Металлоконструкции
Криворізький Технічний Університет
Кафедра будівельних конструкцій
Металеві конструкції одноповерхової виробничої будівлі
Розрахунково - пояснювальна записка до курсового проекту № 2
керівник: Ковалёв А.Ф.
студент групи ЗПЦБ 94-2 Коновалов С.В.
Кривий Ріг
1999 р.
ЗМІСТ
I. Визначення навантажень і розрахунок рами каркасу одноповерхової будівлі 2
1. Компонування конструктивної схеми рами каркаса............................................................................. 2
2. Визначення розрахункової схеми рами і діючих навантажень........................................................ 3
3. Навантаження від снігу........................................................................................................................................ 4
4. Навантаження від мостових кранів................................................................................................................ 4
5. Навантаження від вітру........................................................................................................................................ 5
6. Розрахунок поперечної рами.............................................................................................................................. 7
II. Розрахунок та конструювання позацентрово-стиснутих одноступінчатих колон 9
1. Підбір перерізу стержня позацентрово-стиснутої ступінчатої колони......................................... 9
2. Визначення розрахункових довжин.............................................................................................................. 9
3. Підбір перерізу верхньої частини колони..................................................................................................... 9
4. Підбір перерізу нижньої частини колони................................................................................................... 13
5. Розрахунок елементів з’єднувальної решітки........................................................................................ 17
6. Перевірка стійкості нижньої частини колони, як єдиного складеного стержня в площині дії моменту 18
7. З’єднання верхньої та нижньої частини колони................................................................................... 19
8. База колони............................................................................................................................................................. 22
III. Розрахунок підкранової балки............................................................................................................. 24
1. Навантаження на підкранову балку........................................................................................................... 24
2. Визначення розрахункових зусиль:............................................................................................................. 24
3. Підбір перерізу балки............................................................................................................................................ 25
4. Перевірка міцності перерізу............................................................................................................................. 26
IV. Розрахунок та конструювання кроквяних ферм................................................................. 27
1. Збір навантажень на ферму.............................................................................................................................. 27
2. Визначення розрахункових зусиль.............................................................................................................. 28
3. Підбір перерізів елементів ферми................................................................................................................... 30
4. Розрахунок зварних швів кріплення розкосів і стояків до фасонок і поясів ферми.............. 31
5. Розрахунок і конструювання вузлів ферми.............................................................................................. 31
Література...................................................................................................................................................................... 35
I. Визначення навантажень і розрахунок рами каркасу одноповерхової будівлі
1. Компонування конструктивної схеми рами каркаса
Визначаємо розмір H2.
 |
що кратне 200 мм;
Висота цеху від рівня полу до низу кроквяних ферм:
 |
Найближчий розмір Ho, кратний 600 мм є 21600;
Приймаємо Hо =21600 мм;
 |
Прийнявши висоту підкранової балки і кранової рейки визначаємо висоту верхньої частини колони:
 |
Висота нижньої частини колони:
 |
Повна висота колони
Висоту ферми на опорі приймаємо Hф = 2250 мм без ліхтаря.
Так як необхідно забезпечити прохід в тілі колон для обслуговування кранів, то ширину перерізу верхньої частини колони приймаємо hв = 450 мм; що більше ніж
 |
В межах висоти ферми переріз призначаємо 350 мм, (прив’язка зовнішньої грані колони до розбивочної осі прийнята а = 250 мм).
 |
Установлюємо висоту перерізу нижньої частини колони, з урахуванням вільного пересування крана вздовж цеху
Приймаємо l1 = 750 мм;
 |
Ширина перерізу нижньої частини колони
 |
Проліт мостового крана:
Переріз верхньої частини приймаємо суцільним, а нижньої – наскрізним.
