Xreferat.com » Рефераты по архитектуре » Проектирование металлической фермы

Проектирование металлической фермы

1. Исходные данные


Необходимо рассчитать и законструировать стропильную ферму покрытия пролётом 27 м. Шаг ферм 8 м, сечение элементов решетки фермы выполнены из парных уголков, пояса из тавров. Покрытие тёплое. Климатический район по снеговому покрову – IV. Материал фермы – сталь марки 14Г2 (ГОСТ 19282 – 73*), соответствует марке С345 по ГОСТ 27772-88*, соединения стержней в узлах фермы сварные, коэффициент надёжности по назначению зданий . Высота фермы по наружным граням поясов 3150 мм.


Рис. 1. Схема стропильной фермы


2. Сбор нагрузок на ферму


На ферму действуют два вида нагрузок:

  1. постоянная от собственного веса конструкций покрытия;

  2. временная снеговая, которую можно отнести только к кратковременной с полным нормативным ее значением.

Величины расчетных нагрузок на 1 м2 (горизонтальной проекции) площади покрытия от собственного веса конструкции удобно определять в табличной форме.


Таблица 1.

Определение нагрузок, действующих на ферму



Вид нагрузки и ее составляющие

Норма-тивная

нагрузка

()

Коэф-т надеж-ности по нагруз-ке

Расчет-ная нагрузка

()

1

2

3

4

Постоянная:

  • защитный слой гравия, на битумной мастике, t=20 мм, =20 кН/м3

  • гидроизоляционный ковер из 4-х слоев рубероида

  • утеплитель из минераловатных плит t=100 мм, =2,5 кН/м3

  • пароизоляция из одного слоя рубероида

  • цементная стяжка t=20мм

  • сборные железобетонные ребристые плиты 8 x 2,7 м

  • собственная масса фермы

  • связи покрытия


0,4


0,2


0,25


0,05


0,4


1,6

0,3

0,04



1,3


1,3


1,3


1,3


1,3


1,1

1,05

1,05


0,52


0,26


0,325


0,065


0,52


1,76

0,315

0,042

Итого:


Временная


- снег по всему покрытию



1,4


Всего:

4,74

-

5,91


Значения погонных равномерно распределенных расчетных нагрузок от собственного веса конструкций и снега (в кН/м) определяются по формулам:

QКР = qКР В = 3,81 8 = 30,48 кН/м ;

РСНЕГА = РСН В = 2,1 8 =16,8 кН/м ;

где В – шаг ферм (В = 8 м);

qКР, РСН – расчетные нагрузки действующие на ферму из табл. 1


Общая нагрузка на промежуточные узлы фермы от собственного веса конструкций и снега определяется по формуле:

F1 = (QКР +PСНЕГА) d = (30,48 + 16,8) 2,7 = 127,66 кН;

где d – длина панели верхнего пояса (d = 2,7 м)

Общая нагрузка на опорные стойки от собственного веса конструкций и снега определяется по формуле :

F2 = 0,5 F1 = 0,5 127,66 = 63,83 кН

Тогда, опорная реакция равна :

0,5 (2 F2+9 F1) =5 F1 = 0,5 (263,83 + 9127,66) =638,3 кН


Рис. 2. Схема загружения фермы.


3. Разработка схемы связей.


Сквозная плоская система (ферма) легко теряет свою устойчивость из плоскости. Чтобы придать ферме устойчивость, ее необходимо присоединить к какой-либо жесткой конструкции или соединить с другой фермой в результате чего образуется пространственно устойчивый брус.

Для обеспечения устойчивости такого бруса (блока) необходимо, чтобы все грани его были геометрически неизменяемы в своей плоскости.

Грани блока образуются двумя вертикальными плоскостями спаренных ферм, двумя перпендикулярными им горизонтальными плоскостями связей, расположенными по обоим поясам ферм, и тремя вертикальными плоскостями поперечных связей (две в торцах ферм и одна в коньке). Поскольку этот пространственный брус в поперечном сечении замкнут и достаточно широк, он обладает очень большой жесткостью при кручении и изгибе, поэтому потеря его общей устойчивости в изгибаемых системах невозможна.




Рис. 3. Связи, обеспечивающие устойчивость стропильных ферм.

4. Определение усилий в стержнях фермы


Значения усилий определяем методом сечений. За расчетную нагрузку фермы принимается расстояние между осями поясов. Уклоном верхнего пояса фермы при i = 0,015 можно пренебречь.

cos = ; sin =




Рис.5. Расчетная схема фермы





mom1 = 3150 = 0 ; N1-4 = 0 (kH)·


(kH)












Усилие в стержне 9-11 отсутствует.




