Вертикальные габариты здания зависят от технологических условий производства и определяются расстоянием от уровня пола до оголовка кранового рельса Н1 и расстоянием от оголовка кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия Н2. В сумме эти размеры составляют полезную высоту цеха Н0.
Размер Н2 диктуется высотой мостового крана:
Н2 = (Нк + 100) + f = (4000 + 100) + 300 = 4400 мм
е – установленный по требованиям техники безопасности зазор между этой точкой и строительными конструкциями, равный 100 мм; f – размер учитывающий прогиб конструкций покрытия, принимаемый равным 200-400 мм, в зависимости от величины пролета. Окончательный размер Н2 принимаем кратный 200 мм.
Высота цеха от уровня пола до низа стропильных ферм
Н0 = Н1 + Н2 = 12000 +4400 = 16400 Þ 16,8 м
Этот размер принимаем кранным 0,6 м. Þ Н0= 16800
Поэтому следует уточнить Н1 = Н0 – Н2 = 16,8 – 4,4 = 12,4 м
Далее устанавливаем размеры верхней части колонны НВ, нижней части НН и высоту у опоры ригелей НФ.
НВ =(hб + hр)+ H2 = 6000/6 + 4400 = 5400 мм
НН = Н0 - НВ + 800 = 16,8 -5,4 +0,8 = 12,2 м
где 0,8 – заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола.
Общая высота колонны рамы от низа базы до низа ригеля:
Н = НВ + НН = 5,4 +12,2 =17,6 м
Ноп = 3,150 м для типовых стропильных ферм, уклон ската кровли i=1,5%
мм
Привязка наружной грани колонны к оси колонны b 
= 0,250 мм.
Высота сечения верхней части ступенчатой колонны принимаем b 
=500мм.
Для обеспечения безопасного прохода вдоль пути устраивается ограждение, проходы имеют размеры шириной 450 мм и высотой 2000 мм.
Для того, чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал ограждение расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее:
³ В1 + (bВ – b ) + 75 = 400+450 + (500 – 250) + 75 = 1175 мм Þ 1250 мм.
где 75 – зазор между краном и ограждением, по требованиям безопасности принимаемый по ГОСТу на краны.
Пролеты кранов lк имеют модуль 500 мм, поэтому размер должен быть кратным 250 мм.
Ось подкрановой ветви колонны совмещаем с осью подкрановой балки, тогда высота сечения нижней части колонны:
bН = +b = 1250 + 250 = 1500 мм
bН 
.
1500 
1173 - удовлетворяет условию жёсткости.
Пролет мостового крана lк = l – 2* = 27000 – 2*1250 = 24500 мм
Сечение верхней части колонны назначаем сплошностенчатым двутавровым, нижней – сквозным.
У торцов здания колонны смещаются с модульной сетки на 500 мм для удобства оформления углов здания стандартными стеновыми панелями, имеющими модульные размеры. Схема поперечной рамы
1.3. Выбор типа несущих и ограждающих конструкций.
Применяем стальной профилированный настил марки Н80-674-1,0 из стального листа толщиной 1,0 мм и высотой гофра 80 мм. При шаге ферм 6 м под настил применяют типовые сквозные прогоны пролетом 6 м из гнутых профилей сечением типа швеллер, которые располагаются с шагом 3 м и крепятся болтами к верхнему поясу фермы через прокладку толщиной 12 мм.
В соответствии с исходными данными рекомендуется устройство рулонной кровли в покрытии здания, поэтому уклон кровли назначаем 1,5%. Следовательно, в качестве основного несущего элемента покрытия принимаем фермы с параллельными поясами и с уклоном верхнего пояса i = 1,5% и высотой в опорной части 
Тип ограждающих стеновых конструкций принимаем в соответствии с выбранным типом конструкций покрытия. Принимаем стальные стеновые панели полистовой сборки 6,0 х 3,0 м. Окна из спаренных труб с двойным остеклением и глухими переплетами, 6,0 х 2,4м.
