;

б — установка крана для определения М_мах и Q_c;

в — установка крана для определения Q_max.  

 

2.2.ПОДБОР СЕЧЕНИЯ БАЛКИ.

Требуемый момент сопротивления:

,                   (2.13)

где g _c =1- коэффициент условий работы [Прил.Д,табл.1];

R_y - расчётное сопротивление стали по пределу текучести [Прил.Ж,табл.1,2 ].

Оптимальная высота балки:

                  (2.14)

где a =1,1…1,15 - конструктивный коэффициент сечения

Толщина стенки предварительная, мм:

,                    (2.15)

где h - высота балки, принимаемая равной 1/8 … 1/12 пролета балки, м.

Минимальная высота, обеспечивающая необходимую жёсткость:

,             (2.16)

где l - пролет балки;

Е =2,06*10⁵Мпа- модуль упругости стали;

[ f / l ] —относительный прогиб балки [Прил.Г табл.1].

Высота балки назначается близкой к h_опт, но не менее h_min, принимается по сортаменту минус 10мм на острожку кромок.

Принятая толщина стенки проверяется на срез:

,                (2.17)

где h_w - высота стенки балки,

R_s =0,58 R_y - расчётное сопротивление материала стенки срезу.

Требуемая площадь пояса:

,             (2.18)

где h = h_w +2 t_f -предварительная высота балки.

Сечение поясов назначается с учетом требований общей и местной устойчивости. Ширина листа принимается b_f / h =1/3…1/5, но не менее 180мм, а соотношения между шириной и толщиной пояса не должно превышать:

               (2.19)

 

 

Рис.2.2.Поперечное сечение подкрановой балки

 

Момент инерции сечения балки:

                              (2.20)

Момент инерции сечения, ослабленного двумя отверстиями диаметром d для крепления рельса:

  (2.21)

Момент сопротивления для поясов:

                     (2.22)

Напряжения в поясах от вертикальных нагрузок:

                 (2.23)

 

Проверяем прочность стенки балки от местного давления колеса крана:

,            (2.24)

где g _{f 1} =1,3- коэффициент надежности по предельному расчетному значению крановой нагрузки [Прил.Б,п.3]; F ₁ = F_n — расчётная сосредоточенная нагрузка без коэффициентов сочетаний y и динамичности k_d; 

  — условная длина распределения местного давления,

где С =3,25- для прокатных и сварных балок:

,

где I_p — момент инерции рельса [Прил. 6].

Наибольшие касательные напряжения на нейтральной оси стенки у опоры:

,                (2.25)

где:

      (2.26)

Проверяем жёсткость балки:

,                (2.27)

где  — нормативный изгибающий момент;

[ f / l ] - допустимый относительный прогиб (Прил.Г,табл.1).

Для восприятия усилий от поперечного торможения устраиваются тормозные балки (рис.2.3).Тормозная балка компонуется из листа толщиной t_f ^л =8…12мм, шириной b_f ^л швеллера N18…22. К листу тормозной балки привариваем снизу ребра с шагом 800…1200 мм.

 

Геометрические характеристики сечения тормозной балки с учётом её работы совместно с верхним поясом.

 

Положение центра тяжести /относительно грани швеллера/:

       (2.28)

Момент инерции относительно оси 1-1:

(2.29)

Момент инерции с учетом ослабления отверстиями /диаметром d/

         (2.30)

Рис. 2.3. Сечение тормозной балки.

 

Момент сопротивления крайних волокон сечения тормозной балки:

                        (2.31)

                       (2.32)

Нормальные напряжения в верхнем поясе от совместного действия наибольшего изгибающего вертикального и горизонтального моментов:

              (2.33)

Проверяем прочность стенки в сжатой зоне при расчётной нагрузке от двух сближенных кранов:

  (2.34)

                   (2.35)

                   (2.36)

              (2.37)

где:

                (2.38)

Местный крутящий момент:

,               (2.39)

где е =15мм— условный эксцентриситет;

Q_t - поперечная расчетная горизонтальная сила;

h _р -высота кранового рельса;

b -коэффициент равный 1,15 для расчёта разрезных балок.

Общую устойчивость подкрановой балки не проверяют, так как её верхний пояс закреплён тормозной балкой по всей длине.

 

2.3. ПРOВЕРКА МЕСТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ.

Местная устойчивость сжатого верхнего пояса обеспечена, если выполняется условие по (2.21)

Местную устойчивость стенки необходимо проверять, если не выполняется условие [Прил.З]:

,              (2.40)

где h_ef = h_w.

Поперечные рёбра жёсткости устанавливаются в соответствии с [Прил.З,п.2]:

Ширина выступающей части ребра b_h для парных симметричных рёбер должна быть не менее мм, толщина ребра  

Рёбра к верхнему поясу не привариваются.

Расчёт на устойчивость стенки балки симметричного сечения выполняют в соответствии с (Прил.З,п.6) по формуле:

,      (2.41)

где  ;

s _loc -(см./2.25/);

 ;

s _loc, s _cr, t _cr —[Прил.З;п.5,6,7];

 — среднее значение соответственно момента и поперечных сил в проверяемом отсеке.

