Курсовая работа: Стальний каркас одноповерхової промислової будівлі

Міністерство освіти та науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Факультет будівництва та архітектури

Кафедра інженерних конструкцій

Пояснювальна записка до курсового проекту з металевих конструкцій на тему:

„Стальний каркас одноповерхової промислової будівлі”

Виконав:

студент IV-го курсу

ФБА, ПЦБ-1

Гончаров М.В.

Перевірив:

Романюк В.В.

Рівне – 2005

Зміст

1. Вихідні дані..........................................................................................................3

2. Об’ємно-планувальне та конструктивне рішення будівлі...............................4

2.1 Призначення сітки колон будівлі.....................................................................4

2.2 Компонування поперечної рами......................................................................4

2.3 Обґрунтування системи в’язей стального каркасу.........................................5

3. Розрахунок рами..................................................................................................6

3.1 Визначення навантажень на раму....................................................................6

3.1.1 Постійне навантаження..................................................................................6

3.1.2 Снігове навантаження....................................................................................7

3.1.3 Кранове навантаження...................................................................................8

3.1.4 Вітрове навантаження....................................................................................9

3.2 Вихідні дані для статичного розрахунку рами.............................................12

3.3 Розрахункова схема і статичний розрахунок рами......................................13

3.4 Результати статичного рами на ЕОМ............................................................14

3.5 Вибір найневигідніших комбінацій зусиль для лівої колони рами............15

4. Розрахунок та конструювання колони............................................................16

4.1 Визначення розрахункових довжин ділянок колони...................................17

4.2 Підбір перерізу верхньої частини колони.....................................................17

4.3 Підбір перерізу нижньої частини колони.....................................................20

4.4 Перевірка стійкості колони в цілому.............................................................22

5. Розрахунок та конструювання ферми..............................................................23

5.1 Збір навантаження на ферму і визначення вузлових зосереджених сил....23

5.2 Визначення зусиль в стержнях колони.........................................................24

5.3 Підбір перерізу стержнів ферми....................................................................27

5.4 Розрахунок прикріплень у вузлах ферми......................................................30

5.4.1 Розрахунок прикріплень стержнів решітки до фасонок...........................30

5.4.2 Розрахунок прикріплень поясів до фасонок..............................................30

6. Література..........................................................................................................33

1. Вихідні дані

Шифр: Н-2

Основні характеристики мостового крана

2. Об’ємно-планувальне та конструктивне рішення будівлі

2.1 Призначення сітки колон будівлі

Розміщення колон в плані (рис.1) повинно відповідати вимогам технології, економічності та уніфікації об’ємно-планувальних і конструктивних рішень промислових будівель. Крок колон відповідно до завдання становить 6м. Біля торців будівлі колони зміщують всередину будівлі на 500мм для зручності оформлення кутів будівлі стандартними огороджуючими конструкціями.

2.2 Компонування поперечної рами

Компонування поперечної рами починають з встановлення вертикальних розмірів будівлі, які залежать від технологічних умов виробництва, габаритів технологічного обладнання і підйомно-транспортних механізмів. Вони визначаються відстанню від рівня підлоги до головки підкранової рейки Н₀ і відстанню від головки підкранової рейки до низу несучих конструкцій покриття Н₃ (рис.2):

;

;

;

;

.

Висота ферми на опорі h₀=2.2м, а посередині прольоту

.

Після визначення необхідних розмірів по вертикалі визначають основні розміри по горизонталі.

Прив’язка зовнішньої грані колони крайнього ряду до поздовжньої осі приймаємо b₀=250мм.

Ширина перерізу верхньої частини колони , приймаємо h₂=500мм.

Ширина перерізу нижньої частини колони , приймаємо h₁=1250мм.

Відстань від осі колони до осі підкранової балки

.

Для того, щоб кран під час руху не торкався колон

.

Умова виконується. Всі розміри наведені на рис.2.

2.3 Обґрунтування системи в’язей стального каркасу

В каркасах промислових будівель використовують в’язі в площині верхніх і нижніх поясів ферми, а також вертикальні – між фермами і між колонами (рис.3, рис.4, рис.5).

