Каркас одноэтажного производственного здания: Методические указания к выполнению курсового проекта по металлическим конструкциям

Министерство образования Российской Федерации

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра строительных конструкций

С. Б. Колоколов

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению курсового проекта по металлическим конструкциям "Каркас одноэтажного производственного здания" для студентов вечерней формы обучения специальности 290300 – Промышленное и гражданское строительство

Оренбург 2000

ББК 38.708я7 К - 60 УДК 693.554.22(07) 29.03.00 ( ПГС )

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению курсового проекта по металлическим конструкциям "Каркас одноэтажного производственного здания" для студентов вечерней формы обучения специальности 290300 – Промышленное и гражданское строительство Введение Объектом курсового проектирования является промышленное одноэтажное однопролетное здание. Основной задачей студента, выполняющего курсовой проект, является компоновка и расчет отдельных элементов металлического каркаса здания и выполнение соответствующих чертежей. В стандартном варианте в задание на курсовое проектирование включается: компоновка связевой системы каркаса здания, компоновка поперечной рамы, расчет поперечной рамы, проектирование и расчет колонны, проектирование и расчет стропильной фермы. В особых случаях задание может иметь отклонение от стандартного варианта в сторону усложнения схемы каркаса, изменения и добавления расчетных элементов, состава чертежей. Основными нормативными документами, которым следует пользоваться при выполнении курсового проекта, являются Строительные нормы и правила /1, 2/. Обозначения расчетных величин, числовые данные о характеристиках материалов и других нормируемых величинах при составлении пояснительной записки должны строго соответствовать требованиям /1/. При выполнении расчетов можно пользоваться примерами, приведенными в книгах /3, 4, 5/. Следует, однако, иметь в виду, что использованные там обозначения а также нормативные данные устарели. При курсовом проектировании рекомендуется использование методических указаний /6,7,8/, в которых освещаются отдельные разделы курсового проекта, а также справочников /9,10/. В настоящих методических указаниях приводится последовательность выполнения расчетов и пояснения к разделам, недостаточно освещенным в рекомендуемой литературе. 1 Компоновка конструктивной схемы каркаса При выполнении этого раздела рекомендуется пользоваться указаниями /6/. Величину заглубления опорной плиты базы колонны Нз можно принять 2

равной 800мм, имея в виду этот размер в последующем при проектировании базы. К тяжелым режимам работы крана относятся режимы 7К и 8К. Компоновку связевой системы каркаса удобно выполнять, вычертив в масштабе схему здания в плане и в продольном разрезе. Примеры конструктивных решений приведены в /3, 6, 11/. При компоновке связевой системы нужно руководствоваться указаниями СНиП /1, раздел 13/. Под жестким диском кровли понимается покрытие из железобетонных плит. Такое покрытие в курсовом проекте принимается только для отапливаемых зданий. Все элементы, расчет которых не предусмотрен заданием, принимаются конструктивно.

2 Определение нагрузок на поперечную раму При расчете поперечной рамы постоянная нагрузка принимается равномерно распределенной по длине ригеля (стропильной фермы). Эта нагрузка складывается из веса кровли, несущих конструкций покрытия и связей. Вначале нужно определить нормативную нагрузку от веса покрытия, для чего можно воспользоваться материалами главы 13 /3/. Для определения расчетной постоянной нагрузки составляется таблица /6/. Ветровая нагрузка определяется в соответствии с нормами /2/. Ветровой район определяется по карте для заданного в задании города. При определении коэффициента k в рамках курсового проекта принимается тип местности В. Интенсивность эквивалентной ветровой нагрузки на стойку поперечной рамы можно найти приближенно по формуле qэкв = W0 •C • (k5 + kнф) • B/2, кН/м,

(2.1)

где W0 - нормативное значение ветрового давления, C - аэродинамический коэффициент, определяемый согласно /2/ для здания с двускатным покрытием, k - коэффициенты, учитывающие изменение ветрового давления по высоте, определяемые согласно /2/: k5 - для отметки 5м, kнф - для отметки нижнего пояса фермы, В - шаг колонн, м. При отсутствии фахверковых стоек на раму в узлах примыкания стоек к ригелю действуют сосредоточенные силы Wa1 и Wo1, а при наличии указанных стоек к ним добавляются силы Wa2 и Wo2. Кроме того, в последнем случае на уровне тормозной конструкции (отметка верха подкрановой балки) действуют силы Wa3 и Wo3 /6/. Ветровые нагрузки Wa1 и Wo1 собираются с грузовой площади А = Нф • В, где Нф - высота фермы, а коэффициент высоты принимается 3

