1. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания.

1. Разбивка сетки колонн.

Согласно требованиям для промышленных зданий расстояние между несущими продольными колоннами принимаем 6 метров. У торцов здания колонны смещаем от оси на 500 мм для удобства оформления углов здания стандартными ограждающими панелями. Принимаем шаг колонн 6 метров.

2. Выбор ограждающих конструкций стен и покрытия.

В качестве ограждающих конструкций стен для проектируемого отапливаемого здания используются сплошные ж/б панели со средним слоем из утеплителя. Длина панели равна 6 м. Ширина панели равна 1,8 м. Несущей конструкцией покрытия являются ферма пролетом 36 метров, высотой 3м. Шаг ферм 6м.

Вариант покрытия безпрогонного типа то есть ж/б ребристые плиты опираются на верхний пояс стропильных ферм и привариваются закладными деталями не менее в 3 точках. Кровельное покрытие теплое так как здание отапливаемое.

3. Компоновка каркаса здания.

Поперечные рамы состоят из колонн жесткозаделанных в ферме и ригелей в виде стропильных ферм. Сопряжение фермы с колонной принимаем жестким так как такой вариант является целесообразным при значительном воздействии кранов.

Компоновку поперечной рамы начинаем с установлением основных размеров. Размеры от вертикали привязываем к отметке пола равной 0. Размеры по горизонтали привязываем к продольным осям здания. Все размеры принимаем в соответствии с ГОСТ на краны.

Рисунок 1.1 – Эскиз плана колонн.

Рисунок 1.2 Поперечная рама.

1.3.1 Вертикальные размеры рамы

Отметка головки подкранового рельса.

Н₁=12м

Расстояние от головки рельса до ригеля (нижнего пояса фермы)

где =3150мм габаритный размер (высота) мостового крана от головки кранового рельса до верхней точки тележки крана.

При пролете здания L=36 м и грузоподъемности крана Q=500кН.

100 мм – установленный зазор между этой точкой и ригелем (допуск на изготовление крана)

а – возможный прогиб фермы.

При L=36 м принимаем а=300 мм, =3150 мм.

Величина Н₂ в соответствии с требованиями унификации принимается кратной 200 мм (округление в большую сторону). Н₂=3600 мм.

Полезная высота от уровня пола до низа ригеля.

Н = Н₁ + Н₂ = 12000 + 3600 = 15600 мм

H- принимается кратным 1.8 м из условия соизмеряемости со стандартными ограждающими конструкциями. =15660мм

После уточнения значения корректируется отметка кранового рельса.

Н₁ = Н - Н₂ = 15660 – 3600 = 12060 мм где - уточненное значение полезной высоты цеха

Высота верхней части колонны.

Н_в = h_п.б + h_p + H₂ = 1000 + 130 + 3600 = 4730 мм

где - ориентировочная высота подкрановой балки

В – пролет подкрановой балки (шаг колонн 6 м)

=130 мм для крана Q=500кН (рельс КР-80)

Высота нижней части колонны.

H_н = H-Hв+hз = 15660-4730+1200=12130 мм

Полная высота колонны Н.

Н = Н_в + H_н = 4730 + 12130 = 16860 мм

а=300 мм

1. 3. 2. Горизонтальные размеры

Привязка наружной грани колонны =250 мм.

b_в ≥ H_в/12 ≥ 394,17 = 500 мм

b_н ≥ H_н/20 ≥ 606,5

Привязка подкрановой балки к продольной разбивочной оси

  B₁ + Δ + b₀ = 300 + 75 + 250 = 625 мм.

В₁=300 мм свес крана за ось подкранового рельса при Q=500кН.

Δ – расстояние между крайней точкой крана и гранью колонны из соображений технической безопасности.

- принимаем кратной 250 мм с округлением в большую сторону.  =750 мм

b_n = b₀ +  = 250 + 750 = 1000 мм

4. Разработка системы связи.

При проектировании стального каркаса устраиваются 2 системы связи по колоннам и по покрытию которые необходимы для:

1. Обеспечение геометрической неизменяемости каркаса

2. Для обеспечения пространственной работы каркаса , состоящей из плоских рам.

3. Для увеличения устойчивости сжатых элементов каркаса.

4. Для восприятия ветреных нагрузок и инерциальных воздействий крана.

5. Для обеспечения качественного и удобного монтажа элементов сооружения.

5. Разработка схемы фахверка.

Фахверк- это система конструктивных элементов служащих для поддержки ограждений при восприятии ветреной нагрузки.

Здание не нуждается в продольных фахверках так как шаг несущих колонн совпадает с длиной стеновых панелей ( 6 метров). Вдоль торцевых стен здания устанавливаем промежуточные стойки фахверка с шагом 6 метров.

