Расчет стального каркаса одноэтажного производственного здания

Расчет стального каркаса одноэтажного производственного здания

Пояснительная записка

к курсовому проекту

Расчет стального каркаса одноэтажного производственного здания

Задание и исходные данные для проектирования

Запроектировать несущие конструкции стального каркаса одноэтажного промышленного здания при следующих исходных данных:

1. Компоновка стального каркаса

Вертикальные размеры:

Расстояние от головки подкранового рельса до низа несущих конструкций покрытия определяется следующим образом:

настил каркас рама статический

, мм (1.1)

где Н_кр = 2750 мм - габаритная высота крана по ГОСТ на кран по таблице [2];

100 мм - конструктивный зазор в мм по ГОСТ;

f = 200 мм-зазор, учитывающий прогибы конструкций покрытия пролетом 24 м;

.

Отметка головки подкранового рельса определяется по формуле:

, мм (1.2)

где Н₀ = 18000 мм - полезная высота цеха;

.

Определяем длину верхней части колонны до низа ригеля по формуле:

мм, (1.3)

где Н_ПБ = 1000 мм - высота типовой подкрановой балки пролётом 12 м для крана грузоподъёмностью 30 т [2];

h_р= 120 мм - высота подкранового рельса [2];

Длину нижней части колонны определяем по формуле:

, мм (1.4)

где h_b=600 мм - высота заглубления базы ниже отметки чистого пола;

Полную высоту колонны находим по формуле:

Н, мм (1.5)

Н.

Высота ригеля фермы на опоре, рекомендуемая по типовым конструкциям по серии 1.460.3-18, для стропильных ферм пролетом 30 м Н_ф = 3150 мм.

Горизонтальные размеры:

Высоту поперечного сечения верхней части колонны (рис. 1.1) определяем по формуле:

, мм (1.6)

Принимаем h_В = 500 мм. Привязка колонны а = 250 мм.

Высоту сечения нижней части колонны найдём из выражения:

, мм (1.7)

Расстояние от разбивочной оси ряда колонн до оси подкрановой балки должно удовлетворять условию:

, мм (1.8)

где В-вылет концевой балки за пределы оси рельса [2];

с = 75 мм - конструктивный зазор между торцом мостового крана и внутренней плоскости колонны.

Принимаем  Тогда:

, мм (1.9)

Проектируем нижнюю часть колонны сквозной.

2 Расчет настила

Настил подбирается исходя из предельной равномерно распределённой нагрузки и расчётной схемы профилированных листов по ГОСТ 24045-94. Шаг листов настила составляет 3 м.

Принимаем четырёхпролётную расчётную схему. Производим сбор нагрузок на настил в табл. 2.1:

Таблица 2.1 - Определение нагрузки на профилированный настил

Принимаем настил Н 57-750-0,8 длиной 12 м с нагрузками для четырех пролетной схемы, вес настила 0,096 кН/м².

3. Расчет прогонов

На прогон покрытия действует нагрузка от веса покрытия и веса снегового покрова. Постоянная нагрузка от веса покрытия приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Состав покрытия

Нормативная линейная нагрузка от веса покрытия на прогон определяется по формуле:

, кН/м, (3.1)

 - нормативная нагрузка от веса покрытия, ,

 - шаг прогонов;

 кН/м.

Расчетная линейная нагрузка от веса покрытия на прогон определяется по формуле:

, кН/м, (3.2)

где  - расчетная нагрузка от веса покрытия, .

 кН/м.

Нормативная линейная нагрузка от веса снегового покрова на прогон определяется по формуле:

, кН/м, (3.3)

 кН/м.

Расчетная линейная нагрузка от веса снегового покрова на прогон определяется по формуле:

, кН/м, (3.4)

 кН/м.

Суммарная нормативная нагрузка на прогон составляет:

, кН/м, (3.5)

где  - нормативное значение веса 1 п.м. прогона (принимаем =0,42кН/м).

, кН/м.

Суммарная расчетная нагрузка на прогон составляет:

, кН/м, (3.6)

 - расчетное значение веса 1 м. прогона (принимаем =0,42кН/м, 1,05 - коэффициент перехода от нормативного значения к расчетному).

 кН/м.

В общем случае прогоны, расположенные на скате кровли, работают на изгиб в двух плоскостях. Составляющие нагрузки q_x и q_y равны:

,

где б - угол наклона кровли к горизонту, б=1,145˚.

кН/м.

Расчётные моменты от составляющих q_x и q_y равны:

В соответствии с принятой расчетной схемой прогона (рис. 3.2) максимальные расчетные усилия в прогоне:

где l = 6 м - шаг ферм.

Для расчетной температуры -53 подбираем сталь для прогона. Прогоны относятся к 3-ой группе конструкций (Приложение В [1]), согласно таблице В.1 [1] для отапливаемого здания принимаем сталь С345, R_y=320 МПа.

