Проектирование стального каркаса одноэтажного промышленного здания

Проектирование стального каркаса одноэтажного промышленного здания

Проектирование стального каркаса одноэтажного промышленного здания

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания

каркас здание ферма металлический

Исходные данные:

) Цех среднего режима работы мостовых кранов;

) Мостовые краны Q=200/20 (кН/т);

) Пролёт здания L=24 м;

) Длина здания l=108 м;

) Отметка головки кранового рельса - H₁=11 м;

) Тип стропильной фермы - ферма с параллельными поясами;

) Материал конструкций:

Ферм - сталь С245;

Колонн - сталь С245;

) Место строительства - г. Москва

Характеристики крана Q=200/20 (кН/ т) (см. приложение Б):

H_к=2400 мм;

K=4400 мм;

B=6300 мм;

B₁=260 мм;

F_{к max}=220 кН (22т).

Масса тележки - О_т=8,5т;

Масса крана с тележкой О_к=36т;

Тип рельса КР - 70.

Рисунок 1. Характеристики мостового крана

1.1 Разбивка сетки колонн

Пролёт L=24 м. При грузоподъёмности крана Q=20т принимаем шаг колонн модульной сетки B=6 м, число шагов n=18. Т. к. длина здания l=108 м ≤ 120 м, то модульная сетка находится в пределах одного температурного отсека.

Рисунок 2. Модульная сетка колонн

1.2 Выбор системы покрытия

Согласно заданию - ферма с параллельными поясами, L=18 м

Рисунок 3. Ферма с параллельными поясами.

H_оп=3150 мм.

Так как здание однопролётное, то принимаем жёсткое сопряжение ригеля с колонной.

.3 Компоновка поперечной рамы

) Определение вертикальных размеров поперечника:

H₂= (H_к+100) + f - расстояние от головки кранового рельса до низа несущей конструкции покрытия,

где: H_к=2400 мм - габаритный размер крана (по ГОСТ);

f=300 мм - коэффициент запаса

H₂= (H_к+100) + f=2400+100+300=2800 (мм),

Принимаем H₂=2800 мм (кратно М=200 мм);

H₀= H₁+ H₂=11000+2800=13800 (мм) - внутренняя полезная высота;

Для кратности модуля M=1800 мм, H₀ увеличиваем до размера H₀=14400 мм;

ΔH₀=600 мм, изменяем и исходный вертикальный размер

H_в = h_п.б. + h_p+ H₂ - высота верхней части колонны,

где: h_п.б. =- высота подкрановой балки;

h_p=200 мм - высота кранового рельса,

H_в = 600+200+2800=3600 (мм);

H_н = H₀ - H_В+Δ₁ - высота нижней части колонны;

Для легкого и среднего режима работы кранов принимаем Δ₁=600 (мм), отсюда

H_н = 14400 - 3600+600=11400 (мм);

H = H_в + H_н =3600+11400=15000 мм - полная высота колонны.

) Определение горизонтальных размеров поперечника:

Для легкого и среднего режима работы кранов принимаем А=250 (мм) - привязка наружной грани колонны к продольной оси здания, отсюда ширина верхней части колонны h_в=2А=500 мм,

Проверка условий жесткости h_в>, 500 > 300 (мм);

l₁ ≥ B₁+(h_B-a)+(60…75) = 260+(500-250)+75 = 585 - расстояние от оси подкрановой балки до продольной оси колонны;

Согласно модулю l₁ (М=250 мм) принимаем l₁=750 (мм),

h_н= l₁+a=750+250=1000 (мм) - ширина нижней части колонны

Из условия обеспечения жесткости для зданий с кранами легкого и среднего режимов работы проверяем:

h_н>, 1000 > 750 (мм)

Условие обеспечивается, принимаем тип сечения колонны - сплошное.

Используя данные пункта 1, построим поперечный разрез по ограждающим конструкциям проектируемого здания.

Рисунок 4. Поперечный разрез по ограждающим конструкциям проектируемого здания

1.4 Установка связей промышленного здания

Вертикальные связи

Связи промышленного здания обеспечивают геометрическую неизменяемость пространственной системы каркаса, уменьшают расчетные данные элементов конструкции, воспринимают ветровые нагрузки, обеспечивают необходимые условия для монтажа элементов сооружения. Вертикальные связи между колоннами располагают в средней части блока.