Рисунок 1.6 – Схема фахверка

2. 1. Расчетная схема рамы

В расчетной схеме оси элементов проходят через их центры тяжести. Оси ригеля проходят центр тяжести нижнего пояса.

Рисунок 2.1 Расчетная схема рамы

2.2 Сбор нагрузок действующих на поперечную раму.

1. постоянные нагрузки

2. временные технологические.

3. атмосферные (от ветра и снега)

2.2.1 Сбор постоянных нагрузок

В состав постоянных нагрузок входят нагрузки от собственного веса фермы и связей, веса подкрановых балок и рельса, веса ограждающей конструкции и защитного слоя.

Для удобства сведем расчёт в таблицу 2.1.1

Таблица 2.1.1 – Расчёт нагрузки

Состав нагрузок	Нормативное значение, кН/м^2		Расчётная нагрузка , кН/м^2
Защитный слой гравия на битумной мастике.	0,18	0,3	0,054
Гидроизоляция в 4 слоя рубероида на битумной мастике	0,16	1,1	0,18
Асфальтовая стяжка, t=20мм = 18 кН/м^3	0,36	1,2	0,43
Утеплитель пенобетон, t=12см = 5 кН/м^3	0,6	1,2	0,72
Слой пароизоляции	0,04	1,2	0,05
Железобетонная плита	2,0	1,1	2,2
		Итого	3,63

Нагрузка от собственного веса фермы и связей рассчитывается по формуле:

, где

- коэффициент надежности по материалу, =1,05 для стали;

L – пролёт здания, L=36м;

- коэффициент принимаемый для зданий пролётом 36м, =0,9;

В – шаг колонн, В=6м.

кН/м

Суммарная постоянная нагрузка:

кН/м

Нагрузка от веса подкрановой балки и рельса:

, где

F_MAX – максимальное давление колеса на крановый рельс,F_MAX=455кН

R_Y – расчётное сопротивление стали рельса, принимаем R_Y =24 кН/см²;

g_P – нормативное значение нагрузки для рельса, для КР-80 принимаем g_P =0,642 кН/м.

кН

2.1.2 Сбор временных нагрузок

Временная нагрузка состоят из снеговой нагрузки, крановой нагрузки, ветровой.

1) Снеговая нагрузка

Р_СНЕГ.= Р₀*В , где

Р₀ – нормативная снеговая нагрузка, г.Волгоград находиться во 2-м снеговом районе, поэтому Р₀=1,2кН/м² [1].

Р_{С НЕГ.}= 1,2*6=7,2кН/м

2) Крановая нагрузка.

При работе мостовых кранов поперечная рама здания воспринимает как вертикальные, так и горизонтальные крановые нагрузки. Нагрузки передаются на раму подкрановыми балками.

Максимальное давление действует на колонну, к которой наиболее приближена тележка крана.

Определим нагрузки, вертикальную и горизонтальную.

Рисунок 2.1.2а – Расчётная схема для определения вертикальных нагрузок.

Максимальная вертикальная нагрузка:

, где

- коэффициент сочетаний нагрузок, для среднего режима работы крана принимаем =0,85.

- сумма ординат взятых с линии влияния под колесами крана, =1,857

кН

Минимальная вертикальная нагрузка:

, где

Q – грузоподъёмность крана;

G – вес крана с тележкой, принимаем G =716 кН;

n₀=2 – число тормозных колес.

кН

кН

Так как подкрановые балки установлены с эксцентриситетом по отношению к центру тяжести колонны, то возникают моменты:

e_k =0,5  b_n = 0.5  1000 = 500 мм = 0,5 м

кН

кН

, где

м – вес тележки, принимаем м=132кН [1].

кН

кН

кН

3) Ветровая нагрузка

Принимаем тип местности В, т.е. городская территория равномерно покрыта препятствиями высотой более 10м.

Нагрузка с наветренной стороны определяется по формуле:

, где

- нормативное значение ветрового давления, г.Архангельск находится в 3 по скоростным напорам ветра районе, поэтому =0, 38 кН/м² [2].

к – коэффициент, учитывающий изменение скоростного напора по высоте здания.

с, с’ – аэродинамический коэффициент принимаемый с наветренной стороны с=0,8 и заветренной стороны с’ =0,6 соответственно [2].Нагрузка с заветренной стороны определяется как:

H, м	K
<5	0,5
10	0,65
20	0,85
40	1,1

Н,м	<10	15	20
α	1,0	1,04	1,1

Для здания Н = 18,66 м:

α = 1,1+(1,1 – 1,04)/(20 - 15)*(18,66 – 20) = 1,084

кН/м

кН/м

кН/м

кН/м

;

;

кН

кН

Для облегчения расчётов находим эквивалентные нагрузки на раму здания:

Получаем

кН/м

кН/м

кН

Рисунок 2.1.2 - Расчётная схема для определения ветровой нагрузки.

