Стальной каркас одноэтажного промышленного здания

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Дагестанский государственный технический университет»

 

 

 

КАФЕДРА ПГС

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

 

К курсовому проекту по дисциплине

«Металлические конструкции»

на тему:

«Стальной каркас одноэтажного

промышленного здания»

 

 

 

Выполнил:   Дациев Р.М.

                                                                                                 Проверил: Юсупов А.К.

 

 

 

 

                                    

Махачкала 2010

Содержание.

 

1. Введение                                                                                                                       2  

2.Компоновка поперечной рамы                                                                                   5

3.Сбор нагрузок на поперечную  раму                                                                                       6

4. Расчет и проектирование фермы                                                                              19

  4.1 Определение сочетания нагрузок  и подбор сечений 

        стержней фермы                                                                                                     21               

5.Проектирование и расчет ступенчатой колонны                                                      28

  5.1 Определение расчетных длин  колонн                                                                    28

  5.2 Подбор сечения верхней  части колонны                                                          30

  5.3 Подбор сечения нижней  части колонны                                                             32

  5.4 Расчет и конструирование  узла сопряжения верхней и  нижней частей

       колоны                                                                                                                   36

  5.5 Проектирование базы колонны                                                                            38

6. Расчет и конструирование подкрановой  балки                                                        40

7. Список использованной литературы                                                                         44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение.

 

