Кафедра «Металлических конструкций»

Стр 1 из 7Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Металлических конструкций»

Курсовой проект

«Проектирование стального каркаса одноэтажного производственного здания»

Выполнил:

Студент дневного отделения

Принял:

Подпись: ___________

кафедры «Металлических конструкций»

Москва
Оглавление

0. Задание на проектирование. 3

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса. 3

1.1. Выбор типа ограждающей конструкции для стен и покрытия. 3

1.2. Выбор шага колонн и составление эскиза плана колонн. 3

1.3. Компоновка поперечной рамы.. 3

1.4. Выбор схемы связей между колоннами, по верхним и нижним поясам ферм, вертикальных связей между фермами. 5

1.5. Разработка схемы фахверка. 6

2. Расчёт поперечной рамы здания. 7

2.1. Выбор расчётной схемы рамы.. 7

2.2. Сбор нагрузок на раму. 8

2.3. Статический расчёт поперечной рамы.. 12

3. Расчёт и конструирование колонны.. 18

3.1. Определение расчётных длин колонны.. 19

3.2. Расчёт верхней части колонны.. 19

3.3. Расчёт нижней части колонны.. 20

3.4. Расчёт и конструирование узла сопряжения верхней и нижней частей колонны.. 23

3.5. Расчёт и конструирование базы колонны.. 24

4. Расчёт и конструирование стропильной фермы.. 30

4.1. Подбор сечений стержней стропильной фермы.. 30

4.2. Расчёт и конструирование узлов стропильной фермы.. 30

5. Расчёт и конструирование подкрановой балки. 37

5.1. Определение расчётных усилий. 37

5.2. Подбор сечения балки. 38

5.3. Проверка прочности балки. 40

Библиографический список. 43

Задание на проектирование

Вариант	143
Место строительства	Рязань
Наименование цеха	Кузнечнопрессовый
Длина здания, м.	120
Пролёт, м.	24
Отметка головки рельса, м.	15
Грузоподъёмность крана, т.	125
Режим работы крана	5К
Сталь	С275

Компоновка конструктивной схемы каркаса

Выбор типа ограждающей конструкции для стен и покрытия

Наружные стены – панель стеновая керамзитобетонная, навесная;

Покрытие – стропильные фермы с параллельными поясами высотой 2.25 м. без фонаря, шаг ферм – 12 м.;

Кровля – тёплая по панелям со стальным профилированным настилом.

1.2. Выбор шага колонн и составление эскиза плана колонн

В соответствие с принципом концентрации металла принимаем шаг колонн в продольном направлении равным 12 м. Длина здания и пролёт в соответствие с заданием на проектирование позволяют [1] не устраивать ни продольные, ни поперечные температурные швы.

Т.к. грузоподъёмность мостового крана Q больше 100 тонн, привязка крайних колонн a принимается равной 500 мм.

План колонн показан на рис. 1.

Рисунок 1. План колонн

Компоновка поперечной рамы

При компоновке поперечной рамы выбрана система с шагом поперечных рам и жестким сопряжением ригеля с колонной. Схема поперечной рамы и её элементов показана на рис. 2. Сопряжение верхней и нижней частей ступенчатой колонны показано на рис. 3.

Вертикальные размеры колонны

где размер f учитывает возможный прогиб стропильной фермы под нагрузкой, а также провес связей и наличие выступающих деталей покрытия.

Ближайший размер, кратный 1.8 м., – 19800 мм. Принимаем Отметку верха подкранового рельса увеличиваем до

С учётом заглубления колонны ниже уровня пола на 600 мм.

Высота колонны до низа конструкции покрытия

Высота фермы

Рисунок 2. Схема поперечной рамы

Горизонтальные размеры колонны

С учётом режима работы и грузоподъёмности кранов принимаем

Ширина верхней части колонны составит

что отвечает требованиям жесткости:

Расстояние от оси кранового рельса до разбивочной оси

Назначаем (кратно 250 мм.), при этом ширина нижней части колонны составит

что удовлетворяет требованиям жесткости:

Пролёт мостового крана

Сечение верхней части колонны принимаем сплошным, нижней – сквозным.

Рисунок 3. Сопряжение верхней и нижней частей ступенчатой колонны

Разработка схемы фахверка

Фахверк – торцевой для стеновых панелей длиной 12 метров.

