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:

h_ф = 3 м. – высота фермы;

h₁ = 18 м - отметка головки подкранового рельса;

h₂ = h_к + а + 100 мм = 4000 + 300 + 100 = 4400 мм;

где h_к = 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)

h_в = h₂ + h_пб + h_р = 4400 + 1000 + 150 = 5550 мм,

где h_пб = 1000 мм – высота подкрановой балки,

h_р = 150 мм – высота кранового рельса (при грузоподъемности крана 800 кН);

h_н = H – h_в + h_з = 21600 – 5550 + 1000 = 17050 мм,

где h_з = 1000 мм – высота защемления колонны;

2) Определение горизонтальных размеров рамы:

b₀ = 500 мм (т.к. грузоподъемность крана 800 кН);

b_в = 2*b₀ = 2*500мм = 1000 мм;

b_н = 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:

b_в ≥ (1/12)*h_в, b_в = 1000 ≥ (1/12)*5550 = 462,5 мм – условие выполняется;

b_н ≥ (1/20)*H, b_н = 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/м^3	0,36	1,2	0,43
4) Утеплитель t = 12 мм, γ=5 кН/м^3(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: γ_f= 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: R_y = 23 кН/см² – расчётное сопротивление стали С235,

q_p = 0,891 кН/м – вес кранового рельса,

По приложению1 [1], определяем F_max, как среднее арифметическое из: F_k1max и F_k2max;

F_k1max = 380, F_k2max = 400 → F_сред = F_max = 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.

γ_f = 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

γ_f = 1.1 – Коэффициент надёжности по нагрузке для крановой нагрузки;

ψ_с = 0,95 – коэффициент сочетания усилий для групп режимов работы двух кранов для тяжёлого режима работы;

Q = 800 кН – грузоподъёмность крана;

G_к = 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 D_max и D_min возникают изгибающие моменты M_max и M_min.

б) Расчётная горизонтальная сила на колонну от поперечного торможения тележек кранов определяется по линии влияния опорной реакции тормозной балки:

G_т = 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.

,

; ;

; .

;

;

;

;

;

;

;

;

q_экв = = = 1,12 кН/м

q_экв’ = = = 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 = b_н/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

3. Расчет и конструирование стропильной фермы

Стропильная ферма воспринимает следующие нагрузки:

1. постоянную (от веса покрытия и собственного веса);

2. снеговую;

3. 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:

V_A = 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;

R_у = 24,5 кН/см².

Верхний пояс выполнен из равнополых уголков с фасонкой ( ).

2) ;

.

По сортаменту принимаем 2 уголка с характеристиками:

i_x = 4,59см; i_y = 2,95см., с размерами

Гибкости.

_{По наибольшему значению гибкости определяем min = 0,527}

Подбор сечения растянутых стержней.

1. Нижний пояс 5-О1:

где N – расчетное усилие в элементе,

По сортаменту принимаем 2 уголка с характеристиками:

;

i_x = 7,76см; i_y =4,98см., с размерами

_{По наибольшему значению гибкости определяем min = 0,411}

Элемент фермы	№ стержня	N kH	Сечения	А см^2	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,