Определение нагрузок на поперечную раму.

Содержание

1. Конструктивная схема каркаса
2. Компоновка конструктивной схемы каркаса здания
2.1 Компоновка поперечной рамы
2.2 Связи жёсткости каркаса
2.2.1 Связи по верхним поясам
2.2.2 Связи по нижним поясам
2.2.3 Вертикальные связи
3. Расчёт поперечной рамы
3.1 Расчётная схема рамы
4. Определение нагрузок на поперечную раму
4.1 Собственный вес
4.2 Снеговая нагрузка
4.3 Ветровая нагрузка

 

 

Конструктивная схема каркаса.

 

Современные производственные здания проектируются по каркасному типу. Все конструкции, образующие здание, условно разделяют на несущие (балки, фермы, колонны и т.п.) и ограждающие (кровля, стеновые панели, переплёты остекления).

Комплекс несущих конструкций, воспринимающих нагрузки от веса ограждающих конструкций, атмосферные нагрузки, нагрузки от технологического оборудования называют каркасом здания. Каркас может быть стальным или железобетонным. В настоящем проекте рассматривается стальной каркас одноэтажного однопролётного производственного здания.

Стальной каркас состоит из колонн, жестко прикреплённых к фундаменту, и решётчатых ригелей (стропильных ферм), жестко или шарнирно соединенных с колоннами. Расстояние между осями колонн поперек здания называется пролётом зданияl_пр. Расстояние между рамами подлине здания называют шагом рам.

Пространственную жесткость каркаса и устойчивость отдельных его элементов обеспечивают путём постановки системы связей:

-горизонтальных и вертикальных связей между стропильными фермами, обеспечивающих

устойчивость конструкции покрытия при монтаже и в процессе эксплуатации;

-вертикальных связей между колоннами, необходимых для передачи усилий, действующих

вдоль здания, на фундаменты.

Стеновое ограждение выполняется из стандартных крупноразмерных стеновых панелей длиной, равной расстоянию между колоннами.

В данном проекте рассматривается стальной каркас производственного здания, который не воспринимает крановую нагрузку. Колонны каркаса проектируются сплошными в виде сварного двутавра постоянного сечения по высоте колонны.

 

Компоновка конструктивной схемы каркаса здания.

 

2.1. Компоновка поперечной рамы.

 

Ширина пролёта l_пр= 36м. За нулевую высотную отметку принимаем отметку пола.

Заглубление опорной плиты базы колонны принимаем 900 мм. Высота помещения определяется отметкой нижнего пояса фермы H_HП=13,0 м. Отметка верха колонны определяется по формуле:

H_BK=H_HП+h_on, (2.1)

где h_on-высота фермы на опоре, равная в нашем случае h_on= 3150 мм.

Тогда исходя из (2.1) получаемH_BK= 13000 + 3150 = 16150 мм.

Отметка верха стены определяется по следующему соотношению:

H_BС = H_НП + h_on+h_KP+h_n, (2.2)

где h_KP= 450мм - толщина конструкции кровли; h_n= 450мм - высота парапета.

Из формулы (2.2) получаем H_BС= 13000 + 3150 + 450 + 450 = 17050 мм.

Привязку принимаем нулевую: Ь₀=0.

 

2.2. Связи жёсткости каркаса.

 

2.2.1. Связи по верхним поясам.

 

Связевые фермы в верхнем поясе следует размещать в торцах здания, а так же следует установить дополнительные промежуточные поперечные связевые фермы.

Для раскрепления узлов верхних поясов стропильных ферм вдоль здания следует установить распорки в коньковом узле ферм.

 

2.2.2. Связи по нижним поясам.

 

Состоят из поперечных и продольных связевых ферм. Поперечные связевые фермы располагают у торцов и в том пролёте, где есть поперечные связи в верхнем поясе. Продольные связевые фермы располагают по краям здания. Ширина продольной связевой фермы принимается равной опорной панели нижнего пояса и равна 6000 мм.

 

2.2.3. Вертикальные связи.

