1. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания
1.1 Выбор типов ограждающих конструкций для стен и покрытия
В качестве ограждающих конструкций для проектируемого здания используем сплошные панели прямоугольного сечения, железобетонные трехслойные, со средним слоем из утеплителя пенобетона.
Стеновые панели принимаем длиной 6 м и шириной 1,8 м. Конструкции покрытия принимаем беспрогонного типа, несущей конструкцией является стропильная ферма с параллельными поясами пролетом 30 метров, ж/б ребристые плиты покрытия опираются на верхний пояс фермы и привариваются не менее чем в 3-х точках, в качестве утеплителя используем пенобетон толщиной 120 мм.
1.2 Выбор шага колонн и составление эскиза плана колонн
Согласно требованиям унификации промышленных зданий расстояния между колоннами поперек и вдоль здания принимаем 6м. У торцов здания колонны смещаем от разбивочной оси на 500 мм внутрь, для удобства оформления здания стандартными ограждающими панелями.
Рисунок 1- Схема расположения колонн
1.3 Унифицированная схема поперечной рамы здания
Поперечная рама состоит из колонн, жестко защемленных в фундаменте и ригелей в виде стропильных ферм также жестко соединенных с колоннами.
Рисунок 2 – Разрез здания
1) Определение вертикальных размеров рамы:
hф = 3 м. – высота фермы;
h1 = 18 м - отметка головки подкранового рельса;
h2 = hк + а + 100 мм = 4000 + 300 + 100 = 4400 мм;
где hк = 4000 мм – высота крана;
Н = h1 + h2 = 18 + 4,4 = 22,4 м – отметка низа фермы, д.б. кратно 1.8 м, принимаем Н=21,6 м.(Для кратности размера принимаем УГКР принимаем равным 17,2 м)
hв = h2 + hпб + hр = 4400 + 1000 + 150 = 5550 мм,
где hпб = 1000 мм – высота подкрановой балки,
hр = 150 мм – высота кранового рельса (при грузоподъемности крана 800 кН);
hн = H – hв + hз = 21600 – 5550 + 1000 = 17050 мм,
где hз = 1000 мм – высота защемления колонны;
2) Определение горизонтальных размеров рамы:
b0 = 500 мм (т.к. грузоподъемность крана 800 кН);
bв = 2*b0 = 2*500мм = 1000 мм;
bн = b0 + λ = 500 + 1000 = 1500 мм,
где λ = ∆ + b0 + b1 = 75 + 500 + 400 = 975 мм, принимаем λ = 1000 мм (кратно 250 мм),
где ∆ = 75 мм
b1 = 400 мм;
3) Проверка на местную устойчивость верхней и нижней частей колонн:
Должны выполняться условия:
bв ≥ (1/12)*hв, bв = 1000 ≥ (1/12)*5550 = 462,5 мм – условие выполняется;
bн ≥ (1/20)*H, bн = 1500 ≥ (1/20)*21600 = 1080 мм – условие выполняется;
1.4 Система связей
При проектирований стального каркаса устраиваем 2-е системы: по колоннам и по покрытию, которые необходимы для:
1) Обеспечения геометрической неизменяемости каркаса и устойчивости его сжатых элементов;
2) обеспечение пространственной работы каркаса;
3) восприятия ветровых нагрузок и инерционных воздействий кранов;
4) создание жесткости каркаса необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации в течение всего периода службы здания;
5) обеспечение условия качественного и надежного монтажа элементов здания.
1.4.1 Связи между колоннами
Вертикальные связи между колоннами устанавливаем в крайних пролетах и посередине здания(рисунок 3):
Рисунок 3 – Вертикальные связи между колоннами
1.4.2 Связи по покрытию (шатровые)
Представляют собой связи по верхнему поясу фермы и по нижнему поясу фермы.
Рисунок 4 – Связи по верхним поясам фермы
Рисунок 5 – Связи по нижнему поясу фермы
2 Расчёт поперечной рамы здания
2.1. Расчётная схема рамы
Расчётная схема поперечной рамы – многократно статически неопределимая система. Сопряжения ригеля с колонной и колонны с фундаментом – жёсткое. Сквозную ферму при малоуклонном верхнем поясе заменяем эквивалентным по жёсткости прямолинейным стержнем.
.