В промышленных зданиях металлические конструкции применяются для образования каркаса здания, воспринимающего нагрузки от собственного веса и ограждающих конструкций (постоянные нагрузки) и нагрузки от снега, ветра и мостовых кранов (временные нагрузки). В ряде случаев на каркас здания передаются некоторые нагрузки от технологического оборудования, подвесных трубопроводов, различных площадок и т. д. 
Основным элементом каркаса здания является поперечная рама, образованная колоннами, жестко соединенными с фундаментами здания, и стропильной фермой, которая шарнирно или жестко соединяется с колоннами. 
Колонны воспринимают все основные нагрузки: собственный вес от конструкций покрытия, нагрузки от снега, ветра, а также крановые нагрузки. Усилия от колонн передаются через базу колонны на фундамент. Открывающие усилия воспринимаются анкерными болтами, соединяющими базу с фундаментом. 
Стропильная ферма служит для восприятия нагрузок с покрытия здания и связи колонн между собой. Обычно стропильные фермы представляют собой решетчатую конструкцию с сечениями преимущественно из двух уголков. Опирание железобетонных крупнопанельных плит кровли или прогонов, несущих мелкоразмерные плиты покрытия, происходит в узлах фермы. На стропильной ферме может быть установлен световой или аэрационный фонарь. На колоннах здания устанавливаются подкрановые конструкции, служащие для восприятия нагрузок от мостовых кранов. Вертикальное давление крана от собственного веса крана и поднимаемого груза, а также боковые силовые воздействия, возникающие от торможения тележки крана, перекосов моста крана при его движении и других причин, через колесо крана передаются на крановый рельс, установленный на верхний пояс подкрановой балки. Подкрановая балка воспринимает вертикальное давление от крана. Боковые силы передаются на тормозную балку, представляющую собой, как правило, горизонтальный лист с ребрами жесткости, опирающийся на верхний пояс подкрановой балки и на вспомогательный швеллер. Иногда подкрановые и тормозные балки устраивают в виде сквозных ферм. 
В зданиях с тяжелым режимом работы вдоль подкрановой конструкции по тормозной балке устраивается ходовая площадка с обеспеченными габаритами прохода человека (1800Х400 мм), служащая для осмотра, рихтовки и ремонта подкрановых путей. 
В продольном направлении поперечные рамы располагаются с определенным шагом по длине здания. Наиболее распространен шаг рам 6 и 12 м. В случае большего шага колонн (12 и более метров) между ними в продольном направлении устанавливаются подстропильные фермы, на которые в промежутках между колоннами опираются стропильные фермы. 
Для придания пространственной жесткости и неизменяемости каркасу здания поперечные рамы и ее элементы связаны между собой системой связей. Основными связями в промышленном здании являются следующие: вертикальные продольные связи по колоннам здания, служащие для обеспечения продольной жесткости здания и восприятия продольных горизонтальных усилий от мостовых кранов и ветровой нагрузки с торцов здания, горизонтальные связи по верхним и нижним поясам стропильных ферм и фонарей, а также вертикальные связи между ними, служащие в основном для обеспечения устойчивости конструкций покрытия при монтаже и эксплуатации. 
Промышленные здания могут быть однопролетными и многопролетными, с цельнометаллическим или смешанным каркасом. Смешанный каркас здания, когда колонны выполнены из сборного железобетона, а конструкции покрытия и подкрановые балки из металла, находит очень широкое распространение в промышленном строительстве. В поперечном направлении пролеты могут соединяться между собой в одном уровне или с перепадами. Срок службы промышленных зданий с металлическим каркасом при надлежащей эксплуатации исчисляется десятками лет; в настоящее время имеются промышленные здания с металлическими конструкциями, построенные в конце прошлого столетия. 
Эксплуатируемый фонд промышленных зданий с металлическим каркасом имеет различные конструктивные решения, характерные для отдельных периодов строительства. 
Рассмотрим эти периоды и характерные для них конструктивные решения. Дореволюционный период (до 1917 г.). Металлические конструкции в промышленных зданиях начали применяться в XIX столетии. Сначала это были только стропильные чугунно-железные и железные фермы. В самом конце XIX столетия появились электрические мостовые краны и повлекли за собой устройство в здании подкрановых конструкций. Многообразие конструктивных решений покрытий зданий, большое количество промышленных зданий, построенных иностранными концессиями по своим проектам, полное отсутствие типовых решений — наиболее характерны для металлических конструкций промышленных зданий дореволюционного периода. В настоящее время промышленных зданий дореволюционной постройки сохранилось немного, однако кое-где они все еще эксплуатируются. 
Период с 1917 г. по 1930 г. В течение первых 10 лет после Октябрьской революции промышленное строительство в нашей стране сводилось в основном к восстановлению и реконструкции предприятий, разрушенных в период империалистической и гражданской войн. Новое строительство с применением металлоконструкций практически не велось. В конце этого периода (1927—1930 гг.) построен ряд промышленных зданий с металлическими каркасами. Характерными конструктивными решениями этого времени были каркасы с шарнирным опиранием ригелей весьма сложного очертания. На проектировании металлоконструкций сказывалось сильное влияние немецкой проектировочной школы. Отсутствовали строго установленные модули пролетов зданий и шагов рам. Соединения элементов металлоконструкций (как заводские, так и монтажные) выполнялись только клепаными. Конструкции покрытий осуществлялись прогонные, с монолитной железобетонной или деревянной плитой. 
Период с 1931 г. по 1941 г. В этот период велось большое промышленное строительство. В проектирование промышленных зданий с металлическим каркасом были заложены принципы советской школы металлостроителей: создание экономичных по расходу стали конструктивных решений при одновременном снижении трудоемкости изготовления конструкций, а также упрощения и ускорения их монтажа. К этому периоду относится создание новой конструктивной формы металлического каркаса промышленного здания, характерными особенностями которого были жесткие поперечные рамы с сильно развитыми связями, разрезные прокатные прогоны покрытий с монолитной железобетонной плитой или мелкоразмерными сборными железобетонными плитками, продольные фонари с наклонным остеклением и открывающимися переплетами. Широкое распространение получают сплошно-стенчатые конструкции, в частности для колонн здания. 
В начале 30-х годов для соединений элементов металлоконструкций начинает применяться сварка, которая к 40-м годам получила весьма широкое распространение. Заклепочные соединения сохранились только в наиболее ответственных и сильно нагруженных конструкциях: подкрановых балках для кранов грузоподъемностью 50 т и более, тяжелых колонн, ферм пролетом свыше 30 м. Упрощаются монтажные соединения металлоконструкций, где находят более широкое распространение болтовые соединения с передачей опорных давлений через строганые торцы элементов конструкций. Разбивка пролетов и шагов рам более упорядочена, осуществляется переход к стандартной модульной сетке колонн: ширина пролета, кратная 3 м, и шаг рам, кратный 6 м. В этот же период в практику промышленного строительства внедряются здания со смешанным каркасом. 
Период с 1941 г. по 1945 г. Промышленное строительство в период Великой Отечественной войны было подчинено принципам скорейшего возведения сооружений в условиях острой нехватки рабочей силы и требования максимального удешевления строительства. Многочисленное промышленное оборудование эвакуировалось в восточные районы страны и требовался скорейший ввод его в эксплуатацию. Металлические конструкции для промышленных зданий, позволяющие наиболее быстро возвести сооружение, применяюсь в этот период довольно широко. 
Характерными особенностями промышленных зданий того периода являются малые пролеты, применение крупносортного проката для уменьшения трудоемкости изготовления конструкций, широкое применение дерева для вспомогательных конструкций и деревоплит для покрытий. Фонари промышленных зданий стали выполняться только с вертикальным остеклением. Очень часто металлические конструкции устанавливались без окраски, что впоследствии приводило к сильному их повреждению коррозией. 
В конце войны начались большие работы по восстановлению разрушенных промышленных зданий, причем здания с металлическим каркасом поддавались восстановлению наиболее легко и с меньшими затратами: в среднем на восстановление металлоконструкций шло лишь 10—15% нового металла от веса восстанавливаемых конструкций. 
Период с 1946 г. Основным направлением в развитии металлических конструкций промышленных зданий в послевоенный период было распространение дальнейшей унификации и типизации конструкций элементов каркаса. Окончательно утвердилась сетка колонн: пролеты, кратные 3 м, а с 1955 г.— кратные преимущественно 6 м и шаг рам в продольном направлении, кратный 6 м. Конструктивные элементы каркаса здания стали выполняться по унифицированным схемам, а в настоящее время на многие металлические конструкции здания имеются типовые рабочие чертежи. Основным видом соединений (как заводских, так и монтажных) стала сварка. 
С 1952 г. в промышленном строительстве начало внедряться безпрогонное покрытие из крупнопанельных железобетонных плит длиной 6, а затем и 12 м. 
В настоящее время покрытие из крупнопанельных железобетонных плит является основным для промышленных зданий. 
В горячих цехах металлургических заводов, ввиду наличия больших тепловыделений, для покрытия зданий применяется стальной лист. Требование экономии стали в строительстве и широкое внедрение сборного железобетона привели к большому распространению смешанных каркасов промышленных зданий.