 

Устанавливаются между стропильными фермами и препятствуют их опрокидыванию в процессе монтажа. Вертикальными связевыми фермами раскрепляют только те стропильные фермы, которые связаны между собой горизонтальными поперечными связями по верхним и нижним поясам. Так же следует установить две крестовые связи по высоте колонн и установить дополнительную развязку колонн распорками, чтобы обеспечить устойчивость колонн в продольном направлении здания.

 

Расчёт поперечной рамы.

Каркас промышленного здания представляет собой пространственную конструкцию. Для упрощения расчёта расчленим эту конструкцию на плоские элементы. Главным элементом является поперечная рама, состоящая из колонн, жёстко заделанных в фундамент, и решётчатого ригеля, жестко или шарнирно соединённого с колоннами.

 

3.1. Расчётная схема каркаса.

 

В практике расчёта рам промышленных зданий решётчатый ригель заменяют условным сплошным эквивалентной жёсткости, ось которого совмещается с осью нижнего пояса решётчатого ригеля. За геометрические оси колонн в расчётной схеме принимают линии центров тяжести сечений колонн.

Расчётный пролёт рамы для колонн симметричного поперечного сечения вычисляется по формуле:

l = l_np+2-(b₀-h_K/2), (3.1)

 

где l - пролёт здания в разбивочных осях колонн; Ь₀-привязка наружной грани колонны к

разбивочной оси; h_K- высота поперечного сечения колонны.

Но, принимая во внимание, что расчётный пролёт рамы отличается от пролёта здания не более чем на 2%, в расчёте принимаем расчётный пролёт равный пролёту здания.

Заделку стержня колонны полагаем расположенной на уровне опорной плиты башмака колонны, тогда высота колонны от низа ригеля до башмака колонны:

H = H₀+h_б , (3.2)

где Н₀ - высота помещения от уровня пола до низа ригеля; h₆-заглубление опорной плиты,

принимаем h₆=900 мм.

Сопряжение ригеля с колонной принимаем с жёсткими узлами. Расчётная схема представлена на рис. 3.1.

 

Рис.3.1. Расчетная схема поперечной рамы.

 

Определение нагрузок на поперечную раму.

На поперечную раму каркаса производственного здания без нагрузки кранового оборудования действуют нагрузки: постоянная нагрузка от веса конструкции, кратковременные нагрузки от веса снегового покрова и давление ветра на стеновое ограждение.

Для упрощения статического расчёта рамы разделим постоянную нагрузку на 2 части:

-нагрузку от веса покрытия, приложенную к ригелю (вес шатра);

-нагрузку от веса колонн и ограждающих стеновых конструкций, приложенную к колоннам.

 

4.1. Собственный вес

 

Вид покрытия - беспрогонное. Конструкция покрытия по прогонам представлена на рис. 4.1, где:

1. защитный слой из гравия на битумной мастике

2. трёхслойный гидроизоляционный ковёр на кровельной мастике

3. асфальтовая или цементная стяжка (20 мм)

4. утеплитель

5. железобетонные плиты

 

Рис. 4.1

 

 

Сбор нагрузок производим в табличной форме. См. таб. 4.1.

Таблица 4.1

	Вид нагрузки	Норм кН/м2	gf	Расч. кН/м2
	Трехсл. гидроизол. ковер на кровельноймаст.	0,15	1,3	0.195
	Асфальтовая стяжка δ=20мм γ=18кН/м	0,4	1,3	0,52
	Утеплитель пенобетон δ=100мм γ=6кН/м	0,6	1.3	0,78
	Ж/б плита покрытий ПНС 2.	1,27	1.1	1,40
	Стропильная ферма.	0,30	1,05	0,315
	Связи.	0,05	1,05	0,052
	Итого	2,77		3,262

В проекте можно принять h= 0,05 м,g=50 кг/м³

 

Линейная нагрузка на ригель рамы от веса шатра собирается с грузовой полосы, ширина которой равна расстоянию между соседними колоннами. Тогда линейная расчётная нагрузка на ригель от собственного веса шатра:

q = γ_H∙g∙B, (4.1)

где γ_H- коэффициент надёжности по назначению, для объектов промышленно-гражданского назначения γ_H= 0,95.

Тогда по формуле (4.1) получим q = 0,95 ∙3.262∙ 6 = 1859 кг/м.Расчётная схема приложения линейной нагрузки на ригель от веса шатра показана на рис. 4.2.