Предельные относительные прогибы для балок принимаются в зависимости от величины пролета по таблице Е.1 [2]. При l= 6 м:

f_u = l/200 = 6/200 = 0,03 м = 3 см.

Требуемый момент сопротивления из условия обеспечения прочности по нормальным напряжениям:

где г_с - коэффициент условий работы (табл. 1 [1]);

R_y - расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию и изгибу по пределу текучести.

Требуемый момент инерции сечения прогонов из условия обеспечения жесткости находим по формуле:

По сортаменту (ГОСТ 8239-89) подбираем двутавр №22, геометрические характеристики которого:

·   высота сечения h = 220 мм,

·   толщина стенки t_w = 5,4 мм,

·   ширина полки b_f = 110,0 мм,

·   толщина полки t_f = 8,7 мм,

·   площадь сечения А = 30,6см²,

·   момент инерции I_х = 2550 см⁴,

·   момент сопротивления W_х = 232 см³, W_у =28,6 см³.

Масса профиля g = 24 кг/м.

Площадь полки A_f = t_f · b_f = 0,87×11,0 = 9,57см².

Площадь стенки A_w = A - 2A_f = 30,6 - 2×9,57 = 11,46 см².

Проверим принятое сечение.

Проверка жесткости

Определяем прогиб балки в середине пролета (3.7):

Проверка прочности

Касательные напряжения в опорном сечении балки проверяем по формуле (3.8):

где R_s = 0,58·R_y = 0,58×320 = 185,6 МПа;

Выполняем проверку нормальных напряжений по формуле (3.9):

Требование прочности выполняется.

Проверка выполнена.

. Сбор нагрузок

.1 Постоянные нагрузки

Постоянная нагрузка на ригель

Нагрузка от веса покрытия включает в себя нагрузку от веса кровли, профилированного настила и прогонов, а также от веса связей по покрытию.

Для удобства расчетов сведем все нагрузки в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Определение постоянной нагрузки на ферму

Так как нагрузка от веса покрытия передается через прогоны, то она определится в виде сосредоточенных сил (рис. 4.1):

F_n = p·d·В_ф, (4.1)

где p - расчетная нагрузка от веса покрытия,

d - шаг прогонов, м;

B_ф - шаг стропильных ферм, м.

F_n,1 = p·d·В_ф = 0,84014·6·3 = 15,123 кН - средние прогоны;

F_n,2 = p·d·В_ф = 0,84014·6·1,5 = 7,561кН - крайние прогоны.

Постоянные нагрузки на колонны рамы

Постоянная нагрузка от собственного веса колонн будет автоматически определена при статическом расчете в ППП «SCAD» с учетом принятых жесткостных характеристик.

Собственный вес подкрановых балок принимаем по таблице П. 6 [6] ориентировочно равными для удобства расчета будем учитывать его вместе с вертикальными крановыми нагрузками.

4.2 Снеговая нагрузка

Снеговая нагрузка на 1м²горизонтальной поверхности земли для IV снегового района составляет (таблица 10.1 [2]).

Так как снеговая нагрузка передается через прогоны в узлы фермы, то она определяется в виде сосредоточенных сил (рис. 4.2).

Рассматриваем две схемы приложения снеговой нагрузки: равномерно распределенную по всему пролету (приложение Г.1, схема б, вариант 1 [2]) и равномерно распределенную на половине пролета в соответствии с п. 10.4 [2].

Нормативное значение снеговой нагрузки определяется по формуле:

         (8)

где c_е =1 - коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра или иных факторов, принимаемый в соответствии с 10.5;_t= 1 - термический коэффициент, принимаемый в соответствии с 10.10;=1 - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в соответствии с 10.4;_g - вес снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли, принимаемый в соответствии с 10.2.

Расчетная снеговая нагрузка на 1 м² покрытия будет вычисляться по формуле:

где г_f= 1,4 - коэффициент надежности по снеговой нагрузке, принимаемый согласно п. 10.12 [2].

Расчетная линейная нагрузка на ригель:

Узловая нагрузка на прогоны (узлы фермы):

(9)

где  - шаг прогонов.

- средние прогоны;

- крайние прогоны.

4.3 Ветровая нагрузка

Расчетное значение ветровой нагрузки w следует определять по формуле:

где w_m - нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки на высоте z над поверхностью земли;

w_m - значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки на высоте z.

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки w_m на высоте z над поверхностью земли следует определять по формуле

w_m = w₀ k(z_e) c

где w₀ = 0,3 - нормативное значение ветрового давления для I ветрового района (табл. 11.1.4 [2]);

k(z_e) - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления для высоты z_e(см. 11.1.5 и 11.1.6 [2]);

Поправочные коэффициенты, учитывающие изменение ветрового давления по высоте для типа местности «С» составят (таблица 4.2):

Таблица 4.2 - Поправочные коэффициенты

Примечание: Высота Z принимается от поверхности земли.