Горизонтальні в’язі в площині верхніх поясів ферм, які служать для забезпечення їх стійкості, встановлюють по середині та біля торців температурного блоку (рис.3). Горизонтальні в’язі в площині нижніх поясів ферм, розташовують по периметру температурного блоку (рис.4).

Якщо довжина блока близька до граничної, то поперечні горизонтальні в’язі по верхніх і нижніх поясах ферм влаштовують через 50...60м. Вертикальні в’язі між фермами використовують для збільшення їх бокової жорсткості та зручності під час монтажу. В’язі влаштовують біля опор ферми та по довжині ферм через 9...12м. Вздовж будівлі ці в’язі розміщують в площині поперечних в’язей і в проміжку через 3...4 кроки ферм.

Вертикальні в’язі між колонами (рис.5) забезпечують загальну стійкість та незмінність споруди. А також сприймають зусилля від поздовжнього гальмування кранів і тиску вітру на торець будівлі. Нижні в’язі між колонами розміщують посередині температурного блоку або близько до неї в площині підкранової та зовнішньої вітки колони. Верхні в’язі між колонами, які розташовані вище підкранових балок влаштовують двоярусними (рис.5). Нижній ярус (між низом ферми і підкрановою балкою) виконують у вигляді хрестової або трикутної решітки. Роль в’язей верхнього ярусу виконують вертикальні в’язі між фермами. Верхні в’язі між колонами встановлюють посередині блоку та в його торцях.

3. Розрахунок рами

3.1 Визначення навантажень на раму

3.1.1 Постійне навантаження

В курсовому проекті постійне розрахункове навантаження на ригель рами .

Розрахункове погонне постійне навантаження на ригель рами ,

де В=6м – поздовжній крок колон.

Опорний тиск ригеля від постійного навантаження відносно центру перерізу нижньої частини колони викликає момент М_q .

Опорний тиск ригеля від постійного навантаження .

Ексцентриситет опорного тиску .

Момент .

Постійне навантаження від власної ваги верхньої та нижньої частини ступінчатої колони:

а) від нижньої частини колони ;

б) від верхньої частини колони .

Навантаження на раму від власної ваги підкранових конструкцій ,

де , ,  - дивись вихідні дані.

3.1.2 Снігове навантаження

Снігове навантаження приймають залежно від кліматичного району будівництва за нормами проектування СНиП 2.01.07-85 „Нагрузки и воздействия”. В курсовому проекті нормативне снігове навантаження . Розрахункове погонне навантаження від снігу на ригель рами складає ,

де С=1 – коефіцієнт, що враховує нерівномірність снігового навантаження по довжині ригеля за складної конфігурації покрівлі;

 – коефіцієнт надійності за навантаженням для снігового навантаження.

;

3.1.3 кранове навантаження

Вертикальне та горизонтальне кранове навантаження на раму визначають від двох найбільш несприятливих за впливом кранів. Кранове навантаження передається на раму підкрановими та гальмівними балками у вигляді вертикальних опорних тисків V_max і V_min та горизонтальної сили гальмування Т.

;

,

де ψ_С – коефіцієнт сполучень за сумісної роботи двох кранів легкого та середнього режимів роботи;

 – коефіцієнт надійності за навантаженням для кранового навантаження;

F_max – нормативний максимальний тиск колеса крана, для кранів Q = 80 т F_max = 0,5×(350+370)= 360 кН;

Σy – сума ординат ліній впливу для опорного тиску на колону (МВ 051-53, рис.7 та табл.4);

G₃=21кН – навантаження від власної ваги підкранових конструкцій (див. п. 3.1.1);

F_min – нормативний мінімальний тиск колеса крана.

,

де Q=80 т – вантажопідйомність крана;

G =110 т – повна вага крана з візком;

n₀ = 4 – кількість коліс з одного боку крана.

Горизонтальний розрахунковий тиск гальмівних балок на колону

,

де .