Цокольные ж/б панели (шириной 1,2 м) опираются на фундаментные балки. Стеновые панели – перемычки (над каждым ярусом остекленения) крепятся на опорные столики. Рядовые панели и панели остекленения опираются на ниже лежащие панели и крепятся к колоннам устройствами, передающими только горизонтальные усилия. Раскладка стеновых панелей и панелей остекленения продольных стен приведена на рис. 1.2.
1.4. Выбор марок стали
Марка стали для балок, колонн и настила выбирается в соответствии с таб.50* прил.1 [3] в зависимости от степени ответственности конструкции и условий ее эксплуатации (II2 климатический район строительства с расчетной температурой - 40 > t ³ - 50).
Для подкрановой балки выбрана сталь С345 по 1 группе.
Для балок перекрытий и покрытий выбрана сталь С345 по 2 группе.
Для колонн выбрана сталь С345 по 3 группе.
Для настила выбрана сталь С245 по 4 группе.
Из табл. 51* прил. 1 [3] в зависимости от вида проката и его толщины принимаем для данной марки стали расчетные характеристики
Таблица 2
Расчетные характеристики конструкций
| тип конструкции | марка стали | толщина проката, мм | нормативное сопротивление, МПа | расчетное сопротивление, МПа | ||||||
| лист | фасон | лист | фасон | |||||||
| Ryn | Run | Ryn | Run | Ry | Ru | Ry | Ru | |||
| Колонна | С345 | 2 - 10 10 – 20 20-40 | ||||||||
| Подкрановая балка | С345 | 2 - 10 10 – 20 20-40 | ||||||||
| ферма | С345 | 2 - 10 10 – 20 20-40 | ||||||||
| Настил | С245 | 2-20 20-30 | - | - | - | - |
Ryn – значение предела текучести; Run - значение временного сопротивления
2. Расчёт подкрановой балки.
2.1. Расчётные нагрузки на балку (от двух сближенных кранов).
Максимальное расчетное давление колес крана:
F = nc×n×k×Fnmax
nc = 0,95 – коэф. сочетаний; n = 1,1 – коэф. надежности по нагрузке; k = 1,2 – коэф. динамичности; Fnmax – максимальное нормативное давления катка крана (табл. 1)
В связи с тем, что кран особо тяжелого режима работы, определяем боковое давление колеса крана. В соответствии с п. 4.5 СНиП II-6-74 горизонтальную силу торможения тележки не учитываем.
Местный крутящий момент при е = 1,5 см:
2.2. Определение усилий в подкрановой балке от двух сближенных кранов.
Располагаем на балке максимально возможное число колес (3) и находим расстояние от равнодействующей до крайнего левого колеса, расположенного на балке:
Расстояние от критического груза до равнодействующей:
с = 3,150 – 2,376 = 0.783 м.
Расстояние от левой опоры до критического груза
а = L/2 +с/2 = 6/2 + 0.783/2 = 3,392 м
Проверяем правильность установки грузов по следующим неравенствам
Þ 
где R1 – равнодействующая грузов расположенных слева от рассматриваемого сечения на участке а балки пролетом l; SF – сумма давлений всех подвижных грузов, расположенных на балке; Fкр – величина критического груза
Следовательно, принятая установка кранов считается расчетной.
Находим максимальный изгибающий момент и соответствующую поперечную силу по линиям влияния
Максимальная поперечная сила на опоре (рис. 2.1, г)
Изгибающий момент от бокового давления крана
Расчетные значения усилий в подкрановой балке с учетом собственного веса и временной нагрузки
bМ = 1,03 и bQ = 1,02 – коэф. учитывающие влияние собственного веса на величину расчетного момента и поперечной силы [2; табл. 3.2]
2.3. Определение усилий в подкрановой балке от одного крана.
В связи с тем, что подкрановая балка особо тяжелого режима работы, ее стенку необходимо проверить на выносливость от нормативных нагрузок одного крана, умноженных на 0,8 (СНиП II-6-74).
Нормативные нагрузки на подкрановую балку от одного крана:
Находим положение равнодействующей:
м
с = 0,4 м
а = L/2 +с/2 = 6/2 + 0,4 /2 = 3,2м.
Проверяем правильность установки грузов по следующим неравенствам
Þ 
Следовательно, принятая установка кранов считается расчетной
Находим максимальный изгибающий момент и соответствующую ему поперечную силу с учетом веса конструкций и временной нагрузки на них:
2.4. Подбор сечения балки.