средним для отметок верхнего и нижнего поясов фермы. Ветровые нагрузки Wa2 и Wo2 собираются с грузовой площади А = (Ho - h1) • B, а коэффициент высоты - средний для отметок (Ho+h1)/2 и Но , где h1 – отметка головки кранового рельса . Наконец, ветровые нагрузки Wa3 и Wo3 складываются из А2 = h1 • B нагрузок, собранных с грузовых площадей А1 = (Ho - h1) • В и при коэффициентах, соответственно: k 1 - среднем для отметок (Ho+h1)/2 и h и k2 для отметок h1 и h1 / 2. Снеговая нагрузка принимается равномерно по ригелю и собирается с грузовой площади шириной В. Расчет снеговой нагрузки ведется согласно /2/ для двускатного покрытия по варианту 1. При определении крановых нагрузок нужно воспользоваться данными о кранах, приведенными в /3, приложение 1/ или /11/. На поперечную раму передается часть нагрузки от колес крана в соответствии с положением этих колес на линии влияния опорной реакции подкрановой балки. Ордината у, соответствующая положению каждого колеса, показывает долю усилия, передаваемого этим колесом на рассматриваемую поперечную раму. Невыгодным положением крана можно считать: при двухколесной тележке расположение одного из колес над опорой (у=1) , при тележке с числом колес большем двух, - расположение над опорой второго колеса одной из тележек. Максимальное нормативное давление, передаваемое всеми колесами крана на поперечную раму, равно н

n

Д max = Σ Fi max • y i ,

( 2.2 )

i=1

где n - число колес крана, Fi max - максимальное нормативное давление колеса крана (из характеристики крана), y i – ордината линии влияния давления на колонну , соответствующая положению колеса i. Это давление возникает, когда груз максимально приближен к рассматриваемой колонне. В то же время на другую колонну данной поперечной рамы действует нагрузка Д н min , определяемая по формуле Дн min =Д нmax (

Q + Gk Σ Fi max

- 1),

( 2.3 )

где Q - грузоподъемность крана , Gk - вес крана с тележкой. Нормативное горизонтальное давление от крана на поперечную раму н

н

n

T k = Д max • Tk / Σ Fi max ,

( 2.4 )

i=1

где Тк - нагрузка от торможения крана, определяемая в соответствии с /2 /. При наличии двух кранов необходимо рассматривать их совместное действие, располагая краны в максимально сближенном положении. 4

Расчетное значение крановых нагрузок определяется с учетом коэффициентов надежности согласно /2/ и, если дано два крана, коэффициента сочетания /2/. В расчетные значения вертикальных крановых нагрузок дополнительно включаются: полезная нагрузка интенсивностью 1,5 кН/м2, действующая на тормозной площадке и вес подкрановых конструкций. Ширину тормозной площадки можно принять равной высоте сечения нижней части колонны ( hн ). Вес подкрановых конструкций ориентировочно можно определить по таблице /3, раздел 12/. Коэффициенты надежности для этих нагрузок принимаются согласно /2/.

3 Расчет поперечной рамы Для расчета рамы необходимо предварительно задать соотношение жесткостей участков стоек (колонн) и ригеля. Поскольку распределение усилий в элементах определяется расчетом, а от усилий зависит действительная жесткость элементов, это соотношение может быть задано весьма ориентировочно, а в результате расчета и подбора сечений - уточнено. В рамках курсового проекта рекомендуется задавать соотношения жесткостей нижней (1) и верхней (2) частей стойки I1 / I2 = 5 - 10 , соотношение жесткостей ригеля и нижней части стойки I3 / I1 = 2 - 6. Уточнение соотношения жесткостей по результатам расчета в курсовом проекте не требуется. Расчет поперечной рамы производится методами строительной механики с помощью компьютера или вручную. Результатом расчета являются внутренние усилия: изгибающие моменты (М), продольные (N) и поперечные (Q) силы в различных сечениях стоек рамы от всех видов нагрузки. Поскольку в качестве ригеля в проектируемом здании в действительности выступает ферма, то определение усилий в ее элементах производится отдельно, Из результатов расчетов рамы при расчете стропильной фермы используются лишь усилия, передаваемые на ферму стойками в узлах соединения. Усилия в стойках рамы непосредственно используются при проектировании колонны. Изгибающие моменты и поперечные силы в сечениях колонны принимаются равными полученным в результате расчета поперечной рамы. Продольные силы от постоянной нагрузки следует увеличить на величину давления от веса стенового ограждения и остекления. Ориентировочно это давление можно принять равным N ст = 1,2 • h • B, кН ,

( 3.3 )

где h - высота стены над данным сечением в метрах. Для верхнего сечения колонны ( на уровне сопряжения с ригелем) h равно высоте фермы. 5