Підкранові балки встановлюють відносно осі нижньої частини колони з ексцентриситетом, тому в рамі від їх опорного тиску виникають зосереджені моменти .

;

,

де .

3.1.4 Вітрове навантаження

Для розрахунку рами необхідно визначити вітрове навантаження як з навітряної сторони, так і з завітреної сторони. Вітрове навантаження по висоті будівлі розподіляється нерівномірно і його інтенсивність залежить від кліматичного району будівництва, типу місцевості, кроку рам і висоти будівлі.

Інтенсивність розрахункового вітрового навантаження на одиницю довжини на будь-якій висоті х над поверхнею землі:

а) з навітряної сторони ;

б) із завітреної сторони ,

де  – коефіцієнт надійності за навантаженням для вітрового навантаження;  – нормативний швидкісний напір вітру (див. завдання); С=0,8 і С′=0,6 – коефіцієнт аеродинаміки; К_Х – коефіцієнт, що враховує зміни швидкісного напору вітру залежно від висоти та типу місцевості; В=6м – крок рам.

В курсовому проекті інтенсивність розрахункового вітрового навантаження визначають на чотирьох рівнях:

q₁ – на висоті 5м від поверхні землі;

q₂ – на висоті 10 м від поверхні землі;

q₃ – на висоті низу ферми;

q₄ – на висоті верху ферми на опорі;

Відповідно:

k₁=0,75;

k₂=1,0;

k₃=1,25+0,015(х-20)=1,25+0,015(21-20)=1,265;

k₄=1,25+0,015(х-20)=1,25+0,015(23,2-20)=1,298;

q₁=1,4×0,7×0,8×0,75×6=3,53кН/м;

q₂=1,4×0,7×0,8×1,00×6=4,7 кН/м;

q₃=1,4×0,7×0,8×1,265×6=5,95 кН/м;

q₄=1,4×0,7×0,8×1,298×6=6,11 кН/м.

Інтенсивність вітрового навантаження із завітряної сторони отримують множенням інтенсивності вітрового навантаження з навітряної сторони на коефіцієнт

;

;

;

.

На підставі виконаних розрахунків складаємо схему вітрового тиску на виробничу будівлю.

Для спрощення розрахунку, фактичне вітрове навантаження на колону від рівня землі до низу ферми замінюємо рівномірно-розподіленим еквівалентним навантаженням, а від низу ферми до її верха – зосередженою силою.

Інтенсивність еквівалентного рівномірно-розподіленого вітрового навантаження визначається із умови рівності моментів в защемлені колони від фактичної епюри вітрового тиску і еквівалентного рівномірно-розподіленого навантаження М=М_w.

Момент від фактичного навантаження

Момент від еквівалентного навантаження

.

Із умови рівності моментів

;

.

Зосереджена сила

.

Вихідні дані для статичного розрахунку рами

Таблиця 1

Результати статичного розрахунку рами на ЕОМ

Таблиця2

Вибір найневигідніших комбінацій зусиль для лівої колони рами

Таблиця 3

До вибору розрахункових комбінацій зусиль

Таблиця 4

4. Розрахунок та конструювання колони

Вихідні дані:

Розрахункові комбінації зусиль:

для верхньої(над кранової) частини колони:

N₂= 593,4 кН; М₂=-368,54 Кн·м; Q₂=0,5 кН;

для нижньої (підкранової) частини колони:

N₁=1620,16 кН; М₁=-856,92 Кн·м (згинаючий момент завантажує зовнішню вітку);

N´₁ =1495,96кН; М´₁ =-856,92Кн·м; Q₁=62,85 кН (згинаючий момент довантажує підкранову вітку)

Найбільше значення нормальних сил:

N₂=604,4 кН; N₁=1620,16 Кн×м;

Матеріал колони – сталь марки 09Г2С;

Довжина верхньої частини: l₂=5,2м;

нижньої частини: l₁=16,8м;

Висота перерізу верхньої частини колони: h₂=500мм;

нижньої частини колони: h₁=1250мм;

Співвідношення моментів інерції: I₁:I₂=200/21;

Висота підкранової балки з рейкою: h_в=1,2м.