2. Визначення розрахункової схеми рами і діючих навантажень
Обчислимо величину навантаження на 1 м2з використанням табл.1
Коефіцієнт g= 0,95
Таблиця 1- Навантаження на 1 м2
| Склад покриття | Нормативне навантаж., кПа | Коефіцієнт | Розрахункове навантаж., кПа |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
1. Захисний шар (бітумна мастика з втопленим гравієм) t = 20 мм | 0,4 | 1,3 | 0,52 |
| 2. Гідроізоляція з трьох шарів руберойду на мастиці | 0,15 | 1,3 | 0,195 |
3. Утеплювач і щільного пенопласту g = 0,5 кН/м3; t = 50 мм | 0,03 | 1,2 | 0,036 |
| 4. Пароізоляція із шару руберойду | 0,05 | 1,2 | 0,06 |
| 5. Стальний каркас комплексної панелі з профільованим настилом | 0,3 | 1,05 | 0,315 |
| 6. Власна вага кон-ій (ферми, в’язі) | 0,45 | 1,05 | 0,47 |
Разом | gnпок=1,38 | g пок=1,6 |
 |
Розрахункове рівномірно розподілене навантаження на ригель рами
 |
Опорна реакція ригеля на рами
 |
Розрахункова вага верхньої частини колони
 |
Розрахункова вага нижньої частини колони
 |
Розрахункова вага стінового заповнення, яка припадає на верхню частину колони
 |
Розрахункова вага стінового заповнення, яка припадає на нижню частину колони
 |
Загальна вага стінового заповнення і власної ваги колони для верхньої і нижньої частини
3. Навантаження від снігу
Для м. Львова (I сніговий район) величина снігового навантаження S0 = 0,5 кПа; коефіцієнти g1s = 1,4; m = 1 (a ≤ 0 ≤ 25°)
 |
Розрахункове значення лінійного рівномірного навантаження від снігу
 |
Опорна реакція ригеля рами від снігового навантаження:
4. Навантаження від мостових кранів
Для крану з гнучким підвісом вантажу при Q = 50/10 т;
F1к, max = 470 кН; F2к, max = 0; Gкр = 685 кН; Gm = 180 кН; 0 = 2; В2 = 6760 мм; к = 5250 мм; gfк = 1,1; gfg = 1,05; yк = 0,85; gпб = 4,5 кН/м.
1 / 12000 = y1 / 5240 y1=0,437
1 / 12000 = y2 / 10490 y2=0,874
1 / 12000 = y3 / 6750 y3=0,563
 |
Сума ординат лінії впливу:
 |
Розрахункове вертикальне навантаження на колону
 |
Мінімальна величина вертикального тиску на колесо
 |
Розрахункове мінімальне навантаження на колону:
 |
Нормативне значення сили гальмування візка крана
 |
Горизонтальний тиск на колесо крана
 |
Розрахункове горизонтальне навантаження на колону:
5. Навантаження від вітру
Визначаємо величину навантаження від вітру на раму. Тип місцевості В.
Нормативне значення вітру для м. Львів w0 = 0,38 кПа (III вітровий район);
Розрахункове значення активного тиску вітру, в кН/м на характерних відмітках:
-
 |
на висоті 5 м
-
 |
на висоті 10 м
-
 |
на висоті 20 м
-
 |
на висоті 21,6 м
-
 |
на висоті 25 м
 |
Величина згинаючого моменту в колоні від активного тиску вітру, як в стояку з защемленим нижнім кінцем і вільним верхнім.
 |
Величина еквівалентного активного і пасивного рівномірно розподіленого навантаження на раму:
 |
Розрахункове значення активної і пасивної складової зосередженої навантаження від вітру:
6. Розрахунок поперечної рами.