4Определение расчетных сочетаний усилий в колонне Поскольку колонна работает на внецентренное сжатие, то необходимые для обеспечения прочности параметры сечения зависят не только от величины изгибающего момента и продольной силы, но также от их соотношения и от знака изгибающего момента. Поэтому для каждого сечения необходимо выявить наиболее невыгодное сочетание усилий. В свою очередь, усилия в колонне зависят от действующих на раму нагрузок, которые могут составлять самые разные комбинации. Обозначим действующие на раму нагрузки: постоянная П, ветровая слева ВЛ, справа ВП, снеговая С, крановая вертикальная: КВБ - максимальная, КВМ - минимальная , крановая горизонтальная, действующая на левую стойку слева ТЛЛ, справа ТЛП, на правую стойку слева ТПЛ и справа ТПП. При составлении первого основного сочетания усилий учитываются усилия от постоянной нагрузки и от одной из временных. При этом вертикальная и горизонтальная крановые нагрузки вместе рассматриваются как одна нагрузка. Так в качестве первого основного сочетания могут выступать такие сочетания: П+КВБ или П+КВБ+ТЛЛ. Однако горизонтальная крановая нагрузка без вертикальной действовать не может. Во втором основном сочетании учитываются, кроме постоянной, не менее двух временных нагрузок (с коэффициентом сочетания 0,9). При этом учитывается только одна из двух ветровых, одна из двух вертикальных крановых, одна из горизонтальных крановых. Горизонтальная крановая нагрузка может действовать только в сочетании с вертикальной. Граф сочетаний нагрузок приведен на рисунке 5.1. 5 2

10

7

11 1

3

6

13 12

4

8 9

14

1: постоянная нагрузка (П), 2: снег (С), 3: нет снега,4: ветер справа (ВП), 5: ветер слева (ВЛ), 6: нет ветра, 7: крановая КВБ, 8: крановая КВМ, 9: крановая ТЛП, 10: крановая ТПП, 11: крановая ТПЛ, 12: крановая ТЛЛ 13: нет крановой горизонтальной, 14: нет крановой нагрузки Рисунок 5.1 Граф сочетаний нагрузок на поперечную раму 6

Для того, чтобы ускорить поиск невыгодных сочетаний, рекомендуется пользоваться табличной формой. Подробно составление расчетных сочетаний изложено в методических указаниях /7/.

5 Определение расчетных длин участков колонны Вначале необходимо найти соотношение геометрических длин участков колонны L2 / L1 и продольных сил на участках: N1 / N2. Принадлежность к нижнему участку обозначается индексом 1 , а к верхнему индексом 2. Величины продольных сил N1 и N2 берутся для одной и той же комбинации нагрузок, создающей наибольшую из действующих во всех рассматриваемых сочетаниях колонны продольную силу. Если L2 / L1 ≤ 0.6 и, одновременно, N1/ N2 ≥ 3, то коэффициенты расчетной длины µ определяются по /1/. В остальных случаях нужно действовать согласно приложению 6 /1/. При этом в формуле для определения коэффициента β следует принимать F2=N2, а F1+F2=N1. Верхний конец при жестком соединении колонны с ригелем в однопролетном здании считается закрепленным только от поворота. При шарнирном соединении верхний конец ступенчатой колонны считается при определении расчетной длины свободным от закрепления. Коэффициенты расчетной длины определяются с использованием линейной интерполяции с точностью до 0.01. 6 Проектирование сечения верхней части колонны Сечение верхней части колонны при курсовом проектировании принимается сплошным , двутавровой формы. Расчетное значение продольной силы N и изгибающего момента М принимаются в соответствии с /1, раздел 5/ для ступенчатых колонн. Для этих значений определяется эксцентриситет е.. Требуемая площадь поперечного сечения колонны А определяется из условия прочности /1, раздел 5/. Поскольку геометрические характеристики сечения заранее не известны, то ориентировочно можно принять (имея в виду , что для двутавра i max ≈0,43h, а Wmax / А ≈ 0,35h, где h - высота двутавра) µ2 • L 2 √ R y / E λ = 2,35 -------------------- , hв m = 2,85 • е / h в ,

(6.1) (6.2)

где hв - высота верхней части сечения (высота двутавра). 7

Нужно помнить, что указанные формулы годятся только для двутаврового сечения и могут быть использованы только для ориентировочного расчета требуемой площади сплошного поперечного сечения колонны. Как поступать, если окажется, что m=20, описано в следующем разделе. Отношение площадей полки и стенки Аf / А w ориентировочно можно принять равным 0,5. Определив согласно /1/ коэффициент ϕе и требуемую площадь поперечного сечения А можно приступить к компоновке (если нет подходящего стандартного двутаврового ) сечения. Поскольку при определении коэффициента влияния формы сечения было вначале принято А f /А w=0,5, то площадь стенки Аw = h w • t ≈ 0,5А .