 

Рис.4.2 Расчётная схема приложения q

 

 

Постояннуюнагрузкунаколоннысоздаютвесстеновыхпанелей,ригелейипереплётов остекления,атакжесобственныйвесколонн.Внашемслучаенебудемучитыватьимеющеесяв зданииостекление,астеновоеограждениеусловнопримемизжелезобетонныхстеновыхпанелей,размером0,2 х 1,2 х 6м срасчётнойнагрузкой2,0кН 1м². Расчётнуюлинейную нагрузкунаколоннуотвесастеновыхпанелейполучимпутёмумноженияэтойвеличинына расстояниемеждуколоннами:

q_CT=2∙y_H∙B. (4.2)

Поформуле(4.2) получимq_CT = 2∙0,95 ∙6 = 1140кг / м.

Собственныйвесколоннориентировочноможноопределитьнаоснованииимеющихсяв литературеданныхпоаналогичнымзапроектированнымзданиям.Расходсталинаколоннывкаркасныхпроизводственныхзданияхбезмостовыхкрановсоставляетпримерно0,20кН на1м² здания.

Весодногопогонногометраколонныбудетравен:

q_К =(0,2∙y_H∙l∙B)/2H (4.3)

гдеl-пролётздания;Н-высотаколонн.

Исходя из соотношения (4.3) получаем

q_К =(0,2∙0,95∙30∙6)/(2*12,9)=132,6 кг/м

Рис. 4.3 Расчётная схема приложения q_CTиq_К

 

 

4.2Снеговая нагрузка

Расчётная линейная нагрузка на ригель рамы от веса снегового покрова в зданиях без фонарей находится по формуле:

Р=р₀∙В∙γ_H ∙с∙γ_f, (4.4)

где с-коэффициент, зависящий от угла наклона кровли, в нашем проекте с= 1; р₀-расчётное значение нагрузки снегового покрова для данного климатического района на 1м²;γ_f – коэффициент надёжности по снеговой нагрузке принимаем равным 1.4. Значение р₀выбираем исходя из таблицы 4.2.

Таблица 4.2.

Снеговая нагрузка по районам

 

Снеговой район
Ро, кг/м2

 

В нашем случае снеговой район - 4. Тогда по формуле (4.4) получаем

Р=240∙6∙0.95∙1∙1.4=1915.2кг/м.

Следует отметить, что при расчёте мы пренебрегаем следующими факторами: сдувание снега ветром, образование снежных мешков у парапетов и в зонах конденсации от выхлопа пара.

Расчётная схема представлена на рис. 4.4.

Рис. 4.4 Расчётная схема приложения Р

 

4.3 Ветровая нагрузка.

Ветроваянагрузканазданиеисооружениевобщемслучаеопределяетсякаксумма статическойидинамическойсоставляющих.Внашемпроектеввидумалостивысоты проектируемогосооруженияучитываетсятолькостатическаясоставляющая.Ветроваянагрузка создаётдавлениенанаветреннуюсторонузданияg_в. Зазданиемвозникаетзонапониженного давления,чтоприводитквозникновениюназаветреннойсторонезданиядополнительной нагрузкиg^’_в (отсоса),направленной, такжекакиg_в. Давлениемветранакровлюпренебрегаемв видуегомалостииз-замалогоуклонакровли.

Тип местности — А

Ветровоедавлениестеновымипанелямипередаётсянастойкипоперечныхрамкаркаса. Приотсутствиифахверкарасчётнаялинейнаянагрузканастойкукаркасаприусреднениив пределахвысотызданиякоэффициентаК_попределяетсяследующимисоотношениями:

q_э =γ_H∙γ_f∙g₀∙K_cp∙В∙с_х, (4.5)

q^’_э=γ_H∙γ_f∙g₀∙K_cp∙B∙c^’_x, (4.6)

гдеg₀-нормативноезначениеветровогодавленияна1м²дляданногоклиматическогорайона, см.таб.4.3;К_ср-среднеезначениекоэффициентаК_пвпределахвысотыздания;γ_H -коэффициентнадёжностипоназначению;γ_f - коэффициентнадёжностидляветровойнагрузки, γ_f =1,4;с_хис^’_x-аэродинамическиекоэффициенты,характеризующиестепеньобтекаемости сооружения,внашемпроектес_х - 0,8 иc^’_x= 0,6.