Визначаємо співвідношення моментів інерції елементів рами.
 |
Момент інерції ригеля:
 |
Момент інерції нижньої частини колони
Момент інерції верхньої частини колони:
Якщо прийняти Iв = 1, то Iн = 7,9; Iр = 22,91;
Розрахунок рами виконано на комп’ютері. Розрахунок колони виконуємо після знаходження найбільш несприятливих сполучень зусиль M і N
| 4-4 | Q | 12 | -10,9 | -2,6 | -2,34 | -18,0 | -16,2 | 18,0 | -16,2 | ±16,2 | ±14,58 | ±12,1 | ±10,89 | 87,6 | 78,84 | 76,6 | 68,4 | 1,5 | 76,7 | 1,3*,4,5 | 98,72 | 1,3,4 | -45,1 | 1,2,3,4 | -44,02 | |
| N | 11 | -487,5 | -96,2 | -86,58 | -838,7 | -754,83 | -267,2 | -240,48 | ±3,6 | ±3,24 | ±3,6 | ±3,24 | 14,1 | 12,69 | -14,1 | -12,69 | 1,5* | -501,6 | 1,2,3*,4,5* | -830,49 | 1,5 | -473,4 | 1,3,4,5 | -1232,9 | ||
| M | 10 | +108,3 | +35,4 | +31,86 | 3,4 | 3,06 | 209,0 | +188,1 | ±242,4 | ±218,16 | ±204,1 | ±183,69 | -895,3 | -805,77 | +844,1 | +759,69 | 952,2 | 1306,11 | -787,2 | -912,77 | ||||||
| 3-3 | N | 9 | -452,3 | -96,2 | -86,58 | -838,7 | -754,83 | -267,2 | -240,48 | ±3,6 | ±3,24 | ±3,6 | ±3,24 | 14,1 | 12,69 | -14,1 | -12,69 | - | - | - | - | 1,3,4 | -1294,6 | 1,2,3,4,5* | -1309,64 | |
| M | 8 | -81,7 | -9,0 | -8,1 | -308,9 | -78,01 | -103,3 | -92,97 | ±39,1 | ±35,19 | ±5,9 | ±5,31 | 80,1 | 72,09 | -65,5 | -58,95 | - | - | - | - | -429,7 | -461,95 | ||||
| 2-2 | N | 7 | -398,3 | -96,2 | -86,58 | 3,5 | 3,15 | -3,5 | -3,15 | ±3,6 | ±3,24 | ±3,6 | ±3,24 | 14,1 | 12,69 | -14,1 | -12,69 | 1,3,4 | -398,4 | 1,3,4,5 | -379,22 | 1,5* | -412,4 | 1,2,5* | -497,6 | |
| M | 6 | -54,7 | -35,1 | -31,59 | 112,2 | 100,98 | 28,6 | 25,74 | ±39,1 | ±35,19 | ±5,9 | ±5,31 | 80,1 | 72,69 | -65,5 | -58,95 | 96,6 | 153,56 | -120,2 | -145,24 | ||||||
| 1-1 | N | 5 | -391,6 | -96,2 | -86,58 | 3,5 | 3,15 | -3,5 | -3,15 | ±3,6 | ±3,24 | ±3,6 | ±3,24 | 14,1 | 12,69 | -14,1 | -12,69 | 1,5 | -378,91 | 1,3,4*,5 | -379,01 | 1,5* | -405,7 | 1,2,3*,4*,5* | -497,3 | |
| M | 4 | -111,8 | -48,8 | -43,56 | 18,2 | 16,38 | -65,4 | -58,86 | ±18,3 | ±16,47 | ±69,2 | ±62,28 | 159,9 | 143,9 | -178,6 | -160,74 | 48,1 | 110,77 | -290,4 | -437,24 | ||||||
| y | 3 | 1 | 1 | 0,9 | 1 | 0,9 | 1 | 0,9 | 1 | 0,9 | 1 | 0,9 | 1 | 0,9 | 1 | 0,9 | 1 | 0,9 | 1 | 0,9 | ||||||
| Навантаження та комбінація зусиль | 2 | Постійне | Від снігу | на лівий стояк | на правий стояк | на лівий стояк | на правий стояк | зліва | справа | навант. | зусил. | навант. | зусил. | навант. | зусил. | навант. | зусил. | |||||||||
| Dmax | Т | Вітер | + Mmax Nвідп | - Mmax Nвідп | ||||||||||||||||||||||
№ n/n | 1 | 1 | 2 | 3 | 3* | 4 | 4* | 5 | 5* | |||||||||||||||||
1. Підбір перерізу стержня позацентрово-стиснутої ступінчатої колони
Розрахункові зусилля для верхньої частини колони:
N1-1 = –497,3 кН; M1-1 = –437,24 кН×м; Q = 67,5 кН; M2-2 = –84,34 кН×м.