(6.3)

Толщину стенки t w назначают в пределах 6 - 16 мм, толщину поясных листов t f в пределах 8…40 мм . Подобрав с учетом сортамента листового проката размеры сечения, обеспечивающие величину требуемой площади, нужно выполнить проверки согласно /1/. Предварительно нужно найти геометрические параметры полученного сечения колонны: площадь А = t w • h w+ 2 • t f• b f

,

(6.4)

момент инерции ( h w + t f )2 I x = t w •h w3/ 12+ b f • t f3 / 6 + b f • t f • ------------- , 2

(6.5)

момент сопротивления Wх=2 • Iх / (h w + 2 • t f),

(6.6)

радиус инерции i x= √ I x/ A ,

(6.7)

_ λ = µ 2• L 2/ i x √ R y/ E .

(6.8)

условная гибкость

Толщину стенки не рекомендуется принимать большей, чем 16 мм. Если толщина t w =16 мм не удовлетворяет условию устойчивости, то можно воспользоваться рекомендациями /1, раздел 7/ . При этом расчетное значение площади стенки уменьшается до величины Ared, а площадь поясов соответственно должна быть увеличена. 8

Сечение колонны после всех уточнений должно быть проверено на устойчивость в плоскости действия момента (1, раздел 5) и из плоскости. При проверке на устойчивость из плоскости верхняя часть колонны считается стержнем с шарнирно-опертыми концами, закрепленными от смещения, т.е. расчетная длина равна геометрической длине верхней части. Определение расчетного значения изгибающего момента удобно выполнять, построив эпюру моментов в верхней части колонны для расчетной комбинации усилий. 7 Проектирование сечения верхней части колонны при

больших эксцентриситетах (m > 20). Согласно п.5.27 /1/ в этом случае подбор сечения выполняется как для изгибаемых элементов. Гибкость ориентировочно можно назначить равной λ = 2,35 • L 2 / h в

(7.1)

и, найдя соответствующее ей значение ϕв, определить требуемую величину момента сопротивления сечения W /1/. Толщину стенки t w следует выбирать с учетом п.7.3 /1/, имея в виду, что высота стенки h ef ограничена принятой высотой сечения h в . Толщину полок t f ориентировочно можно принять для начала равной 2 tw. Требуемый момент инерции сечения в плоскости изгиба I≥ 2W/hв Вычислив момент инерции стенки I полки

w

(7.2.) , можно найти требуемую площадь

2 ( I - I w) А f ≥ -------------( h w + t f )2

(7.3)

Выбрав и уточнив с учетом сортамента ширину полки нужно проверить устойчивость полки /1, раздел 7/ и, при необходимости, изменить соотношение ширины и толщины полки. Определив размеры сечения, нужно уточнить его геометрические характеристики. Далее уточняется величина относительного эксцентриситета m и осуществляется проверка устойчивости /1/. 8 Проектирование стержня нижней части колонны. Нижнюю часть колонны нужно запроектировать со сквозным сечением и с раскосной решеткой. Подкрановую (внутреннюю) ветвь колонны в рамках курсового проекта рекомендуется сделать двутаврового, а шатровую (наружную) ветвь – швеллерного сечения. Ширина сечения в плоскости 9

поперечной рамы h н - расстояние между внешней гранью швеллера шатровой ветви и осью двутавра подкрановой. Положение центра тяжести сечения назначено ещё до расчета колонны в задании на расчет поперечной рамы: центр тяжести нижней части смещен внутрь рамы относительно центра тяжести верхней части колонны на величину е= h н / 2 – h в / 2. В действительности же положение центра тяжести сечения зависит от соотношения площадей сечений ветвей, которые, в свою очередь зависят от усилий в ветвях. Для того, чтобы не вносить изменения в расчетную схему поперечной рамы, рекомендуется не смещать центр тяжести сечения в ту или другую сторону от геометрической середины более, чем на h н / 20. Оптимальное расстояние центра тяжести сечения от оси подкрановой ветви можно найти по формуле ( ось Х – в плоскости поперечной рамы) -------------------------------------------------М1 + М2 / М1 + М 2 hн М2 • h н hн х 1 = ---- + --------------- - √ ( ----------------- + --------- ) 2 - ----------2 ( N1 - N 2 ) 2 N1 - N2 2 2 ( N 1 - N2 )

, (8.1)

