Стальной каркас одноэтажного промышленного здания

Курсовой проект

На тему:

«Стальной каркас одноэтажного промышленного здания»

Исходные данные

Данные для проектирования

Место строительства: г. Самара;

Наименование цеха: цех сборочный;

Тип здания: отапливаемое;

Пролет L = 18 м;

Длина l = 96 м;

Высота отметки головки подкранового рельса: Н1=14,4 м;

Грузоподъемность крана: Q=1000 кН;

Сталь подкрановых конструкций: С345;

Группа режимов работы кранов: 3К;

Вид сечения элементов фермы: ШТ.;

Сталь фермы: С255;

Вид кровли: без прогонов;

Сталь колонны: С245.

Характеристики мостового крана

Рис. 1. Мостовой кран Q=100 т

Для кранов с грузоподъемностью

100 т. при пролете здания 18 м: Нк=3700 мм;

В1=400 мм;

В2=9350 мм;

К=4600 мм.

Максимальное давление на колеса: Fn1=410 кН;

Fn2=450 кН;

Вес тележки: Gт=410 кН;

Вес крана с тележкой: Gк= 1250 кН;

Тип кранового рельса: КР-120;

Высота рельса: hр=170 мм;

Высота подкрановой балки: hб=1500 мм.

Компоновка конструктивной схемы здания

Разбивка сетки колонн

Согласно требованиям унификации, шаг колонн однопролетных зданий принимают равным 6 или 12 м. Это определяется сравнением параметров. Опыт показывает, что для зданий пролетом 30 и более м. и с высотой 14 и более м., с кранами грузоподъемностью более 50–75 т. экономичнее оказывается шаг 12 м. Принимаем шаг колонн равным 12 м. Колонны у торцов здания смещаем с модульной сетки внутрь на 500 мм. для удобства оформления углов стандартными ограждающими элементами. Для здания данной протяженности (96 м.) и категории (отапливаемое) температурный шов не требуется.

Рис. 2. Разбивка сетки колонн

Компоновка поперечной рамы здания

Компоновку поперечной рамы начинают с установления основных (габаритных) размеров элементов конструкций в плоскости рамы. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая ее нулевой. Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания. Все размеры принимают в соответствии с основными положениями по унификации. Сначала целесообразно установить вертикальные размеры.

Вертикальные габариты здания зависят от технологических условий производства. Они определяются расстоянием от уровня пола до головки кранового рельса Н1=14,4 м и расстоянием от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия Н2. В сумме размеры Н1 и Н2 определяют полезную высоту цеха H0.

Размер Н2 диктуется высотой мостового крана:

,

где HK + 100 мм – габаритный размер от головки рельса до верхней точки тележки крана (3700 мм, см. стр. 530 [2]) плюс установленный по требованиям техники безопасности зазор между этой точкой и строительной конструкциями, равный 100 мм;

f – размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия (ферм, связей), принимаемый равным 200ё400 мм, в зависимости от величины пролета.

В нашем случае L = 18 м, принимаем f = 200 мм;

Тогда Н2 = (3700 мм + 100 мм) + 200 мм = 4000 мм.

Далее устанавливаем высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм:

Н0=14400 мм + 4000 мм=18400 мм;

В соответствии с «Основными положениями по унификации» высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм Н принимаем до высоты 10,8 м кратной 1,2 м, а при большей высоте кратно 1,8 м: Н0 = 19,8 м.

Уточняем размер H1: H1=H0 – H2=19,8 – 4,0 = 15,8 м.

Высота верхней части колонны HB:

где hб – высота подкрановой балки, которая предварительно принимается 1/8ё1/10 пролета балки;

hр – высота кранового рельса – 170 мм. Принимаем .

HB=1500 мм + 170 мм + 4000 мм = 5670 мм

Размер нижней части колонны:

где Нзагл = (600ё1000) мм – обычно принимаемое заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола.

Hн=19800 мм – 5670 мм + 800 мм = 14930 мм;

Общая высота колонны рамы:

H = 5670 мм + 14930 мм =20600 мм;

Высота фермы зависит от принятой конструкции стропильных ферм и принимается hоп=2250 мм – для ферм пролетом 18 и 24 метров.

Исходя их того, что в здании используется мостовой кран Q = 100 т и группа режимов работы кранов 3К принимается привязка наружной грани колонны а = 500 мм. Принимаем высоту верхней части ступенчатой колонны hВ = 700 мм (исходя из того, что привязка а = 500 мм), что удовлетворяет условию:

При назначении высоты нижней части ступенчатой колонны необходимо учесть, что для того чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее:

;

где B1 = 400 мм;

l1=400 мм + (700 мм – 500 мм) + 75 мм = 675 мм.

Принимаем l1=750 мм (кратно 250 мм).