Рисунок 5. Вертикальные связи

Связи по покрытию

Система связей по покрытию состоит из связей по верхним и нижним поясам ферм, вертикальных связей между стропильными фермами.

Связи по верхним поясам ферм включают в себя поперечные связевые фермы и распорки. Поперечные связевые фермы располагают в торцах здания, у температурных швов и по длине здания в местах расположения связей между колоннами.

Рисунок 6. Горизонтальные связи по верхним поясам

Связи по нижним поясам ферм состоят из продольных и поперечных горизонтальных связевых ферм и распорок. Поперечные связи крепятся к нижним поясам двух соседних ферм в торцах здания у температурных швов и по длине здания в местах расположения вертикальных связей между колоннами. Продольные связи являются основными элементами, обеспечивающими пространственную работу каркаса. Совместно с поперечными связями они образуют жесткий диск в уровне нижних поясов ферм.

Рисунок 7. Горизонтальные связи по нижним поясам

2. Расчет рамы промышленного здания с использованием расчетного комплекса «STARK ES 3.0»

.1 Исходные данные

1. Цех механический - здание среднего режима работы.

2. Мостовые краны Q = 200 кН (20 т.).

3. Пролет здания - L = 24 м.

4. Длина здания - l = 108 м.

5. Отметка головки рельса - Н₁ = 11,6 м.

6. Место строительства - г. Москва.

7. Шаг рам принимаем В = 6 м.

Данные по кранам

H_k = 2400 мм; В₁ = 260 мм; К = 4400 мм; В = 6300 мм; F_k.max = 220 кН (22т); Масса тележки - G_т = 8,5. Масса крана с тележкой G_к = 36 т. Тип рельса - Кр - 70.

Основные размеры конструктивной схемы рамы (данные из этапа компоновки поперечной рамы):_в =3600 мм; H_H =11400 мм; Н =15000 мм; h_B = 500 мм; h_н = 1000 мм.

е = h_н / 2 - h_B / 2 = 1000 / 2 - 500 / 2 = 250 мм = 0,250 м

Соотношения моментов инерции элементов рамы:

J_н / J_в = 8,5;         J_р / J_в = 30;          J_н / J_г.ф. = 1/3.

Рисунок 8. Расчетная схема рамы

2.2 Сбор нагрузок

Постоянная нагрузка

Постоянную нагрузку представим в табличном виде.

Таблица 1. Нагрузки от массы ограждающих и несущих конструкций

Расчетную линейную или погонную нагрузку на ригель определяют с учетом грузовой площади, равной шагу колонн В. При наличии угла ската кровли - α

g^р_пог=∑ g^р_i×В/cosα,

g^р_пог3,16×6/1=18,96 кН/м²,

Опорная реакция ригеля рамы

Fg= g^р_пог×L/2,

Fg= 18,96×24/2=227,52 кН/м²,

где L - пролет здания, (м).

По опыту проектирования производственных зданий расстояние между центрами тяжести сечений верхнего и нижнего участков колонны принимают

е=0,5×(h_н - h_в)

е=0,5×(1000 - 500)=250 мм=0,250 м

Расчетный сосредоточенный момент в месте уступа от смещения верхней и нижней частей колонны

Мg= Fg×е,

Мg= 227,52 ×0,25=56,88 кНм,

где е - эксцентриситет;

Постоянные нагрузки от веса ограждения (наружные стеновые панели), остекления и веса колонны собирают в виде сосредоточенных сил, условно приложенных к низу подкрановой и надкрановой части колонны.

Рисунок 9. Расчетная схема рамы при расчете на постоянные нагрузки

Снеговая нагрузка

При расчете рамы нагрузка от снега принимается равномерно распределенной по длине ригеля. Необходимые справочные данные о снеговой и ветровой нагрузках представлены а таблице 2.2. Методические указания «Стальной каркас одноэтажного производственного здания».