Рисунок 6 – Расчетная схема рамы
2 .2 Сбор нагрузок
Рисунок 7 – Нагрузки на раму
2.2.1. Постоянные нагрузки:
1) Постоянная нагрузка от массы конструкций покрытия:
Таблица 1
Состав покрытия |
Нормативная нагрузка, кН/м |
γf |
Расчётная нагрузка, кН/м |
1) Защитный слой (гравий) |
0,18 |
1,2 |
0,22 |
2) Гидроизоляция (4 слоя рубероида на битумной мастике) |
0,16 |
1,1 |
0,18 |
3) Асфальтовая стяжка t = 20 мм, γ = 18 кН/м3 |
0,36 |
1,2 |
0,43 |
4) Утеплитель t = 12 мм, γ=5 кН/м3 (пенобетон) |
0,6 |
1,2 |
0,72 |
5) Пароизоляция (1 слой рубероида) |
0,04 |
1,2 |
0,05 |
6) Железобетонная плита |
2 |
1,1 |
2,2 |
Итого: |
3,34 |
|
3,8 |
2) Нагрузка от веса фермы и связей:
где: γf= 1,05 – коэффициент надёжности по нагрузке,
L = 30 м – пролёт здания,
B = 6 м – шаг колонн,
ψ = 0,8 – коэффициент, зависящий от пролёта здания.
Вес всего покрытия:
3) Постоянная нагрузка от веса подкрановой балки с рельсом:
где: Ry = 23 кН/см2 – расчётное сопротивление стали С235,
qp = 0,891 кН/м – вес кранового рельса,
По приложению1 [1], определяем Fmax, как среднее арифметическое из: Fk1max и Fk2max;
Fk1max = 380, Fk2max = 400 → Fсред = Fmax = 390.
2.2.2 Временные нагрузки
1) Снеговая нагрузка:
где: p0 = 2,4 кПа – Нормативное значение веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности для Череповца (IV снеговой район).
μ = 1 – Коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие.
γf = 1,4 – коэффициент надёжности по нагрузке;
2) Крановые нагрузки:
При определении крановых нагрузок на раму предполагается, что действуют нагрузки от двух наиболее неблагоприятных по воздействию мостовых кранов.
а) Расчётное вертикальное давление на колонну, к которой приближена тележка крана, определяется по линии влияния опорных реакций подкрановых балок.
Рисунок 8 - Определение крановых нагрузок
γf = 1.1 – Коэффициент надёжности по нагрузке для крановой нагрузки;
ψс = 0,95 – коэффициент сочетания усилий для групп режимов работы двух кранов для тяжёлого режима работы;
Q = 800 кН – грузоподъёмность крана;
Gк = 1300 кН – вес крана с тележкой;
n0 =4– количество тормозных колёс крана.
Подкрановая балка установлена с эксцентриситетом по отношению к геометрической оси сечения нижнего участка колонны, поэтому от вертикального давления Dmax и Dmin возникают изгибающие моменты Mmax и Mmin.
б) Расчётная горизонтальная сила на колонну от поперечного торможения тележек кранов определяется по линии влияния опорной реакции тормозной балки:
Gт = 380 кН – вес тележки крана.
n0 = 4 – количество колёс с одной стороны крана.
3 ) Ветровые нагрузки:
, где
ветровая интенсивность, принимается по СНиП.
г. Череповец – I зона ,
коэффициент зависящий от высоты, типа местности. Тип местности – В.
|
|
10 |
0,65 |
20 |
0,85 |
40 |
1,1 |
коэффициент зависящий от стороны:
- для наветренной стороны,
- для подветренной стороны.
,
; ;
; .
;
;
;
;
;
;
;
;
qэкв = = = 1,12 кН/м
qэкв’ = = = 0,84 кН/м
где: α – коэффициент, зависящий от высоты здания
Н,м |
15 |
20 |
25 |
α |
1,04 |
1,10 |
1,17 |
Для здания Н = 21,6 м:
α = (1,17 – 1,1)/(25 - 20)*1,6 + 1,10 = 1,122
2.3 Статический расчёт рамы с учётом пространственной работы конструкций
2.3.1 Составление расчётной схемы:
Номера узлов выделены треугольниками.
e = bн/2 – b0 = 1250/2 – 250 = 375 мм
Виды нагрузок, приложенных к раме:
1. Постоянная;
2. Снеговая;
3. Крановая вертикальная;
4. Тормозная;
5. Ветровая.
Постоянная
Снеговая
Крановая вертикальная
Тормозная
Ветровая
Расчет и конструирование стропильной фермы
Стропильная ферма воспринимает следующие нагрузки:
постоянную (от веса покрытия и собственного веса);
снеговую;
сосредоточенные опорные моменты ( возникают в результате жесткого сопряжения фермы с колонами.
Усилия от нагрузок определяются с использованием единичных нагрузок:
Равномерно распределенная единичная нагрузка заменяется сосредоточенными силами приложенными в узлах:
Опорные реакции:
VA = q L / 2 = 1 15 = 15 кН
Усилия в элементах фермы определяются при помощи диаграммы Максвелла-Кремоны.