Рисунок 2.1.2а – Расчетная схема приложения ветровой нагрузки

Рисунок 1.7 – Вертикальные связи между колоннами

Рисунок 1.4 – Связи по верхним поясам ферм

Рисунок 1.5 – Связи по нижним поясам ферм

Рисунок 2.2.1- Эпюры M,Q,N от действия постоянных нагрузок.

Рисунок 2.2.2 Определение внутренних усилий от снеговой нагрузки

2.2.3 Определение внутренних усилий от вертикальных крановых нагрузок.

2.2.3 Определение внутренних усилий от торможения.

2.2.3 Определение внутренних усилий от ветровой нагрузки.

Расчетные усилия в стержнях левой стойки (изгибающие моменты кНм, нормальные и поперечные силы) Таблица

№ Нагрузки	Нагрузки и комбинации усилий			Сечения стойки
				1 - 1		2 - 2		3 - 3		4 - 4
				М	N	М	N	М	N	М	N	Q
1	Постоянная		1	-210,343	-286,799	-125,104	-286,799	-53,404	-286,799	+164,359	-286,799	-15,3031
2	Снеговая		1	-73,928	-100,8	-43,969	-100,8	-18,769	-100,8	+57,766	-100,8	-5,378
			0,9	-66,5352	-90,72	-39,5721	-90,72	-16,8921	-90,72	+51,9894	-90,72	-4,8402
3	Dmax	На левую стойку	1	-32,3863	+6,4428	+210,777	+6,4428	-491,633	-1359,22	+35,886	-1359,22	-32,0271
			0,9	-29,14767	+5,79852	+189,6993	+5,79852	-442,4697	-1223,3	+32,297	-1223,298	+28,8244
3*		на правую стойку	1	-122,241	-6,4428	+56,149	-6,4428	-140,039	-402,052	+315,706	-402,052	+32,0271
			0,9	-110,0169	-5,79852	+50,5341	+5,79852	-126,0351	-361,847	+284,1354	-361,8468	-28,8244
4	Т	На левую стойку	1	-12,1738	0	+105,383	0	+104,323	0	-371,041	0	+33,4058
			0,9	-10,95642	0	+94,8447	0	+93,8907	0	-333,9369	0	+30,0652
4*		на правую стойку	1	-89,505	0	-3,7036	0	-4,7627	0	+242,889	0	+16,734
			0,9	-80,5545	0	-3,33324	0	-4,28643	0	+218,6001	0	+15,0606
5	Ветровая	слева	1	+52,178	0	+20,3588	0	+19,2011	0	-274,813	0	+31,4052
			0,9	+46,9602	0	+18,3229	0	+17,2809	0	-247,3317	0	-28,2647
5*		справа	1	-58,9615	0	-14,6256	0	-13,4679	0	+258,99	0	-27,1867
			0,9	-53,0653	0	-13,16304	0	-12,1211	0	+233,091	0	-24,468

- Мmax	=1	№ нагрузок	1,3*,4,*		1,3*,4		1,3,4			1,3,4
		Усилия	-426,326	-225,000	-167,639	-225,000	-883,003	-1631,08		-271,904		-1631,08
Ns	=0.9	№ нагрузок	1,2,3*,4*,5*		1,2,3*,4,5*		1,2,3,4,5*			1,3,4,5
		Усилия	-572,461	-338,400	-241,877	-338,400	-850,661	-338,400		-468,884		-1490,472
Nmax	=1	№ нагрузок	—		1,3,4		—			1,3,4
		Усилия	—	—	+408,777	-225,000	—	—		+521,112		-1631,00
+Ms	=0.9	№ нагрузок	—		1,3,4,5		—			1,2,3*,4,5
		Усилия	—	—	+391,781	-225,000	—	—		+1106,650		-790,047
Nmax	=1	№ нагрузок	1,2		1,2		1,3,4			—
		Усилия	-229,149	-351,000	-157,910	-351,000	-883,003	-1631,08		—		—
-Ms	=0.9	№ нагрузок	1,2,3*,4*,5		1,2,5*		1,2,3,4,5*			—
		Усилия	-572,460	-338,400	-182,104	-351,000	-850,661	-1603,87		—		—
Nmin + Ms	=1	№ нагрузок	Усилия M, N от постоянной нагрузки подсчитаны с коэффициентом f=0.9/1.1=0.8						1,5*
		Усилия							+313,027		-180,00
Nmin - Ms	=1	№ нагрузок							1,5
		Усилия							-191,025		-180,00

3 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВНЕЦЕНТРЕННО-СЖАТОЙ КОЛОННЫ.