Нормативная снеговая нагрузка в кН/м² горизонтальной проекции покрытия

S^Н=S₀×C,

S^Н=1×1=1

Таблица 2. Справочные данные о весе снегового покрова и скоростном напоре ветра

Примечания:

S₀ - вес снегового покрытия для конкретного района строительства (смотри таблицу 2.2. Методические указания «Стальной каркас одноэтажного производственного здания»).

C - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузки на покрытии, при уклоне покрытия α≤25⁰ (принимают C=1).

Расчетная погонная снеговая нагрузка на ригель рамы

S_пог^р=S^Н× γ_F×В= S₀×C× γ_F×В,

S_пог^р=1×1,4×6= 8,4 кН/м

где γ_F - коэффициент надежности для снеговой нагрузки, принимается по таблице 2.3 Методические указания «Стальной каркас одноэтажного производственного здания» γ_F =1,4

Опорная реакция ригеля рамы

F_S= S_пог^р×L/2,

F_S= 8,4×24/2=100,8 Кн

Расчетный сосредоточенный момент в месте уступа

М_S= F_S× e,

М_S= 100,8× 0,25=25,2 кН*м

где e - эксцентриситет;

Расчетная схема рамы от снеговой нагрузки аналогична постоянной нагрузке.

Рисунок 10. Расчетная схема рамы при расчете на снеговую нагрузку

Ветровая нагрузка

Действие ветровой нагрузки на поперечник промышленного здания характерно с двух сторон - с наветренной (активное давление) и с заветренной стороны (отсос). При этом направлении действия активного давления и отсоса совпадает с направлением ветра.

Рисунок 11. Схема ветровой нагрузки на раму

На стойки рамы давление ветра передается панелями стенового ограждения и ригелями в виде равномерно распределенной и сосредоточенной нагрузок. Нормативное значение ветровой нагрузки  на 1 м² стенового ограждения определяют по формуле

где γ_F=1,2 - коэффициент надежности по нагрузке;

 - нормативный скоростной напор для конкретного района строительства (смотри таблицу 2.2. Методические указания «Стальной каркас одноэтажного производственного здания»);

к - коэффициент изменения скоростного напора ветра, зависящий от высоты здания над поверхностью земли и типа местности (таблица 2.4. Методические указания «Стальной каркас одноэтажного производственного здания»);

с - аэродинамический коэффициент, зависящий от расположения и конфигурации поверхности. Для вертикальных стен с активной стороны с=0,8, для отсоса с=0,6.

Расчетная погонная ветровая нагрузка составит

,

;

,

,

Фактические эпюры ветрового давления до высоты 10 м не меняются и имеют распределенный характер. Выше 10 м ветровое давление увеличивается, что учитывается коэффициентом К.

Для удобства расчета фактическую эпюру ветрового давления от отметки низа колонны и до отметки низа стропильной фермы приводят к эквивалентной  и , распределенной по всей высоте.

Данную эквивалентную нагрузку определяют по формулам

,

,

При Н=15 м,

=1,33*1,04=1,38 (кН/м)

=1*1,04=1,04 (кН/м)

=(w1+w2)*H^’/2

F_W=(w1^’+w2^’)*H^’/2

=3150 мм=3,15 м

;

;

;

;

=(w1+w2)*H/2=(1,5+1,6)*3,15/2=4,9кН/м

=(w1+w2)*H/2=(1,125+1,204)*3,15/2=3,7кН/м

Крановые нагрузки

Вертикальное давление от двух сближенных кранов

Рассмотрим схему расположения вертикальных крановых сил при невыгодном расположении кранов.

Рисунок 12. Невыгодное положение кранов (а), расположение вертикальных крановых сил (б) и схема расположения кранов на подкрановых балках (в)

Согласно рисунку 12 в) определим сумму ординат линии влияния давления на колонну

Вертикальная максимальная крановая сила -  равна:

,

где  - коэффициент надежности по нагрузке;

 коэффициент сочетаний для среднего режима работы крана;

 - максимальное давление одного колеса крана;

 - вес подкрановых конструкций на 1 м.п.;

В=6 м.

Вертикальная минимальная крановая сила  равна:

,

где ;

;

₀ - число колес на одной стороне крана;

,

.