4.1 Визначення розрахункових довжин ділянок колони

Розрахункові довжини верхньої і нижньої частини колони в площині рами відповідно l_2x=m₂× l₂ та l_1x=m₁× l₁.

Відношення ;

Величина ,

де .

За таблицею 68[1] залежно від n=0,34 та a₁=0,58 визначаємо m₁=1,69.

Коефіцієнт , приймаємо m₂=2,9

Таким чином,

l_1x=m₁× l₁=1,69×16,8=28,39м;

l_2x=m₂× l₂=2,9×5,2=15,08м.

Із площини рами

l_2y=l₂-h_в =5,2-1,2=4м,

l_1y=l₁=16,8м.

4.2 Підбір перерізу верхньої частини колони

Приймаємо переріз верхньої частини колони у вигляді зварного двотавра висотою h₂=500мм, R_y для сталі марки 15ХСНД (С345) при товщині листа t=до 20мм становить R_y=345Мпа, E=2,06×10⁵Мпа.

Необхідна площа перерізу

,

де  см.

Приймаємо стінку t_w×h_w=10×460мм=4600мм²=46см²,

пояси з листів t_f×h_f=16×200мм=6000мм²=60см²,

A₂=t_w×h_w+2 t_f×b_f=1,0×46,0+2×1,6×20,0=110см²;

,

,

, ,

^.

Визначаємо гнучкості стержня колони в площині та із площини рами

Умовна гнучкість

Відношення ,

Місцева стійкість полиць забезпечена.

Перевіряємо стійкість верхньої частини колони в площині дії моменту за формулою:  для чого попередньо обчислюємо  і :

;

;

,

де  – коефіцієнт впливу форми перерізу (Табл..73[1]), η=1,37

при  і m=3,03.

За табл. 74[1] залежно від =3,03 і m_ef=5,12 коефіцієнт φ_е=0,185.

.

Перевірка стійкості верхньої частини колони із площини дії моменту виконується за формулою:

 для чого попередньо обчислюємо

,

де  (обчислюється в перерізі 3-3 при тій самій комбінації зусиль, що і М₂ в перерізі 4-4).

Ексцентриситет .

Відносний ексцентриситет .

Гнучкість .

За табл.10[1] α=0,65+0,05m_х =0,813 при m_х =3,26 і  , оскільки λ_у =91 > λ_с=76,73.

За табл.72[1] за значенням λ_у =91 коефіцієнт φ_у =0,503.

Обчислюємо напруження

.

Стійкість верхньої частини колони забезпечена.

Для перевірки місцевої стійкості стінки визначаємо коефіцієнт:

.

;

;

.

Оскільки α>1, то

,

де ;

.

.

Перевіряємо стійкість перерізу верхньої частини колони на комбінацію N_2max і M_{2 відп.}:

N_{2 max} =593,4 кН;

M_{2 відп.} =-368,4 кНм;

M´_{2 відп.} =-216,57 кНм.

 см.

, де .

a=0,65+0,05m_x=0,0,71; β=1,15; ; φ_y=0,503; λ_y=48,89.

МПа<R_y γ_c=345МПа.

4.3 Підбір перерізу нижньої частини колони

Приймаємо переріз нижньої частини колони наскрізним, складеним із двох віток, з’єднаних розкісною решіткою. Підкранову вітку колони приймаємо зі прокатного (або зварного) двотавра, а зовнішню – із двох кутиків, з’єднаних листом. Висота перерізу колони h₁=1250мм встановлена під час вибору схеми рами.

Визначаємо орієнтовно зусилля у вітках колони:

а) у підкрановій вітці

;

б) у зовнішній вітці

,

де y₁=у₂=h₁/2=1250/2=625мм=0,625м.

Знаходимо орієнтовно необхідні площі перерізів віток:

а) ;

б) .

Ширина колони (1/20…1/30)l₁=(1/20…1/30)16,8=0,84...0,56см.

