Конструктивная схема одноэтажного промышленного здания

Калининградский Государственный

Технический университет

Кафедра ПГС

Курсовой проект по дисциплине: Металлические конструкции

Конструктивная схема одноэтажного промышленного здания

Содержание

1. Исходные данные

2. Компоновка конструктивной схемы производственного здания

3. Расчет подкрановой балки

4. Расчет стропильной фермы

5. Расчет поперечной рамы каркаса

6. Расчет колонны

Список используемой литературы

1.Исходные данные

§ Район строительства –Вильнюс (вариант №2)

§ Схема фермы-№2 (схема компоновки №4) (рассчитать узлы Ж, Е)

§ Пролет фермы -20 м

§ Длина панели верхнего пояса-2,5м

§ Опорная стойка –1,6м (уклон i=1/8)

§ Шаг фермы –6 м

§ Сталь марки 14Г2 (С345 то же самое)

§ Постоянные нормативные нагрузки (кН/м²)-0,6-0,2-0,14-0,4

§ Вес тельфера 70кН

2.Компановка конструктивной схемы аркаса производственного здания

Рис.1 - Необходимо определить вертикальные размеры стоек рамы (колонны)

Расстояние от головки кранового рельса до низа фермы составляет:

Н₂=(Н_с+100)+а,

где Н_с- габаритный размер крана по высоте; Н_с=2750мм;

100мм-установленный по технике безопасности зазор между габаритом

крана и стропильными конструкциями;

а- размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия, а=200…400мм

Н₂=(2750+100)+400=3250мм=3,4м

Высота цеха от уровня пола до низа ригеля Н=Н₁+Н₂,

где Н₁ – наименьшая высота от пола до головки кранового рельса

Размер Н принимается кратным 0,3м.

Н=6800+3400=10200мм=10.2м.

Принимаем Н=10.2 м.

Высота верхней части колонны l₂=h_g+h_r+H₂,

где h_g – высота подкрановой балки, которую предварительно принимаем

h_g=600 мм; h_r – высота кранового рельса; h_r=120мм

l₂=600+120+3400=4120мм=4.12м

Высота нижней части колонны от низа базы до уступа колонны

l₁=H+h_b-l₂,

где h_b – заглубление базы колонны по отношению к уровню пола,

принимаем h_b=1000мм

l₁=10200+1000-4120=7080мм=7,08м.

Общая высота колонны от низа базы до низа ригеля

l= l₁+ l₂

l=7080+4120=11200мм=11,2м

Определяем размеры сечений колонны

Высота поперечного сечения верхней части колонны из условия обеспечения ее жесткости должна быть h₂>(1/12)l₂; принимаем h₂=500мм.

В этом случае привязка наружной грани колонны к продольной координационной оси определяется величиной B_o=250мм, т.е. координационная ось проходит по середине верхней части колонны

Высота поперечного сечения нижней части колонны определяется из выражения h₁=B_o+λ,

где λ – расстояние от оси подкрановой балки до координационной оси, принимаем λ=750мм

h₁=250+750=1000мм

Из условия жесткости необходимо, чтобы величина h₁ отвечала неравенству h₁>(1/20…1/30)l₁ – условие удовлетворяется.

Пролет мостового крана

L_c=L-2 λ,

где L- пролет здания

L_c=24000-2·750=22500мм=22,5м.

Высота стропильной фермы h=(1/8…1/12)L=< 3800мм

Примем h=3100 мм

3. Расчет подкрановой балки

Определение нагрузок на балку

Характеристики заданного мостового крана:

