Проектирование конструкции стальной балочной клетки рабочей площадки промышленного здания

вспомогательной балки с главной выполняется поэтажно.

При пяти грузах в пролете опорная реакция вспомогательной балки равна

RA = 3,5 (G+P) = 3,5×33,248 = 116,4 кН

Принимаем болты нормальной точности (класс В), класс по прочности – 4,6, диаметром 20 мм. Расчетное сопротивление срезу болтов для принятого класса прочности Rbs = 150 Мпа.

Расчетные усилия, которые может выдержать один болт:

а) на срез

Nbs = Rbs×gb×A×ns,

где Rbs = 150 МПа,

gb = 0,9 – коэффициент условия работы,

ns = 1 – число срезов болта.

А = pd2/4 = 3,142×2,02/4 = 3,14 см2 – расчетная площадь сечения болта

Nbs = 150 ×103× 0,9 × 3,14 × 10-4 = 42,39 кН.

б) на смятие

Nb = Rbр × gb × d × S tmin,

где gb = 0,9;

Rbр = 690 МПа – расчетное сопротивление на смятие для стали при RUM = 490 МПа

S tmin = 10 мм – толщина стенки балки и ребра.

Nb = 690 × 103× 0,9 × 20 ×10-3× 10× 10-3 = 124,2 кН.

Сравнивая результаты, принимаем меньшее Nbs,min = 42,39 кН.

Требуемое количество болтов в соединении

Принимаем 3 болта диаметром 20 мм, диаметр отверстия D=22 мм.

Проверка касательных напряжений в стенке вспомогательной балки с учетом ослабления отверстиями диаметром 22 мм под болты, а также с учетом ослабления сечения балки из-за вырезки полки в стыке, выполняется по формуле:

где Qmax = RA = 93,68 кН

hW = h – 2tf = 39,2 - 2×1,05 = 37,1

a = b/(b-d) = 146/(146 – 22) = 1,18 – коэффициент ослабления сечения

Проверка удовлетворяется.

Расход стали на перекрытие

2.3. Проектирование колонны сплошного сечения

2.3.1. Расчетная длина колонны и сбор нагрузки

НГБ = ОВН - hстр

НГБ = 8,4 – 1,774 = 6,626 м

Заглубление фундамента hф = 0,7 м.

Геометрическая длина колонны

L = НГБ + hф = 7,326 м.

При опирании балок на колонну сверху, колонна рассматривается как шарнирно закрепленная в верхнем конце. Соединение с фундаментом легких колонн в расчете также принимается шарнирным. Поэтому длина колонны определяется при m = 1:

Lef = mL = 1× 7,326 = 7,326 м.

Грузовая площадь Агр = LГ LВ = 17,5 × 7 = 122,5 м2.

Сбор нагрузки на колонну

Таблица 6

	Наименование нагрузки	Нормативная нагрузка, кН	gf	Расчетная нагрузка, кН
1	Временная нагрузка Р = р × Агр = 12 × 122,5	1470	1,2	1764
2	Собственный вес настила и балок G = mngAгр = 151,1 × 10-3×9,81 × 122,5	181,58	1,05	190,66
Итого G+P		1651,58		1954,66

2.3.2. Подбор сечения колонны

Выполним расчет относительно оси Y, пересекающей полки. Гибкость колонны lу = 89,3. Находим jу = 0,50.

Требуемая площадь сечения колонны Атр = 115,2 см2.

Требуемые радиус инерции и ширина полки

 

Ширина полки находится из соотношения iY » 0,24bf .

bf = 36 см – принимаем ширину полки, в соответствии с сортаментом прокатной стали.

Высоту стенки hW назначаем так, чтобы удовлетворялось условие h³ bf, hW = 360 мм. Назначив толщину tW = 1,2 см, получим площадь сечения стенки: АW  = 43,2 см2. Свес полки:

bef = 0,5(bf – tW) = 0,5(360-12) = 17,4 см.