где М1, N1 - максимальный отрицательный изгибающий момент и соответствующая ему продольная сила в нижней части колонны, М2, N2 – максимальный положительный изгибающий момент и соответствующая ему продольная сила в той же части колонны. Все величины подставляются в эту формулу и в последующие формулы раздела без учета их знаков. Если x l в результате вычисления больше 0,55 hn, то следует принять x l равным 0,55 hn, если x l меньше 0,45 hn, то принять x l равным 0.45hn. Усилия в ветвях в первом приближении определяются по формулам: в подкрановой ветви N1 • (h н – х 1) + М1 N в1 = ---------------------------- , hн

(8.2)

в шатровой ветви N2 • x1 + M2 N в2 = ------------------- . hн

(8.3)

Требуемые площади поперечного сечения ветвей определяются как для центрально-сжатых колонн при значении ϕ=0,7 - 0,8. Рекомендуется вначале определить требуемое поперечное сечение для более нагруженной ветви Nв А в ≥ --------------- , (8.4) ϕ • Rу • γc 10

а площадь поперечного сечения другой найти из соотношения. х1 Ав2 -------- = ----------hн - х1 Ав1

(8.5)

В качестве ветвей колонны можно использовать стандартные прокатные профили. Если это не удается, то нужно сконструировать сварное сечение. При этом следует иметь в виду обеспечение возможности крепления раскосов к ветвям и их взаимную параллельность. Рекомендуется вначале скомпоновать сечение подкрановой ветви (двутавровое). По гибкости λ, соответствующей принятому выше при определении требуемой площади сечения коэффициенту ϕ, можно найти требуемую высоту составного двутавра.

(8.6)

h в1

L1 ≥ ------------- ,

0,43 λ где L1 - длина нижней части колонны. Толщину стенки рекомендуется принять в пределах от 8 до 16мм. При необходимости можно вытянуть стенку швеллера за пределы высоты двутавра, сохранив полки на уровне высоты двутавра. Подобрав размеры элементов сечения ветвей нужно уточнить положение центра тяжести сечения. Для этого вначале определяется положение центра тяжести шатровой ветви: расстояние до него от наружной грани швеллера ∑ S yi Zy2 = ------------------- , А в2

(8.7)

где Syi – статические моменты площадей элементов швеллера относительно оси, перпендикулярной плоскости поперечной рамы и совпадающей с наружной гранью стенки швеллера. Уточненное положение центра тяжести всего сквозного сечения А в2 х 1 = --------------- ( h н – Z y 2 ) А в1+ А в2

(8.8)

Уточненное значение усилий в ветвях N1• (h н – Z y 2 – x1) + M1 N в 1 = ------------------------------------ , h н - Z y2

(8.9) 11

____

N2 • x1 + M2 N в2 = --------------------- . h н – Zy2

(8.10)

Теперь нужно проверить устойчивость ветвей из плоскости действия момента, для чего находятся последовательно: моменты инерции Iх, радиусы инерции ix, гибкости λх ветвей, коэффициенты продольного изгиба ϕ. 9 Проектирование решетки нижней части колонны Вначале определяются геометрические характеристики ветвей относительно осей, проходящих через их центры тяжести и перпендикулярных плоскости поперечной рамы: моменты инерции I y в и радиусы инерции i y в. Расстояние по вертикали между узлами решетки назначается из условия равноустойчивости ветви и колонны в целом h р ≤ λ x• i yв

(9.1)

где i yв – меньший из вычисленных радиусов инерции сечения ветвей относительно оси у . Расстояние между узлами решетки принимается таким, чтобы оно уместилось по длине нижней части колонны целое число раз. Из условия устойчивости колонны в плоскости действия момента /1/ находится коэффициент устойчивости ϕе, обеспечивающий устойчивость колонны с выбранным сечением. Находится значение относительного эксцентриситета m для расчетной комбинации усилий. Момент инерции I=Iy здесь принимается суммарный для двух ветвей относительно свободной оси. Его можно найти по формуле I y = Aв1 • х12 + A в2 • (h н – Z y2 – х 1)2

(9.2)

По величине коэффициента ϕе при вычисленном значении относительного эксцентриситета m по таблице /1/, с применением интерполяции находится требуемое значение условной приведенной гибкости сквозного сечения λef √ R y / E, а затем и требуемая приведенная гибкость λef. Вычисляется требуемая гибкость стержня колонны в плоскости изгиба. λ у ≤ µ l •L 1 √ A / I y

12

(9.3)

и определяется требуемая площадь поперечного сечения раскосов α 1• A , A d ≥ -------------------2 2 (λ е f ) - (λ y )

(9.4)