Для підкранової вітки приймаємо переріз з прокатного двотавра №60. Переріз зовнішньої вітки приймаємо з двох кутиків 125×12, з’єднаних листом t_л×h_л=10×560мм. Характеристики кутика: А^└=28,9см²; І^└=422см⁴; z₀=3,53см.

Геометричні характеристики перерізів віток колони:

а) підкранової вітки

А₁= 84,7см²; І₁=808см⁴; І_y=27696см⁴; і₁= 3,09см; і₂=18,1см;

б) зовнішньої вітки

;

.

Визначаємо відстань від центра ваги перерізу зовнішньої вітки до краю зовнішнього листа:

;

;

; .

Визначаємо положення центру ваги всього перерізу нижньої частини колони:

;

;

.

Знаходимо дійсні розрахункові зусилля у вітках колони

;

.

Перевіряємо стійкість віток колони. Відстань між вузлами решітки приймаємо .

Підкранова вітка:

а) в площині рами ; .

МПа < МПа;

б) із площини рами ; .

МПа < МПа;

Зовнішня вітка:

а) в площині рами ; .

МПа < МПа;

б) із площини рами ; .

МПа < МПа.

4.4 Перевірка стійкості колони в цілому

Визначаємо геометричні характеристики всього перерізу нижньої частини колони:

;

;

;

; ;

; ;

; .

Необхідно обчислити приведену гнучкість колони l_ef, яка залежить від перерізу розкосів, тому спочатку підбираємо переріз елементів решітки. Розкоси решітки розраховують на більшу з поперечних сил: фактичну Q₁=87кН або умовну

Решітку розраховуємо на .

Зусилля в розкосі решітки ,

де a – кут нахилу розкосів до вітки.

, a=37; sina=0,549.

Необхідна площа роскосу

,

де g=0,75 – коефіцієнт умов роботи для розкосів одиночних кутиків, які прикріплені однією палицею; j=0,6 – орієнтовно; МПа.

Приймаємо розкоси з кутиків 80×7

; ; j=0,351;

Напруження в розкосі

МПа <МПа.

Приведена гнучкість стержня колони

,

де .

Перевіряємо стійкість колони в площині дії моменту.

,

.

За таблицею 75[1] .

Напруження МПа <МПа.

5. Розрахунок та конструювання ферми

5.1 Збір навантажень на ферму і візначення вузлових зосереджених сил

На ферму діють постійне та снігове навантаження які обчислені в попередніх пунктах 3.1.1 і 3.1.2:

 і .

Зосереджені сили, що прикладені у вузлах ферми:

а) від постійного навантаження

;

б) від снігового навантаження

,

де м – довжина панелі верхнього поясу.

5.2 Визначення зусилля в стержнях ферми

За вузлової передачі навантаження в стержнях ферми виникають осьові зусилля стиску або розтягу. Величину та знак цих зусиль зручніше за все визначати графічним способом за діаграмою Максвела – Кремони. Для визначення розрахункових зусиль в елементах ферми необхідно побудувати діаграми від таких навантажень:

а) постійне навантаження;

б) тимчасове (снігове) на половині прольоту;

в) від впливу опорних моментів.

В курсовому проекті для визначення зусиль в елементах ферми використовуємо зусилля від одиничних навантажень, які наведені в таблиці 4а.

Розрахункові зусилля в стержнях ферми наведені в таблиці 5.

         ; .

 – момент в перерізі 4-4;

 – момент в перерізі 7-7 при тій самій комбінації навантажень, що і М₁.

5.3 Підбір перерізів стержнів ферми

Розтягнуті стержні.

Підбираємо переріз нижнього розтягнутого поясу зварної ферми із двох рівнополицевих кутиків, складених тавром .Матеріал поясу – сталь марки 18ГПС (С255) (фасон). Розрахункове розтягуюче зусилля N=2213,5кН. Розрахункові довжини l_x= l_y =6м. Коефіцієнт умов роботи g_с =1, R_y=240МПа при t=10...20 мм.

Необхідна площа перерізу .

Одного кутика .

Підбираємо переріз кутика із двох рівнополицевих кутиків 200×12 з A_n=94,2см², i_x=6,22см, i_y=7,5см² (рис. 14).

