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=(Нс+100)+а,

где Нс- габаритный размер крана по высоте; Нс=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=Н12,

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=hg+hr+H2,

где hg – высота подкрановой балки, которую предварительно принимаем

hg=600 мм; hr – высота кранового рельса; hr=120мм

l2=600+120+3400=4120мм=4.12м

Высота нижней части колонны от низа базы до уступа колонны

l1=H+hb-l2,

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

принимаем hb=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 Bo=250мм, т.е. координационная ось проходит по середине верхней части колонны

Высота поперечного сечения нижней части колонны определяется из выражения h1=Bo+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

Lc=L-2 λ,

где L- пролет здания

Lc=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 Lc=22,5м

§ Ширина крана Вс=6,3м

§ База крана Кс=5,1м

§ Сила давления колеса на

подкрановый рельс Fн=315 кН

§ Вес тележки G=120 кН

§ Вес крана общий Gс=520 кН

§ Тип кранового рельса КР-70

Расчетная сила вертикального давления колеса на кран

F=Fн·γf·nc·ka,


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

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

сближенных кранов нормального режима работы

ka- 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

Тn=0,05(P+G)/n

Тn=0,05(300+120)/2=10,5 кН

Расчетная горизонтальная сила, создаваемая одним колесом крана

T=Tn·γf·nc·ka

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

Mf=α·F·Σyi, где

α - коэффициент, учитывающий собственный вес подкрановой

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

Σyi- 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 = Вс-К = 6,3-5,1= 1,2м

Mf=1,03·295·2,4=729 кН*м

Рис. 6. Схема к определению Times New Roman
14
16777215
0
M_Fпри Times New Roman
14
16777215
0
l = 6м.

Рис. 7. Схема к определению Times New Roman
14
16777215
0
Q_Fпри Times New Roman
14
16777215
0
l= 6 м

Расчетное значение поперечной силы

Qf= α·F·Σyi


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

QF = 1,03· 295· (1+0,8) = 547 кН

Наибольшая ордината линии влияния у1=1

Нормативное значение изгибающего момента

М1n= α·F·Σyi=1,03·295·1,5=456 кН*м

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

Поэтому величина МT, может быть найдена из сочетания

Мт = MF·T/F= 729·9,8/295= 24,2 кН·м

Подбор и компановка сечения балки

Требуемый момент сопротивления балки

Wxmp=Mf·β·γn/Ry·γc

где Mf-расчетный изгибающий момент, кН·см

Ry- расчетное сопротивление стали растяжению, сжатию, изгибу по

пределу текучести; Ry=33 кН/см2

β-коэффициент, учитывающий дополнительные напряжения в верхнем

поясе балки от горизонтального воздействия крановой нагрузки;

принимаемый равным β=1,05

γn- коэффициент надежности по назначению; γn=1

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

Wxmp=72900·1,05·1/33·1=2320 см3


Рис. 8. Схема подкрановой и тормозной балок

Минимальная высота подкрановой балки

hmin =5·γc·Ry·l·n0·Mln/24·E·Mf

где l-пролет балки, см

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

Mln – нормативный изгибающий момент в балке при загружении ее одним

краном

n0- величина, обратная предельному относительному прогибу, для балок

под краны нормального режима n0=400

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

Оптимальная высота балки

hopt=k·Ö(Wxmp/tw)


где k- коэффициент, зависящий от конструктивного оформления балки;

при постоянном сечении сварных балок k=1,15

tw- толщина стенки, см

Предварительно толщина стенки определяется по формуле

tw=7+3 hmin/1000

tw=7+3·501 /1000=8,5 мм

Принимаем tw=9 мм

hopt=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)

tw>1,5·Qf· γn/hw·Rs· γc

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

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

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

tw>1,5·547· 1/56,4·19,14· 1=0,48см

Оставляем толщину tw =9мм.

hopt=1,15·Ö(2320/0,9)=58,4 см

Принимаем h=60 см

Проверка:

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

Требуемая площадь сечения каждого поясного листа при симетричной балке равна

Аf=Wxmp/h- tw·h/6

Аf=2320/60- 0,9·60/6=29,7 см2

Толщина поясного листа tf=18мм. Ширина поясных листов bf=180мм.

Площадь сечения поясного листа Af=tf*bf=1,8*18=32,4см2.