§ Грузоподъемность крана Р=300кН

§ Пролет крана L_c=22,5м

§ Ширина крана В_с=6,3м

§ База крана К_с=5,1м

§ Сила давления колеса на

подкрановый рельс F_н=315 кН

§ Вес тележки G=120 кН

§ Вес крана общий G_с=520 кН

§ Тип кранового рельса КР-70

Расчетная сила вертикального давления колеса на кран

F=F_н·γ_f·n_c·k_a,

Где γ_f- коэффициент надежности по нагрузке, принимаемый равным 1,1

n_c- коэффициент сочетаний, равный 0,85 при расчете на действие двух

сближенных кранов нормального режима работы

k_a- коэффициент динамичности, равный 1 для кранов нормального

режима работы

F=315·1,1·0,85·1=295 кН

Нормативная горизонтальная сила при торможении тележки, приходящаяся на одно колесо крана

Т_n=0,05(P+G)/n

Т_n=0,05(300+120)/2=10,5 кН

Расчетная горизонтальная сила, создаваемая одним колесом крана

T=T_n·γ_f·n_c·k_a

T=10,5·1,1·0,85·1=9,8 кН

Рис. 5. Схема нагрузок от мостового крана

Определение усилий в балке

Расчетное значение изгибающего момента

M_f=α·F·Σy_i, где

α - коэффициент, учитывающий собственный вес подкрановой

конструкции, равный для балок пролетом 6 м- 1,03;

Σy_i- сумма ординат линии влияния под силами F

Наибольшая ордината у, при пролете 6 м (1,5+0,9)= 2,4

Наименьшее расстояние между колесами двух кранов

В = В_с-К = 6,3-5,1= 1,2м

M_f=1,03·295·2,4=729 кН*м

Рис. 6. Схема к определению при м.

Рис. 7. Схема к определению при = 6 м

Расчетное значение поперечной силы

Q_f= α·F·Σy_i

где Σy_i - сумма ординат линии влияния поперечной силы под силами F.

Q_F = 1,03· 295· (1+0,8) = 547 кН

Наибольшая ордината линии влияния у₁=1

Нормативное значение изгибающего момента

М_1n= α·F·Σy_i=1,03·295·1,5=456 кН*м

Расчетный изгибающий момент М_т от горизонтального воздействия крановой на грузки на балку определяют при таком же положении сближенных кранов, как и при расчете М_F

Поэтому величина М_T, может быть найдена из сочетания

М_т = M_F·T/F= 729·9,8/295= 24,2 кН·м

Подбор и компановка сечения балки

Требуемый момент сопротивления балки

W_xmp=M_f·β·γ_n/R_y·γ_c

где M_f-расчетный изгибающий момент, кН·см

R_y- расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по

пределу текучести; R_y=33 кН/см²

β-коэффициент, учитывающий дополнительные напряжения в верхнем

поясе балки от горизонтального воздействия крановой нагрузки;

принимаемый равным β=1,05

γ_n- коэффициент надежности по назначению; γ_n=1

γ_с- коэффициент условий работы, принимаемый в данных условиях γ_с=1

W_xmp=72900·1,05·1/33·1=2320 см³

Рис. 8. Схема подкрановой и тормозной балок

Минимальная высота подкрановой балки

h_min =5·γ_c·R_y·l·n₀·M_ln/24·E·M_f

где l-пролет балки, см

Е- модуль упругости стали Е=206·10² кН/см²

M_ln – нормативный изгибающий момент в балке при загружении ее одним

краном

n₀- величина, обратная предельному относительному прогибу, для балок

под краны нормального режима n₀=400

h_min =5·1·33·600·400·45600/24·20600·72900=50,1 см

Оптимальная высота балки

h_opt=k·Ö(W_xmp/t_w)

где k- коэффициент, зависящий от конструктивного оформления балки;

при постоянном сечении сварных балок k=1,15

t_w- толщина стенки, см

Предварительно толщина стенки определяется по формуле

t_w=7+3 h_min/1000

t_w=7+3·501 /1000=8,5 мм

Принимаем t_w=9 мм

h_opt=1,15·Ö(2320/0,9)=58,4 см

Принимаем h=60 см

Уточним толщину стенки из условия обеспечения ее прочности при работе на срез ( сдвиг)

t_w>1,5·Q_f· γ_n/h_w·R_s· γ_c

где h_w- высота сечения; h_w=h-2t_f=60-2*1,8=56,4см

t_f- толщина пояса, предварительно принимаемая равной t_f=14-20мм; =18мм

R_s- расчетное сопротивление сдвигу, кН/см²; R_s=19,14 кН/см²

t_w>1,5·547· 1/56,4·19,14· 1=0,48см

Оставляем толщину t_w =9мм.