Рисунок 8. Торцевой фахверк

Выбор расчётной схемы рамы

Расчётные схемы (рис. 9 – 10) принимаются в соответствие с компоновочным решением и принятой конструктивной схемой (рис. 2).

Рисунок 9. Расчётная схема поперечной рамы № 1

Рисунок 10. Расчётная схема поперечной рамы № 2

Все стержни в расчётной схеме располагаются по проектным осям. Приложение нагрузок с эксцентриситетом учитывается через абсолютно жесткие вставки. Сопряжение верхней и нижней частей колонны так же осуществляется через абсолютно жесткий стержень. Геометрические характеристики сечений стержней при предварительной компоновке расчётной схемы приведены в табл. 1.

Таблица 1. Геометрические характеристики сечения стержней расчётной схемы при её предварительной компоновке

Расположение элемента в расчётной схеме	Профили, составляющие сечение стержня	Размеры полок составных сечений, мм	Размеры стенки составных сечений, мм	Расстояние между гранями парных профилей, мм
Пояса фермы	Тавр 20ШТ1	-	-	-
Верхняя часть колонны	Сварной двутавр	300×14	672×9	-
Подкрановая ветвь нижней части колонны	Двутавр 60Б2	-	-	-
Наружная ветвь нижней части колонны	Сварной швеллер	200×20	560×14	-
Растянутые раскосы фермы	Парные равнополочные уголки 90×6	-	-	10
Сжатые раскосы фермы	Парные неравнополочные уголки 140×90×10	-	-	10
Центральная стойка фермы	Центральносимметричные парные равнополочные уголки 70×5	-	-	10
Стойки фермы	Парные равнополочные уголки 70×5	-	-	10
Решетка двухветвевой колонны	Парные равнополочные уголки 100×8	-	-	600

Сбор нагрузок на раму

Постоянная нагрузка

Собственный вес несущих конструкций учитывается непосредственно заданием ускорения свободного падения.

Постоянная нагрузка от собственного веса ограждающих конструкций на 1 м² кровли приведена в табл. 2 в соответствие с принятым конструктивным решением.

Таблица 2. Постоянная нагрузка от ограждающих конструкций кровли

Состав покрытия	Нормативная нагрузка,	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчётная нагрузка,
Защитный слой (битумная мастика с втопленным гравием)	0.4	1.3	0.52
Гидроизоляция (4 слоя рубероида)	0.2	1.3	0.26
Утеплитель (минераловатные плиты повышенной жесткости), ,	0.216	1.2	0.26
Пароизоляция (один слой рубероида)	0.05	1.3	0.07
Стальная панель с профилированным настилом	0.35	1.05	0.37
Итого

Расчётная равномерно распределенная нагрузка на верхний пояс фермы

где – шаг ферм, α – угол наклона кровли к горизонту ( ).

Нагрузка от собственного веса ограждающих конструкций кровли прикладывается в узлах верхнего пояса стропильной фермы, поэтому расчётная равномерно распределенная нагрузка заменяется сосредоточенными силами

где – длина участка, с которого собирается равномерно распределенная нагрузка на один узел фермы. В крайних узлах прикладывается нагрузка равная .

Нагрузка от собственного веса вертикальных ограждающих конструкций приводится в табл. 3

Таблица 3. Постоянная нагрузка от вертикальных ограждающих конструкций

Наименование конструкции	Нормативная нагрузка,	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчётная нагрузка,
Навесные керамзитобетонные панели	3.85	1.2	4.62
Остекление	0.34	1.2	0.41
Итого

Нагрузка от собственного веса вертикальных ограждающих конструкций прикладывается в виде двух сосредоточенных сил F₁ и F₂ к верхней и нижней частям колонны, соответственно, вдоль оси верхней части и вдоль оси наружной ветви нижней части колонны.

Снеговая нагрузка

Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия определяется по формуле

где (вес снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности земли) определяются по [2] для III снегового района; (термический коэффициент) и μ (коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие) так же определяются по [2].

Расчётная нагрузка на 1 м² покрытия определяется по формуле

где - коэффициент надежности по нагрузке.

Расчётная равномерно распределенная снеговая нагрузка на стропильную ферму составит

где – шаг ферм.