Ось подкрановой ветви колонны обычно совмещают с осью подкрановой балки, тогда должно выполняться условие:

hн = 750 мм + 500 мм=1250 мм;

Высота нижней части составной колонны должна удовлетворять условию:

Пролет мостового крана:

Выбор схемы связей

Вертикальные связи между колоннами каркаса в продольном направлении обеспечивают жесткость и неизменяемость каркаса здания в продольном направлении от воздействия продольных нагрузок; ветровых – на торцевые стены здания и тормозных сил от мостовых кранов. Также эти связи служат для обеспечения устойчивости колонн.

Рис. 3. Связи по колоннам

Связи нижнего яруса следует располагать ближе к середине здания или температурного блока для того, чтобы обеспечить свободу температурных деформаций продольных элементов и избежать дополнительных температурных напряжений, которые могут быть весьма значительны и ведут к повреждению конструкций.

Верхние вертикальные связи ставят в тех же осях, что и нижние. Иногда для повышения жесткости каркаса верхние связи 2 ставят в торцах здания или температурного блока, т. к. небольшая жесткость надкрановой части колонн незначительно влияет на температурные напряжения. В пределах высоты стропильных ферм в связевом блоке и по торцам здания ставят связи 3, которые идут на монтаж в виде готовой связевой фермы. В остальных местах колонны соединяются распорками.

Рис. 4. Связи по верхнему поясу ферм

Связи между фермами, создавая общую пространственную жесткость каркаса, обеспечивают:

устойчивость сжатых элементов ригеля из плоскости ферм;

перераспределение местных нагрузок (например, крановых), приложенных к одной из рам, на соседние рамы;

удобство монтажа;

заданную геометрию каркаса;

восприятие и передачу на колонны некоторых нагрузок.

Рис. 5. Связи по нижнему поясу ферм

Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей.

Компоновка фасада. Выбор элементов ограждения

Рис. 6. Компоновка фасада

В качестве ограждающих конструкций выбираем типовые плиты длиной 12 м вдоль длиной части фасада, длиной 6 м вдоль короткой части фасада. Плиты продольной части фасада крепятся на колонны. Плиты поперечной части фасада крепятся на фахверковые колонны двутаврового профиля.

Проектирование подкрановых конструкций

Определение расчетных усилий

Рассмотрим различные варианты положения крана на подкрановой балке для определения наиболее невыгодного загружения:

Рис. 7. Варианты загружения подкрановой балки

Заметим, что некоторые варианты симметричны друг другу, будем рассматривать вариант №3.

Для крана грузоподъемностью Q=100 т принимаем данные для расчета:

Расчетное вертикальное давление колес крана:

где γn=0,95 – коэффициент надежности по назначению;

γf=1,1 – коэффициент надежности по нагрузки;

ψ=0,85 (при учете 2-х кранов группы режима работы 3К) – коэффициент сочетания;

kF=1,0 (при шаге колонн 12 м и группе режима работы 3К) – коэффициент динамичности;

Fn1= 410 кН; Fn2 = 450 кН – нормативное вертикальное давление колеса крана (см. стр. 530 [2]);

Равнодействующая вертикальных расчетных давлений колес:

Плечо равнодействующей силы:

Рис. 8. Расчетная схема загружения подкрановой балки

Установка будет расчетной, если ближайшее к равнодействующей колесо будет являться критическим грузом:

где a, b – расстояние от опор до критического груза;

Fcr – проверяемый критический груз;

Ra = 364,18 кН + 399,71 кН = 763,89 кН – равнодействующая всех грузов, расположенных слева от критического;

Rb = 2·399,71 кН = 799,42 кН – равнодействующая всех грузов, расположенных справа от критического.

Условие выполняется, следовательно, принятая схема загружения является расчетной.

Определяем ординату линии влияния изгибающего момента для сечения под критическим грузом:

Далее строим линию влияния изгибающих моментов, и остальные ординаты получаем графически.

Рис. 9. Линия влияния изгибающего момента

Расчетный изгибающий момент от вертикальной нагрузки:

Расчетный изгибающий момент от горизонтальной нагрузки:

Здесь – расчетное горизонтальное давление колес крана;

Нормативное горизонтальное давление колес крана:

где Q = 1000 кН – грузоподъемность крана;

GТ = 410 кН – вес тележки крана;

n0 = 4 – число колес крана по одну сторону;

f = 0,05 (для кранов с гибким подвесом) – коэффициент трения.

Расчетное горизонтальное давление колес крана:

Наибольшая поперечная сила Qmax в разрезной балке будет при таком положении нагрузки, когда одна из сил находится непосредственно у опоры, а остальные расположены как можно ближе к этой же опоре.

Рис. 10. Линия влияния поперечной перерезывающей силы

Максимальная поперечная перерезывающая сила от вертикальных нагрузок:

где a = 1,05 (для балки l = 12 м) – коэффициент, учитывающий вес подкрановой балки и полезную нагрузку от тормозной балки.

Подбор сечения подкрановых конструкций

Вначале подберем сечение подкрановой балки. Требуемый момент сопротивления сечения подкрановой балки:

где b – коэффициент, учитывающий изгиб конструкции в 2-х плоскостях;

γс = 1 – коэффициент условий работы конструкции;

Ry= 30 кН/см2 – для стали С345, для листового широкополосного универсального проката толщиной 20ё40 мм.

где – предварительная высота подкрановой балки;

hT = 1250 мм – ширина тормозной конструкции, предварительно принимается равной ширине нижней части колонны hн.

Минимальная высота подкрановой балки:

Е= 2,06·105 МПа – модуль упругости прокатной стали;

l = 12 м – длина подкрановой балки;

(для кранов группы режима 3К) – предельный относительный прогиб подкрановой балки;

Мn – нормативный изгибающий момент от загружения балки одним краном. Определяем Мn аналогично Мх:

Рис. 11. Расчетная схема загружения подкрановой балки нормативной вертикальной нагрузкой

Определяем ординату линии влияния изгибающего момента для сечения под критическим грузом:

Далее строим линию влияния изгибающих моментов, и остальные ординаты получаем графически.

Минимальная высота подкрановой балки:

Оптимальная высота подкрановой балки:

где lw = 120 – гибкость стенки (принята предварительно).

Ю принимаем высоту подкрановой балки h = 130 см, что больше hmin= 95,63 см.

Определяем толщину стенки подкрановой балки из 2-х условий:

1) Условие на срез:

где Rs = 0,58Ry = 0,58·30 кН/см2 = 17,4 кН/см2;

hw = h – 2tf =130 см - 2.2 см = 126 см – высота стенки подкрановой балки;

tf = 2 см – толщина поясов подкрановой балки (принята предварительно).

2) Условие местной устойчивости без продольных ребер:

Принимаем толщину стенки подкрановой балки tw=1 cм.

Требуемый момент инерции подкрановой балки:

Проектируем пояса подкрановой балки.

Требуемый момент инерции двух поясов подкрановой балки:

Требуемая площадь пояса подкрановой балки:

hf = 130cм - 2 см = 128cм.

Принимаем толщину пояса подкрановой балки tf = 2 см.

Тогда, требуемая ширина пояса подкрановой балки:

Принимаем ширину поясов подкрановой балки bf = 40 см.

Проверка условия местной устойчивости сжатого пояса:

Условие выполняется.

Производим компоновку всего сечения подкрановой конструкции с учетом тормозной балки и определяем положение центра тяжести подкрановой конструкции.

Принимаем тормозную балку из швеллера №30 и рифленого листа толщиной tрл= 8 мм.

Ширина рифленого листа:

В нормах принято, что вертикальные нагрузки воспринимает только подкрановая балка, поэтому ось Х будет проходить через центр тяжести подкрановой балки. Если подкрановая балка симметричная, то ось Х проходит посередине. Горизонтальные нагрузки воспринимает только тормозная балка, которая состоит из трех элементов: верхнего пояса, рифленого листа и поддерживающего швеллера. Ось У будет проходить через центр тяжести тормозной балки.

Находим центр тяжести подкрановой конструкции:

Рис. 12. Компоновка поперечного сечения подкрановой конструкции

Определим геометрические характеристики скомпонованного сечения. Относительно оси Х определяем только характеристики подкрановой балки.

Относительно оси Y определяем характеристики тормозной балки:

Проверка прочности и жесткости подкрановых конструкций

Рис. 13. Эпюра нормальных напряжений в подкрановой конструкции

Верхний пояс работает одновременно на изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскости, поэтому прочность в т. А по нормальным напряжениям:

Далее проверяем наружный пояс тормозной балки в точке В.

Тормозная балка воспринимает следующие нагрузки:

1) Временная полезная нагрузка:

где gf = 1,2 – коэффициент надежности по нагрузке;

P0n=2 кН/м2 – нормативная временная нагрузка, задаваемая технологами.

2) Нагрузка от собственного веса настила:

3) Нагрузка от собственного веса швеллера:

Рис. 14. Вертикальные нагрузки на тормозную балку

Расчетную нагрузку на швеллер определяем как реакцию на левую опору условной расчетной схемы:

Определим изгибающий момент в швеллере:

Проверим прочность швеллера по нормальным напряжениям в точке В:

Проверим жесткость швеллера (по нормативным нагрузкам):

Здесь

Проверим прочность подкрановой балки на опоре по касательным напряжениям:

Здесь – статический момент полусечения балки.

Проверим прочность стенки подкрановой балки по местным напряжениям от давления колес крана:

где gf1=1,1 (для группы режима кранов 3К) – дополнительный коэффициент надежности по нагрузке;

F'k – расчетное вертикальное давление колеса крана без учета коэффициента динамичности;

где gn = 0,95 – коэффициент надежности по назначению;

gf = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке;

Fnmax= 450 кН – нормативное вертикальное давление колеса крана.

– условная длина распределения местного давления колес