 

 

 

 

Задание.

 

По задание к курсовому проекту №2 по металлическим конструкциям

необходимо рассчитать и скомпоновать металлические конструкции одноэтажного промышленного здания:

1.Скомпоновать и рассчитать поперечную раму.

2.Спроектировать и подобрать  сечение ступенчатой колонны.

3.Рассчитать и спроектировать  ферму.

4.Спроэктировать и подобрать сечение подкрановой балки.

5.Выполнить чертежи всех конструкций и узлов.

 

 

Исходные данные.

 

Район строительства            -  Москва

Длина здания                        - 120 м

Пролет                                   -  24 м

Высота                                   -  7.4 м

Грузоподъемность крана     - 50/10 т

Шаг колонн                           - 6 м

Режим работы крана            - легкий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Компоновка поперечной рамы.

 

Выбрана система с шагом поперечных рам 6 м, с жестким сопряжением ригеля с колонной. Схема поперечной рамы и ее элементов показана на рис. 1

Вертикальные размеры.

H2=Hмкр+10 см + fвср = 3150+100+250=3500 мм

H0= H1+H2=7400+3500=10900мм

Принимаем H0=12600 мм.

 

H1=12600-3500 = 9100 мм=9,1м

 

Hв=h2+hб+hрельса= 3600 мм + 1000 мм + 130 мм = 4730 мм

Нн= H0-Hв+1000=12600-4730+1000=8870мм

Полная высота колонны

 

Hколонны=HН+HВ= 8870+4730 = 13600 мм

Назначаем высоту фермы на опоре

 

Hфермы= 225 см при L =  24 м

Hфермы= 300 см, L =  6 м

 

Горизонтальные размеры.