 

Изгибающие моменты и поперечные силы в сечениях 1 и 2 при установке кранов (рис.2.4)

        (2.42)

 

Рис.2.4. Установка крана при проверке местной

 устойчивости стенки во II отсеке.

 

 

2.4 РАСЧЕТ ПОЯСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

Поясные швы при подвижной нагрузке следует рассчитывать согласно [Прил.И;табл.1].

;               (2.43)

,                (2.44)

где  - сдвигающее пояс усилие на единицу длины,

где - статический момент брутто пояса относительно нейтральной оси;

 - давление от сосредоточенного груза F;

b _f, b _z -коэффициент, определяемый по [Прил.И; табл.2.1],

R_wf - расчетное сопротивление сварного соединения по металлу шва [Прил.И; табл.3.1];

R_wz =0,45 Run -расчётное сопротивление сварного соединения по металлу границы сплавления / R _un приведено в (Прил.И, таб.4.1)/. Катет шва принимается не менее k_{f . min}, определённого [Прил.И;табл.5.1];

g _{wf ,} g _wz - коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах  и  для которых = 0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением = 410 МПа (4200 кгс/кв.см) и = 0,85 - для всех сталей.

  

2.5.РАСЧЕТ ОПОРНОГО УЗЛА.

Опорный участок подкрановых балок укрепляют рёбрами. Площадь опорного ребра:

,                      (2.45)

где   - расчётное сопротивление смятию торцевой поверхности при наличии пригонки;

g _m —в(Прил.И,табл.6.1);

R_{u n} —в(Прил.И, табл.7.1).

При компоновке сечения ребра b_p ³180мм, , b_p = b_f.

Окончательные размеры опорного ребра определяют с учётом требований местной устойчивости:

 

Условную опорную стойку, состоящую из ребра с частью стенки (рис.2.7) ,проверяют на устойчивость:

,                   (2.46)

где                              (2.47)

Коэффициент продольного изгиба зависит от гибкости:

        (2.48)

 

 

Рис.2.5. Узел опирания подкрановых балок.

 

Далее определяем j по [Прил.Ж; табл.2].

Катет шва, определяющий опорное ребро к стенке балки:

 

,      (2.49)

где n _w — количество швов, прикрепляющих ребро к стенке, l_w = h_w -1.

Полученное значение k_f корректируется с учетом [Прил.Ж, табл.4].

Горизонтальные швы, прикрепляющие ребро к полкам балки при строганных торцах рёбер назначаются минимального катета.

 

3.РАСЧЕТ ФЕРМЫ.

3.1.СБОР НАГРУЗОК НА ФЕРМУ.

Для определения постоянной нагрузки на ферму предварительно вычерчивают конструктивное решение кровли, которое принимается в соответствии с заданием. На рисунке 3.1 показаны варианты кровли для беспрогонного покрытия и покрытия с прогонами.

 

Рис.3.1. Конструкции кровель.

 

 

Расчетное значение временной нагрузки от снега на 1м²:

,                 (3.1)

где S ₀ –характеристическое значение снеговой загрузки приравненное весу снегового покрова на 1м² грунта, принимается [Прил.К, табл.1];

С -коэффициент рассчитываемый по формуле:

С=mС_еС_alt,

где:

m - коэффициент перехода от веса снегового покрова на поверхности земли к снеговой нагрузке на покрытие [Прил.К, п.2],

С_е – коэффициент, учитывающий режим эксплуатации кровли [Прил.К, п.3],

С_alt – коэффициент географической высоты, определяемый по формуле:

 

С_alt=1,4Н+0,3(при Н≥0,5км),

 

С_alt=1(при Н<0,5км)

 

g _fm =1,4 при q _кр ^н / S ₀ ³0,8; g _fm =1,6 при q _кр ^н / S ₀ £0,8

 

 

Узловая нагрузка на ферму:

 

,              (3.2)

где a -размер верхней панели фермы, a =3м;

В - шаг фермы.

 

Предельное расчетное значение нагрузки на 1м² кровли

Таблица 3.1

№	Составляющие нагрузки	Эксплуатационное значение нагрузки, кН/м2	Коэффициент надежности по предельной нагрузке gfm	Предельное расчетное значениенагрузки, кН/м2
1.	Защитный слой /битумная мастика с втопленным гравием/	0,21	1,2	0,252
2.	Гидроизоляция /5 слоев на мастике/	0,2	1,1	0,22
3.	Стяжка t=20мм g=18 кН/м3	0,36	1,2	0,432
4.	Утеплитель толщиной t, объемный вес g	t·g	1,3	1,3·t·g
5.	Пароизоляция	0,04	1,1	0,044
6.	Железобетонная плита	1,5 – 1,8	1,1
7.	Ферма со связями	0,3 – 0,35	1,05
	Итого:	qкрн		qкр

Требуемая толщина утеплителя определяется теплотехническим расчетом.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ПРИРОДООХРАННОГО

И КУРОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

 

 

КАФЕДРА: МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

 

 

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