Розрахункові зусилля для нижньої частини колони:
N4-4 = –1232,9 кН; M4-4 = –912,77 кН×м;
(згинаючий момент довантажує підкранову гілку)
N4-4 = –1344,24 кН; M4-4 = 1128,87 кН×м.
(згинаючий момент завантажує зовнішню гілку колони).
Q = 98,72 кН;
Довжина нижньої частини колони l1 = 1737 см;
Довжина верхньої частини колони l2 = 523 см;
Співвідношення моментів інерції перерізів колони I2/I1 = 1/8;
Матеріал колони – сталь С235; Ry = 23 кН/см2(для товщин від 2 до 20 мм)
2. Визначення розрахункових довжин
 |
Визначаємо співвідношення погонних жорсткостей для верхньої та нижньої частини колони:
 |
і коефіцієнт
В залежності від a1та 1 визначаємо коефіцієнти m1 = 1,8. Обчислюємо
m2 = m1 /a1 = 1,8 / 0,518 = 3,47 > 3,0;
Приймаємо m1 = 1,8; m2 = 3,0.
Розрахункові довжини колони в площині рами:
lx1 = m1×l1 = 1,8×1737 = 3127 см;
lx2 = m2×l2 = 3×523 = 1569 см;
Розрахункові довжини колони із площини рами ly1 = l1 = 1737;
ly2 = l2 – hп.б = 523 – 130 = 393 см.
3. Підбір перерізу верхньої частини колони
Визначаємо розрахунковий ексцентриситет
lx = M / N = 43724 / 497,3 = 87,9 см;
За умови достатньої жорсткості
h2 ³ l2 / 12 = 523 / 12 = 43,58 см;
Таким чином приймаємо h2 = 45 см.
Для визначення необхідної площі перерізу установимо попередні значення:
ix = 0,42×h2 = 0,42×45 = 18,9 ≈ 19 см;
 |
rx ≈ 0,35×h2 = 0,35×45 = 15,8 ≈ 16 см;
h
 |  | ||
= 1,25; mef = h×mx = 1,25×5,57 = 6,96 ≈ 7; jl = 0,1525.
 |
Необхідна площа перерізу:
Компонуємо переріз верхньої частини колони:
- висота стінки: hw = h2 – 2×tf = 45 – 2×1,8 = 41,4 см; (попереднє значення товщини полиць).
 |
За умови місцевої стійкості
luw = 1,3 + 0,15×lx2 = 0,13 + 0,15×2,762 = 2,44;
41,4 / 0,8 = 51,75 £ 73, тобто товщина стінки, при якій забезпечена її місцева стійкість: tw ³ 41,4 / 73 = 0,59 см; Приймаємо tw = 8 мм;
 |
Приймаємо переріз полиці колони 300х18 мм, з площею Af = 54 см2.
Перевіримо забезпеченість місцевої стійкості полиці
тобто місцева стійкість полиці забезпечена.
