Расчет и конструирование стержня колонны

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

по дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку»

на тему: Каркас одноэтажного промышленного здания

Исполнитель: Сергеева О.Д. студентка 4 курса, группа СП-09

Руководитель: Нищета С.А.

Работа допущена к защите "____"__________ 2013 г. ______________

(подпись)

Работа защищена "____"__________ 2013 г. с оценкой ___________ _____________

(оценка) (подпись)

Магнитогорск, 2013

Содержание

1.Исходные данные для проектирования:………………………………………………...3

2.Компоновка однопролетной поперечной рамы.. ………….4

3.Сбор нагрузки на поперечную раму. 5

3.1. Постоянная нагрузка конструкций покрытия. 5

3.2. Снеговая нагрузка. 7

3.3. Нагрузка от мостовых кранов. 7

3.4. Ветровая нагрузка. 9

4.Статический расчет поперечной рамы.. 11

5.Расчет и конструирование стержня колонны.. 15

5.1. Расчет и конструирование надкрановой части внецентренно сжатой колонны сплошного сечения. 15

5.2. Расчет и конструирование подкрановой части внецентренно сжатой колонны сплошного сечения. 19

5.3. Расчет и конструирование уступа колонны.. 22

5.4. Расчет и конструирование базы колонны.. 22

5.5. Расчет анкерных болтов. 24

6.Расчет и конструирование подкрановой балки.. 25

6.1. Определение нагрузок. 25

6.2. Определение расчетных усилий.. 25

6.3. Подбор сечения балки.. 26

6.4. Проверка прочности сечения. 27

6.5. Проверка местной устойчивости стенки подкрановой балки.. 28

6.6. Расчет деталей подкрановой балки.. 30

7.Расчет и конструирование стропильной фермы фермы.. 31

7.1. Определение усилий в элементах стропильной фермы.. 31

7.2. Подбор сечений стержней стропильной фермы.. 32

7.3. Расчет сварных соединений.. 33

8.Библиографический список…………………………………………………..………….36

1. Исходные данные для проектирования:

· Пролет поперечной рамы: L=30 м.

· Продольный шаг колонн: В=12 м.

· Длина цеха: l=120м.

· Отметка головки подкранового рельса: h=11 м.

· Краны мостовые электрические грузоподъемностью Q=20/5т.

· Режим работы кранов: 6К.

· Узловое сопряжение ригеля с колонной: шарнирное.

· Высота ригеля на опоре: 2200 мм.

· Уклон кровли: 1:12.

· Система покрытия: беспрогонная.

· Материалы элементов каркаса: согласно СНиП II-23-81*.

· Класс бетона фундамента: В12,5.

· Снеговой район: I.

· Здание отапливаемое.

Табл.1.1 - Справочные данные по мостовым кранам

Q, т	Размеры, мм	Макс. давл. колеса, т	Вес тележки Gт, т	Вес крана с тележкой, т	Тип кранового рельса
Глав. крюк	Вспомогат. крюк	Нкр	В1	Вкр	К
							6,3	33,2	КР-70

2.Компоновка однопролетной поперечной рамы

Схема поперечной рамы приведена на рис. 2.1.

Н₁=11000 мм – расстояние от поверхности пола (уровня земли) до отметки головки подкранового рельса;

Н_кр= 2400 мм – высота мостового крана (габаритный размер, принимаемый по ГОСТ на мостовые краны);

Н₂ = Н_кр + 400мм = 2400 + 400 = 2800 мм– расстояние от головки подкранового рельса
до нижнего пояса стропильной фермы;

Н_п = Н₁ + Н₂ = 11000 + 2800 = 13800 мм – полезная высота цеха – расстояние от поверхности пола до нижнего пояса стропильной фермы;

Н_в = Н₂+Н_пб + Н_р = 2800 + 1200 + 120 = 4120 мм – высота надкрановой части колонны;

Н_пб= мм – ориентировочная высота подкрановой балки;

Н_р = 120мм – высота кранового рельса, принимаемая по табл. 2 (см. прил. 2);

Н_н = Н_п – Н_в + Н_б = 13800 – 4120 + 800 = 10480 мм– высота подкрановой части колонны;

Н_б = 0,8 м – заглубление базы колонны ниже нулевой отметки уровня пола;

Н = Н_в + Н_н= 4120 + 10480 = 14600 мм – высота колонны;

Н_о= 2250 мм при i =1/12;

