Стальной каркас одноэтажного промышленного здания

Курсовой проект

На тему:

«Стальной каркас одноэтажного промышленного здания»

1.1 Данные для проектирования

Место строительства: г. Самара;

Наименование цеха: цех сборочный;

Тип здания: отапливаемое;

Пролет L= 18 м;

Длина l= 96 м;

Высота отметки головки подкранового рельса: Н₁=14,4 м;

Грузоподъемность крана: Q=1000 кН;

Сталь подкрановых конструкций: С345;

Группа режимов работы кранов: 3К;

Вид сечения элементов фермы: ШТ.;

Сталь фермы: С255;

Вид кровли: без прогонов;

Сталь колонны: С245.

1.2 Характеристики мостового крана

Рис. 1. Мостовой кран Q=100 т

Для кранов с грузоподъемностью

100 т. при пролете здания 18 м: Н_к=3700 мм;

В₁=400 мм;

В₂=9350 мм;

К=4600 мм.

Максимальное давление на колеса: F_n1=410 кН;

F_n2=450 кН;

Вес тележки: G_т=410 кН;

Вес крана с тележкой: G_к= 1250 кН;

Тип кранового рельса: КР-120;

Высота рельса: h_р=170 мм;

Высота подкрановой балки: h_б=1500 мм.

2.1 Разбивка сетки колонн

Согласно требованиям унификации, шаг колонн однопролетных зданий принимают равным 6 или 12 м. Это определяется сравнением параметров. Опыт показывает, что для зданий пролетом 30 и более м. и с высотой 14 и более м., с кранами грузоподъемностью более 50–75 т. экономичнее оказывается шаг 12 м. Принимаем шаг колонн равным 12 м. Колонны у торцов здания смещаем с модульной сетки внутрь на 500 мм. для удобства оформления углов стандартными ограждающими элементами. Для здания данной протяженности (96 м.) и категории (отапливаемое) температурный шов не требуется.

Рис. 2. Разбивка сетки колонн

2.2 Компоновка поперечной рамы здания

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных (габаритных) размеров элементов конструкций в плоскости рамы. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая ее нулевой. Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Все размеры принимают в соответствии с основными положениями по унификации. Сначала целесообразно установить вертикальные размеры.

Вертикальные габариты здания зависят от технологических условий производства. Они определяются расстоянием от уровня пола до головки кранового рельса Н₁=14,4 м и расстоянием от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия Н₂. В сумме размеры Н₁ и Н₂ определяют полезную высоту цеха H₀.

Размер Н₂ диктуется высотой мостового крана:

,

где H_K + 100 мм – габаритный размер от головки рельса до верхней точки тележки крана (3700 мм, см. стр. 530 (2)) плюс установленный по требованиям техники безопасности зазор между этой точкой и строительной конструкциями, равный 100 мм;

f – размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия (ферм, связей), принимаемый равным 200¸400 мм, в зависимости от величины пролета.

В нашем случае L = 18 м, принимаем f = 200 мм;

Тогда Н₂ = (3700 мм + 100 мм) + 200 мм = 4000 мм.

Далее устанавливаем высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм:

Н₀=14400 мм + 4000 мм=18400 мм;

В соответствии с «Основными положениями по унификации» высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм Н принимаем до высоты 10,8 м кратной 1,2 м, а при большей высоте кратно 1,8 м: Н₀ = 19,8 м.

Уточняем размер H₁: H₁=H₀ – H₂=19,8 – 4,0 = 15,8 м.

Высота верхней части колонны H_B:

где h_б – высота подкрановой балки, которая предварительно принимается  1/8¸1/10 пролета балки;

h_р – высота кранового рельса – 170 мм. Принимаем .

H_B=1500 мм + 170 мм + 4000 мм = 5670 мм

Размер нижней части колонны:

где Н_загл = (600¸1000) мм – обычно принимаемое заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола.