Снеговая нагрузка прикладывается в узлах верхнего пояса стропильной фермы, поэтому расчётная равномерно распределенная нагрузка заменяется сосредоточенными силами

Крановая нагрузка

Расчётная схема загружения линии влияния опорного давления подкрановых балок двумя сближенными вплотную кранами показана на рис. 11.

Расчётная максимальная вертикальная нагрузка от двух сближенных кранов на колонну, к которой приближены тележки с грузом составит

где – коэффициент надежности по нагрузке для крановой нагрузки, ;

– коэффициент сочетания, для двух кранов среднего режима работы ;

– максимальное нормативное давление колеса крана ( и );

– ордината линии влияния;

– нормативный вес подкрановых конструкций, ;

Минимальное нормативное давление колеса крана с противоположной стороны определяется выражением

где Q – грузоподъёмность крана, кН;

G_кр – вес крана с тележкой, кН;

n_о – число колёс с одной стороны крана.

Расчётная минимальная вертикальная нагрузка от двух кранов на колонну

Нормативное горизонтальное усилие от поперечного торможения тележки, передаваемое одним колесом крана составит

Расчётная горизонтальная нагрузка на колонну от поперечного торможения тележек кранов составит

Горизонтальная нагрузка прикладывается к колонне в уровне верха подкрановой балки.

Рисунок 11. Расчётная схема загружения линии влияния опорного давления подкрановых балок двумя сближенными вплотную кранами

Ветровая нагрузка

Расчётная линейная ветровая нагрузка, передаваемая на стойку рамы в какой-то точке по высоте при отсутствии продольного фахверка, определяется по формуле

где – коэффициент надежности по ветровой нагрузке, ( );

– коэффициент, учитывающий высоту и защищенность от ветра другими строениями;

– аэродинамический коэффициент, зависящий от расположения и конфигурации поверхности (для вертикальных стен с наветренной стороны и для отсоса);

– ширина расчётного блока, ( );

– нормативное давление ветра для высоты 10 м. в открытой местности (для I-го ветрового района [2] ).

Расчётная линейная ветровая нагрузка с наветренной стороны:

Таблица 4. Расчётные значения ветровой нагрузки в зависимости от высоты с наветренной стороны

Высота , м	Коэффициент	Ветровая нагрузка , кН/м
≤ 5	0.5	1.55
10	0.65	2.01
20	0.85	2.63
23.08	0.89	2.75

Расчётная линейная ветровая нагрузка для отсоса:

Таблица 5. Расчётные значения ветровой нагрузки в зависимости от высоты для отсоса

Высота , м	Коэффициент	Ветровая нагрузка , кН/м
≤ 5	0.5	1.16
10	0.65	1.51
20	0.85	1.97
23.08	0.89	2.06

Рисунок 12. Ветровая нагрузка на поперечную раму

Расчёт нижней части колонны

Проверка местной устойчивости стенки подкрановой ветви

, следовательно, местная устойчивость стенки подкрановой ветви обеспечена.

Проверка местной устойчивости полки подкрановой ветви

, следовательно, местная устойчивость полки подкрановой ветви обеспечена.

Проверка местной устойчивости стенки наружной ветви

, следовательно, местная устойчивость стенки подкрановой ветви обеспечена.

Проверка местной устойчивости полки наружной ветви

, следовательно, местная устойчивость полки наружной ветви обеспечена.

Проверка устойчивости ветвей из плоскости поперечной рамы

Подкрановая ветвь:

Наружная ветвь:

Сечению в виде сварного швеллера соответствует тип кривой устойчивости «c».

Проверка устойчивости ветвей в плоскости поперечной рамы

Для принятого сечения подкрановой ветви высота траверсы (см. раздел 3.4).

Из условия равноустойчивости ветвей в плоскости и из плоскости поперечной рамы

Разделив нижнюю часть колонны на 4 панели, получим , что больше значения, получающегося из условия равноустойчивости ветви в плоскости и из плоскости поперечной рамы, поэтому необходимо проверить устойчивость ветви в плоскости поперечной рамы.

Подкрановая ветвь:

Устойчивость подкрановой ветви нижней части колонны в плоскости поперечной рамы обеспечена.

Наружная ветвь:

Сечению в виде сварного швеллера соответствует тип кривой устойчивости «c».

