Каркас одноэтажного промышленного здания

 

Введение.

 

Выполнение курсового проекта «Каркас одноэтажного промышленного здания» по дисциплине «Металлические конструкции» направлено на усвоение знаний, полученных при изучении теоретической части этой дисциплины и на выработку практических навыков расчета и проектирования металлических конструкций.

В курсовом проекте рассматриваются  особенности размещения конструктивных элементов каркаса в плане  и по высоте, схемы связей между  колоннами, горизонтальных и вертикальных связей по покрытию, компоновка поперечной рамы, правила определения величин и характера действующих на каркас различных нагрузок – постоянной, временных.

Расчет стальных конструкций производится по методу предельных состояний в  соответствии с положениями СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» и согласно СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия».

 

 

 

I. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАРКАСА.

1.1Исходные данные (вариант №20)

 

1. пролет здания L 3630 м;
2. шаг колонн B 126 м;
3. длина здания 126 м;
4. отметка верха колонны 15,6 м;
5. грузоподъемность крана, Q 160/32;
6. режим работы мостовых кранов 3К;
7. район строительства – Воркута;
8. температурно-влажностный режим – отапливаемое здание;
9. подкровельные несущие конструкции – прогоны и профнастил;
10. несущие конструкции покрытия – фермы из широкополочных двутавров в поясах.

Характеристики  крана 160/32, 3К

 

• пролет моста крана L_кр=27,5 м;
• тип  кранового  рельса – КР120;
• нагрузка на крюк крана Q=1570 кН
• нагрузка на  колесо крана: P*=311 кН,

P₁*=321 кН;

• масса, т: тележки – 46,

крана – 162;

• размеры, мм: А₂=1600,

А₃=900,

А₄=1900,

В=10500,

В₂=500,

Н=4500.

Расчетная  снеговая нагрузка S_q=2,4 кН (IV район);

Нормативная ветровая нагрузка W₀=0,48 кН (IV район).

 

1. Компоновка поперечной рамы.

Высота цеха определяется расстоянием от уровня пола до головки кранового рельса и расстоянием от головки кранового рельса до низа стропильных конструкций , т.е. = +

Расстояние  =15,6м. приводится в задании на проектирование промышленного здания, а расстояние Н₂ вычисляется по формуле

где –высота мостового крана, которая принимается по стандарту на мостовые краны =4500мм;

 – размер, учитывающий прогиб ферм ( =200..400мм), =400мм;

100 – зазор (в мм.) между верхом тележки крана и фермой.

= - =15,6-5=10,6м

Высота верхней части колонны (от ступени до низа фермы)

где – высота подкрановой балки, которая принимается равной 1/8 пролета балки (шага колонн), = 6/8=0.75м;

 – высота кранового рельса  по стандарту на мостовые краны  =170мм.

Высота нижней части колонны (от фундамента до ступени):

где 1000 – заглубление (в мм) опорной плиты базы колонны.

Общая высота колонны:

Н=

=5920+10680=16600 мм.

Высота сечения верхний части колонны:

Высота сечения нижней части  колонны:

,

где – расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны. Принимаем l₁=1250 мм

Привязка колонны к осям а=250 мм.

.

Рис. 1 Схема поперечной рамы.

 

1.2 Постоянная нагрузка.

 

Постоянная распределенная нагрузка на покрытие приведена в табличной форме:

 

Расчетная равномерно распределенная линейная нагрузка на ригель рамы:

1,42*6/1=8,52 кН/м

Опорная реакция ригеля рамы: 8,52*30/2=127,8кН

где l – пролет поперечной рамы (м), l=30м;

Расчетный вес колонны. Верхняя  часть (20% веса)

Gв=0,35*1,05*0,2*6*30/2=6,62 (кН);

Нижняя часть (80% веса): Gн=0,35*1,05*0,8*6*30/2=26,46 (кН).

Поверхностная масса стен 2 кН/м² , переплётов с остеклением 0,35 кН/м². В верхней части колонны (включая вес этой части колонны):

=1,2*2*(5,92-1,8)*6+1,1*0,35*1,8*6+6,62=70,10(кН);

В нижней части колонны:

=1,2*2*(10,68-2*1,8)*6+1,1*0,35*2*1,8*6+26,46=136,73 (кН).