H_н=19800 мм – 5670 мм + 800 мм = 14930 мм;

Общая высота колонны рамы:

H = 5670 мм + 14930 мм =20600 мм;

Высота фермы зависит от принятой конструкции стропильных ферм и принимается h_оп=2250 мм – для ферм пролетом 18 и 24 метров.

Исходя их того, что в здании используется мостовой кран Q = 100 т и группа режимов работы кранов 3К принимается привязка наружной грани колонны а = 500 мм. Принимаем высоту верхней части ступенчатой колонны h_В = 700 мм (исходя из того, что привязка а = 500 мм), что удовлетворяет условию:

При назначении высоты нижней части ступенчатой колонны необходимо учесть, что для того чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее:

;

где B₁ = 400 мм;

l₁=400 мм + (700 мм – 500 мм) + 75 мм = 675 мм.

Принимаем l₁=750 мм (кратно 250 мм).

Ось подкрановой ветви колонны обычно совмещают с осью подкрановой балки, тогда должно выполняться условие:

h_н = 750 мм + 500 мм=1250 мм;

Высота нижней части составной колонны должна удовлетворять условию:

Пролет мостового крана:

2.3 Выбор схемы связей

Вертикальные связи между колоннами каркаса в продольном направлении обеспечивают жесткость и неизменяемость каркаса здания в продольном направлении от воздействия продольных нагрузок; ветровых – на торцевые стены здания и тормозных сил от мостовых кранов. Также эти связи служат для обеспечения устойчивости колонн.

Рис. 3. Связи по колоннам

Связи нижнего яруса следует располагать ближе к середине здания или температурного блока для того, чтобы обеспечить свободу температурных деформаций продольных элементов и избежать дополнительных температурных напряжений, которые могут быть весьма значительны и ведут к повреждению конструкций.

Верхние вертикальные связи ставят в тех же осях, что и нижние. Иногда для повышения жесткости каркаса верхние связи 2 ставят в торцах здания или температурного блока, т. к. небольшая жесткость надкрановой части колонн незначительно влияет на температурные напряжения. В пределах высоты стропильных ферм в связевом блоке и по торцам здания ставят связи 3, которые идут на монтаж в виде готовой связевой фермы. В остальных местах колонны соединяются распорками.

Рис. 4. Связи по верхнему поясу ферм

Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают:

· устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм;

· перераспределение местных нагрузок (например, крановых), приложенных к одной из рам, на соседние рамы;

· удобство монтажа;

· заданную геометрию каркаса;

· восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

Рис. 5. Связи по нижнему поясу ферм

Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей.

2.4 Компоновка фасада. Выбор элементов ограждения

Рис. 6. Компоновка фасада

В качестве ограждающих конструкций выбираем типовые плиты длиной 12 м вдоль длиной части фасада, длиной 6 м вдоль короткой части фасада. Плиты продольной части фасада крепятся на колонны. Плиты поперечной части фасада крепятся на фахверковые колонны двутаврового профиля.

3.1 Определение расчетных усилий

Рассмотрим различные варианты положения крана на подкрановой балке для определения наиболее невыгодного загружения:

Рис. 7. Варианты загружения подкрановой балки

Заметим, что некоторые варианты симметричны друг другу, будем рассматривать вариант №3.

Для крана грузоподъемностью Q=100 т принимаем данные для расчета:

Расчетное вертикальное давление колес крана:

где γ_n=0,95 – коэффициент надежности по назначению;

γ_f=1,1 – коэффициент надежности по нагрузки;

ψ=0,85 (при учете 2-х кранов группы режима работы 3К) – коэффициент сочетания;

k_F=1,0 (при шаге колонн 12 м и группе режима работы 3К) – коэффициент динамичности;

F_n1= 410 кН; F_n2 = 450 кН – нормативное вертикальное давление колеса крана (см. стр. 530 (2));

Равнодействующая вертикальных расчетных давлений колес:

Плечо равнодействующей силы:

Рис. 8. Расчетная схема загружения подкрановой балки

Установка будет расчетной, если ближайшее к равнодействующей колесо будет являться критическим грузом:

где a, b – расстояние от опор до критического груза;

F_cr – проверяемый критический груз;

R_a = 364,18 кН + 399,71 кН = 763,89 кН – равнодействующая всех грузов, расположенных слева от критического;

R_b = 2·399,71 кН = 799,42 кН – равнодействующая всех грузов, расположенных справа от критического.