Подбор сечения элементов фермы
Усилия, возникающие в стержнях, возникают от воздействия постоянной и снеговой нагрузок. Расчетные усилия определяются в табличной форме.
Усилия в стержнях фермы
Таблица 2
Элемент фермы |
№ стержня |
Усилие от единичной нагрузки , кН |
Усилие от постоянной нагрузки , кН |
Усилие от снеговой нагрузки , кН |
Расчётное усилие , кН |
Верхний пояс |
О3-1 |
0 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
О4-3 |
-24 |
-590,64 |
-483,84 |
-1074,48 |
|
О5-4 |
-24 |
-590,64 |
-483,84 |
-1074,48 |
|
O6-6 |
-36 |
-885,96 |
-725,76 |
-1611,72 |
|
O7-7 |
-36 |
-885,96 |
-725,76 |
-1611,72 |
|
O7’-7’ |
-36 |
-885,96 |
-725,76 |
-1611,72 |
|
O6’-6’ |
-36 |
-885,96 |
-725,76 |
-1611,72 |
|
О5’-4’ |
-24 |
-590,64 |
-483,84 |
-1074,48 |
|
О4’-3’ |
-24 |
-590,64 |
-483,84 |
-1074,48 |
|
О3’-1’ |
0 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
|
Нижний пояс |
2-О1 |
13,5 |
332,24 |
272,16 |
604,40 |
5-О1 |
31,5 |
775,22 |
635,04 |
1410,26 |
|
8-O1 |
37,5 |
922,88 |
756,00 |
1678,88 |
|
5’-О1 |
31,5 |
775,22 |
635,04 |
1410,26 |
|
2’-О1 |
13,5 |
332,24 |
272,16 |
604,40 |
|
Раскосы |
1-2 |
-19,1 |
-470,05 |
-385,06 |
-855,11 |
2-3 |
14,8 |
364,23 |
298,37 |
662,60 |
|
4-5 |
-10,7 |
-263,33 |
-215,71 |
-479,04 |
|
5-6 |
6,4 |
157,50 |
129,02 |
286,52 |
|
7-8 |
-2,1 |
-51,68 |
-42,34 |
-94,02 |
|
7’-8’ |
-2,1 |
-51,68 |
-42,34 |
-94,02 |
|
6’-5’ |
6,4 |
157,50 |
129,02 |
286,52 |
|
5’-4’ |
-10,7 |
-263,33 |
-215,71 |
-479,04 |
|
3’-2’ |
14,8 |
364,23 |
298,37 |
662,60 |
|
2’-1’ |
-19,1 |
-470,05 |
-385,06 |
-855,11 |
|
Стойки |
O2-1 |
-1,5 |
-36,92 |
-30,24 |
-67,16 |
3-4 |
-3 |
-73,83 |
-60,48 |
-134,31 |
|
6-7 |
-3 |
-73,83 |
-60,48 |
-134,31 |
|
7’-6’ |
-3 |
-73,83 |
-60,48 |
-134,31 |
|
4’-3’ |
-3 |
-73,83 |
-60,48 |
-134,31 |
|
1’-O2’ |
-1,5 |
-36,92 |
-30,24 |
-67,16 |
Подбор сечения сжатых стержней.
Верхний пояс стержень О4-3:
Сжатые стержни подбираются по устойчивости, для выполнения которой существует 2 условия
1)
где N – расчетное усилие в элементе;
Rу = 24,5 кН/см2.
Верхний пояс выполнен из равнополых уголков с фасонкой ( ).
2) ;
.
По сортаменту принимаем 2 уголка с характеристиками:
ix = 4,59см; iy = 2,95см., с размерами
Гибкости.
По наибольшему значению гибкости определяем min = 0,527
Подбор сечения растянутых стержней.