h_opt=1,15·Ö(2320/0,9)=58,4 см

Принимаем h=60 см

Проверка:

t_w>1,5·547· 1/56,4·19,14· 1=0,76см t_w=0,9см>=0,76см

Требуемая площадь сечения каждого поясного листа при симетричной балке равна

А_f=W_xmp/h- t_w·h/6

А_f=2320/60- 0,9·60/6=29,7 см²

Толщина поясного листа t_f=18мм. Ширина поясных листов b_f=180мм.

Площадь сечения поясного листа A_f=t_f*b_f=1,8*18=32,4см².

По требованию обеспечения местной устойчивости поясов балки необходимо чтобы соблюдалось условие

B_ef/t_f<0,5Ö(E/R_y)

где B_ef – ширина свеса сжатого пояса B_ef=(B_f-t_w)/2

B_ef=(180-9) /2=85,5мм

8,55/1,8<0,5Ö(20600/33)

4,75<12,49

Условие выполняется

Проверка прочности и жесткости подкрановой балки

Площадь сечения элементов (см²):

Стенки балки A_w=h_w·t_w=56,4·0,9=50,76 cм²

Верхнего пояса A_ft=B_f·t_f=32,4 cм²

Нижнего пояса A_fb=B_f·t_f=32,4 cм²

Тормозного листа A_sh=B_sh·t_sh=85·0,6=51см²

где t_sh- толшина стального рифленого листа: t_sh=6мм

B_sh- ширина стального листа, зависящая от конкретных размеров

конструкций и измеряющаяся в пределах 85…90 см. =85см.

Площадь поперечного сечения швеллера A_сh, выполняющая роль пояса тормозной балки для швеллера №16 A_сh= 18,1 см²

Момент инерции (см⁴) площади поперечного сечения балки относительно оси Х-Х

I_x= h_w³·t_w/12+2·( B_f·t_f³/12+ A_fb((h_w+ t_f)/2)²)

I_x= 56,4³·0,9/12+2·( 18·1,8³/12+ 32,4((56,4+ 1,8)/4)²)=68346 см⁴

Расстояние от центра тяжести тормозной балки до оси Y₀-Y₀ (см)

Х_c=(A_ch·X_cho+A_sh· X_sho)/( A_ch+ A_sh+2A_ft)

Х_c=(18,1·83+51· 40,5)/( 18,1+ 51+2*32,4) =26,7 см

где X_cho – расстояние от оси Y₀-Y₀ балки до центра тяжести окаймляющего

швеллера

X_sho – расстояние от оси Y₀-Y₀ балки до центра тяжести тормозного листа

Момент инерции площади поперечного сечения тормозной балки относительно оси Y-Y (см⁴)

I_y=I_ch+A_chX_ch²+t_shb³_sh/12+ A_shX_sh²+ t_fb³_f/12+A_ftX_c²

где X_ch-расстояние от оси Y-Yдо центра тяжести швеллера

X_sh-расстояние от оси Y-Yдо центра тяжести тормозного листа

I_ch- собственный момент инерции швеллера

I_y=63+18,1·56,3²+0,6·85³/12+ 51·13,8²+ 1,8·18³/12+32,4·26,7²=121826 см⁴

Моменты сопротивления площади поперечного сечения:

-подкрановой балки относительно оси Х-Х

W_x=2I_x/h W_x=2*68346/60=2278 см³

-тормозной балки относительно оси Y-Y

W_y=I_y/(X_c+b_f/2) W_y=121826/(26,7+18/2)=3413 см³

Статический момент (см³) половины сечения подкрановой балки относительно нейтральной оси Х-Х

S_x= A_f(h_w+t_f)/2 + A_wh_w/8

S_x= 32,4(56,4+1,8)/2 + 50,76·56,4/8=1300 см³

Проверка прочности подкрановой балки по нормальному напряжению в ее верхнем поясе производится по формуле

σ_мах=M_f/W_x+M_t/W_yc/γ_n

σ_мах=72900/2278+2420/3413=32,7кН/см²<33·1/0,95=34,7

Условие выполнено.