Условие выполняется, следовательно, принятая схема загружения является расчетной.

Определяем ординату линии влияния изгибающего момента для сечения под критическим грузом:

Далее строим линию влияния изгибающих моментов, и остальные ординаты получаем графически.

Рис. 9. Линия влияния изгибающего момента

Расчетный изгибающий момент от вертикальной нагрузки:

Расчетный изгибающий момент от горизонтальной нагрузки:

Здесь  – расчетное горизонтальное давление колес крана;

Нормативное горизонтальное давление колес крана:

где Q = 1000 кН – грузоподъемность крана;

G_Т = 410 кН – вес тележки крана;

n₀ = 4 – число колес крана по одну сторону;

f = 0,05 (для кранов с гибким подвесом) – коэффициент трения.

Расчетное горизонтальное давление колес крана:

Наибольшая поперечная сила Q_max в разрезной балке будет при таком положении нагрузки, когда одна из сил находится непосредственно у опоры, а остальные расположены как можно ближе к этой же опоре.

Рис. 10. Линия влияния поперечной перерезывающей силы

Максимальная поперечная перерезывающая сила от вертикальных нагрузок:

где a = 1,05 (для балки l = 12 м) – коэффициент, учитывающий вес подкрановой балки и полезную нагрузку от тормозной балки.

3.2 Подбор сечения подкрановых конструкций

Вначале подберем сечение подкрановой балки. Требуемый момент сопротивления сечения подкрановой балки:

где b – коэффициент, учитывающий изгиб конструкции в 2-х плоскостях;

γ_с = 1 – коэффициент условий работы конструкции;

R_y= 30 кН/см² – для стали С345, для листового широкополосного универсального проката толщиной 20¸40 мм.

где  – предварительная высота подкрановой балки;

h_T = 1250 мм – ширина тормозной конструкции, предварительно принимается равной ширине нижней части колонны h_н.

Минимальная высота подкрановой балки:

Е= 2,06·10⁵ МПа – модуль упругости прокатной стали;

l = 12 м – длина подкрановой балки;

 (для кранов группы режима 3К) – предельный относительный прогиб подкрановой балки;

М_n – нормативный изгибающий момент от загружения балки одним краном. Определяем М_n аналогично М_х:

Рис. 11. Расчетная схема загружения подкрановой балки нормативной вертикальной нагрузкой

Определяем ординату линии влияния изгибающего момента для сечения под критическим грузом:

Далее строим линию влияния изгибающих моментов, и остальные ординаты получаем графически.

Минимальная высота подкрановой балки:

Оптимальная высота подкрановой балки:

где l_w = 120 – гибкость стенки (принята предварительно).

 Þ принимаем высоту подкрановой балки h = 130 см, что больше h_min= 95,63 см.

Определяем толщину стенки подкрановой балки из 2-х условий:

1) Условие на срез:

где R_s = 0,58R_y = 0,58·30 кН/см² = 17,4 кН/см²;

h_w = h – 2t_f =130 см - 2.2 см = 126 см – высота стенки подкрановой балки;

t_f = 2 см – толщина поясов подкрановой балки (принята предварительно).

2) Условие местной устойчивости без продольных ребер:

Принимаем толщину стенки подкрановой балки t_w=1 cм.

Требуемый момент инерции подкрановой балки:

Проектируем пояса подкрановой балки.