3.1 Исходные данные. Определение расчетных длин

Высота надкрановой части подкрановой . Соотношение моментов инерции . Материал колонны – сталь С255.

Расчетную комбинацию для надкрановой части

, , ,

,

Для подкрановой части

, , ,

,

Отношение жесткостей верхней и нижней частей колонны.

Коэффициент. учитывающий соотношение продольных сил.

, - максимальные усилия для верхней и нижней частей колонны.

По таблице, которая содержит коэффициенты приведения для одноступенчатых колонн с верхним концом, закрепленным только от поворота, интерполируя, находим и вычисляем значение :

,

.

Принимаем , .

В этом случае расчетные длины отдельных частей колонны в плоскости рамы составляют:

;

.

Расчетные длины из плоскости рамы:

;

.

3.2 Расчет надкрановой части колонны

Для надкрановой части колонны принимаем составное двутавровое сечение.

Округляем h2 до значения ,кратного 250 мм, принимаем h2=500мм.

3.2.1 Предварительные подбор сечения

Требуемая площадь верхней части колонны

расчетная продольная сила для верхней части колонны.

расчетное сопротивление стали.

эксцентриситет продольной силы.

Определяем толщину стенки. Принимаем высоту стенки

максимальная поперечная сила.

расчетное сопротивление стали срезу.

Площадь приходящаяся на пояса

Толщина листа

Требуемая ширина пояса

Согласно ГОСТ 82-70* принимаем толщину листа , а ширину

Для стали широкополосной универсальной по ГОСТ 82-70* принимаем листы сечением .

3 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОПИЛЬНОЙ ФЕРМЫ

3.1 Сбор нагрузок на ферму

При составлении расчетной схемы фермы и ее расчете принимается:

1. все стержни в узлах соединены шарнирно;2. стержни ферм центрируются по осям, проходящим через центры тяжести сечений; 3. нагрузка на ферму прикладывается в узлах.

3.2 Определение расчетных усилий в стержнях фермы, расчетных длин стержнейОпределяем усилия в стержнях фермы графическим способом (построением диаграммы Максвелла-Кремоны от единичной нагрузки ).Прикладываем нагрузку на верхний пояс и определяем узловые силы:

кН;

;

.

Определяем реакции на опорах фермы . Прикладываем все внешние силы на ферму, обозначаем силовые поля. Назначаем силовой масштаб: 1 см = 1 кН. Строим силовой многоугольник (диаграмму Максвелла-Кремоны).В результате построения диаграммы получаем усилия в каждом стержне фермы от единичной нагрузки.Усилия в стержнях от постоянной нагрузки определяем как произведение постоянной нагрузки на усилие от единичной нагрузки:

. Усилие от снеговой нагрузки: .

Расчетное усилие равно сумме усилий в стержнях от постоянной и от снеговой нагрузок: .

Результаты статического расчета фермы приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Статический расчет ферм

Элементы фермы	Номер стержня	Усилия, кН
		От единичной нагрузки	От постоянной нагрузки	От снеговой нагрузки	расчетное
Верхний пояс		0	0	0	0
		-29,82	-755,34	-214,7	-970
		-29,82	-755,34	-214,7	-970
		-47,83	-1211,53	-344,38	-1555,91
		-47,83	-1211,53	-344,38	-1555,91
		-53,83	-1363,51	-387,57	1751,1
Нижний пояс		16,32	413,38	117,5	530,88
		40,33	1021,56	290,37	1311,93
		52,33	1325,52	376,77	1702,29
Решетка (раскосы и стойки)		-1,38	-34,95	-9,94	-44,89
	1− 2	-23,087	-584,79	-166,226	-751,02
	2− 3	19,09	483,55	137,448	620,99
		-3,0	-75,99	-21,6	-97,59
	4− 5	-14,86	-376,40	-106,99	-483,39
	5− 6	10,61	268,751	76,39	345,14
		-3,0	-75,99	-21,6	-97,59
		-6,36	-161,099	-45,79	-206,89
	8 - 9	-21,21	-537,25	152,71	-689,96
	9 – 9`	-3,0	-75,99	-21,6	97,59

Усилия выписываем в таблицу 2 с учетом знака. Знак имеют сжатые стержни, знак – растянутые. Сжатыми являются стержни верхнего пояса, восходящие раскосы и стойки, растянутыми – стержни нижнего пояса и нисходящие раскосы.