Проверка прочности балки по касательному напряжению:

τ_max=Q_fS_x/I_xt_wsγ_c/γ_n

τ_max=547·1300/68346·0,9=11,6кН/см²<19,14·1/0,95=20,2

Проверка прочности стенки балки по местному напряжению от давления кранового колеса

σ_loc=γ_wfγ_fF_n/t_wl_ef yγ_c/γ_n

σ_loc=1,1·1,1·315/0,9·23,4=18,1кН/см² <33·1/0,95=35 Условие выполнено.

где γ_wf- коэффициент, учитывающий неравномерность давления колес и

повышенную динамичность под стыком рельсов, принимаемый для

кранов нормального режима работы γ_wf=1,1

γ_f-коэффициент надежности по нагрузке γ_f=1,1

l_ef- условная длина распределения местного давления (см), определяемая

в сварных балках по формуле

l_ef=3,25* ³Ö(I_f/t_w)=3,25* ³Ö(336/0,9)=23,4см

где I_f- сумма моментов инерции площади сечения верхнего пояса балки и  кранового рельса относительно собственных осей

I_f=b_ft·t_f³/12+I_r=18·1,8³/12+327=336см⁴

I_r- момент инерции кранового рельса, принимаемый по соответствующему

ГОСТу. =327см⁴

Проверка жесткости подкрановой балки производится по формуле

f=M_in·l²·γ_c/10·E·I_x u;

f=45600·600²·1/10·20600·68346=1,2см <1,5 Жесткость соблюдена.

где f- прогиб балки от нормативной нагрузки

M_in-нормативный изгибающий момент (кН·см) в балке от загружения ее

одним краном

f_u- предельный прогиб, равный для балок под краны режимов работы

1К-6К l/400=600/400=1,5см

Перенапряжения в конструкциях не допускаются.

Обеспечение местной устойчивости элементов подкрановой балки

Общая устойчивость подкрановой балки при наличии тормозной балки обеспечена.

Местная устойчивость сжатого (верхнего) пояса подкрановой балки обеспечена, если выполняется условие

B_ef/t_f<0,5√(E/R_y)

где B_ef-ширина свеса пояса

8,55/1,8<0,5Ö(20600/33)

4,75<12,49

Условная гибкость стенки балки

λ_w=(h_w/t_w) √(R_y/E)≤ 2,2

λ_w=56,4(33/20600) ^1/2/0,9=2,173< 2,2 Условие выполняется

Определение размеров опорного ребра балки

Разрезная подкрановая балка опирается на колонну посредством опорного ребра с выступающим пристроганным торцом

Требуемая площадь сечения ребра (см²)

A_p>Q_f·γ_n/R_p· γ_c

где R_p- расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности, кН/см²

A_p>547·0,95/48·1=11 см²

Ширина опорного ребра (см)

B_α=A_p/t_α=11/1,2=9,2 см

где t_α- толщина ребра, назначаемая в пределах 12…20мм. =1,2см

Принимаем B_α=180 мм

Ширина выступающей части ребра (ширина свеса B_ef) из условия обеспечения его местной устойчивости должна отвечать неравенству

B_ef/t_α<0,5√(E/ R_y)

Ширина свеса B_ef=(B_α-t_w)/2=(9,2-0,9)/2=4,15см

4,15/1,2<0,5√(20600/33)

3,46<12,49

Местная устойчивость обеспечена.