Оптимальная высота при коэффициенте асимметрии a = 1,2:
где 
- момент сопротивления; tw – толщина стенки, gс – коэф. условия работы [2, табл. 1.9]; Ry – расчетное сопротивление; зависимость h от tw по табл. 3.1. [2]
Минимальная высота балки:
f/l – нормативный прогиб [прил. IV, табл. 3]
При 
высоту балки можно уменьшить на 15-20%,но не менее 
.
Назначаем высоту стенки hw= 800 мм, двух поясов – 50 мм. Предварительная высота балки:
h = 79 + 5= 84см.
Проверяем стенку балки на срез по формуле:
где Rs = 0.58*Ryn/gm = 0.58 * 325 / 1.025 = 183,9 MПа
Rs – расчетное сопротивление материала стенки срезу; gm – коэф. надежности по материалу
Принимаем толщину стенки 14 мм.
Определяем требуемую площадь поперечного сечения балки по формуле:
Площади верхнего и нижнего поясов и стенки:
Принимаем верхний и нижний пояса из универсальной стали:
Площади сечения поясов приняты несколько больше, чем требуется в связи с приближенностью формулы для площади поперечного сечения и необходимостью обеспечения выносливости балки, а также из конструктивного требования по креплению рельса.
Соотношения для верхнего пояса 
, что допустимо, 
.
Находим положение центра тяжести сечения:
hв=84 – 49,27 = 34,73см.
Момент инерции сечения балки относительно оси х-х:
Момент инерции сечения, ослабленного двумя отверстиями диаметром 25 мм, для крепления рельса КР100:
Моменты сопротивления для верхнего и нижнего поясов:
Напряжения в верхнем и нижнем поясах от вертикальных нагрузок:
Проверяем предельную гибкость растянутого нижнего пояса, при n ³ 2×106 циклов она не должна превышать [150] [2, прил. IV, табл. 1]:
ly = L/iy = 600/6,4 = 93,74 < [150]
где
Устойчивость нижнего пояса обеспечена при свободной длине, равной пролету балки.
Проверяем прочность стенки балки от местного давления колеса крана по формуле:
где gf = 1.3; F1 = 1.1 * 400 =440 кН;
J1f = 2805,9+ 28 * 33 /12= 2868,9 см4; (2805,9 см4 – момент инерции рельса КР100)
Наибольшие касательные напряжения на нейтральной оси стенки у опоры:
где Sх – статистический момент сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси:
Проверяем жесткость балки по формуле:
Жесткость балки обеспечена.
Для восприятия усилий от поперечного торможения при кранах тяжелого режима работы устраиваются тормозные балки.
Принимаем сечение балки из листа hfл x bfл = 1335 х 8 мм (
см2), швеллер № 20
| Масса 1 м длины | Площадь сечения
| Момент инерции | Момент сопротивления | Расстояние от оси у-у до наружной грани стенки, z0 | ||
| 
| 
| 
| |||
| 18,4 кг | 23,4 см2 | 1520 см4 | 113 см4 | 152 см3 | 20,5 см3 | 2,1см |
К листу тормозной балки привариваем снизу ребра 100 х 8 мм через 1000 мм.
Определяем геометрические характеристики сечения тормозной балки с учетом ее работы совместно с верхним поясом.
Находим положение центра тяжести сечения относительно оси у-у.
Момент инерции сечения относительно оси 1-1:
Момент инерции с учетом ослабления сечения
Моменты сопротивления для крайних волокон сечения тормозной балки:
Нормальные напряжения в верхнем поясе подкрановой балки (точка а)от совместного действия наибольшего изгибающего вертикального и горизонтального моментов по формуле:
sx = sxв + 
= 
Проверяем прочность наружного пояса тормозной балки.
Тормозная балка воспринимает нагрузки:
§ Временную полезную qв = 1,2 × 4 = 4,8 кН/м2 на площадке шириной 146,5– (40 + 7,5) = 99 см (40 см – габарит крана, 7,5 см – минимальный зазор между краном и ограждением)
§ вес швеллера gш = 1,05 × 0,184 = 0,19 кН/м;
§ вес настила gн =1,05 × 0,82 = 0,861 кН/м2.