 

Таблица 4.3.

Ветровая нагрузка по районам

 

Ветровой район
go, кг/м2

 

Тогда по формулам (4.5) и (4.6) получаем:

q_э=0,95∙1,4∙38∙0,5388 ∙6 ∙0,8 ∙0,5752= 75,98кг/м;

q^’_э= 0,95∙1,4∙38∙0,5388 ∙6 ∙0,6 ∙0,5752= 56,98кг / м.

 

 

Ветровая нагрузка, действующая на здание выше оси ригеля рамы, заменяется равнодействующими Wи W’, которые прикладываются к верхним узлам рамы на уровне оси нижнего пояса фермы:

W=g₀∙K_ho∙B∙γ_f∙c_x∙h_on, (4.7)

W'=g₀∙K_ho∙B∙γ_f∙c^’_x∙h_on,(4.8)

где h_on- превышение стены здания над отметкой нижнего пояса фермы; K_ho-значение

коэффициента К_пна отметке середины высоты h_on.

Тогда по формулам (4.7) и (4.8) получаем:

-W= 0,95 ∙1,4 ∙0,8 ∙38∙6 ∙4,05 ∙0,676 = 664,17кг;

-W'=0,95∙1,4 ∙0,6 ∙38 ∙6 ∙4,05∙0,676=498,13кг.Итоговая расчётная схема представлена на рис. 4.5.

Рис. 4.5 Расчётная схема приложения ветровой нагрузки

 

Статический расчёт рамы

 

При жёстком сопряжении ригеля с колоннами рама трижды статически неопределима. Рама рассчитывается с помощью методов строительной механики, при этом вводят ряд допущений, которые упрощают расчёт и мало влияют на конечный результат:

1. При расчёте рамы на нагрузки, приложенные к колоннам, пренебрегают углами поворота верхних узлов рамы;

2. В инженерных расчётах ферма может быть замещена сплошным ригелем эквивалентной жёсткости.

При расчете рамы на горизонтальные нагрузки упругие деформации ригеля мало влияютна величины расчетных усилий, поэтому ригель можно считать абсолютно жестким: J_р= ∞.

При расчете рамы на вертикальные нагрузки, непосредственно приложенные к ригелю, неучет упругих деформаций его может привести к существенным ошибкам. В практических расчетах сквозной ригель условно заменяют сплошным эквивалентной жесткости.

При статическом расчете рамы на вертикальные нагрузки необходимо знать не абсолютные значения моментов инерции элементов рамы, а только их соотношение. Для поперечных рам, рассматриваемых в курсовом проекте, соотношение моментов инерции ригеля и колонн при жестком их сопряжении можно назначать в пределах 25—35.

Раму рассчитываем на каждый вид нагрузки отдельно с помощью практического метода, используя вспомогательные формулы.

Принимаем соотношение J_P/J_K= 30. Определяем коэффициент

5.1. Расчёт рамы на постоянную нагрузку q от веса шатра.

 

Расчёт выполняется методом перемещения, см. рис 5.1.

Определяемреакциивопорахиизгибающиемоментывназначенныхсечениях:

 

Строимэпюруизгибающихмоментовсучетомзнаков.

Далееспомощьюметодовстроительноймеханикисчитаемзначенияперерезывающих силистроимсоответствующуюэпюру.Дляэтогоиспользуемсоотношение:

 

Тогда,исходяизсоотношения(5.1),получаем:

 

 

Значенияпродольныхусилийопределяемизравновесияузловистроимсоответствующую

эпюру.

Нагрузкаотнавесныхстеновыхпанелейпередаетсянастойкирамывместеустановки столиковдляотиранияпанелейивызываеттолькосжимающиепродольныесилывстойках (изгибающимимоментами,возникающимиврамевследствиеэксцентричногоопиранияпанелей поотношениюкосистойки,пренебрегаемввидуихмалости).

 

Продольныесжимающиеусилияврасчетныхсечениях2-2и4-4колонныотвеса стеновыхпанелейбудутравны:

N_CT = q_CT ∙х = 1859∙ (13,9 + 3.15) = 31696кг.