Выступающая вниз часть ребра а должна отвечать неравенству а<1,5 t_α;

Принимаем а=18мм

18≤1,5·12=18мм – условие выполняется

Определение веса и массы подкрановой балки

Вес подкрановой балки (кН):

G=ψAlγ_ct,

где ψ-строительный коэффициент, принимаемый для сварных балок с

поперечными ребрами жесткости: ψ=1,2

А- площадь поперечного сечения балки, м²

γ_ct- объемный вес стали: γ_ct=78,5 кН/м³

l-пролет балки,м

A=ΣA_i=A_w+2A_f+A_sh+A_ch=50,76+2*32,4+51+18,1=184,66см²=0,0185м²

G=1,2*0,0185*6*78,5=10,5кН

Масса подкрановой балки (т):

M=G/g

где g – ускорение свободного падения. = 9,81м/с²

М=10,5*1000/9,81=1070кг=1,07т

4.Расчет стропильной фермы

Исходные данные :

Схема : № 2. Схема компановки:№4.

Пролёт фермы :24 м.

Длинна панели нижнего пояса : 3м.

Опорная стойка : 1,6м.

Шаг фермы : 6 м.

Сталь фермы : 14Г2

Постоянные нормативные нагрузки : 0,6 – 0,2 – 0,14 – 0,4кН/м²

Вес тельфера 70 кН.

Район строительства: Вильнюс.

Рассчитать узлы :Е.

Уклон фермы : 1/8

Определим геометрические длины всех панелей поясов.

L₁₅ = L₁₄ = L₁₃ = L₁₂ = L₁₁ = L₁₀ = L₉ = L₈ = 3 м.

tg α = 1/8 α = 7⁰12’

sin α = 0.124

cos α = 0.992

L₀ = L₁ = L₂ = L₃ = L₃ = L₄ = L₅ = L₇ = L₆ = 3 м.

Определим геометрические длины всех стоек.

L’₀ = L’₁₆ = 1,6 м.

L’₂ = L’₁₄ = 1,98 м.

L’₄ = L’₁₂ = 2,36 м.

L’₆ = L’₁₀ = 2,74 м.

L’₈ = 3,1 м.

Определяем геометрические длины всех раскосов.

 L’₅=L’₁₁=3,8м

Определение нагрузок на ферму.

На ферму действует два вида нагрузок:

§ Постоянная от собственного веса конструкций покрытия

§ Кратковременная снеговая

Таблица 1 - Нагрузки на ферму приведены в табличной форме:

Собственный вес фермы со связями определяется по формуле

g_n=1,2ψ_ir L, где ψ_ir=3- коэффициент веса, изменяющийся для ферм L=12…24м при нагрузке 1,4…4кН/м²

g_n=1,2·3·24=86,4 кН/м²

Полное расчетное значение снеговой нагрузки:

S=S_n·γ_f ,где γ_f-коэффициент надежности по нагрузке. =1,4

S=0,5·1,4=0,7кН/м²

Нормативное значение S_n=1*S₀

S_n=1·0,5=0,5 кН/м²

Расчетное значение погонной постоянной нагрузки (кН/м), где В=6м-шаг фермы

g₁=gB=3,98·6=23,88кН/м

Расчетное значение погонной снеговой нагрузки(кН/м)

S₁=SВ=0,7·6=4,2кН/м

Узловая нагрузка на промежуточные узлы фермы (кН)

F₁=(g₁+S₁)·d,

где d=3м- длина панели верхнего пояса

F₁=(23,88+4,2)·3=84,24 кН

Нагрузка на надопорный узел F₂ будет вдвое меньше, так как она собирается с половины панели

F₂=0,5 F₁

F₂=0,5·84,24=42,12 кН

Опорные реакции определяются по формуле V=ΣF_i/2,

где ΣF_i- сумма всех узловых нагрузок на ферму

V=8*84,24/2=336,96 кН

Определение усилий в стержнях фермы

Загружение 1

Эпюра N

Единицы измерения - кН