где α1 – коэффициент, вычисляемый согласно /1/ в соответствии с принятым расстоянием между узлами решетки. Если сечение раскосов оказывается чрезмерно большим, то следует увеличить момент инерции сечения колонны тем или иным способом. Теперь нужно подобрать профиль, из которого можно изготовить раскосы проверить раскосы на прочность и устойчивость. Расчет ведется в соответствии с /1, раздел 5/. Расчетное значение поперечной силы определяется как большее из двух величин: наибольшей по абсолютной величине для одного из сечений нижней части колонны и условной поперечной силы Qfic. При вычислении условной поперечной силы Qfic величина ϕ определяется по уточненному значению приведенной гибкости /1/, вычисленному с учетом выбранного сечения раскосов. Усилие в раскосе определяется по формуле N р = Q / ( 2 sin β )

(9.5)

где β - угол между раскосом и вертикалью. Проверка устойчивости раскоса проводится как для центрально-сжатого элемента /1/, где при определении коэффициента ϕ расчетную длину можно принять равной геометрической длине. Гибкость раскоса не должна превышать допускаемую СНиП /1/. Следует также определить параметры сварного шва для прочного прикрепления раскосов к ветвям /1, раздел 22/.

10 Соединение верхней и нижней частей ступенчатой

колонны Соединение осуществляется с помощью траверсы, представляющей собой двутавровую составную балку, стенка которой находится в плоскости поперечной рамы, а пояса – в горизонтальных плоскостях. Траверса воспринимает усилие от верхней части колонны и от подкрановой балки и передает их на ветви нижней части колонны. Конструкции траверс изображены в /3,11/. Стенка верхней части колонны непосредственно соединяется со стенкой траверсы сварным стыковым швом. Чтобы обеспечить опирание поясов верхней части колонны, траверса усиливается поперечными ребрами, которые располагаются строго под этими поясами. Наружный пояс по верхней части колонны можно опирать непосредственно на стенку швеллера наружной ветви нижней части, которая выпускается на всю высоту траверсы. Пояса 13

верхней части колонны соединяются с ребрами траверсы стыковым швом. Этот шов должен быть проверен из условия равнопрочности с сечением верхней части колонны на действие невыгодной комбинации изгибающего момента и поперечной силы, обеспечивающей наибольшие нормальные напряжения в крайних волокнах нижнего сечения верхней части колонны σ = N / A + M / W ≤ R w y • γc

,

(10.1)

где N и M – абсолютные значения продольной силы и изгибающего момента для невыгодных комбинаций нагрузок, А и W – площадь и момент сопротивления сечения верхней части колонны, R wy – расчетное сопротивление стыкового шва. Толщина стенки траверсы определяется из условия прочности в месте передачи наибольшего усилия – на максимальную вертикальную крановую нагрузку под подкрановой балкой согласно /1, раздел 5/, где F = Д max. Ширину пояса подкрановой балки b можно принять равной 30см, а толщину опорной плиты подкрановой балки t f = 2 см.

Высота стенки траверсы h подкрановой балкой

тр

определяется из условия среза стенки под

h тр ≥ F / ( 2 • t • Rs• γc ),

(10.2)

где F = N п.в + 0,9 Д max , Nп.в. – усилие в подкрановой ветви при наиболее невыгодной комбинации усилий в нижнем сечении верхней части колонны, t –толщина стенки траверсы или толщина стенки подкрановой ветви нижней части колонны, если она заменяет поперечные ребра траверсы. Высота стенки траверсы уточняется исходя из удобства изготовления. Швы крепления ребер к стенке траверсы ( или стенки подкрановой ветви к стенке траверсы) проверяются на срез от действия той же силы F, согласно /1, раздел 11 /. Поскольку крепление осуществляется четырьмя швами (по два с каждой стороны стенки) длина каждого шва должна быть не менее чем Lw / 4. В то же время она не должна превышать величину, определяемую /1, раздел 12/. Аналогично проверяется крепление ребер траверсы к стенке под поясами верхней части колонны. Расчетными усилиями, воспринимаемыми швами, здесь являются усилия в поясах верхней части колонны в нижнем сечении для самых невыгодных комбинаций момента и поперечной силы F = max ( N / 2 + М / h в) 14

(10.3)

Сечение траверсы проверяется на изгиб как балка с пролетом, равным ширине нижней части колонны hн . Принимается, что балка нагружена сосредоточенными силами, передаваемыми поясами верхней части колонны. Максимальный изгибающий момент возникает под внутренним поясом верхней части. Расчетными усилиями являются изгибающий момент и продольная сила в нижнем сечении верхней части колонны, создающие наибольшие опорные реакции в балке. Тогда расчетный изгибающий момент в траверсе M N • ( h в+ h н) М = max (------- + -----------------------) • ( h н – h в ) 2•hн hн

(10.4)

Проверка прочности осуществляется в соответствии с требованиями /1, раздел 5/. Регулирование прочности сечения можно осуществить, меняя размеры поясов траверсы. Следует иметь в виду, что сечение траверсы, как правило, несимметричное относительно горизонтальной оси, и поэтому нужно сначала определить положение центра тяжести сечения, а затем уже вычислить моменты сопротивления.