Устойчивость подкрановой ветви нижней части колонны в плоскости поперечной рамы обеспечена.

Расчёт решетки нижней части колонны

Равнополочному уголку при потери устойчивости относительно оси, для которой радиус инерции сечения наименьший, соответствует тип кривой устойчивости «b».

Устойчивость решётки нижней части колонны обеспечена.

Проверка устойчивости сквозной колонны как единого стержня в плоскости рамы

, ,

Для случая, когда более нагружена наружная ветвь ( , )

Для случая, когда более нагружена подкрановая ветвь ( , )

Устойчивость сквозной колонны как единого стержня в плоскости поперечной рамы обеспечена. Устойчивость сквозной колонны из плоскости поперечной рамы проверять не нужно, так как она обеспечена проверкой устойчивости отдельных ветвей.

Подбор сечения балки

Принимаем подкрановую балку симметричного сечения с тормозной конструкцией в виде листа из рифленой стали и швеллера № 36.

Определим требуемый момент сопротивления балки:

, ,

Задаёмся . Оптимальная высота балки:

Минимальная высота балки:

, где

– момент от загружения балки одним краном при ;

для кранов режима работы 5К.

Значение определяется по линии влияния:

Принимаем .

При толщине полок

Из условия среза стенки силой

Принимаем стенку толщиной ; .

Определим размеры поясных листов:

Принимаем пояс из листа сечением ; . Устойчивость пояса обеспечена, так как

Рисунок 28. Сечение подкрановой балки

Проверка прочности балки

Определим геометрические характеристики принятого сечения относительно оси :

В состав тормозной балки входят верхний пояс подкрановой балки, тормозной лист и швеллер № 36. Определим геометрические характеристики тормозной балки относительно оси .

Расстояние от оси подкрановой балки до центра тяжести сечения:

Прочность на действие нормальных напряжений в верхнем поясе (точка А):

Прочность стенки на действие касательных напряжений на опоре обеспечена, т.к. принятая толщина стенки больше определенной из условия среза. Жесткость балки тоже обеспечена, так как принятая высота балки .

Прочность стенки балки от действия местных напряжений под колесом крана:

, , где

– момент инерции рельса КР-120;

– коэффициент для сварных балок.

Проверяем местную устойчивость стенки подкрановой балки. Условная гибкость стенки определяется по формуле:

, поэтому, согласно СНиП II-23-81, необходимо укрепить стенку балки с помощью установки ребер жесткости. При этом расстояние между поперечными ребрами не должно превышать . Установка продольных ребер не требуется, т.к. .

Принимаем шаг между поперечными ребрами жесткости равным 2000 мм. Проверяем на устойчивость стенку в одном из центральных и опорном отсеках, т.к. в них действуют, соответственно, наибольшие нормальные и касательные напряжения. Расчётные усилия, действующие в отсеках, определяем при загружении подкрановой балки кранами по схемам, изображенным на рис. 26, 27. Расчёт представлен в форме табл. 15.

Таблица 15. Расчёт отсеков подкрановой балки

Величина	Отсеки
Величина	Опорный (1)	Центральный (4)
Расчётный момент	1100.0 / 50.9	3556.0 / 164.5
Расчётная перерезывающая сила	1145.0	655.0
	79.0	255.2
	70.2	40.1
Меньшая сторона отсека	1.36	1.36
Большая сторона отсека	2.0	2.0
	1.47	1.47
	4.03	4.03
	129.3	129.3
	87.3	87.3
	1.32	1.32
	1.14	0.35
	6.86	6.86
	1.69	1.69
	55.0	55.0
	880.5	880.5
	185.6	185.6
	16.8	16.8
	1.60	1.60
	55.0	55.0
	880.5	880.5
	430.3	430.3
	0.780	0.821

Рисунок 29. К расчёту отсеков подкрановой балки

В обоих случаях . Следовательно, местная устойчивость стенки подкрановой балки обеспечена.

Проверяем стенку подкрановой балки на совместное действие нормальных, касательных и местных напряжений на уровне верхних поясных швов.

Прочность стенки балки на совместное действие нормальных, касательных и местных напряжений обеспечена.

Библиографический список

Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений / [Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева и др.]; под ред. Ю.И. Кудишина. – 8-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 688 с.
СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. – М., 2011
СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции». Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. – М., 2011