H_ш = H_о + i × 0,5 × L = 2250 + 1/12×0,5×30000 = 3500 мм – высота шатровой части цеха (высота покрытия);

Н_зд = Н_п + Н_ш= 13800 + 3500 = 17300 мм– высота цеха;

b_в = мм– ширина верхней (надкрановой) части колонны;

мм – расстояние от кромки колонны до оси ("привязка" колонны);

b_н = а + λ = 250 + 750 = 1000 мм – ширина нижней (подкрановой) части колонны;

λ=750 мм– расстояние между осью колонны и осью подкрановой ветви колонны;

(b_н – b_в) > (В₁ + с₁) – условие, обеспечивающее прохождение мостового крана по подкрановым путям;

В₁ = 260 мм– ширина выступающей части мостового крана (изображение крана дано на рисунке в начале табл. 2 прил. 5);

мм– минимальный зазор для мостовых кранов грузоподъемностью Q ≤ 50 т.

1000 – 500 > 260 + 60 мм. Условие выполняется.

Рис. 2.1. Компоновка поперечной рамы однопролетного производственного здания

3.Сбор нагрузки на поперечную раму

На поперечную раму производственного здания действуют следующие нагрузки:

1. Постоянная.

2. Кратковременные:

а) снеговая;

б) крановая от вертикального давления колес и от сил поперечного торможения тележек двух мостовых кранов с грузами;

в) ветровая.

Статический расчет поперечной рамы производится на каждую из перечисленных нагрузок отдельно с последующим составлением комбинаций наиболее неблагоприятных по воздействию на колонну усилий.

3.1. Постоянная нагрузка конструкций покрытия

Расчетная равномерно распределённая по площади проекции покрытия нагрузка определяется в табличной форме в зависимости от состава кровли (табл.3.1.1).

Постоянная нагрузка от массы ограждающих и несущих конструкций покрытия принимается равномерно распределенной по длине ригеля.

табл.3.1.1 - Сбор нагрузки на поперечную раму

Состав покрытия	Нормативная нагрузка g^н, кг/м^2	Коэффициент надежности по нагрузки f	Расчетная нагрузка g, кг/м^2
Постоянная:
2 слоя бикроста	10,0	1,1	11,0
Цементно-песчаная стяжка (t = 20мм; = 1800кг/м^3)	36,0	1,3	46,8
Пенобетон (t = 100мм; = 500кг/м^3)	50,0	1,3	65,0
Битумная обмазка	5,0	1,3	6,5
Сборные ж/б ребристые плиты 12000х3000х455 мм	205,6	1,1	226,2
gкр=	355,5
Собственная масса стропильной фермы со связями	35,0	1,05	36,8
gф=	36,8

Расчетная погонная нагрузка на ригель:

кг/м,

где м– ширина грузовой площади;

Опорная реакция ригеля:

кг.

Изгибающий момент в стойке рамы вследствие смещения осей, проходящих через центры тяжести сечений подкрановой и надкрановой частей колонны, который создает продольная сила N_п равен:

где е = (b_н – b_в)/2 = (1-0,5)/2 = 0,25 м – эксцентриситет приложения продольной силы.

Рис.3.1.1. Схема усилий в надкрановой части колонны

3.2. Снеговая нагрузка

Снеговая нагрузка условно принимается равномерно распределенной по длине ригеля:

кг/м.

где γ_n=1– коэффициент ответственности здания;

кг/м² – расчетное значение веса снегового покрова на квадратный метр площади;

– коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке
на покрытие;

B=12 м – шаг колонн (поперечных рам).

Опорная реакция ригеля:

кг.

Изгибающий момент в стойке рамы вследствие смещения осей, проходящих через центры тяжести сечений подкрановой и надкрановой частей колонны, который создает продольная сила N_s равен:

3.3. Нагрузка от мостовых кранов

При наличии в пролете нескольких мостовых кранов рекомендуется учитывать нагрузку только от двух неблагоприятных по воздействию кранов, расположенных в соответствии
со схемой, приведенной на рис. 3.3.1, при этом тележки с грузами номинальной величины должны быть приближены к рассчитываемому ряду колонн.

Вертикальное давление колес:

Рис.3.3.1.Схема для определения нагрузки от мостовых кранов на поперечную раму промышленного здания.

Расчетные давления на колонну D_max и D_min – это суммарные опорные реакции подкрановых балок, опирающихся на уступ рассчитываемой колонны, которые определяются по линиям влияния.