Предельное значение bef = 17,5 см – находится из условия возможности применения автоматической или полуавтоматической сварки. Т.к. величина свеса полки меньше предельной, условие технологичности сварки выполняется.

Геометрические характеристики сечения.

Площадь сечения:

А = 0,5 (Атр – АW) = 115,2 см2.

Момент инерции:

Радиус инерции:

Гибкость:

Приведенная гибкость:

Коэффициент продольного изгиба:

Включаем в нагрузку вес колонны:

Gк = gАLygf = 77× 115,2× 10-4×7,326×1,1×1,05 = 7,5 кН

Полная расчетная нагрузка Gp = 1962,5 кН

Проверка колонны на устойчивость.

Недонапряжение составляет 1,2%.

Проверка предельной гибкости.

lU=180 - 60a =180 – 60 × 0,987 = 120,78

где

Т.к. lY = 89,3 < lU = 120,78, проверка гибкости проходит.

2.3.3. Проверка устойчивости полки и стенки колонны.

Отношение свеса полки к ее толщине:

Наибольшее отношение при условии выполнения устойчивости полки равно 17,72. Т.к. , устойчивость полок обеспечивается.

Проверим устойчивость стенки по условию .

; ; lUW = 1,2+0,35×l = 1,2+0,35 × 3,65 = 2,5

Принимаем 2,3.

30 < 56,2 – устойчивость стенки колонны обеспечена.

Т.к. , то поперечные ребра жесткости по расчету устанавливать не требуется.

По конструктивным соображениям принимаем на отправочном элементе два парных ребра. Назначим размеры парных ребер: ширина bP = hW/30 + 40 мм = 36/30 + 40 = 41,2. Принимаем bP =50 мм.

Толщина tP ³ bP/12 = 50/12 = 4,2 мм. Принимаем tP = 6 мм.

В центрально-сжатых колоннах сплошного сечения сдвигающие усилия между стенкой и полкой незначительны. Поэтому сварные швы, соединяющие полки со стенкой, назначаем конструктивно толщиной катета kf = 6 мм.

2.3.4. Расчет базы колонны.

База колонны, состоящая из опорной плиты и траверс, крепится к фундаменту анкерными болтами.

Размеры плиты базы.

Ширину плиты назначаем по конструктивным соображениям:

Впл = bf + 2t + 2c = 360 + 2 × 10 + 2 × 50 = 480 мм

Длина плиты минимальная по конструктивным соображениям:

Lпл min = h +2c = 380 + 2 × 50 = 480 мм.

Учитывая стандартные размеры листов, назначаем Lпл = 480 мм.

Проверим достаточность размеров плиты в плане расчетом из условия смятия бетона под плитой. Класс бетона фундамента В12,5. Расчетное сопротивление бетона смятию при коэффициенте условия работы jв = 1,2:

Rв,loc = jвRвgв1 = 1,2 × 7,5 × 0,9 = 8,1 МПа

Требуемая длина плиты по расчету:

Принимаем по сортаменту универсальной стали Lпл = 530 мм.

Получаем размеры плиты базы в плане

Lпл ´ Впл = 530 ´ 480 мм с площадью Апл = 0,25 м2.

Назначаем размеры верхнего обреза фундамента

Вф = Впл + 20 см = 48 + 20 = 68 см

Lф = Lпл + 20 см = 53 + 20 = 73 см

Площадь Аф = 0,50 м2

Уточним коэффициент

Уточним сопротивление бетона смятию

Rв,loc = 1,26 × 7,5 × 0,9 = 8,51 Мпа

Проверим бетон на смятие под плитой базы:

 - проверка удовлетворяется

Расчет толщины плиты базы.

Выделим три участка плиты с характерными схемами закрепления.