Находим расчетную нагрузку на швеллер как реакцию на левую опору балки настила:
qш = (0,19 *1.459+ 0.861*1.335(1.335/2+0.15)+ 4,8 *0.99* (0.99/2+0.475))/1.480= 3.94 кН*м.
Нормативная нагрузка
3.94 /1,2 = 3,28 кНм
Изгибающий момент в швеллере от вертикальных нагрузок
Мш = 3.94*62 / 8 =17.73 кН*м.
Изгибающий момент от сил бокового давления в сечении, удаленном на три метра от стойки фахверка, определяем по линии влияния
Мt = SQtiyi = 32 (1.5+1.1) =83.2 кН*м
Напряжения в точке б швеллера,
Прогиб швеллера от нормативной нагрузки:
Проверяем прочность стенки в сжатой зоне при расчетной нагрузке от двух сближенных кранов.
Находим напряжения на границе стенки:
sloc,y = 123.85 МПа; sloc,х = 0,25sloc,y = 0,25*123.85 = 30.96 МПа;
tloc,xy = 0,3sloc,y = 0,3 *123.85 = 37.16 МПа; tf,xy = 0,25sf,y = 0,25 * 33.7 =8.43 МПа;
Проверяем:
sx + sloc,x = 180,81 + 30.96 = 211,77 МПа < 300 МПа
sfy + sloc,y = 33.7 + 123.85 = 157.55 МПа < 300 МПа
txy + tloc,xy + tfxy = 30.32 + 37.16 + 8.43 = 75.8 МПа < Rs = 183.9 МПа
Проверяем жесткость балки по следующему условию:
где b = 1,15 для разрезных балок.
219,52 МПа < 345 МПа.
Прочность стенки в сжатой зоне обеспечена.
Проверяем выносливость поясов по формуле smax £ aRvgv (a - коэф. зависящий от числа циклов n, Rv = 100 МПа – расчетное сопротивление усталости, принимается по табл. 1,22 [2]) на нормативную нагрузку от одного крана, умноженную на коэффициент 0,8.
Напряжения в верхнем поясе, который относится ко 2-й группе по СНиП II-23-81,
МПа
Определяем при n = 2 * 106
a = 0,064* (2*106 / 106)2 – 0,5 * (2*106 / 106) + 1,75 = 1,01
По табл. 1.23 [2] для сжатого пояса при r = +0,1 находим
gv = 2/(1,2-0,1) = 1,82
130,21МПа < 1,01*100*1,82 = 182 МПа
Выносливость верхнего пояса обеспечена.
Аналогично для нижнего пояса, относящегося к 4-й группе при Rv = 75 МПа.
МПа
gv = 2,5/(1,5-0,1) = 1,78
171,41МПа > 1,01*75*1,78 = 134,84 МПа
Условие не выполняется.
Проверим на выносливость верхнюю зону стенки по формуле:
Rv = 75 МПа расчетное сопротивление усталости для всех марок сталей в сжатой верхней зоне стенок.
Условие не выполняется.
2.5. Расчет подкрановой конструкции по программе "Beam".
Данные по геометрии:
Пролет балки,м - 6
Привязка балки,мм - 1500
Марка рельса - KP-100
Режим работы крана - весьма тяжелый.
Подвес груза - гибкий.
Вид балки - сварная.
Нагрузки от двух от одного
кранов крана
-------------------------------------------------
Qt1,кН | 47.652 | 30.4 |
Qt2,кН | 50.16 | 32 |
Mt,кНм | 13.6 | 8.4 |
Mtb,кНм | 130.47 | 83.616 |
Mmax,кНм | 1343.74 | 877.968 |
Qmax,кН | 1236.62 | |
Qc,кН | 367.1 | 274.512 |
Мп,кНм | 1017.98 | |
Fk,кН | 440 | |
-------------------------------------------------
Подбор сечения:
Подбираем асимметричное сечение балки.
Коэффициент асимметрии - 1.2
Оптимальная высота балки - 68.06 см.
Минимальная высота балки - 81.82 см.
Принятая высота балки - 75.2 см.