Рис. 6. Размеры элементов фермы и усилия в них


Таблица 2


Расчетные усилия в элементах фермы



Элемент

Обозначение

Стержня


Расчетные усилия, кН

СЖАТИЕ

РАСТЯЖЕНИЕ


Верхний пояс

1 – 4

0

0

4 – 6

-875,34

-

6 – 8

-875,34

-

8 – 10

-1313,07

-

10 - 11

-1313,07

-


Нижний пояс

2 – 5

-

492,38

5 – 7

-

1148,94

7 – 9

-

1367,79


Стойки

5 - 6

-127,66

-

7 - 10

-127,66

-

9 – 11

0

-


Раскосы

2 - 3

-756,64

-

3 - 4

-756,64

-

4 - 5

-

588,45

5 - 8

-420,32

-

7 - 8

-

252,19

7 - 11

-84,06

-

1 - 3

0

0


5. Подбор сечений стержней фермы

Подбор сечения стержней верхнего пояса.

Верхний пояс принимаем с изменением сечения.

Подбираем сечение для стержней 1 – 4, 4-6 , для наибольшей

нагрузки N4-6 = -875.34 kH

Задаемся гибкостью – = 90, расчетное сопротивление стали по пределу текучести Ry=315 МПа по табл. 51* /1/, коэффициент продольного изгиба

= 0, 527 по табл. 72 /1/.

Требуемая площадь сечения




Принимаем профиль 17,5ШТ1, А = 47 см2, ix =4,5 см, iy= 5,96 см.

Гибкость стержня

x = [x] = 132;

х = min =0,783

y = [y] = 136,2; y = 0,849

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

.

Недонапряжение составляет 20%, но при меньшем профиле возникает перенапряжение. Если принять тавр 25БТ1 и тавр 30БТ1 для стержней 8 – 10 и 10 – 11, получим перерасход металла. Окончательно принимаем профиль 17,5ШТ1


Подбираем сечение для стержней 8 - 10, 10 – 11, для нагрузки N = -1313,07 kH

Задаемся гибкостью – = 90, Ry=315 МПа, по табл. 72 /1/ = 0, 527.

Требуемая площадь сечения




Принимаем профиль 20ШТ1, А = 62 см2, ix =5,13 см, iy= 7,19 см.

Гибкость стержня

x = [x] = 127,8;

х = min = 0,816

y = [y] = 133,2; y = 0,909

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

.

Недонапряжение составляет 13%, но при меньшем профиле возникает перенапряжение. Окончательно принимаем профиль 20ШТ1


Проверка местной устойчивости стенки сжатого пояса


Проверяем местную устойчивость стенок сжатого пояса для


стержней 1 – 4, 4-6 и 6 - 8, по формуле 91*/1/

где hw,ef = h – t – R= 16,93 – 1,28 – 2,0 = 13,65



Местная устойчивость стенок тавра обеспечена.


Проверяем местную устойчивость стенок сжатого пояса для

стержней 8 - 10 и 10 - 11.

где hw,ef = h – t – R= 194,3 - 14,2 - 22 = 158,1мм = 15,81 см



Местная устойчивость стенок тавра обеспечена.


Подбор сечения стержней нижнего пояса.


Нижний пояс принимаем с изменением сечения по длине.

Подбираем профиль для стержня 2 - 5 и рассчитываем его на

усилие – N = 492,38 кН.

Требуемая площадь сечения




Принимаем тавр 13БТ1 , А = 17,65 см2, ix = 3,78 см, iy= 2,64 см.

Гибкость стержня

x = [] = 400;

y = [] = 400.

Проверка прочности стержня 5-7

.

Условие соблюдается.


Подбираем профиль для стержня 5 – 7, 7 - 9 и рассчитываем его на

усилие – N = 1367,79 кН.

Требуемая площадь сечения




Принимаем тавр 25БТ1 , А = 45,9 см2, ix = 7,57 см, iy= 4,22 см.

Гибкость стержня

x = [] = 400;

y = [] = 400.


Проверка прочности стержня 5-7

.

Условие соблюдается.


Подбор сечений сжатых раскосов и стоек производим по методике подбора сечений сжатых верхних поясов фермы, растянутых раскосов – по методике подбора сечений растянутых поясов фермы.


Подбираем сечение из парных уголков для стержней 5 - 6, 7 – 10 – не опорный раскос (сжатый) с внутренним усилием N = - 127,66 кН

Задаемся гибкостью – = 100, по табл. 72 /1/ = 0,433.

Требуемая площадь сечения




Принимаем ┘└ 70x6, А = 16,3 см2, ix =2,15 см, iy= 3,25 см.

Гибкость стержня

x = [x] = 156

x = min = 0,324

y = [y] = 171,6; y = 0,456

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

.

Условие соблюдается.