с - аэродинамический коэффициент (см. п. 11.1.7 [2]).

Аэродинамические коэффициенты выбираются по таблице Д.2 приложения Д.1.2 [2] (напор, отсос):

с наветренной стороны:

с заветренной стороны:

с торца:

(Отсос ветра по длине ригеля в запас прочности не учитываем)

Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки w_pна эквивалентной высоте z_e следует определять следующим образом:

где z(z_e) - коэффициент пульсации давления ветра, принимаемый по таблице 11.4 [2] или формуле (11.6 [2]) для эквивалентной высоты z_e(см. 11.1.5 [2]);

Таблица 4.3 - Коэффициент пульсации давления ветра

v - коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра (см. 11.1.11 [2]);

Таблица 4.4 - Коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра

Коэффициент надежности по ветровой нагрузке  (п. 11.1.12 [2]).

Расчётная линейная ветровая нагрузка на колонну рамы определяется по формуле:

. Со стороны напора ветра:

До 10 м:

13,960 м:

,150 м:

,4 м:

2. Со стороны отсоса ветра:

До 10 м:

13,960, м:

,150, м:

20,4 м:

3. Со стороны торца:

До 10 м:

13,960 м:

,150 м:

20,4 м:

4.4 Нагрузка от мостовых кранов

Нагрузки от вертикального давления кранов

Вертикальные крановые нагрузки для расчета рам с кранами на одном ярусе принимаются по [5] от двух наиболее неприятных по воздействию кранов.

Для получения наибольшего давления на колонну краны следует ставить на подкрановые балки в соответствии с рисунком 9, а крановые тележки максимально приблизить к одному ряду колонн. Тогда на колонну этого ряда будет действовать наибольшее давление , а на противоположную .

Расчетное давление кранов определяется по формуле:

  (31)

где  - коэффициент сочетаний для групп режимов работы кранов 7К-8К (п. 9.19 [2]);  - коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок (п. 9.8 [2]);

 - сумма ординат линии влияния по рисунку 4.4.1;

 - максимальное нормативное давление колеса крана на рельс при легком режиме работы крана с по ГОСТ 25711-83; 

 - собственный вес подкрановой балки (принят из расчета = 20 кг/м² здания);

 - коэффициент надежности по нагрузке для металлических конструкций (таблица 7.1 [2]);

 - коэффициент надежности по нагрузке;

где q_тп=1,5 - полезная нормативная нагрузка на тормозной площадке от веса людей и оборудования;

 - ширина тормозной площадки;

Расчетное значение кранов определяется по формуле:

   (32)

где  минимальное давление определяется по формуле:

где G = 343 кН - вес крана с тележкой по ГОСТ 25711-83;

Q = 300 кН - грузоподъёмность крана по таблице ГОСТ 25711-83;

 - число колес на одной стороне крана с г/п32/5 т.

Вертикальное давление кранов передается с эксцентриситетом, вследствие чего возникают сосредоточенные моменты:

где  - расстояние от центра подкрановой балки до оси центра тяжести нижней части колонны.

Нагрузки от поперечного торможения крана

Расчетное усилие поперечного торможения на колонну определяется по формуле:

    (35)

где - нормативное усилие на одно колесо крана, кН.

    (36)

где  - нормативное усилие на одну сторону моста крана, кН.

       (37)

где  - для кранов с гибким подвесом;

 =85 кН - вес крановой тележки, кН.

Сила  прикладывается к одной колонне в уровне верхнего пояса подкрановой балки (рисунок 4.4).

5 Статический расчет поперечной рамы

.1 Вариант 1

Выполняем с помощью программного комплекса «SCAD». Тип схемы - плоская рама (имеет три степени свободы по x, z, uy). Сопряжение колонны с фундаментом жесткое (запрещаем перемещения x, z, uy).

К постоянному типу загружений относятся собственный вес рамы и нагрузка от веса покрытия; к кратковременному - снеговая нагрузка на полный пролет, снеговая нагрузка на половину пролета, ветер слева, ветер справа; к крановому - вертикальное давление крана (тележка слева), вертикальное давление крана (тележка справа); к тормозному - поперечное торможение слева и поперечное торможение справа.

Знакопеременными нагрузками являются поперечное торможение слева и поперечное торможение справа.

Сопутствующими нагрузками являются поперечное торможение слева и вертикальное давление крана (тележка слева), поперечное торможение справа и вертикальное давление крана (тележка справа).

Взаимоисключающими нагрузками являются снеговая нагрузка на весь пролет и снеговая нагрузка на половину пролета; ветер слева, ветер справа и ветер на торец; вертикальное давление крана (тележка слева) и вертикальное давление крана (тележка справа), поперечное торможение слева и поперечное торможение справа.

Таблица 5.1.1 Расчетные сочетания усилий.