Требуемый момент инерции двух поясов подкрановой балки:

Требуемая площадь пояса подкрановой балки:

h_f = 130cм - 2 см = 128cм.

Принимаем толщину пояса подкрановой балки t_f = 2 см.

Тогда, требуемая ширина пояса подкрановой балки:

Принимаем ширину поясов подкрановой балки b_f = 40 см.

Проверка условия местной устойчивости сжатого пояса:

Условие выполняется.

Производим компоновку всего сечения подкрановой конструкции с учетом тормозной балки и определяем положение центра тяжести подкрановой конструкции.

Принимаем тормозную балку из швеллера №30 и рифленого листа толщиной t_рл= 8 мм.

Ширина рифленого листа:

В нормах принято, что вертикальные нагрузки воспринимает только подкрановая балка, поэтому ось Х будет проходить через центр тяжести подкрановой балки. Если подкрановая балка симметричная, то ось Х проходит посередине. Горизонтальные нагрузки воспринимает только тормозная балка, которая состоит из трех элементов: верхнего пояса, рифленого листа и поддерживающего швеллера. Ось У будет проходить через центр тяжести тормозной балки.

Находим центр тяжести подкрановой конструкции:

Рис. 12. Компоновка поперечного сечения подкрановой конструкции

Определим геометрические характеристики скомпонованного сечения. Относительно оси Х определяем только характеристики подкрановой балки.

Относительно оси Y определяем характеристики тормозной балки:

3.3 Проверка прочности и жесткости подкрановых конструкций

Рис. 13. Эпюра нормальных напряжений в подкрановой конструкции

Верхний пояс работает одновременно на изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскости, поэтому прочность в т. А по нормальным напряжениям:

Далее проверяем наружный пояс тормозной балки в точке В.

Тормозная балка воспринимает следующие нагрузки:

1) Временная полезная нагрузка:

где g_f = 1,2 – коэффициент надежности по нагрузке;

P_0n=2 кН/м² – нормативная временная нагрузка, задаваемая технологами.

2) Нагрузка от собственного веса настила:

3) Нагрузка от собственного веса швеллера:

Рис. 14. Вертикальные нагрузки на тормозную балку

Расчетную нагрузку на швеллер определяем как реакцию на левую опору условной расчетной схемы:

Определим изгибающий момент в швеллере:

Проверим прочность швеллера по нормальным напряжениям в точке В:

Проверим жесткость швеллера (по нормативным нагрузкам):

Здесь

Проверим прочность подкрановой балки на опоре по касательным напряжениям:

Здесь  – статический момент полусечения балки.

Проверим прочность стенки подкрановой балки по местным напряжениям от давления колес крана:

где g_f1=1,1 (для группы режима кранов 3К) – дополнительный коэффициент надежности по нагрузке;

F'_k – расчетное вертикальное давление колеса крана без учета коэффициента динамичности;

где g_n = 0,95 – коэффициент надежности по назначению;

g_f = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке;

F_nmax= 450 кН – нормативное вертикальное давление колеса крана.

 – условная длина распределения местного давления колес крана.

где с=3,25 – коэффициент для сварных балок;

I_f1 – сумма собственных моментов инерций верхнего пояса балки и кранового рельса:

здесь I_р = 4923,79 см⁴ – момент инерции кранового рельса КР-120 (ГОСТ 4121–76).

 – условие выполняется.

Проверка жесткости подкрановой балки от действия одного крана:

где М_n = 280837,1 кН.см – нормативный изгибающий момент от загружения балки одним краном.

 – для режимов работы 1К¸6К.

 – условие выполняется.

3.4 Проверка общей устойчивости подкрановой балки

При наличии тормозной балки считается, что общая устойчивость обеспечена и проверка не требуется.

3.5 Проверка местной устойчивости элементов подкрановой балки

Устойчивость верхнего сжатого пояса подкрановой балки будет обеспечена, если выполняется условие:

Для проверки устойчивости стенки определим ее условную гибкость:

>2,2 – требуется укрепить стенку поперечными ребрами жесткости.