11 Конструирование базы колонны Базу колонны нужно запроектировать раздельной, с траверсами. Необходимо определить размеры плит под ветвями, толщину плит, высоту траверс из условия прикрепления к ветвям сварными швами, а также проверить швы крепления траверсы к плите. Проектирование баз под ветвями аналогично проектированию баз центрально-сжатых колонн. Расчетными усилиями являются наибольшие усилия в ветвях в нижнем сечении нижней части колонны. Кроме того, нужно проверить, существует ли сочетание нагрузок, при котором появляются растягивающие усилия в какой либо ветви колонны. При определении расчетной комбинации усилий в этом случае усилия от постоянной нагрузки следует принимать с коэффициентом 0,9. Если при каком-либо сочетании нагрузок получается растягивающее усилие в ветви, то оно должно быть воспринято анкерными болтами. Условие прочности крепления колонны в этом случае N в ≤ nф • Rbа • Аb n • х ф / х в ,

(11.1)

где nф – количество фундаментных болтов ветви, работающей на растяжение ; Rbа – их расчетное сопротивление /1/; Аb n – расчетная площадь сечения болта /1/; 15

хв – расстояние от центра тяжести ветви до центра тяжести сечения колонны; хф – расстояние от линии действия равнодействующей усилий в фундаментных болтах ветви до центра тяжести сечения колонны. Величина хв принимается конструктивно.

11

Проектирование стропильной фермы

В рамках курсового проекта стропильная ферма принимается типовой с параллельными поясами /3, глава 13/. Поскольку здание проектируется без фонарей, нагрузка от снега может быть принята равномерно распределенной по всей поверхности. Следовательно, как постоянная нагрузка от веса конструкций, так и снеговая нагрузка распределяются по узлам верхнего пояса равномерно. Формулы для узловой нагрузки имеют вид Fg = g • L n Fc= pc •L n

(12.1) (12.2)

где L n - расстояние по горизонтали между узлами верхнего пояса, g и pc соответственно: интенсивность расчетной нагрузки от собственного веса конструкций и от снега, принятые при расчете поперечной рамы. Кроме снеговой и постоянной нагрузок на ферму передаются также усилия от стоек поперечной рамы в узлах сопряжения. Если сопряжение принято жестким, то ферма испытывает, кроме распора, влияние изгибающих моментов, равных моментам в узлах сопряжения стоек с ригелем в поперечной раме. Расчетные значения изгибающих моментов определяются как наибольший положительный и наибольший отрицательный моменты в узле сопряжения левой стойки с ригелем и соответствующие моменты для тех же комбинаций нагрузок в узле сопряжения правой стойки с ригелем. Действие моментов заменяется двумя парами горизонтальных сил, одна из которых приложена к крайним левым узлам поясов, другая - к крайним правым узлам поясов фермы. Величина этих сил определяется по формуле F = М / h ф,

(12.3)

где М – значение момента, h ф – высота фермы по осям поясов. На ферму передаются также и усилия распора, равные расчетным значениям поперечных сил в узлах сопряжения стоек с ригелем. При отрицательной поперечной силе на левой стойке нижний пояс сжат, при положительной – растянут. 16

Усилия в стержнях фермы нужно определить от постоянной и снеговой нагрузок, действующих на узлы фермы, от наибольшего усилия распора, от наибольшего положительного момента и соответствующего момента на противоположной опоре, от наибольшего отрицательного момента и соответствующего момента на противоположной опоре. Расчетные значения усилий в стержнях определяются как наибольшее положительное и наибольшее отрицательное усилия из возможных комбинаций. Определение усилий в стержнях фермы представляет трудоемкую работу, поэтому рекомендуется использовать компьютер или графический способ расчета. При использовании графического способа достаточно построить две диаграммы усилий: одну от действия единичных вертикальных сил на верхние узлы фермы, другую – от действия единичного момента на одном из концов фермы. Расчетные значения усилий в стержнях фермы удобнее всего определять с помощью таблицы / 3 /. Рекомендуется сквозная нумерация стержней в последовательности: вначале стержни нижнего пояса слева направо, затем в той же последовательности стержни верхнего пояса и, наконец, стержни решетки. Рассматриваются все возможные комбинации усилий ( см. граф на рисунке 12.1).Подбор сечения стержней также удобно производить в табличной форме. Геометрическая длина стержней определяется по схеме фермы как расстояние между узлами. Расчетные длины стержней Lef принимаются в соответствии с /1/. Выбор сечения следует производить согласно /1, раздел 5/, принимая предварительно гибкость поясов λ = 100. После выбора сечения, следует уточнить гибкость и проверить устойчивость (прочность). Гибкость стержней из одиночных уголков определяется с учетом /1, раздел 6/. Гибкости стержней не должны превышать допустимых значений /1/. Устойчивость стержней должна быть проверена как в плоскости, так и из плоскости фермы. При этом следует обратить внимание на определение расчетных длин элементов поясов /1/, на которые влияет закрепление узлов от перемещений из плоскости (горизонтальные связи).