;

;

где g_n= 1– коэффициент надежности по назначению;

g_f= 1,1 – коэффициент надежности по крановой нагрузке;

g_f1= 1,05 – коэффициент надежности по нагрузке для веса металлических конструкций;

y=0,85 – коэффициент сочетаний, учитывающий пониженную вероятность реализации расчетной схемы;

т – максимальное давление колеса на подкрановый рельс;

т – давление колеса на подкрановый рельс
на противоположной стороне мостового крана (относительно рассчитываемого ряда колонн);

т – подъемная сила мостового крана;

т – полная масса крана с тележкой;

n_o=2 – число колес с одной стороны крана;

– сумма ординат линии влияния опорных реакций подкрановых балок;

q_пк=0,5 т/м – погонная масса подкрановых конструкций;

т;

т.

Подкрановые балки устанавливаются с эксцентриситетом по отношению к оси, проходящей через центр тяжести сечения подкрановой части колонны, поэтому от вертикальных давлений D_max и D_min возникают изгибающие моменты М_max и М_min соответственно:

тм;

тм,

где м – эксцентриситет приложения силы.

Нагрузка от поперечного торможения тележек с грузами:

Расчетная горизонтальная сила:

,

где – нормативная горизонтальная сила на колесе мостового крана, вызванная торможением электрической тележки, для мостового крана с гибким подвесом груза.

3.4. Ветровая нагрузка

Рис. 3.4.1. Схема для определения ветровой нагрузки

Расчетная погонная нагрузка на колонну определяется для характерных уровней (высотных отметок) по формуле:

,

где g _f = 1,4 – коэффициент надежности по ветровой нагрузке;

– нормативное значение ветрового давления;

k_m – коэффициент, учитывающий повышение скоростного напора ветра с увеличением высоты;

с=0,8 – значение аэродинамического коэффициента с наветренной стороны для поверхностей, расположенных вертикально по отношению к направлению ветра;

В=12 м – шаг поперечных рам для промышленных зданий без стенового фахверка.

– на отметке 5 м:

кг/м;

– на отметке 10 м:

кг/м;

где k₁₀ = 0,65 – значение коэффициента на отметке 10 м;

– на отметке Н_п (полезная высота цеха):

кг/м;

где – значение коэффициента на отметке 13,8 м;

– на отметке Н_зд (высота здания цеха):

кг/м;

где – значение коэффициента на отметке 17,3 м.

Для удобства расчета фактическую линейную нагрузку можно заменить эквивалентной равномерно распределенной (по высоте стойки) нагрузкой:

кг/м,

где – суммарный момент относительно уровня заделки нижней части стойки, который получается в результате перемножения равнодействующих ветровой нагрузки на отдельных участках на соответствующие плечи (расстояния до заделки);

Ветровая нагрузка, действующая на участке от низа ригеля до наиболее высокой точки здания, заменяется сосредоточенной силой, приложенной в уровне низа ригеля рамы.

Активная составляющая сосредоточенной ветровой нагрузки равна

кг.

4.Статический расчет поперечной рамы

Цель расчета поперечной рамы

Статический расчет поперечной рамы заключается в определении изгибающих моментов М, продольных N и поперечных Q сил, действующих в характерных сечениях стоек от постоянной и кратковременных нагрузок.

Рис. 4.1. Приведение конструктивной схемы однопролетного производственного здания к расчетной схеме

По сводной таблице подбирают сочетания, дающие максимальные значения усилий в характерных сечениях колонны. Расчетные усилия, подсчитанные для каждого основного сочетания, заносятся в табл. 4.2.

Нормами проектирования предусмотрены два вида основных сочетаний нагрузок:

I. Постоянная и одна наиболее неблагоприятная кратковременная нагрузка, принимаемые с коэффициентом сочетаний y= 1.

II. Постоянная с коэффициентом сочетаний y= 1 и две (или три) кратковременные нагрузки, принимаемые с коэффициентом сочетаний y= 0,9.

Таким образом, для каждого из характерных сечений получают четыре, а для заделки – пять комбинаций изгибающего момента и продольной силы, из которых для расчета отдельных участков (узлов) ступенчатой колонны выбираются расчетные (наиболее неблагоприятные комбинации).

	СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОДНОПРОЛЕТНОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ
Исходные даные
>	пролет							L =		[м]
>	высота верхней части колонны					Нв =	4,12	[м]
>	высота колонны								H =	14,6	[м]
>	расстояние от низа стропильной фермы до подкранового рельса	H2 =	2,8	[м]
>	постоянная равномерно распределенная погонная нагрузка		qп =	4,708	[т/м]
>	снеговая равномерно распределенная погонная нагрузка		qсн =	0,96	[т/м]
>	активная составляющая равномерно распределенной эквивалентной погонной нагрузки
		Wэкв =	0,315	[т/м]
>	активная составляющая сосред. ветровой нагрузки в уровне верха колонны
		Fв =	1,36	[т
>	тормозная сила								Tmax =	1,82	[т
>	момент от постоянной нагрузки						Mе =	17,654	[т∙м]
>	максимальный момент от вертикальной крановой нагрузки		Mmax=	30,826	[т∙м]
>	минимальный момент от вертикальной крановой нагрузки		Mmin =	12,283	[т∙м]
>	сопряжение ригеля с колонной ("шарнирное" или "жесткое")			шарнирное
>	эксцентриситет приложения силы					eк =	0,5	[м]
	Табл.4.1
	схема загружения	коэфф. сочетаний	в заделке	ниже уступа	выше уступа
	Q [т]	M [т∙м]	N [т]	M [т∙м]	N [т]	M [т∙м]	N [т]
	постоянная		1,442	-3,406	70,620	11,711	70,620	-5,943	70,620
	снеговая		0,294	-0,694	14,400	2,388	14,400	-1,212	14,400
	0,9	0,265	-0,625	12,960	2,149	12,960	-1,091	12,960
	крановая Mmax		-1,761	-5,113	61,652	-23,570	61,652	7,256
	0,9	-1,585	-4,602	55,487	-21,213	55,487	6,530
	крановая Mmin		-1,761	13,430	24,566	-5,027	24,566	7,256
	0,9	-1,585	12,087	22,109	-4,524	22,109	6,530
	крановая тормозная (на левой стойке)		±	1,240	±	13,010		±	0,013		±	0,013
	0,9	±	1,116	±	11,709		±	0,012		±	0,012
	крановая тормозная (на правой стойке)		±	0,580	±	8,466		±	2,389		±	2,389
	0,9	±	0,522	±	7,620		±	2,150		±	2,150
	ветровая (слева-направо)		5,594	-48,106		-6,775		-6,775
	0,9	5,035	-43,296		-6,097		-6,097
	ветровая (справа-налево)		-4,834	45,394		7,709		7,709
	0,9	-4,350	40,854		6,938		6,938

Табл.4.2 - Комбинация расчетных усилий

Сочетания	Коэф-т сочетания	Комбинации	Наименование	Нижняя (подкрановая) часть стойки (колонны)	Верхняя часть
В заделке	Ниже уступа	Выше уступа
М	N	М	N	М	N
ОСНОВНЫЕ		+Mmax   Nсоотв	Усилия	41,988	70,62	19,42	70,62	3,702	70,62
Номер загружения	1+8	1+8	1+3+6^+
-Mmax   Nсоотв	Усилия	-51,512	70,62	-14,248	132,272	-12,718	70,62
Номер загружения	1+7	1+3+6^-	1+7
Nmax   +Mсоотв	Усилия	4,491	132,272	-	-	-	-
Номер загружения	1+3+5^+	-	-
Nmax   -Мсоотв	Усилия	-21,529	132,272	-14,248	132,272	-7,155	85,02
Номер загружения	1+3+5^-	1+3+6^-	1+2
0,9	+Mmax   Nсоотв	Усилия	61,244	92,729	20,798	83,58	9,675	70,62
Номер загружения	1+4+5^++8	1+2+8	1+3+6^++8
-Mmax   Nсоотв	Усилия	-63,638	139,067	-17,749	126,107	-13,131	83,58
Номер загружения	1+2+3+5^-+7	1+3+6^-+7	1+2+7
Nmax   +Mсоотв	Усилия	43,93	139,067	1,735	139,067	8,584	83,58
Номер загружения	1+2+3+5^++8	1+2+3+6^++8	1+2+3+6^++8
Nmax   -Мсоотв	Усилия	-63,638	139,067	-15,6	139,067	-13,131	83,58
Номер загружения	1+2+3+5^-+7	1+2+3+6^-+7	1+2+7
	Nmin   +Mсоотв	Усилия	38,061	57,908	Усилия для расчета анкерных болтов
Номер загружения	1*+8
Nmin   -Мсоотв	Усилия	-46,089	57,908
Номер загружения	1*+7

Расчет и конструирование стержня колонны

5.1. Расчет и конструирование надкрановой части внецентренно-сжатой колонны сплошного сечения

Определение расчетных длин:

Выполняется в соответствии с приложением 6[1].