Принимаем ширину поперечных ребер

 – принимаем толщину t_r=8 мм. Ребра приваривают только к стенке подкрановой балки швами с минимальным конструктивным катетом. К верхнему и нижнему поясу ребра не привариваются.

Рис. 15. К расчету на местную устойчивость

По длине балки ребра ставятся по аналогии с типовыми проектами с шагом 1,5 м.

Рис. 16. Схема загружения расчетного отсека

Каждый отсек стенки подкрановой балки проверяется на местную устойчивость по формуле:

Находим расчетные отсеки:

Опорная реакция:

Находим средние значения поперечной силы и изгибающего момента:

Здесь  – коэффициент, учитывающий собственный вес конструкций при пролете 12 м.

Находим нормальные и касательные напряжения:

Коэффициент :

где =0,8.

Т.к.  и

,

где  – отношение большей стороны пластинки (отсека) к меньшей;

где d=h_w=126 см – меньшая из сторон отсека.

Здесь

Местная устойчивость сжатого пояса и стенки балки обеспечена.

3.6 Расчет поясных швов

Поясные швы, которыми верхний пояс крепится к стенке, воспринимают одновременно сдвигающие усилия от изгиба балки и сосредоточенные усилия от давления колес крана. Сварка – автомат под слоем флюса. Проволока Св-10НМА. R_wf = 240 МПа; - коэффициенты, учитывающие глубину провара;

По конструктивным соображениям принимаем k_f = 6 мм.

Нижний пояс воспринимает усилие сдвига:

По конструктивным соображениям принимаем k_f = 6 мм.

3.7 Проектирование опорного ребра подкрановой балки

При шарнирном соединении опорная реакция передается с балки на колонну через опорные ребра, которые ставятся в торце балки. Опорные ребра надежно прикрепляют к стенке балки сварными угловыми швами, а торцы строгают.

Размеры опорных ребер находятся из расчета на смятие их торцевой поверхности опорной реакцией балки V:

где V=Q_х = 1266,31 кН;

R_p = R_u = 450 МПа расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности.

Задаемся шириной опорного ребра b_d = 40 см. Тогда толщина опорного ребра:

Условие местной устойчивости:

здесь предварительно задаемся t_d=1,6 см.

 – условие выполняется Þ принимаем толщину опорного ребра t_d = 16 мм.

Тогда фактическая площадь смятия будет равна:

Выступающая вниз часть опорного ребра не должна превышать a = 1,5t_d =1,5.1,6 см = 2,4 см, принимаем a = 2 см.

Вследствие недостаточных размеров ребер опорный участок балки может потерять устойчивость из плоскости балки, поэтому его рассчитывают на продольный изгиб как стойку с расчетной длиной равной высоте стенки. В площадь сечения условного стержня длиной A_s включаются опорные ребра и примыкающие участки стенки шириной s:

Устойчивость опорного участка балки относительно оси Z проверяют по формуле:

где – площадь сечения условного стержня;

 – коэффициент продольного изгиба стойки, в зависимости от гибкости ,

, здесь:

 – момент инерции условного стержня относительно оси Z;

 – устойчивость опорного участка обеспечена.

4.1 Расчетная схема рамы

Фактическая высота подкрановой балки отличается от принятой первоначально при компоновке рамы, уточним размеры Н_в и Н_н:

Рис. 17. Конструктивная схема рамы

Конструктивную схему рамы приводим к расчетной схеме, соблюдая следующее:

оси колонн проходят через центры тяжестей сечений;

заделка колонн принимается на уровне низа башмака;

ригель проходит по оси нижнего пояса фермы и принимается горизонтальным, т.к. уклон фермы менее 1/8.

Рис. 18. Расчетная схема рамы

Расстояние между центрами тяжести верхнего и нижнего участков колонн:

4.2 Сбор нагрузок на поперечную раму