Так как пролет рамы небольшой (24 м) и Q=50 тонн привязку, принимаем равной 250 мм. Для нормального функционирования мостового крана, необходим проход устраиваемый вне тела колонны (рис 1а)

а/=200 мм, а//=250 мм.

L1=B+hв-а+75 = 300+450-250+75=575мм

Назначаем L1= 750 мм (кратно 250 мм)

Пролет мостового крана

Lk=24000-2·750=22500мм

Сечение верхней части колонны назначаем сплошным, так как пролет и грузоподъемность крана небольшие.

Высота сечения нижней части колонны назначаем:

hH=L1+a=750+250=1000мм

Все определенные нагрузки показаны на рис. 1.

 

 

 

  

 3.    Расчет поперечной рамы производственного здания

 

 

         Требуется произвести статический расчет и определить усилия в элементах рамы  прокатного цеха.

         А. Расчетная схема рамы. В  соответствии с конструктивной схемой (Рис.1) выбираем  ее расчетную схему  и основную систему (рис. 2,а). Расстояние между центрами  тяжести верхнего и нижнего участков колонн

                                        

                                 е0  =0.5(hн - hв)=0.5(1000-4500)=0.125 м.

 

Соотношения моментов инерции  Iн/Iв=6, Iр/Iн=24/6=4. Сопряжение ригеля с

колонной назначаем  жестким.

        

       

Б.Нагрузки на поперечную раму.

         Все нагрузки  подсчитываются с учетом коэффициента надежности по назначению (γн =0.95).

        

      Постоянная нагрузка .

         Расчетная  равномерно распределенная линейная  нагрузка на ригель рамы

                    qп= γн  gкр bф /cos α=0.95· 1.59 ·6/0.999=9 кН/м.

              

         Опорная реакция ригеля рамы  

                                        FR = qп l/2=9·24/2=108  кН.

         Расчетный  вес колонны .  Верхняя часть  (20 %  веса )

                                        Gв=0.95·1.05·0.2·0.4·6·13,6=6,51 кН.

Нижняя часть (80 % веса )

                                      Gн=0..95·1.05·0.8·0.4·6·13,6=26,05 кН.

         Поверхностная  масса стен  200 кг/м²  переплетов с остеклением 35 кг/м².      В верхней части  колонны (включая вес этой части колонны ):

F1= γн [1.2·2(1,8+4,8) 6+1.1·0.35·1.2·6]+6,51=99,43 кН.

         В нижней  части колонны:

                       F2=0.95[1.2· 2(5,4+4,8)6+1.1·0.35·6·6]+26,05=178,7 кН.

Постоянные нагрузки показаны на рис. 2,б.

        

          Снеговая нагрузка. Линейная распределенная нагрузка от снега на ригель рамы

                                  qсн= γн ncp0bф=0.95·1.8·1·6=10,26 кН/м.

Опорная реакция ригеля

                                              FR=10,26·24/2=123,12 кН

          Вертикальные  усилия от мостовых кранов.

          База  крана (5.25 м) и расстояние между колесами двух кранов (1.3 м). Нормативное усилие колеса

           Dmax= γн (nnc ΣFкmax yi + nGп + ngn bт b)= 0.95(1.1·0.85·470·2.94+1.05·24,48+

                                          +1.2·1.5·1.5·6) = 1308,2 кН

(вес подкрановой балки Gп  = 0.3·6·13.6= 24,48 кН );

                              F'к=(9.8·50+665)/2-470=107,5 кН;

                              Dmin= γн (1292·107,5/470+27,5+16,2)=320,5 кН.

          Сосредоточенные  моменты от вертикальных усилий  Dmax ,  Dmin   по формуле (12.7)

             ек = 0.5hн=0.5·1=0.5 м;  М max= ек Dmax = 0.5·1308,2 =457,9 кН·м;

                                        М min  = 0.5·320,5=112,18 кН·м.