Размеры подобранных сечений:
Подкрановая балка:
Верхний пояс, см х см: 40x3.2 Сталь - С345
Нижний пояс, см х см: 28x2 Сталь - С345
Стенка, см х см: 70x1.6 Сталь - С345
Результаты проверки подкрановой балки:
расчётное допустимое
значение значение
Напряжения в нижнем поясе,МПа 243.89 | 300
Напряжения в верхнем поясе,МПа 154.67 | 300
Гибкость нижнего пояса 99 | 150
Напряжение в стенке от 90.06 | 315
местного давления колеса,Мпа
Касательные напряж. в 124.1 | 183.9
стенке у опоры, Мпа
Жёсткость балки 1/820.9 | 1/600
Толщина стенки,мм 16 | 14.4
Прочность стенки в сжатой зоне
По формуле 1: 160.23 | 315
По формуле 2: 126.27 | 315
По формуле 3: 68.85 | 183.9
По формуле 4: 173.44 | 362.25
Параметры подкрановой балки:
-----------------------------------------------
Расстояние до центра тяжести снизу,см 46.02
Расстояние до центра тяжести сверху,см 29.18
Момент инерции сечения балки Jx,см^4 265710.54
Момент инерции сечения балки Jnx,см^4 253536.69
Момент сопротивления верхнего пояса Wx,см^3 8687.59
Момент сопротивления нижнего пояса Wx,см^3 5509.72
Радиус инерции нижнего пояса iy,см 6.06
Ширина распределения местного давления Lef,см 39.69
Сумма моментов инерции кручения рельса и пояса Jf,см^4 1201.91
Сумма моментов инерции рельса и пояса J1f,см^4 2915.13
Статический момент верхней части сечения Sx,см^3 4070.85
Тормозная конструкция:
Лист,см х см:127.5x.8 Сталь - С345
Швеллер: №20
Результаты проверки тормозной конструкции:
Расчетное Нормативное
значение значение
Напряжения в верхнем поясе балки,МПа 166.42 | 300
Напряжения в крайней точке швеллера,МПа 122.7 | 315
Жесткость швеллера 1/354.2 | 1/250
Вес швеллера.19
Вес настила.66
Нагрузка на швеллер 3.77
Изгиб. момент в швеллере от верт. нагрузки 16.97
Изгиб. момент в швеллере от сил бок. давл. 83.2
Параметры тормозной балки:
Положение центра тяжести X,см. 46.78
Момент инерции сечения отн. оси 1-1,см^4 797479.62
То же с учётом ослаблений,см^4 763810.08
Моменты сопротивления для крайних волокон:
W1a,см^3 11436.89
W1b,см^3 7546.4
Расчет на выносливость:
Число циклов: 2000000
Коэффициент асимметрии напряжений p 0.1
Напряжения в верхнем поясе,МПа 103.43 | 241.44
Напряжения в нижнем поясе,МПа 152.05 | 163.64
Напряжения в верхней зоне стенки,МПа 74.89 | 75
Группа для верхнего пояса: 2
Группа для нижнего пояса: 4
Параметры:
Коэффициент alpha для верхнего пояса 1.01
Коэффициент alpha для нижнего пояса 1.2
Верхний пояс: GAMMAv = 1.82 Rv = 75
Нижний пояс: GAMMAv = 1.82 Rv = 75
Стенка: SIGMAx,МПа = 85.86
TAUxy,МПа = 24.51
SIGMAloc, МПа = 50.38
SIGMAfy, МПа = 22.36
В результате расчетов принимаем:
Подкрановую балку из универсальной листовой стали марки С345 следующего сечения
Верхний пояс, см х см: 40x 3,2 Сталь – C345
Нижний пояс, см х см: 28 x 2 Сталь – C345
Стенка, см х см: 70x1,6 Сталь – C345
Тормозная конструкция
Лист, см х см: 1275,5 x 8 Сталь – C345
Швеллер: №20.
Проверку общей устойчивости балки не производим, так как её верхний пояс закреплён тормозной балкой по всей длине.
2.6. Проверка местной устойчивости.
Местная устойчивость сжатого верхнего пояса обеспеченна, т.к
1. Определим условную гибкость стенки:
следовательно, устойчивость балок не требуется проверять, согласно п.7.3 [1].