Из–за уступа в стойках рамы в  месте сопряжения верхней и нижней частей колонн от постоянной нагрузки появятся сосредоточенные моменты величиной

(127,8+136,73)*0,4=105,81 кН/м

e₀=(h_н-h_в)/2=(1500-700)/2=400 мм

 

1.3 Снеговая нагрузка.

 Снеговую нагрузку на ригель поперечной рамы одноэтажного промышленного здания принимают равномерно распределенной, равной распределению веса снегового покрова на 1 м² покрытия на ширину расчетного блока В.

Расчетная равномерно распределенная снеговая нагрузка на ригель рамы определяется по формуле:

2,4*1*1*6=14,4 кН/м

где c=1 – коэффициент перехода от нагрузки на земле к нагрузке на 1м² проекции кровли;

=2,4 кН/м² – расчетная снеговая нагрузка по СНиП.

Опорная реакция ригеля: 216 кН.

Из–за уступа в стойках рамы в  месте сопряжения верхней и нижней частей колонн от снеговой нагрузки появятся сосредоточенные моменты величиной 

-216*0,4 = -86,4 кНм

1.4 Крановая нагрузка.

При движении мостовых кранов на верхний пояс подкрановой балки через каждое колесо передается вертикальная и горизонтальная Т_к сосредоточенные силы.

Величина силы переменна и зависит от положения тележки крана с грузом. Максимальное значение =(305+315)/2=310 кН определяется по стандартам на краны, а наименьшее нормативное значение вертикальной силы (тележка с грузом удалена от колонны) определяется по формуле:

(1570+1676)/8-310=95,75 кН

Нагрузка от кранов передается на поперечную раму в виде вертикальных сил Dmax и Dmin, приложенных к стойкам в уровне ступеней. Расчетные величины этих сил определяются при невыгодном расположении двух сближенных кранов по линиям влияния опорных реакций подкрановых балок из выражений

1,1*0,85*4,64*310+1,05*108+1,3*1,5*1,5*6=1476 кНм

1,1*0,85*4,64*95,75+1,05*108+1,3*1,5*1,5*6=546 кНм

Силы Dmax и Dmin приложены по оси подкрановой ветви и с эксцентриситетом

по отношению к оси нижней части колонны, величину которого предварительно принимают равной 750. Поэтому в местах приложения сил D_max и D_min на стойках поперечной рамы возникают изгибающие моменты:

 ^{0,75 * 1476 = 1106,89 кНм}

 0,75 * 546 = 409,76 кНм

Горизонтальная сила от мостовых кранов, передаваемая одним колесом:

T_kⁿ = 0,05*(1570+461)/8 = 12,7 кН

где – вес тележки;

0,05 – коэффициент для кранов с гибким подвесом груза;

 - количество колес крана.

Расчетная горизонтальная сила Т, передаваемая подкрановыми балками на колонну  от сил  , определяется при том же положении мостовых кранов, т. е.

T = 1,1*0,85*12,7*4,64 = 55,1 кН

 

Рис. 3 К определению нагрузки от мостовых кранов.

 

1.5 Ветровая нагрузка.

 

Нормативная ветровая нагрузка для  II района 0,48 кН/м²

Расчетная линейная ветровая нагрузка с наветренной стороны:

= 1,4*0,5*0,8*6*0,48 = 1,61k

где с=0,8 и с’=0,6– аэродинамические коэффициенты;

k- коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

=1,4– коэффициент надежности по нагрузке.

Для h≤5 м. - k=0,5; для 5<h≤10 м. - k=0,65; для 10<h≤20 м. - k=0,8;

Расчетное значение ветровой нагрузки:

=0,5*1,61=0,81 кН/м;

=0,65*1,61=1,05 кН/м;

=0,8*1,61=1,29 кН/м;

19,75 м — 1,28 кН/м;

16,6 м — 1,21 кН/м;

Сосредоточенные силы от ветровой нагрузки:

(1,28+1,21)*3,15/2=3,93 кН

3,93*0,6/0,8=2,94 кН

Эквивалентная равномерно распределенная по высоте нагрузка

k_э=0,5+(0,8-0,5)*(16,6-5)*(5+2*(16,6-5)/3)/16,6²=0,66

q_w0=1,4*0,5*0,8*6=3,36 кН/м;

q_экв=0,66*3,36=2,22 кН/м;

q’_экв=2,22*0,6/0,8=1,67 кН/м;

Рис. 4

к расчету рамы на ветровую нагрузку.