Изгибающие моменты в плите на участках:

на I участке

М1 = a × sР × в2

в = 50 мм; a = 0,5; sР = 7,85 Мпа

М1 = 0,5 × 7,85 × 103 × 0,052 = 9,81 кН×м

на II участке

Отношение сторон а/в = 0,075/0,36 = 0,208

Т.к. отношение сторон меньше 0,5, выполняем расчет как для консоли

М2 = 0,5 × 7,85 × 103 × 0,0752 = 22,08 кН×м

на III участке

Отношение сторон 2,07, отсюда a = 0,125

М3 = 0,125 × 7,85 × 103 × 0,1742 = 2,971 кН

По наибольшему моменту на участке Мmax = 29,71 кН.

Определим требуемую толщину плиты:

, где gС = 1,0

По сортаменту принимаем плиту толщиной 25 мм.

Расчет траверсы.

Нагрузка со стержня колонны передается на траверсы через сварные швы, длина которых и определяет высоту траверсы. При четырех швах с высотой катета kf = 10 мм

Прочность по металлу шва bfgWfRWf = 0,7× 1 × 240 = 168 МПа (СНиП, табл. 51).

В соответствии с требованиями СНиП, расчетная длина флангового шва должна быть не более 85bfkf = 85× 0,7 × 0,01 = 0,6 м, в расчете lW = 0,30 м.  По сортаменту универсальной стали принимаем hтр = 400 мм.

Расчет катета сварного шва крепления траверсы к плите.

При вычислении суммарной длины швов учитывается непровар по 1 см на каждый шов.

SlW = 2(2Lпл – h) - 2×3 = 2(2×56 – 38) –6 = 142 см.

Требуемый по расчету катет:

В соответствии с табл. 38 СНиП при толщине плиты 25 мм минимальный катет шва равен kf min = 7 мм.

Приварку торца стержня колонны к опорной плите базы выполняем конструктивными швами kf  = 9 мм.

Крепление базы к фундаменту.

При шарнирном сопряжении колонны с фундаментом необходимы анкерные болты для фиксации проектного положения колонны и закрепления ее в процессе монтажа. Принимаем два анкерных болта диаметром d = 20 мм. Болты устанавливаются в плоскости главных балок с креплением к плите базы, что обеспечивает за счет гибкости плиты шарнирное сопряжение колонны с фундаментом.

2.3.5. Расчет оголовка колонны.

Оголовок колонны состоит из опорной плиты и подкрепляющих ребер. Опорная плита передает давление от двух главных балок на ребра оголовка и фиксирует проектное положение балок при помощи монтажных болтов. Определяем размеры ребер, задавшись толщиной плиты: tпл = 20 мм. Требуемая толщина парных ребер из условия работы на смятие:

где N – удвоенная опорная реакция главной балки;

RP=RUN/gm = 490/1,025 = 478 МПа – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности.

Bоп = 0,20 м – ширина опорного ребра балки.

Принимаем толщину ребра tZ = 16 мм.

Ширина ребра должна быть не менее bh ³ 0,5 bоп + tпл – 0,5tW =  0,5×0,2 + 20 – 0,5×12 = 114 мм. Принимаем ширину парных ребер bh = 160 мм вверху и 130 мм внизу.

Высота вертикальных ребер определяется из условия размещения фланговых швов длиной не менее:

Здесь катет шва не может быть более kf £ 1,2tW = 1,2 × 12 = 14,4 мм.

Длина сварного шва не должна быть более lW max = 85bf × kf = 85 ×   0,7  × 0,9 × 10-2= 0,54 м. Принимаем kf = 0,9 см и высоту ребра 0,5 м.

Т.к. Стенка колонны тоньше примыкающих ребер (tW = 12 мм < tr = 16 мм), стенку проверяем на срез:

Вывод: стенка колонны толщиной 12 мм на срез проходит. Торец колонны фрезеруется, и поэтому толщина швов, соединяющих опорную плиту со стержнем колонны и ребрами, назначается конструктивно, равной kf = 8 мм. С целью укрепления стенки колонны и вертикальных ребер от возможной потери устойчивости снизу вертикальные