Коэффициенты расчетной длины μ₁ для нижнего участка одноступенчатой колонны следует принимать в зависимости от значений коэффициентов n,α₁ и β:

где отношение моментов инерции подкрановой
и надкрановой частей;

Интерполируя соответствующие значения табл.67[1], получаем μ₁=2,71.

Коэффициент расчетной длины μ₂ для верхнего участка колонны
определяется:

следовательно, принимаем

Расчетные длины равны:

а) в плоскости поперечной рамы

м.

б) из плоскости поперечной рамы

м,

Требуемая площадь поперечного сечения:

Расчетная комбинация изгибающего момента М и продольной силы N выбирается из табл. 4.2.

M = -13,131 т∙м; N = 83,58 т.

Требуемая площадь поперечного сечения определяется по формуле Ф. С. Ясинского [3]:

,

где N=83,58 т – расчетная продольная сила;

– эксцентриситет приложения продольной силы;

b_в=50 см – ширина надкрановой части колонны (высота сечения);

коэффициент условий работы;

кгс/см²-для стали ВСт3кп2.

см²;

Рис.5.1.1.Сечение надкрановой части

Проверка устойчивости в плоскости поперечной рамы:

где - коэффициент продольного изгиба, зависящий от

условной гибкости и приведенного относительного эксцентриситета .

По таблице 73[1] определяем коэффициент влияния формы сечения :

Тогда приведенный относительный эксцентриситет равен:

По таблице 74[1] в зависимости от и от находим

Проверка выполняется.

Проверка устойчивости из плоскости поперечной рамы:

где с – коэффициент, определяется в соответствии с указаниями п. 5.30 [1] и зависит от параметров a, b, m_x. Параметры a и b определяются по табл. 10 [1].

Относительный эксцентриситет:

m_x= ,

где М '_x – наибольший изгибающий момент в плоскости рамы, действующий в средней трети участка между узлами закрепления надкрановой части колонны из плоскости.

Для шарнирного сопряжения ригеля со стойками:

Рис.5.1.2 Эпюра изгибающих моментов в надкрановой части

М_x = т∙м,

где М – расчетный момент, действующий выше уступа колонны.

По таблице 10[1] определяем коэффициенты a, b:

следовательно ;

По таблице 72[1] находим коэффициент продольного изгиба:

Выполним проверку:

Проверка выполняется.

5.2. Расчет и конструирование подкрановой части внецентренно-сжатой колонны сплошного сечения

Рис.5.2.1.Сечение подкрановой части

Определение расчетных длин:

а) в плоскости поперечной рамы

.

б) из плоскости поперечной рамы

Расчетная комбинация изгибающего момента М и продольной силы N выбирается из табл. 4.2. «В заделке»

M₁= -63,638 т∙м; N₁= 139,067 т.

Требуемая площадь

,

– эксцентриситет приложения продольной силы;

Геометрические характеристики:

Проверка устойчивости в плоскости поперечной рамы:

где - коэффициент продольного изгиба, зависящий от условной гибкости
и приведенного относительного эксцентриситета .

Где

По таблице 73[1] определяем коэффициент влияния формы сечения :

см²;

см²;

По данным значениям находим

Тогда приведенный относительный эксцентриситет равен:

По таблице 74[1] в зависимости от и от находим

Проверка выполняется.

Проверка устойчивости из плоскости поперечной рамы

где с – коэффициент, определяется в соответствии с указаниями п. 5.30 [1] и зависит от параметров a, b, m_x. Параметры aи bопределяются по табл. 10 [1].

Относительный эксцентриситет

,

где М'_x – наибольший изгибающий момент из плоскости рамы.

Рис 5.2.2.Эпюра изгибающих моментов в подкрановой части колонны

тм,

По таблице 10[1] определяем коэффициенты a, b:

следовательно ;

По таблице 72[1] находим коэффициент продольного изгиба:

Выполним проверку

Проверка выполняется.

5.3. Расчет и конструирование уступа колонны

Расчетная комбинация изгибающего момента М и продольной силы N выше уступа выбирается из табл. 4.2 (выше уступа)

M= -13,131 тм; N=83,58т.

Усилие во внутренней полке:

,

где b_в = 50см – ширина надкрановой части колонны.

Требуемая длина сварного шва крепления вертикального ребра к стенке траверсы исходя из приварки четырьмя швами определяется по формуле:

Дата добавления: 2015-07-15