Сечение для стойки 9 – 11 принимаем конструктивно, для уменьшения количества типа профилей принимаем ┘└ 70x6


Стержень 5 - 8.

Задаемся гибкостью – = 100, по табл. 72 /1/ = 0,433.

Требуемая площадь сечения




Принимаем 2└ 125 x 80x8, А = 32 см2, ix =4 см, iy= 5,98 см.

Гибкость стержня

x = [x] = 157,8

x = min = 0,564

y = [y] = 166,8; y = 0,678

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

.

Условие соблюдается.

Стержень 7 – 11.

Задаемся гибкостью – = 100, по табл. 72 /1/ = 0,433.

Требуемая площадь сечения




Принимаем 2└ 90x 56x6, А = 23,74 см2, ix =2,88 см, iy= 4,42 см.

Гибкость стержня

x = [x] = 180

x = min = 0,336

y = [y] = 180; y = 0,477

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

.

Условие соблюдается.


Стержень 2 - 4

Задаемся гибкостью – = 100, по табл. 72 /1/ = 0,433.

Требуемая площадь сечения




Принимаем 2└125x80x10, А = 39,4 см2, ix =3,98 см, iy= 5,98 см.

Гибкость стержня

x = [x] =135

x = 0,817

y = [y] = 126; y = min = 0,675

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

.

Условие соблюдается.


Подбираем профиль для стержня 4 - 5 и рассчитываем его на

усилие – N =588,45 кН.

Требуемая площадь сечения




Принимаем тавр 2└ 75Ч50Ч8 , А = 18,94 см2, ix = 2,35 см, iy= 3,75 см.

Гибкость стержня

x = [] = 400;

y = [] = 400.

Проверка прочности стержня 4 - 5

.

Условие соблюдается.

Подбираем профиль для стержня 7 - 8 и рассчитываем его на

усилие – N =252,19 кН.

Требуемая площадь сечения




Принимаем тавр 2└ 63Ч40Ч6 , А = 11,8 см2, ix = 1,99 см, iy= 3,21 см.

Гибкость стержня

x = [] = 400;

y = [] = 400.

Проверка прочности стержня 7 - 8

.

Условие соблюдается.

Что бы уменьшить количество типов профилей для не напряженного раскоса 1 - 3 конструктивно принимаем сечение 2└ 63Ч40Ч5.

Опорную стойку принимаем конструктивно из сварного симметричного двутавра. Конструктивные особенности, катеты швов указаны в графической части проекта и главе «Конструирование монтажных узлов» данной пояснительной записки.

Результаты расчета стержней фермы приведены в табл.3







6. Расчет сварных швов.


Для присоединения стержней применяем полуавтоматическую сварку в

среде углекислого газа сварочной проволокой СВ-10НМА d = 2 мм по

ГОСТ 2246-70*.

Коэффициенты и расчетные сопротивления, принимаемые при расчете по металлу шва:

f = 0,9; wf = 1; R wf = 240 МПа

f wfR wf = 0,91240 = 216 МПа,

где : #G0- расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу шва, принимается по табл. 56*/1/ ;

#G0 - коэффициенты для расчета углового шва по металлу шва, принимается по табл. 34*/1/ ;

При расчете по металлу границы сплавления

z = 1,05; wz = 1; R wz = 0,45R un = 0,45490 = 220,5 МПа,

z wzR wz = 1,051220,5 = 231,5 МПа;

где :

#G0= 490 МПа - временное сопротивление стали разрыву, принимаемое равным минимальному значению по государственным стандартам и техническим условиям на сталь ;

- коэффициенты для расчета углового шва по металлу границы сплавления табл 56*/1/;

- расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу границы сплавления;


f wfR wf = 216 МПа z wzR wz = 231,5 МПа,

Расчет ведем по металлу шва


#G0

#G0

Несущая способность сварных швов определяется прочностью металла сварного шва и вычисляется по формуле

,

где Nоб(п) – усилие, действующее на обушок (перо) уголков;

n – количество швов (n = 2);

a – длина шва на непровар (а = 1-2 см);

kf – катет сварного шва.

kf, min kf kf, max,

где kf, min – минимальный катет шва, определяемый по табл. 38* /1/;

kf, max – максимальный катет шва, равный:

для шва по обушку 1,2 tуг;

для шва по перу

kf, max = tуг – 1мм, при tуг 6мм;

kf, max = tуг – 2мм, при tуг = 7 – 16мм;

здесь tуг – толщина прикрепляемого уголка.


Стержень 2 - 4

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 15 см.

Шов по перу

см. Принимаем lw = 10 см.

Стержень 4 - 5

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 12 см.

Шов по перу

см. Принимаем lw = 8 см.


Стержень 5 - 8

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 9 см.

Шов по перу