 

1.6 УЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ КАРКАСА.

Примем соотношение моментов инерции: 10, 5 если =1, то =10, =50.

Коэффициент пространственной работы при жесткой кровле:

β=(6/16,6)³*0,35*0,78=0,13

μ=6

a=5,42/16,6=0,327

c=0,79

a=2,96

b=1,64

k=9,353-8,07=1,285

d=0,78

a_пр=1-0,77+0,2*(8/4,64-1)=0,33+0,145=0,475

где β, μ, a, c, b, k, d, a_пр - коэффициенты;

n- число колес крана на одной нитке подкрановых балок (n=8);

Σу- сумма ординат линии влияния  реакции рассматриваемой рамы.

1.7 РАСЧЕТ УСИЛИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ РАМ.

Статический расчет рамы выполнен с  помощью программы FRAME, основой алгоритма которой служит метод конечных элементов (табл. 2).

Расчёт рамы со ступенчатыми стойками и с жестким сопряжением ригеля со стойками. По изгибающим моментам и нормальным силам от каждого вида загружения составляем наиболее невыгодные сочетания. При составлении сочетаний рассматриваются два основных сочетания нагрузок:

постоянная нагрузка плюс одна временная  с коэффициентом сочетания =1;

постоянная нагрузка плюс не менее  двух временных с коэффициентом  сочетания =0,9

 

2. Проектирование  ступенчатой колонны.

 

 Колонны промышленных зданий  работают на внецентренное сжатие. Величины расчетных усилий M, N и Q в плоскости поперечной рамы определяют по результатам статического расчета рамы на основе анализа сочетания различных нагрузок. При расчете колонны проверяют ее прочность, общую устойчивость и устойчивость элементов.

Сечения ступенчатой колонны подбирают раздельно для верхней (надкрановой) и нижней (подкрановой) частей. Расчетные длины верхней и нижней частей колонны в плоскости и из плоскости поперечной рамы определяют в зависимости от конструктивной схемы каркаса.

2.1 Определение расчетных длин колонны.

Расчетные усилия:

верх колонны: = 377,50 кНм =322,20 кН;

низ колонны: =752,86 кНм., =-1857,33 кН.,

= 761,90 кНм., =-1721,10 кН.

В плоскости поперечной рамы для  ступенчатой колонны расчетные  длины нижней и верхней частей определяются отдельно по формулам:

для низа: 2*1068=2136 см

для верха: 3*592=1776 см

где и - коэффициенты расчетной длины, соответственно, нижней и верхней частей колонны;

I_в/I_н=1/10=0,10;

N_н/N_в=1857,33/322,20=6,32>3 по табл. №14.1 =2, =3;

 и  - геометрические длины, соответственно, нижней и верхней частей колонны.

Расчетные длины колонны из плоскости  рамы:

для низа: 1068см;

для верха: 592-170=422 см;

 

2.2. ПОДБОР СЕЧЕНИЯ  ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ КОЛОННЫ.

 

Сечение верхней части колонны  принимаем в виде сварного двутавра высотой  =700 мм.

По формуле  определим требуемую площадь сечения.

Для симметричного двутавра

 ≈ 0,42*h = 0,42*70= 29,4 см; ≈ 0,35*h = 0,35*70≈ 24,5 см;

= 1776/29,4√(24/20600)=2,06    (R=24 кН/см²)

=37750,35/(322,20*24,5)=4,78

Значение коэффициента η для двутавра колеблется в пределах 1,2÷1,7. Принимаем в первом приближении η=1,4

m_ef = η * m_x=1,4*4,78=6,70

тогда j_e=0,176

 

КОМПОНОВКА СЕЧЕНИЯ:

Высота стенки 70-2*1=68,0 см (предварительно принимаем толщину пололок = 1 см).

h₁= 0,4*0,7*1,92*√ (20600/24) = 15,76 см

λ_uw=1,2+0,35*2,06=1,92

t_{w тр}=68,0*√(24/20600)/1,92=1,21 см

Принимаем экономически-эффективную  толщину стенки t_{w эк}=0,7 см

^{=68,0/0,7 =97,1 что удовлетворяет пределу отношения (80…120)}