Эксцентриситет крановой силы

,

Отсюда крановые моменты у места уступа

На рис. 13 представленные вертикальные крановые силы, действующие на раму:

Рисунок 13. Расчетная схема рамы от действия вертикальных крановых сил

Горизонтальное давление кранов на колонну

Нормативная поперечная горизонтальная сила от торможения тележки крана:

,

Нормативная горизонтальная сила на колесо крана:

,

где n - число колес на одной стороне крана;

Расчетное горизонтальное давление на колонну рамы:

,

Рисунок 14. Конструктивная (а) и расчетная (б) схемы рамы с горизонтальной крановой силой

2.3 Исходные данные статического расчета рамы

Составим таблицу исходных данных для статического расчета рамы

Таблица 3. Исходные данные статического расчета рамы

Таблица 4.1. Усилия в стержнях (статический расчет плоской рамы)

Таблица 4.2. Усилия в стержнях (статический расчет пространственного блока)

Таблица 5. Таблица расчетных усилий в сечениях колонны рамы

3. Расчет и конструирование стропильной фермы

3.1 Сбор нагрузок на стропильную ферму

Для фермы пролетом 24 м и шагом 6 м определить усилия при следующих данных:

кровля теплая;

снеговой район строительства III.

Расчет начинаем с определения нагрузок, действующих на ферму. Постоянную нагрузку удобно подсчитывать в табличной форме:

Таблица 6. Сбор постоянной нагрузки на конструкцию фермы

3.2 Статический расчет фермы

Постоянная нагрузка на ферму: q_n=2442×6=14652 Н/м=14,652 кН/м;

Снеговая нагрузка на ферму: q_сн= q_с^н×С ×γ_сн×В=1×1,4×6=8,4 кН/м

3.3 Статический расчет фермы

Строим диаграмму Максвелла - Кремоны от загружения половины фермы единичной нагрузкой:

Рисунок 15. Диаграмма Максвелла - Кремоны от одностороннего загружения фермы единичной нагрузкой

Таблица 7. Расчет усилий в стержнях фермы

3.4 Расчет стержней фермы (растянутых и сжатых элементов)

По заданным усилиям подбираем сечения стержней фермы. Материал сталь С245, расчетное сопротивление R_у=24 кН/см².

Назначаем толщину узловых фасонок. Толщину фасонок принимаем t=10 мм (усилие в опорном раскосе N=-334,3 кН).

) Подбор сечения верхнего пояса

Сечения принимаем в виде равнобоких уголков. Расчетные длины верхнего пояса фермы в плоскости и из плоскости фермы

l_ох= l_оу=μ*l=1*3=3 м.

Рисунок 15.1. Сечениче стержней верхнего пояса фермы

Задаемся гибкостью λ=100 (φ=0,542).

A_n=N / γ_c×R_y×φ=525,6/(24×1×0,542)=40,4 см²

Требуемые радиусы инерции:

i_хmp=300/100=3 см

i_уmp=300/100=3 см

Принимаем по сортаменту 2L 125×9, A=22 см², i_х=3,86 см, i_у=5,48 см

λ _х=300/3,86=77,7

λ _у=300/5,48=54,7.

λ_x< λ_пред (λ_пред=120 для сжатых опорного раскоса и пояса)

Проверяем подобранное сечение

φ_min=0,702 по Т.72 СНиП II 23-81^*

σ=525,6/ (0,702 × 44×1)=17 ≤ 24 кН/см².

) Подбор сечения нижнего пояса

Сечение компонуем из 2-х неравнобоких уголков, поставленных большими полками в разные стороны.

Рисунок 15.2. Сечениче стержней нижнего пояса фермы

Наибольшее усилие в нижнем поясе N=495,6 кН, расчетные длины

l_ох=l_оу= μ*l=6 м.

Требуемая площадь 2-х уголков:

A_n=N/ γ_c×R_y=495,6/1×24=20,65 см²

Из сортамента принимаем 2L 90×56×8

A=11,18 см², i_х=1,56 см, i_у=2,43 см

λ _у=600/1,56=384<400,

λ _у< λ _пред,

Проверяем напряжение:

σ=N / A_ф×γ_c=495,6 / 11,18×2=22,16<24 кН/см².

3) Подбор сечения опорного раскоса

Сжимающее усилие N=-334,3кН.