Устанавливаем поперечные ребра конструктивно через 
.
2.7. Расчет сварного шва.
Размеры рёбер жёсткости.
Ширину ребра принимаем не менее:
Считаем толщину: 
Окончательно принимаем размеры ребер 100 
6 мм, которые привариваются двусторонними швами катетом 
.Рёбра не привариваются к верхнему поясу.Соединение с нижним поясом выполняется через прокладку, приваренную к ребру. Прокладка к нижнему поясу не приваривается. Расстояние м/д рёбрами жёсткости и заводским вертикальным стыком стенки должно быть не менее 
.
2.8. Расчет опорного ребра.
Ребро загружено опорной реакцией Q=1236,62 кН.
1. Определяем площадь опорного ребра при 
2. Задаемся шириной ребра 
и определяем:
3. Назначаем сечение опорного ребра 200 14мм, 
=28 
4. Проверяем опорную стойку на устойчивость:
где 
гибкость: 
тогда 
(стр. 80-[2] СНиП)
Значит, прочность ребра обеспечена. Торец ребра, опирающийся на опорный столик, должен быть пристроган.
5. Определяем катет сварного шва, прикрепляющего опорное ребро к стенке балки, по формуле (3.87)[2]. Принимаем полуавтоматическую сварку, проволоку марки Св-10НМА –с 
6. Принимаем конструктивно к=6мм (см. табл. 2.9.[2])
Прикрепление верхнего и нижнего поясов к опорному ребру выполняется конструктивными швами 8мм ручной сваркой. Верхние поясные швы выполняются с полным проваром: 
(принимаем 
) и не провариваются.
Нижние поясные швы с катетом 
(
=0,9), автоматическая сварка в лодочку проверяем по формуле 
- сдвигающее усилие в поясе на единицу длины, вызываемое силой Q; 
S- статический момент сдвигаемой части пояса брутто относительно сдвигающей оси.
S= 
.
7. Расчёт поясных швов.
С учётом требований
- сдвигаемое усилие в поясе на единицу длины, вызываемое силой Q.
, 
Принимаем с учётом требований табл 2.9
Где gf = 1.3; F1 = 1.1 * 400 =440 кН;
J1f = 2805,9+ 40 * 3,23 /12= 2915 см4; (2805,9 см4 – момент инерции рельса КР100)
3. Статический расчёт поперечной рамы.
Для определения максимальных усилий (изгибающих моментов, продольных и поперечных сил), необходимых для подбора сечений элементов стального каркаса, расчет сопряжений, узлов и других деталей выполняется статический расчет рамы.
3.1.Расчетная схема рамы
Для упрощения расчета каркаса, представляющего собой пространственный блок, его расчленяем на отдельные плоские системы – поперечные рамы. В процессе разработки компоновочной части проекта устанавливается схема поперечной рамы, которая преобразовывается в расчетную схему (рис. 3.1) с соответствующими сечениями (рис. 3.2).
Геометрические оси колонн на этапе статического расчета рамы допускается принимать проходящими посередине сечения. При шарнирных сопряжениях ригелей с колоннами за геометрическую ось ригеля принимают линию, соединяющую опорные шарниры ригеля, а при жестких сопряжениях за геометрическую ось ригеля принимают ось нижнего пояса.
Сопряжения колон рам с фундаментами принимаем жесткими. Тип их сопряжения с ригелями назначаем также жестким, т. к. применяемые краны имеют гибкий подвес, режим их работы – весьма тяжелый.
Эксцентриситет верхней части колонны по отношению к оси нижней части колонны
е1 =(вн – вв)/2 = (1,5-0,5)/2 = 0,5
Эксцентриситет приложения крановых давлений
е2 = вн / 2 = 1,5/2 = 0,75
3.2. Сбор нагрузок
Сбор нагрузок на раму выполняется в два этапа. На первом этапе определяется интенсивность нормативных и расчетных распределенных и сосредоточенных нагрузок в зависимости от климатического района строительства, типа и грузоподъемности кранов и принятого типа ограждающих конструкций. На втором этапе производится непосредственное определение нагрузок, приложенных к поперечной раме.