        

          Горизонтальная сила от мостовых кранов,  передаваемая одним колесом,

                          Тк=0.05(9.8Q+Gт)/n0=0.05(9.8·50+180)/2=16,75кН                        СилаТ:              Т = γн  nncΣТк   yi  =0.95·1.1·0.85·16,75·2.94 = 43,74 кН.

Считаем условно, что сила Т приложена в уровне уступа колонны.

        

          Ветровая нагрузка.  Нормативный скоростной напор ветра g0 =0.17 кПа. Тип местности – В и коэффициенты k для  10м - 0.3; 20м - 0.5.

         По формуле 

                        qв= γн ng0 kcb=0.95·1.2·0.17·0.8·6k=0,93k

 

Линейная распределенная нагрузка при высоте:

до 10м  - 0,93 * 0.3 = 0,28 кН/м;

до 20м  - 0,93 * 0,5 = 0,46 кН/м; 

13.6м – 0,28+(0,46-0,28)3.6/10=0,35 кН/м; 

19,2м – 0,28+(0,46-0,28)9,2/10=0,45 кН/м.

Сосредоточенные силы от ветровой нагрузки:

                            Fв= (q1+ q2)h' /2 = (0,55+0,69)5.6/2 = 2,24 кН;

                            F'в = Fв  0.6/0.8 = 2,24· 0.6/0.8 = 1,68 кН. 

         Эквивалентные линейные нагрузки 

                          qэ=qв10α=0,28·1,03=0,29 кН/м;        q'э=0,29·0.6/0.8=0,22кН/м.

 

В.  Статический расчет поперечной рамы.

 

Расчет на постоянные нагрузки.

Сосредоточенный момент из за смещения осей верхней и нижней частей колонны:   М= –(FR+F1)е0= - (108+99,43)×0,125= -25,93 кНм

Каноническое уравнение для левого узла:

r11φ1+ r1p=0

Моменты от поворота узлов на угол φ=1(М1);

МА=kА i=0.922i;  Мс=kс i= -0.34i;  Мв=kв i= -1.02i;

Мв.риг=2EIp/l=2E4IнH/lH=8iH/l=8×13,6 i/24= 4,53i;

Моменты от нагрузки на стойках Мр;

МА=kА М =0.302× (-25,93) = -7,83 кНм

Мв=kв М = -0.188× (-25,93) = 4,88 кНм

Мн.с=kс М = -0.666× (-25,93) = 17,27 кНм

Мв.с=(kс=+ 1) М = (-0.666+)× (-25,93) = -8,66 кНм

Моменты на опорах ригеля:

Мв.риг=-qlˆ2/12=-9×242/12=-432 кНм

Коэфициенты канонического уравнения:

r11=Мв+Мв.риг=1,02i+4,53i=5,55i  (по эпюре М1);

r1р=Мв+Мв.риг=-4,88-432=-436,88  (по эпюре Мр).

Угол поворота     φ= -r1р/r11=436,88/5,55i=78,7/i.

Моменты от фактического угла поворота (М1 φ):

МА=0,922i×78,7/i=253 кНм;

Мв=-1,02i×78,7/i=-280 кНм;

Мс=-0,34i×78,8/i=-93 кНм;

Мв.риг=4i×78,8/i=1097 кНм.

 

Эпюра моментов (М1 φ+Мр) от постоянной нагрузки:

МА=72,56-7,83=64,73 кНм;

Мв=-80,27-4,88=-75,39 кНм;

Мв.риг=356,5-432=-75,5 кНм;

Мв.с=-8,86-26,76=-35,42 кНм;

Мн.с=17,42-26,76=-9,49 кНм;

Проверка правильности расчета:

QA.C=-(64,73+9,49)/8,87=-8,37 кН;

QВ.C=-(75,39-35,42)/4,73=-8,45 кН;

      Расчет на  нагрузку от снега.

Сосредоточенный момент на колонне:

М=FR×ео=-95,76×0,125=-11,9 кНм.

Моменты от нагрузки:

МА=0,302×(-11,9)=-3,59 кНм;

МВ=-0,188×(-11,9)=2,24 кНм;

МН.С=-0,666×(-11,9)=7,92 кНм;