Принимаем сечение из неравнополочных уголков, поставленных большими полками вместе. Расчетные длины

l_ох=l_оу= μ*l=1*4,35=4,35 м.

Рисунок 15.3. Сечениче стержней опорного раскоса фермы

Задаемся гибкостью λ=90 (φ=0,612).

Требуемая площадь сечения

A_n=N/ φ× γ_c×R_y=334,3/0,612×24=22,8 см²

Требуемые радиусы инерции: i_х=i_y=4,8 см,

Принимаем 2L 110×70×8,

A=13,9 см², i_х=5,41 см, i_у=2,92 см

λ _max= l_у / i_у = 435/2,92=148,9

Так как λ _х>λ _пред, то из сортамента принимаем 2L 140×90×10

A=22,2 см², i_х=5,15 см, i_у=6,77 см

λ _max= l_у / i_у = 435/5,15=84,4

Проверяем устойчивость

σ=N/ φ_min× A_тр ≤ R_y.×γ_c,

=334,3/2×0,658×22,2=17,5<24 кН/см².

) Растянутый раскос 9-10

Рисунок 15.4. Сечениче стержней растянутого раскоса фермы

N=237,4 кН, l_ох=l_оу=4,35 м

A_n=N/ γ_c×R_y=237,4 /24×1=9,9 см²

Принимаем 2L 56×5.

A=5,41см², i_х=1,72 см, i_у=2,72 см.

λ_х=435/1,72=252,9<400.

Проверяем напряжения

σ=N/A_ф×γ_c=237,4/2×5,41=21,9< 24 кН/см².

) Сжатый раскос 11-12

Рисунок 15.5. Сечение стержней сжатого раскоса фермы

N=-142,9 кН, l_оу=l_геом=4,35 м, l_ох=0,8l_геом=3,48 м, γ_c=0,8

Задаемся λ=120, φ=0,419.

A_n=N/ φ×γ_c×R_y=142,9/0,419×24×0,8=17,76 см²

i_хmp=2,9 см,

i_уmp=3,63 см.

Принимаем 2L 80×6

A=9,38 см², i_х=2,47 см, i_у=3,65 см,

λ_х=435/2,47=140,78 ≤ 150,

Проверяем напряжения:

Задаемся, φ=0,312.

σ=N/ φ_min× A_тр × γ_c < R_y,

σ=142,9/ 0,312×2×9,38×0,8=30,3 > 24 кН/см².

Условие не выполняется. Принимаем 2L 90×6

А=10,6 см², i_х=2,78 см, i_у=4,04 см,

λ_х=435/2,78=125,2 ≤ 150,

Задаемся, φ=0,391.

σ=N/ φ_min× A_тр × γ_c < R_y,

σ=142,9/ 0,391×2×10,6×0,8=21,5 > 24 кН/см².

) Растянутый раскос 12-13

Рисунок 15.4. Сечениче стержней растянутого раскоса фермы

N=46,1 кН, l_ох=l_оу=4,35 м

A_n=N/ γ_c×R_y=46,1 /24×1=2,4 см²

Принимаем 2L 50×5.

A=4,8 см², i_х=1,53 см, i_у=2,45 см.

λ_х=435/1,53=227,4<400.

Проверяем напряжения

σ=N/A_ф×γ_c=46,1/2×4,8=6< 24 кН/см².

) Стойка 10-11

Рисунок 15.4. Сечениче стержней растянутого раскоса фермы

N=69,2 кН, l_оу=l_геом=3,15 м, l_ох=0,8l_геом=2,52 м, γ_c=0,8

Задаемся λ=120, φ=0,419.

A_n=N/ φ×γ_c×R_y=69,2/0,419×24×0,8=8,6 см²

Принимаем 2L 50×5

A=4,8 см², i_х=1,53 см, i_у=2,45 см,

λ_х=348/1,53=144,7 ≤ 150,

Проверяем напряжения:

Задаемся, φ=0,318.

σ=N/ φ_min× A_тр × γ_c < R_y,

σ=69,2/ 0,318×2×9,38×0,8=23,7< 24 кН/см².