Міцність перерізу .

Точність підбору .

Гнучкість поясу ;

Підібраний переріз задовольняє умовам міцності та вимогам жорсткості.

Стиснуті стержні.

Підбираємо переріз стержня верхнього стиснутого поясу ферми із двох рівнополицевих кутиків N=2059,7 кН. Довжина панелі l_m=3м. Матеріал – сталь марки С255. Товщина фасонки у вузлах поясу t_р=20мм.

Розрахункові довжини l_x= l_y =300 см; R_y=240МПа при t=10...20мм.

Задаємося гнучкістю l=70<l_u=120, для якої j=0,750.

Визначаємо необхідну площу поперечного перерізу

.

Визначаємо необхідні габарити перерізу

;        

За значеннями A₀, h₀, b₀ приймаємо 2∟160×20, для яких A_n=2×60,4=120,8см²,

i_x=4,85см², i_y=6,5см². Гнучкості

l_max= l_X=61,9; j=0,768.

Перевіряємо стійкість стержня

. Умова виконується. Решту стиснутих стержнів розраховуємо аналогічно.

5.4 Розрахунок прикріплень у вузлах ферми

5.4.1 Розрахунок прикріплень стержнів решітки до фасонок

Виконуємо розрахунок прикріплення елементів решітки у вузлі 1 напівавтоматичним зварюванням із застосуванням зварювального дроту СВ-08Г2С діаметром 1 мм в середовищі вуглекислого газу. g_с =1, g_w1 =1. Матеріал елементів – сталь марки С255 з R_un=370Мпа, R_wf=215Мпа, R_wz=0,45R_un= 0,45×370=166,5Мпа, b_f=0,7, b_z=1.

Перевіряємо умову

R_wfb_f=215×0,7=150,5Мпа<R_wzb_z =166,5×1=166,5Мпа.

Розрахунок зварних з’єднань виконуємо тільки в перерізі по металу шва.

Для стержня 9-10 з N=1548,8кН визначаємо необхідні площі зварних швів:

а) ;

б) .

Катети швів:

а) біля обушка K_fc=1,2×t_a=1,2×12=14,4мм, приймаємо K_fc=14мм;

б) біля пера K_ft=t_a-2мм=14-2=12мм.

Розрахункові довжини швів:

а) біля обушка ;

б) біля пера .

Аналогічно обчислюємо довжини швів для всіх елементів решітки (таблиця7).

5.4.2 Розрахунок прикріплень поясів до фасонок.

Виконуємо розрахунок прикріплень зварними швами фасонки до поясних кутиків у вузлі 2. Вихідні дані: N₂=-18880,9кН, N₁=-1880,9кН, F=283,7кН, R_wf=215Мпа, g_w1 =g_с =1.

Переріз поясу тавровий із двох рівнополицевих кутиків 2∟160×20. Товщина фасонки t_р=20мм.

Рівнодіюча сила

.

Необхідні площі швів:

а) біля обушка ;

б) біля пера .

Розрахункова довжина зварних швів:

;

,

де l_pc=25см та l_pt=20см – довжина контакту фасонки з поясними кутиками відповідно з боку обушка і з боку пера (розміри з креслення).

Катети швів призначають так, щоб їх розмір задовольняв умові міцності і конструктивним вимогам.

А) Біля обушка

;

.

Б) Біля пера

;

.

Приймаємо K_fc=6мм та K_ft=6мм.

Аналогічно обчислюємо катети швів в інших вузлах і результати записуємо в таблицю 8.

Література

1.  СНиП ІІ-23-81*. Стальне конструкции. – М.: Стройиздат, 1991 – 96с.

2.  Бабич В.І., Огороднік В.І., Романюк В.В. Таблиці для проектування будівельних конструкцій. Довідник – Рівне, 1999. – 506с., 394 табл., бібліограф.:35 назв.

3.  Методичні вказівки до виконання курсового проекту 051-53, 051-15, 051-16, 051-80, 051-81, 051-82, 051-95.