Нижний пояс 5-О1:
где N – расчетное усилие в элементе,
По сортаменту принимаем 2 уголка с характеристиками:
;
ix = 7,76см; iy =4,98см., с размерами
По наибольшему значению гибкости определяем min = 0,411
Элемент фермы |
№ стержня |
N kH |
Сечения |
А см2 |
Расч. длины |
Рад.инерции |
Гибкость |
|
|
|
МПа |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
Верхний пояс |
О3-1 |
0,00 |
|
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
О4-3 |
-1074,48 |
|
86,16 |
300 |
300 |
4,59 |
2,95 |
65,4 |
101,7 |
120 |
0,527 |
0,95 |
237 |
|
О5-4 |
-1074,48 |
|
86,16 |
300 |
300 |
4,59 |
2,95 |
65,4 |
101,7 |
120 |
0,527 |
0,95 |
237 |
|
О6-6 |
-1611,72 |
|
109,58 |
300 |
300 |
4,87 |
3,13 |
61,6 |
95,8 |
120 |
0,529 |
0,95 |
241 |
|
О7-7 |
-1611,72 |
|
109,58 |
300 |
300 |
4,87 |
3,13 |
61,6 |
95,8 |
120 |
0,529 |
0,95 |
241 |
|
Нижний пояс |
2-О1 |
604,40 |
|
94,2 |
600 |
600 |
6,22 |
3,99 |
96,5 |
150,4 |
250 |
0,269 |
0,95 |
239 |
5-О1 |
1410,26 |
|
156,8 |
600 |
600 |
7,76 |
4,98 |
77,32 |
120,5 |
250 |
0,411 |
0,95 |
219 |
|
8-О1 |
1678,88 |
|
156,8 |
600 |
600 |
7,76 |
4,98 |
77,32 |
120,5 |
250 |
0,411 |
0,95 |
219 |
|
Раскосы |
1-2 |
-855,11 |
|
94,2 |
339,4 |
424,3 |
6,22 |
3,99 |
54,6 |
106,3 |
120 |
0,443 |
1 |
195 |
2-3 |
662,60 |
|
94,2 |
339,4 |
424,3 |
6,22 |
3,99 |
54,6 |
106,3 |
150 |
0,443 |
0,95 |
159 |
|
4-5 |
-479,04 |
|
86,16 |
339,4 |
424,3 |
4,59 |
2,95 |
65,4 |
101,7 |
150 |
0,527 |
0,8 |
125 |
|
5-6 |
286,52 |
|
77,6 |
339,4 |
424,3 |
5,6 |
3,59 |
60,6 |
118,2 |
150 |
0,329 |
0,95 |
112 |
|
7-8 |
-94,02 |
|
86,16 |
339,4 |
424,3 |
4,59 |
2,95 |
65,4 |
101,7 |
150 |
0,527 |
0,8 |
245 |
|
Стойки |
О2-1 |
-67,16 |
|
30,3 |
240 |
300 |
3,4 |
2,19 |
70,6 |
137,0 |
150 |
0,285 |
0,8 |
92 |
3-4 |
-134,31 |
|
30,3 |
240 |
300 |
3,4 |
2,19 |
70,6 |
137,0 |
150 |
0,285 |
0,8 |
185 |
|
6-7 |
-134,31 |
|
30,3 |
240 |
300 |
3,4 |
2,19 |
70,6 |
137,0 |
150 |
0,285 |
0,8 |
185 |
Таблица 3
Расчёт узлов фермы
1 Узел
Ввиду различных размеров уголков производим их разрыв, который перекрываем листовыми накладками толщиной . Стык смещают на 300-500мм в сторону панели с меньшим усилием, определяем усилие в накладках:
; ;
;
;Принимаем
Остальная часть усилия передаётся на фасонку:
Определим напряжения, возникающие в фасонке при её растяжении:
;
Определим длину сварных швов прикрепляющих накладки с одной стороны стыка:
; ; коэффициент на непровар,
Расчётное усилие левой панели в фасонке является большее из двух:
; ; ;
;
Для швов прикрепляющих правые уголки:
;
;
Рассчитаем длину сварных швов на усилие в раскосах:
;
;
;
2 Узел
Горизонтальные полки поясных уголков перекрыты сверху листовой накладкой:
;
. Принимаем
Определим длину сварных швов ; :
;
Принимаем 2 шва длиной и 2 шва длиной
Определим длину сварных швов ; :
;
;
Принимаем 2 шва длиной и 2 шва длиной
Угловую фасонку состоящую из двух половин перекрываем вертикальными двухсторонними тавровыми накладками:
Определим длину сварных швов ; :
;
Принимаем 2 шва длиной и 2 шва длиной
3 Узел
Опорное давление фермы передается на колонну торцом листа фланца приваренного к фасонке. Фланец крепится к фасонке 10-ю болтами диаметром 20мм, опорные фасонки толщиной 18мм, фланец принимаем толщиной 20мм и шириной 180мм, что позволяет разместить 2 ряда болтов, высота фланца определяется по высоте сварного шва
Определим напряжение смятия торцевой поверхности фланца:
; ;
Принимаем электроды Э46А,
Считаем длину сварного шва для крепления раскоса и нижнего пояса к фасонке:
;
Проверяем опорную фасонку на срез:
определяем по рисунку.
;
Проверяем сварные швы, к которым фасонка приваривается к фланцу:
;
;
;
конструктивно по рисунку,