По требованию обеспечения местной устойчивости поясов балки необходимо чтобы соблюдалось условие

Bef/tf<0,5Ö(E/Ry)

где Bef – ширина свеса сжатого пояса Bef=(Bf-tw)/2

Bef=(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 Aw=hw·tw=56,4·0,9=50,76 cм2

Верхнего пояса Aft=Bf·tf=32,4 cм2

Нижнего пояса Afb=Bf·tf=32,4 cм2

Тормозного листа Ash=Bsh·tsh=85·0,6=51см2

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

Bsh- ширина стального листа, зависящая от конкретных размеров

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

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

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

Ix= hw3·tw/12+2·( Bf·tf3/12+ Afb((hw+ tf)/2)2)

Ix= 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)


Хc=(Ach·Xcho+Ash· Xsho)/( Ach+ Ash+2Aft)

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

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

швеллера

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

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

Iy=Ich+AchXch2+tshb3sh/12+ AshXsh2+ tfb3f/12+AftXc2

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

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

Ich- собственный момент инерции швеллера

Iy=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

Wx=2Ix/h Wx=2*68346/60=2278 см3

-тормозной балки относительно оси Y-Y

Wy=Iy/(Xc+bf/2) Wy=121826/(26,7+18/2)=3413 см3

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

Sx= Af(hw+tf)/2 + Awhw/8

Sx= 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

σмах=Mf/Wx+Mt/Wyc/γn

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

Условие выполнено.

Проверка прочности балки по касательному напряжению:

τmax=QfSx/Ixtwcn

τmax=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

σlocwfγfFn/twlef cn

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

где γwf- коэффициент, учитывающий неравномерность давления колес и

повышенную динамичность под стыком рельсов, принимаемый для

кранов нормального режима работы γwf=1,1

γf-коэффициент надежности по нагрузке γf=1,1

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

в сварных балках по формуле

lef=3,25* 3Ö(If/tw)=3,25* 3Ö(336/0,9)=23,4см


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

If=bft·tf3/12+Ir=18·1,83/12+327=336см4

Ir- момент инерции кранового рельса, принимаемый по соответствующему

ГОСТу. =327см4

Проверка жесткости подкрановой балки производится по формуле

f=Min·l2·γc/10·E·Ix u;

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

где f- прогиб балки от нормативной нагрузки

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

одним краном

fu- 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

Bef/tf<0,5√(E/Ry)

где Bef-ширина свеса пояса

8,55/1,8<0,5Ö(20600/33)

4,75<12,49

Условная гибкость стенки балки


λw=(hw/tw) √(Ry/E)≤ 2,2

λw=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)

Ap>Qf·γn/Rp· γc

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

Ap>547·0,95/48·1=11 см2

Ширина опорного ребра (см)

Bα=Ap/tα=11/1,2=9,2 см

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

Принимаем Bα=180 мм

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

Bef/tα<0,5√(E/ Ry)

Ширина свеса Bef=(Bα-tw)/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 tα;

Принимаем а=18мм

18≤1,5·12=18мм – условие выполняется

Определение веса и массы подкрановой балки

Вес подкрановой балки (кН):

G=ψAlγct,

где ψ-строительный коэффициент, принимаемый для сварных балок с

поперечными ребрами жесткости: ψ=1,2

А- площадь поперечного сечения балки, м2

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

l-пролет балки,м

A=ΣAi=Aw+2Af+Ash+Ach=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:

Вид нагрузкиСоставляющие нагрузки

Нормат. Значение нагрузки, кН/м2

Коэффи циент надеж-ности по нагрузке

Расчетное значение нагрузки, gi кН/м2

Постоянная

Гравийная защита-20мм;

ж/б плита

gn=0,4; 1,4γf=1,3; γf=1,1gn*γf=0,52; 1,54
Гидроизоляционный рубероидный ковер в 3 слоя0,151,30,198

Утеплитель-пенобетоннные плиты толщиной120мм,

γ=5 кН/м3

0,61,20,72
Пароизоляция из одного слоя рубероида0,051,30,065
Выравнивающая цементная стяжка толщиной 20мм0,41,30,52
Стальные конструкции покрытия (фермы, связи)0,41,050,42
ИТОГОg=3,98
Кратко-временнаяСнег по всему покрытию0,51,40,7
ВСЕГО4,68

Собственный вес фермы со связями определяется по формуле

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

gn=1,2·3·24=86,4 кН/м2

Полное расчетное значение снеговой нагрузки:

S=Sn·γf ,где γf-коэффициент надежности по нагрузке. =1,4

S=0,5·1,4=0,7кН/м2

Нормативное значение Sn=1*S0

Sn=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=ΣFi/2,

где ΣFi- 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

№ элемN(кН)№ элемN(кН)№ элемN(кН)
1-33712-64123-45
2-33713-70324-131
3014-67625-229
444715-6762653
564316-7032764
669317-64128236
769318-52129492
864319-2293053
944720-1313164
10021-4532236
11-521228533492
Актуально: