Расчет на прогиб.

Проверка 2-го предельного состояния (обеспечение условий для эксплуатации сооружений) ведется путем определения прогиба балки от действия нормативных нагрузок. Полученный прогиб является мерой жесткости балки и производится по формуле:

для однопролетной балки

Качество и подбор сечения стальных балок

******

Полученная оптимальная высота балки является наиболее рациональной, так как отступление от высоты вызывает увеличение расхода. В балке оптимальной высоты масса степени равна массе поясов поясов балки.

Номинально рекомендуемая высота балки определяется жесткостью балки – ее предельным прогибом с 2 предельными состояниями. Минимальную высоту балки можно получить из формулы прогиба:

Наиболее целесообразно принимать высоту балки близкой к , определенной из экономических соображений и не меньшей , установленной из условий допустимого прогиба балки. Во всех случаях высота балки не должна превышать заданную высоту перекрытия. Она должна согласовываться с размерами ширины листов п сортаменту. Приходится усложнять конструкцию устройством продольного стыка стенки.

Толщина стенки.

После высоты балки толщина стенки является вторым основным параметром сечения, так как она сильно влияет на экономичность сечения. Для определения наименьшей толщины стенки из условия работы на касательное напряжение можно воспользоваться формулой Журавского где:

В балке оптимального сечения с площадью поясов равной площади стенки, плечо внутренней пары составит 0,89h= и подставляя это соотношение в формулу Жоравского:

Горизонтальные настилы поясов.

В сварных балках и принимают из одиночных листов универсальной стали. Изготавливать пояса из 2 и более листов в сварных балках нерационального, так как скрепляя листы мы увеличиваем неравномерность работы.

Толщину горизонтального пояса листа принимают не более 2-3 толщин стенки. Ширину горизонтальны[ листов принимают равной высоты балки. Из условий обеспечений ее общей устойчивости по конструктивным соображениям ширину пояса не принимают меньше 180 мм.

Изменение сечения балки по длине.

Сечение составной балки, подобранного по максимальному изгибающему моменту, можно уменьшить в местах снижения моментов, однако, каждое изменение сечения, дающее экономию металла, увеличивает трудоемкость изготовления балки и экономически целесообразно для балок 10-12 м и более.

Изменить сечение балки можно уменьшив ее высоту или сечение поясов. Изменение сечения уменьшением высоты более сложно, может потребовать увеличение толщины стенки для восприятия касательных напряжений, и поэтому применяется редко.

В сварных балках распространенно изменение ширины пояса. При равномерной нагрузке наиболее выгодно по расходу стали и места изменения сечения поясов находятся на расстоянии пролета балки от опоры. Действующий в этом месте момент может быть найден графически по эпюре моментов или по формуле:

****

В балках переменного сечения развития пластических деформаций учитывается только в одном сечении с наиболее неблагоприятным сечением M и Q.

Тема: колонны и стержни, работающие на центральное сжатие.

Центральносжатые колонны применяются для поддержания перекрытий и покрытия зданий, в рабочих площадках, путепроводах, эстакадах и т.д.

Центрально сжатые стержни работают в составе конструктивных элементов и тяжелых решетчатых ферм и рам.

Колонны передают нагрузку от вышележащей конструкции, на фундаменты и состоит из 3 частей, определяющих их назначение.

****

Расчет и конструирование основного элемента центральных колонн производится одинаково. Колонны бывают сплошные и сквозные.

Сплошные колонны. Обычное сечение проектируют в виде широкополочного двутавра. Что бы колонна была равноустойчивой в плоскостях осей Х и У гибкости должны быть равны:

, где

Сквозные колонны. Стержень сквозной центрально сжатой колонны состоит из 2 ветвей: швеллер двутавров, связанных между собой решеткой. Ось, пересекающая ветви называется материальной.

Расстояние между ветвями устанавливается между устойчивыми стержнями. Швеллеры в сварных колоннах выгоднее ставить палками во внутрь.

В сквозных колоннах из 2 ветвей необходимо обеспечивать зазор между колоннами 100-150 мм.

Решетки обеспечивают совместную работу ветвей стержня колонны и существенно влияют на устойчивость колонны в целом и ее ветвей. Принимаются решетки из раскосов и распорок.

****

Если расстояние между ветвями 0,8 м и более, то элементы безраскосной решетки получатся тяжелыми.

Выбор расчетной схемы.

Расчетная схема колонны определяется способом распределения в фундаменте, а так же способом прикрепления балок, передающих нагрузку на колонну. Соединение балок с фундаментом может быть жестким или шарнирным, а база колонны имеет надежное анкерное крепление, колонну можно считать защемленной в фундаменте. При расчете легких колонн соединение с фундаментом с учетом запаса прочности чаще всего принимают шарнирным. При одноярусных колоннах балки или другие поддерживаемые конструкции могут опираться на колонну сверху. Помимо четкости центральной передачи такое соединение при защемленных внизу колоннах удобно для монтажа, при этом колонна рассматривается как шарнирно закрепленная в верхнем конце. Тогда при жестком закреплении колонны в фундаменте расчетная длина колонны принимается равной 0,7l, а при шарнирном – l, где l - геометрическая длина колонны от фундамента до низа балок.

***

Более жестким является присоединение балочной конструкции к колонне сбоку. При выборе типа сечения колонны необходимо стремиться получить наиболее экономичное решение, учитывая величину нагрузки, удобство примыкания поддерживаемых конструкций, условия эксплуатации, возможности изготовления и наличие сортамента. Прежде всего надо решить, принимать ли колонну сплошной или сквозной. Максимально возможная расчетная нагрузка для сквозных колонн из двух швеллеров составляет 2700 - 3500 кН, для колонн из двух двутавров - 5500 - 5600 кН. При значительных нагрузках сквозные колонны получаются сложными в изготовлении, более рациональными оказываются сплошные колонны.

Подбор сечения сплошной колонны.

Задавшись типом сечения колонны, определяем требуемую площадь сечения по формуле:

, где

N- расчетное усилие в колонне,

- коэффициент устойчивости при центральном сжатии(таблица Д1, зависит от условий гибкости).

Подбор сечения сквозной колонны.

***

Базы колонн.

Конструкция базы должна отвечать принятому в расчетной схеме колонны способу сопряжения ее с основанием. При шарнирном сопряжении база при действии случайных моментов должна иметь возможность некоторого поворота относительно фундамента, при жестком сопряжении необходимо обеспечить сопряжение базы с фундаментом, не допускающее поворота.По конструктивному решению базы могут быть с траверсой, с фрезерованным торцом и с шарнирным устройством в виде центрирующей плиты:

***

При сравнительно небольших расчетных усилиях в колоннах (до 4000-5000 кН) чаще применяются базы с траверсами. Траверса воспринимает нагрузку от стержня колонны и передает ее на опорную плиту. Чтобы увеличить равномерную передачу давления с плиты на фундамент, жесткость плиты увеличивают дополнительными ребрами между ветвями траверсы. В легких колоннах роль траверсы могут выполнять консольные ребра, приваренные к стержню колонны и опорной плите. В колоннах с большими расчетными усилиями (6000 - 10000 кН и более) целесообразно фрезеровать торец базы. В этом случае траэерса и ребра отсутствуют и плита, чтобы равномерно передать нагрузку на фундамент, должна иметь значительную толщину. Конструкция базы с фрезерованным торцом значительно проще и в этом случае позволяет вести монтаж более простым, безвыверочным способом.

Базы с шарнирным устройством четко отвечают расчетной схеме, но из-за большей сложности монтажа в колоннах применяются редко.

Оголовки колонн.

Сопряжение балок с колоннами может быть свободное (шарнирное) и жесткое. Свободное сопряжение передает только вертикальные нагрузки. Колонны в этом случае должны быть закреплены во время эксплуатации и монтажа от горизонтальных смещений защемлением в фундаменте или системами вертикальных связей. Жесткое сопряжение балок с колоннами образует рамную систему, способную воспринимать горизонтальные воздействия и уменьшать расчетный момент в балках. В этом случае балки примыкают к колонне сбоку.

При малых толщинах стенок швеллеров сквозной колонны и стенки сплошной колонны их надо также проверить на срез в месте npикрепления к ним ребер. Можно в пределах высоты оголовка сделать стенку более толстой.

Чтобы придать жесткость ребрам, поддерживающим опорную плиту, и укрепить от потери устойчивости стенки стержня колонны в местах передачи больших сосредоточенных нагрузок, вертикальные ребра воспринимающие нагрузку, обрамляют снизу горизонтальными ребрами.

Опорная плита оголовка передает давление от вышележащей конструкции на ребра оголовка и служит для скрепления балок с колоннами монтажными болтами, фиксирующими проектное положение балок. Толщина плиты принимается конструктивно в пределах 20-25 мм.

***

Если балка, крепится к колонне сбоку, вертикальная реакция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны. Торец опорного ребра балки и верхняя кромка столика пристраиваются. Толщину столика принимают на 20-40 мм больше толщины опорного ребра балки.

***

Фермы.

Стальные фермы широко применяются в покрытиях промышленных и гражданских зданий, ангаров, вокзалов и т. п. Большепролетные мосты, радиобашни и мачты, опоры линий электропередачи и многие другие конструкции выполняются в виде стальных ферм.

Фермы по сравнению со сплошными балками экономичны по затрате металла, им легко придают любые очертания, требуемые условиями технологии, работы под нагрузкой или архитектуры, они относительно просты в изготовлении.

Фермы применяют при самых разнообразных нагрузках; в зависимости от назначения им придают самую разнообразную конструктивную форму - от легких прутковых конструкций до тяжелых ферм, стержни которых могут компоноваться из нескольких элементов крупных профилей или листов. Наибольшее распространение имеют разрезные балочные фермы как самые простые в изготовлении и монтаже. Неразрезные и консольные системы ферм рациональны при большой собственной массе конструкции, так как в этом случае они могут дать значительную экономию металла. Кроме того, нёразрезные фермы можно применять исходя из требований эксплуатации, так как они обладают большей жесткостью и могут иметь меньшую высоту.

Выбор очертания ферм является первым этапом их проектирования. Очертание ферм в первую очередь зависит от назначения сооружения. Оно должно отвечать принятой конструкции сопряжений с примыкающими элементами.

Фермы треугольного очертания.

Стропильные фермы треугольного очертания применяют, как правило, при значительном уклоне кровли, вызываемом или условиями эксплуатации здания, или типом кровельного материала. Стропильные фермы треугольного очертания имеют ряд конструктивных недостатков. Острый опорный узел сложен, допускает лишь шарнирное сопряжение фермы с колоннами, при котором снижается поперечная жесткость одноэтажного производственного здания в целом. Стержни решетки в средней части ферм получаются чрезмерно длинными, и их сечение приходится подбирать по предельной гибкости, что вызывает перерасход металла. Треугольное очертание в стропильных фермах не соответствует параболическому очертанию эпюры моментов.

***

Однако в ряде случаев треугольные фермы приходится применять, несмотря на заведомо нерациональное с точки зрения распределения усилий очертание, исходя из общих требований компоновки и назначения сооружения. Примером могут служить треугольные фермы шедовых покрытий, применяемые в зданиях, где необходим большой и равномерный приток дневного света с одной стороны.

Фермы трапецеидального очертания со слабо вспарушенным верхним поясом пришли на смену треугольным фермам благодаря появлению кровельных материалов, не требующих больших уклонов кровли.

***

Трапецеидальное очертание балочных ферм лучше соответствует эпюре изгибающих моментов и имеет конструктивные преимущества. В сопряжении с колоннами позволяет устраивать жесткие рамные узлы, что повышает жесткость здания. Решетка таких ферм не имеет длинных стержней в середине пролета.

Фермы полигонального очертания наиболее приемлемы для конструирования тяжелых ферм больших пролетов, так как очертания фермы соответствуют эпюре изгибающих моментов, что дает значительную экономию стали. Дополнительные конструктивные затруднения из-за переломов пояса в тяжелых фермах не так ощутимы, ибо пояса в таких фермах из условий транспортирования приходится стыковать в каждом узле.

***

Для легких ферм полигональное очертание нерационально, так как получающиеся в этом случае конструктивные усложнения не окупаются незначительной экономией стали.

Фермы с параллельными поясами имеют существенные конструктивные преимущества. Равные длины стержней поясов и решетки, одинаковая схема узлов и минимальное количество стыков поясов обеспечивают в таких фермах наибольшую повторяемость деталей и возможность унификации конструктивных схем, что способствует индустриализации их изготовления. Эти фермы благодаря распространению кровель с рулонным покрытием стали основным типом в покрытиях зданий.

Пролет или длинна ферм определяется эксплуатационными требованиями и обще компоновочными решениями сооружений. И не могут быть рекомендованными по усмотрению конструктора. При свободном оперании ферм на опоры сверху расчетный пролет фермы(расстояние между расчетными частями: , где l-расстояние между опорами, - ширина опоры).

При примыкании ферм к колоннам сбоку, расчетный пролет фермы равен расстоянию между колоннами.

Системы решеток ферм.

Решетка ферм работает на поперечную силу, выполняя функции стенки сплошной балки.

От системы решетки зависит вес фермы, трудоемкость ее изготовления, внешний вид.

1.Треугольная система решетки. В фермах трапецеидального очертания или с параллельными поясами весьма эффективной является треугольная система решетки, дающая наименьшую суммарную длину решетки и наименьшее число узлов при кратчайшем пути усилия от места приложения нагрузки до опоры. В фермах, поддерживающих прогоны кровли или балки настила, к треугольной решетке часто добавляются дополнительные стойки, а иногда и подвески, позволяющие уменьшать, когда это необходимо, расстояния между узлами фермы.

***

2. Раскосная система решетки. При ее проектировании наиболее длинные элементы - раскосы - растянутые, а стойки - сжатые. Это требование удовлетворяется при нисходящих раскосах в фермах с параллельными поясами и восходящих - в треугольных фермах. Однако в треугольных фермах восходящие раскосы образуют неудобные для конструирования узлы и имеют большую длину.

***

3.Шпренгельная решетка. Применяются шпренгельные решетки при больших давлениях с целью уменьшения размера панели фермы. За счет шпренгеля уменьшается длинна раскосов.

***

4.Крестовая решетка. Ее устанавливают на фермы.

***

5. Раскосная решетка более трудоемка чем треугольная, и требует большего расхода материала, так как при равном числе панелей в ферме общая длина раскоской решетки больше ив ней больше узлов. Путь усилия от узла, к которому приложена нагрузка, до опоры в раскоской решетке длиннее, он идет через все стержни решетки и узлы.

***

К таким фермам относят: горизонтальные фермы покрытий производственных зданий, вертикальные фермы башен и т.д.

Одновременно с выбором системы решетки устанавливают размеры фермы. Поскольку нагрузка прикладывается к размерам ферм, панели должны соответствовать расстоянию между элементами, передающими нагрузку на фермы. Размеры панели фермы должны отвечать оптимальному углу наклона. Оптимальный угол наклона раскосов в треугольной решетки составляет примерно 45, в раскосной решетке – 35.

Из конструктивных соображений рационального очертания фасонки в узле и удобство прикрепления раскосов желателен угол близкий к 45. При малых углах фасонки слишком вытянутые.

Связи по фермам.

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

***

В фермах больших пролетов (более 3 метров) возникают большие прогибы, ухудшающие внешний вид конструкции и недопустимые в условиях эксплуатации. Провисание ферм предотвращается устройством строительного подъема, т.е. изготовление ферм с обратным выгибом, который под действием нагрузки погашается в результате чего ферма принимает проектное погашение.

Определение расчетной нагрузки.

Вся нагрузка, действующая на ферму, обычно бывает приложенной к узлам фермы, к которым прикрепляются элементы поперечной конструкции (например, прогоны кровли или подвесного потолка), передающие нагрузку на ферму. Если нагрузка приложена непосредственно в панели, то в основной расчетной схеме она также распределяется между ближайшими узлами, но при этом дополнительно учитывается местный изгиб пояса от расположенной на нем нагрузки: на опоре (в узле) - как на опоре неразрезной балки; в пролете - как в пролете неразрезной балки с умножением величин моментов на коэффициент 1,2.

Для удобства расчета рекомендуется определять усилия в стержнях ферм отдельно для каждого вида нагрузки. Так, в стропильных фермах следует составлять расчетные схемы отдельно для следующих нагрузок:

-постоянной, в которую входит собственный вес фермы и вес всей поддерживаемой конструкции (кровли с утеплением, фонарей и т. п.);

-временной - нагрузки от подвесного подъемно-транспортного оборудования, нагрузки полезной, действующей на подвешенное к ферме чердачное перекрытие, и т. п.;

-кратковременной, атмосферной - снег, ветер.

Постоянная, временная и снеговая нагрузки относятся к основному сочетанию нагрузок, и расчет на них ведется с учетом установленных значений коэффициентов перегрузки; ветер при расчете обычных стропильных ферм относится к особому сочетанию нагрузок.

Подбор сечений сжатых стержней.

Подбор сечений сжатых стержней начинается с определения требуемой площади:

где N – расчетное сжимающее усилие, действующее в стержне, кН (табл. 2),

- коэффициент предельного прогиба.

Подбор сечения растянутых стержней.

Требуемая площадь сечения растянутого стержня определяется из условия прочности по формуле:

Оформление рабочего чертежа легких ферм (КНД).

На деталеровочном (рабочем) чертеже показывают: фасад, планы верхнего и нижнего поясов, вид с боку, разрезы. Узлы вычерчивают на фасаде в масштабе 1:10-1:15. На чертеже показывают размеры сварных швов и расположения отверстий для болтов. Показывается спецификация деталей для каждого оправочного элемента. В примечании указываются особенности изготовления конструкции, неясные из чертежа.

Общая характеристика каркасов производственных зданий. Основные требования, предъявляемые к их конструкциям.

Современные производства размещаются в многоэтажных и одноэтажных зданиях, схема и конструкция которых достаточно многообразна. По числу пролетов одноэтажные здания бывают: однопролетные многопролетные, с пролетами одинаковой разной высоты.

Каркас, т.е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и передающий на фундаменте нагрузки от веса ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия и т.д. Может выполняться из железобетона, смешанным и стальным. По виду внутрицехового транспорта здания подразделяются на бескрановые, с мостовыми кранами, с подвесными кранами, с подвесными конвейерами.

Многие современные производственные здания характеризуются большими пролетами, большой высотой помещении, большими нагрузками от мостовых кранов. Например, конверторный цех занимает площадь около 3 гектар и представляет собой многопролетное многоэтажное здание с пролетами до 30 м и высотой до 80 м. Здания оборудованы мостовыми кранами грузоподъемностью до 450 тонн.

Требования для производств:

1. Удобство обслуживания и ремонта.

2. Нормальная эксплуатация кранового оборудования, включая доступность его досмотра.

3. Необходимые условия и освещение.

4. Долговечность конструкций.

5. Безопасность при пожарах и взрывах.

Большое влияние на работу каркаса здания оказывает кран, являясь динамическим, многократно повторяющимся и большим по величине. Крановые воздействия часто приводят к раннему износу и повреждению конструкций каркасов, подкрановых балок. При проектировании каркасов необходимо учитывать режим работы мостовых кранов. На работу и долговечность строительных конструкций здания большое влияние оказывает внутрицеховая среда. Степень агрессивного воздействия определяется скоростью коррозии(мм в год).

Состав каркаса и его конструктивные схемы.

Каркасы производственных зданий проектируются так, что несущая способность поперек зданий обеспечивается поперечными рамами, а вдоль – продольными элементами каркаса, кровельными и стеновыми панелями.

Поперечные рами состоят из колонн и ригелей в виде ферм или сплошь настеночных сечений. Продольные элементы каркасы – подкрановые конструкции(фермы, связи между колоннами и фермами, кровельные прогоны). Так же в составе каркаса имеются конструкции торцевого фахверка площадок лестниц и других элементов зданий.

Кроме перечисленных элементов в составе каркаса обязательно имеются конструкции торцевого фахверка, а иногда и продольного, площадок, лестниц и других элементов зданий. Конструктивные схемы каркаса достаточно многообразны. Наиболее простая – поперечные рамы, на которые опираются подкрановые конструкции, а так же панели покрытия или прогоны. Такое конструктивное решение применяется в большинстве строительных цехов, цехах металлургического производства. При относительно небольших пролетах используются сплошные рамные каркасы, для одно и много пролетных зданий с пролетами 12-24 метра высотой помещения 5-8 метров. Без мостовых кранов и с кранами, грузоподъемностью 20 тонн, с фонарями и без. Мостовые краны опираются на консоль или устанавливаются на легкие крановые эстакады. Каркасы очень удобны в изготовлении, транспортировке и монтаже. Сечения рам: составные, из швеллеров, из листовой стали. Производство таких каркасов поставлено на поток, и в связи с этим они экономичны.

Конструктивные схемы каркасов различаются видом сопряжений ригеля с колонной(жесткое, шарнирное). При жестком сопряжении конструкция узла крепления фермы к колонне обеспечивает передачу момента и в расчетной схеме принимается жесткий узел.

***

Большая жесткость необходима в цехах с мостовыми кранами. В этих цехах горизонтальное перемещение колонн может препятствовать нормальной эксплуатации листовых кранов. В многопролетных цехах горизонтальные нагрузки на раму воспринимаются несколькими колоннами, и поэтому часто оказывается возможным использовать шарнирное напряжение.

Опирание колонн на фундаменты в плоскости рам обычно конструируется жесткими, но возможно решение, при котором часть колонн сопрягается с фундаментом шарнирным способом.

Подкрановые конструкции в большинстве случаев опираются на колонны каркасов. Возможные конструктивные решения, при которых внутри цеха проектируется специальная крановая эстакада, состоящая из колонн, связей между ними, подкрановых и тормозных балок. Каркасы промышленных зданий изредка проектируются в виде висячих конструкций, складок, оболочек, структур.

Компоновка конструктивной схемы каркаса. Проектирование каркаса промышленного здания начинают с выбора конструктивной схемы и ее компоновки. Исходным материалом является техническое задание, в котором даются расположение и габариты агрегатов оборудования цеха, количество кранов, их грузоподъёмностью режим работы. Технологическое задание содержит данные о районе строительства, условий эксплуатации цеха и т.д.

После выбора конструктивной схемы одновременно с компоновкой решаются принципиальные вопросы архитектурно строительной части проекта (определяются ограждающие конструкции, назначаются расположения оконных и воротных проемов). При компоновке конструктивной схемы каркаса решаются вопросы размещения колонн зданий в плане устанавливаются внутренние габариты здания, назначаются размеры основных конструктивных элементов каркаса.

Связи.

Связи это важные элементы каркаса, которые необходимы для:

1.Обеспечение неизменности пространства системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов.

2.Восприятие и передача на фундаменты некоторых нагрузок.

3.Обеспечение совместной работы поперечных рам при местных нагрузках, например, кранах.

4.Создание жесткости каркаса необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации.

5.Для обеспечения условий высококачественного монтажа.

Связи разделяются: связи между колоннами, связи между фермами.

Дата добавления: 2015-07-07