Сечения элементов фермы

3.5 Расчет и конструирование узлов фермы

Расчетом определяют размеры швов, прикрепляющих стержни фермы к фасонкам или друг к другу.

В некоторых случаях производится проверка прочности фасонок. Для прикрепления стержней фермы к фасонкам рекомендуется применять фланговые швы с выводом их на торец угла на 20 мм или применять контурную сварку.

Обычно толщиной швов К_f задаются зависимости от толщины свариваемых элементов (СНиП II 23-81^*). По перу уголков толщину шва следует принимать на 1-2 мм меньше толщины полки уголка. По обушку толщину швов разрешается принимать не более 1,2 δ, где δ меньшая толщина соединяемых элементов (фасонок или уголка).

Число различных по толщине швов не должно превышать трех - четырех на всю ферму

Расчет сварного шва определяется по формулам

где, =0.7;

-коэффициент условия работы шва равный 1;

- коэффициент условия работы стержней решетки равный 1;

-расчетное сопротивление угловых швов срезу равный 18 кН/см²

1) Раскос ,

Длина швов:

; у обушка

; у пера

2) Раскос ;

Длина швов:

; у обушка

 у пера

3) Раскос 11-12= ;

Длина швов:

; у обушка

, у пера

4) Раскос ;

Длина швов:

; у обушка, принимаем =5 см

 у пера, принимаем =5 см

5) Стойка 10-11 ;

Длина швов:

; у обушка, принимаем =5 см

; у пера, принимаем =5 см.

Рисунок 16. Узел фермы нижнего пояса

Рисунок 17. Узел фермы верхнего пояса

Рисунок 18. Узел фермы верхнего пояса

Рисунок 19. Узел фермы верхнего пояса

Монтажный стык фермы. Нижний пояс.

Рисунок 20. Монтажный стык нижнего пояса фермы

Монтажный стык фермы. Верхний пояс.

Рисунок 21. Монтажный стык верхнего пояса фермы

Конструирование опорного узла фермы

Определяем размеры опорного фланца:

где R_p - расчетное сопротивление смятию, равное 336 МПа, по таблице 52* СНиП.

Q_ф - опорная реакция фермы, 276,7 кН.

 ²

Ширина опорного фланца принимается не менее суммарной ширины горизонтальных полок нижнего пояса + толщина фасонки.

b_ф = 2b+ t =2*8+1=17 см

Тогда толщина фланца равна:

Согласно сортаменту, назначаем толщину фланца 6 мм. Так как толщина фасонки 10 мм, принимаем толщину фланца, равную толщине фасонки.

Рисунок 22. Опорный узел фермы

3.6 Расчет и конструирование соединительных планок стержней фермы

1)      Верхний пояс

L=40*i, i=3,03.

L=122 см, 300/122=2,47=3 планки

)        Нижний пояс

L=80*i, i=1,56.

L= 80*1,56=124, 600/124=4,8= 5 планок

)        Опорный раскос

i=5,15, L= 40*5,15=206

435/206=2,11=3 планки

4)      Растянутый раскос 1, i=1,72= 80*1,72=137,6 435/137,6=2,82= 3 планки

5)      Растянутый раскос 2, i=1,53= 80*1,53=122,4 435/154,4=3,55= 4 планки

6)      Сжатый раскос, i=2,78=40*2,78=111,2 435/111,2=3,91= 4 планки

)        Стойка, i=2,78= 40*2,78=111,2 315/111,2=2,83= 3 планки

Список использованной литературы

1. Реконструкция зданий и сооружений. под ред. проф. А.Л. Шагина Москва «высшая школа» 1991

СНиП II - 23 - 81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции. - М.: Стройиздат, 1990, - 96 с.

Металлические конструкции. Общий курс под общей ред. Е.И. Беленя. - М.: Стройиздат, 1985, 560 с.

Мандриков А.П. Примеры расчета металлических конструкций. Учеб. пособие для техникумов, - М

Летягин А.В., Дерябин А.В., Кулакова Е.Н. Расчет рамы с помощью программы STARK. Методическое пособие. Кубанский Государственный Аграрный Университет, кафедра сопротивления материалов и строительной механики. г. Краснодар:, 2001 - 19с: Стройиздат, 1991, 431 с.