Визначаємо геометричні характеристики перерізу верхньої частини колони
A = 2×f×tf + hw×tw = 2×30×1,8 + 0,8×41,4 = 141,12 см2.
 |
Момент інерції перерізу
см4
 |
Момент опору:
 |
Ядрова відстань:
 |
Радіус інерції перерізу:
 |
Гнучкість в головних площинах:
 |
Перевіряємо стійкість верхньої частини колони в площині дії згинаючого моменту
момент опору для найбільш стиснутого волокна W = Wx;
 |
Відносний ексцентриситет
Приведений відносний ексцентриситет:
 |  | ||
mef = h × mx = 1,35×5,1 = 6,9; де
 |
По таб. СНіПа в залежності від умовної гнучкості lx і приведеного відносного ексцентриситету mef, визначаємо коефіцієнти зниження розрахункового опору при позацентровому стиску: jl = 0,158
тобто стійкість верхньої частини колони в площині дії моменту забезпечена.
 |
Процент розходження становить:
що допустимо.
Перевіряємо стійкість верхньої частини колони із площини дії моменту
ly = 52,4; jy = 0,832;
 |
Максимальний момент в межах середньої третини довжини верхньої частини колони:
По модулю Mx = 349 кН×м > Mmax/2 = 437,24/2 = 218,62 кН×м.
 |
Відносний ексцентриситет:
 |
так як значення mx < 5, значення коефіцієнту c визначаємо за формулою:
 |
значення jс прийнято
 |
Напруження в стержні при згинально-крутильній формі втрати стійкості
Таким чином стійкість стержня із площини дії моменту забезпечена.
 |
Для перевірки місцевої стійкості стінки при втраті стійкості із площини дії моменту визначаємо стискаючі напруження на межі стінки і полиці, і протилежному краю стінки
 |
так як a> 1, то повинна виконуватися умова
Після підстановки маємо
 |
Так як
то поперечні ребра жорсткості не потрібні.
4. Підбір перерізу нижньої частини колони
Так як висота перерізу нижньої частини колони
h1 = l1 + a = 750 + 250 = 1000 мм < ніж (l1 + l2)/20 = 1130 мм; то приймаємо
h1 = 1250 мм; тоді висота перерізу нижньої частини колони h = 1000 мм.
Установлено, що N1 = N4-4 = –1232,9 кН і M1 = M4-4 = –912,77 кН×м - довантажує підкранову гілку колони, а N2 = N4-4 = –13442,84 кН;
M2 = M4-4 = 1120,87 кН×м - довантажує зовнішню гілку колони.
Визначаємо орієнтовне положення центру ваги перерізу, попередньо прийнявши yc = 4 см;
 |
ho = h1 – yc = 125 – 4 = 121 см;
yв2 = ho – yв1 =121 – 67 = 54 см;
 |
Попереднє значення Розрахункових зусиль в гілках колони:
 |
Максимальне зусилля в зовнішній гілці колони
Виконуємо попередній підбір перерізу гілок колони. Для підкранової гілки колони приймаємо j = 0,814; (l = 60), звідки необхідна площа перерізу
 |
Проектуємо двутавр з розмірами в = 60 см, що не менший ніж
 |
Граничне відношення, яке забезпечує місцеву стійкість:
Прийнявши товщину полиць tf = 1,6 см; визначаємо фактичне відношення
hw/tw = 568/12 = 47,3, що менше граничного, звідки випливає, що місцева стійкість стінки з tw= 1,2 см забезпечена.
 |
Необхідна площа полиці
У випадку мінімальних розмірів полки приймаємо мінімально допустимий переріз гілки.
 |
hw/tw = 580/8 = 72,5 > 56,6;
 |
За умови забезпечення місцевої стійкості
Так як місцева стійкість стінки не буде забезпечуватися, частина стінки буде виключена з роботи, а загальна площа буде зменшена на величину (hw - hred)×tw
 |
k = 1,2 + 0,15×l2 =1,2 + 0,15×1,982 =1,788;
luw = 1,3 + 0,15×l2 =1,3 + 0,15×1,982 =1,888;
 |
Визначаємо геометричні характеристики прийнятого перерізу:
 |
Моменти інерції відносно центральних осей
 |
Радіуси інерції
 |
Попереднє значення площі зовнішньої гілки колони
Для зручності кріплення елементів решітки відстань між внутрішніми гранями полиць двутавра і складеного швелера приймаємо однаковими (580 мм). Товщину стінки швелера для зручності її з’єднання стиковим швом з полицею надкранової частини колони приймаємо рівною 18 мм; а висоту стінки за умови розміщення зварних швів sh = 620 мм.