1

3

5

2

6

8 7

4

1: постоянная нагрузка, 2: нет снега, 3: снег, 4: - М, 5: + М, 6: М = 0, 7: распор, 8: нет распора Рисунок 12 .1 Граф сочетаний нагрузок на стропильную ферму

17

12 Оформление курсового проекта Оформление курсового проекта должно соответствовать требованиям стандарта. Пояснительная записка должна содержать логическое изложение всех принятых проектных решений с обоснованием их расчетами и ссылками на нормативные документы. Все используемые в пояснительной записке формулы должны быть расшифрованы, а каждое обращение к формуле должно предваряться сообщением о том, что именно определяется с помощью формулы. При повторном использовании формулы делается ссылка на ее номер в тексте пояснительной записки при первом обращении к ней. В тексте пояснительной записки рекомендуется делать ссылки на чертежи. Следует помнить, что пояснительная записка должна пояснять все принятые решения. Если решение принимается без обоснования расчетом или нормативным документом, то это также следует оговорить. Например: размер принят из соображений удобства изготовления или из соображений удобства монтажа. Список литературы должен быть оформлен согласно стандарту и содержать все использованные при проектировании источники. Графическая часть курсового проекта выполняется на трех листах формата 594*420. На первом листе (лист КМ) изображается конструктивная схема каркаса здания: продольной и поперечный разрезы и планы покрытия на уровнях верхнего и нижнего поясов стропильных ферм. Приводится спецификация конструктивных элементов каркаса. На втором листе (лист КМД) изображаются общий вид и узлы стержня колонны, узлы сопряжения колонны со стропильной фермой и фундаментом, сопряжение верхней и нижней частей колонны с необходимым количеством разрезов и сечений. Приводится спецификация металла на колонну. На третьем листе (лист КМД) изображается отправочная марка стропильной фермы и приводится спецификация металла на ее изготовление. На листе изображаются в соответствующем масштабе узлы и разрезы, дающие все необходимые для изготовления фермы сведения. Список использованных источников 1. СНиП II-23-81. Стальные конструкции / Госстрой СССР – М.: ЦИТП Госстрой СССР, 1990.-96 с. 2.СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия / Госстрой СССР.-М.: ЦИТП Госстрой СССР, 1986.-36 с. 3.Металлические конструкции. Общий курс: учебник для вузов / Е.И. Беленя и др.- М.: Стройиздат, 1986 – 560 с. 4.Металлические конструкции. В 3т. т.1 Элементы стальных конструкций: Учеб. пособие / В.В.Горев и др.- М.: Высш. шк., 1997 - 327 с.. 5.Металлические конструкции. В 3т. т.2 Конструкции зданий.: Учеб. для строит. вузов / В.В. Горев и др.- М.: Высш.шк., 1999 - 528 с. 18

6.Составление конструктивной и расчетной схем стального каркаса одноэтажного промздания: Методические указания к курсовому проекту "Стальной каркас одноэтажного производственного здания" по курсу "Металлические конструкции" для студентов специальности 29.03/ Сост. В.А.Стариков. – Оренбург, ОрПтИ, 1990 - 26 с. 7.Составление расчетных сочетаний усилий в поперечной раме промздания: Методические указания к курсовому проекту "Стальной каркас одноэтажного производственного здания" по курсу "Металлические конструкции" для студентов специальности ПГС / Сост. С.В.Миронов.- Оренбург: ОрПтИ, 198819 с. 8.Организация проектирования строительных металлических конструкций. Правила выполнения рабочих чертежей стадии КМ и КМД.: Руководящий документ для специальности ПГС/Сост. С.В.Миронов.- Оренбург: ОрПтИ, 1991 – 46 с. 9. Металлические конструкции ( Справочник проектировщика). т.1 Общая часть – М.: Изд-во АСВ, 1998- 576 с. 10. Металлические конструкции (Справочник проектировщика) т.2. Стальные конструкции зданий и сооружений. - М.: Изд-во АСВ, 1998.-512 с. 11.Нилов А.А., Пермяков В.А., Прицкер А.Я. Стальные конструкции производственных зданий: Справочник.-К.: Будiвельник, 1986.- 272 с.

19