Сжимающиеусилиявэтихжесеченияхотсобственноговесаколонныориентировочно можнопринятьравными:

N_k = q_k∙ х=132,6∙ (13,9 + 3.15) = 2261кг.

Нарис.5.2.представленыэпюрыМ, N,Q.

 

5.2. Расчёт рамы на действие снеговой нагрузки

 

Расчетнаснеговуюнагрузкуаналогиченрасчетунасобственныйвес.Болеетогозадача линейная,поэтомувнутренниеусилияможноопределитьумноживполученныеранеезначения на переходной коэффициент

 

ДалеестроимэпюрыМ,Q,N,которыепоказанынарис.5.3.

- Н_A=Н_В=3190.88∙ 1,03 = 3286.61кг;
. V_A=V_B=33462∙ 1,03 = 34466кг;

- М_л = М_в = 14784.39∙ 1,03 = 15227.9кг ∙ м;

- М_с = М _D= 29568.77∙ 1,03 = 30455.8кг∙ м;

 

 

ДалеестроимэпюрыМ,Q,N,которыепоказанынарис.5.3.

 

5.3. Расчёт рамы на действие ветровой нагрузки

 

Определяемреакциивопорах:

 

 

Послесчитаемизгибающиемоментывназначенныхсечениях.Предварительноопределяем:

 

Строимэпюруизгибающихмоментовсучетомзнаков. Считаемзначенияперерезывающихсилпоужеизвестнойформулеистроим соответствующуюэпюру.

 

Значенияпродольныхусилийопределяемизравновесияузловистроимсоответствующую

эпюру.

 

 

Нарис.5.5.представленыэпюрыМ, N,Q.

 

 

 

Усилия в расчетных сечениях рамы (сечения 1-1, 2-2, 3-3, 4-4) от каждого вида нагрузки для удобства представим в табличной форме (табл. 5.1).

 

 

Вид нагрузки		Сечения
	1-1	2-2	3-3	4-4
n	M	Q	N	M	Q	N	M	Q	N	M	Q	N
	тм	т	т	тм	т	т	тм	т	т	тм	т	т
Постоянная q		14.78	-3.19	-33.46	14.78	3.19	-33.46	-29.57	-3.19	-14,36	-33.46	3.19	-33.46
Стена		-31.7		-31.7
Колонна	-2.27	-2.27
Снеговая		15.22	-3.29	-34.47	15.22	3.29	-34.47	-30.46	-3.29	-34.47	-30.46	3.29	-34.47
	0,9	13.7	-2.96	-31.02	13.7	2.96	-31.02	-27.41	-2.96	-31.02	-27.41	2.96	-31.02
Ветровая		-8.48	7.17	0,19	8.17	6.11	-0,19	6.03	5.54	0,19	-6.33	4.75	-0,19
	0,9	-7.63	6.45	0.17	7.35	6.79	-0,17	5.42	4.99	0,17	-5.7	4.28	-0,17

Таблица 5.1.

 

Определив усилия в раме от каждой из расчетных нагрузок, находим их наиболее невыгодное сочетание. Для рам промышленных зданий следует рассматривать только основные сочетания нагрузок:

совместное действие постоянной и одной из кратковременных (снеговой или ветровой) нагрузок;

совместное действие постоянной и не менее двух кратковременных (снеговой и ветровой) нагрузок.

Сочетания	Сечения
M	Q	N	M	Q	N	M	Q	N	M	Q	N
тм	т	т	тм	т	т	тм	т	т	тм	т	т
Постоянная+снеговая		-6,48	-101.9		6,48	--101.9	-60.03	-6,48	-40,2	-44,54	6.48	-40,2
Постоянная+ветровая	6.3	3.98	-67.24	22.95	9.3	-67.62	-23.54	2.35	-14,17	-39.79	7.94	-33.65
Постоянная+0.9(снеговая+ ветровая)	20.85	0.3	-98.28	35.83	12.94	-98.28	-51.56	-1.16	-45.21	-66.57	10.43	-64.65

Для удобства составляем сводную таблицу расчетных усилий в характерных сечениях колонн рамы (табл. 5.2).

Таблица 5.2.