 |
Необхідна площа полиць
від’ємної площі полиць, і з огляду на те, що площа зовнішньої гілки дорівнює приблизно площі внутрішньої гілки, то зовнішню гілку приймаємо у вигляді також двутавра. Уточнюємо положення центру ваги перерізу нижньої частини колони:
 |
ho = h1 – yc = 1250 – 100 = 1150 = 115 см;
yb1 = 115 – 49,6 = 65,4 см.
Перевіряємо стійкість гілок колон з площини рами
 |
Підкранова гілка
 |
Недонапруження
що допустимо.
 |
Зовнішня гілка
Збільшуємо товщину полиць зовнішньої гілки колони до 16 мм; тоді
 |
tf = 16 мм; w = 56,8 см; hred = 44,59;
 |
Радіуси інерції:
 |
Для зовнішньої гілки:
 |
За умови рівностійкості підкранової колони в площині і із площини рами визначимо необхідну відстань між вузлами решітки:
Приймаємо l = 235 см, попередньо розділивши нижню частину колони на ціле число панелей.
l = (l1 – htr –10 см) = (1737 – 80 – 10)/7 = 235 см;
htr = (0,5…0,8)×h1 = (0,5…0,8)×115 = 57,5…92,
приймаємо htr = 80 см;
Перевіряємо стійкість гілок нижньої частини колони в площині рами відносно осей x1-x1 i x2-x2
Підкранова гілка
 |
Зовнішня гілка
5. Розрахунок елементів з’єднувальної решітки
 |
Величина умовної поперечної сили
таким чином розрахунок ведемо на Qmax.
 |
Зусилля в розкосі при розташуванні решітки в двох площинах:
 |
Приймаємо ld = 100; для якої j = 0,560, звідки необхідна площа розкосу
 |
Приймаємо Ð 70x6 для якого Ad = 8,15 см2; imin = 2,15 см;
 |
Напруження в розкосі
6. Перевірка стійкості нижньої частини колони, як єдиного складеного стержня в площині дії моменту
 |
Геометричні характеристики перерізу
 |
Моменти інерції
 |
Радіус інерції
 |
Гнучкість
Приведена гнучкість
 |
Умова приведеної гнучкості
Для комбінації зусиль, довантажуючих зовнішню гілку (переріз 4-4)
 |
M = 1120,87 кН×м; N = 1344,84 кН;
 |
Для комбінації зусиль, довантажуючих підкранову гілку (переріз 4-4)
 |
M = -912,77 кН×м; N = 1232,9 кН;
7. З’єднання верхньої та нижньої частини колони
Розрахункова комбінація зусиль в перерізі над уступом (переріз 2-2)
1) M = 153,56 кН×м; N = -385,7 кН;
2) M = -154,59 кН×м; N = -503,96 кН;
Тиснення мостових кранів Dmax = 842,204 кН;
Міцність стикового шва (шов 1) перевіряємо по нормальним напруженням в крайніх точках надкранової частини колони по першій комбінації зусиль
M і N
-
 |
зовнішня полиця
-
 |
внутрішня полиця
По другій комбінації зусиль
-
 |
зовнішня полиця
-
 |
внутрішня полиця
 |
Товщину стінки траверси визначаємо за умови зім'яття при товщині опорної плити tpl = 30 мм
де lef= d+2×tpl = 380 + 2×30 = 440 мм.
Приймаємо товщину стінки траверси 1см;
 |
Максимальне зусилля, яке припадає на внутрішню полицю (друга комбінація зусиль)
Приймаємо напівавтоматичне зварювання дротом СВ-08А;
d = 1,4…2 мм; f = 0,9; z = 1,05; Rwf = 18 кН/см2;
Rwz = 0,45×