Контрольная работа
По дисциплине: «МЕТАЛЬЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ»
ТЕМА: «ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАЛЬНОГО КАРКАСА ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ»
Выполнил: студент 4 курса
Квасников С. А.
Шифр 86
Проверил: Пыхтеева М.А.
Благовещенск 2015
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Расчет фермы
1.1 Исходные данные 3
1.2 Сбор нагрузок 4
1.3 Подбор сечения элементов фермы 6
1.4 Расчет и конструирование узлов фермы и опорных уголков 10
2. Компоновка рамы 14
2.1 Расчетная схема поперечной рамы 14
2.2 Компоновка рамы 16
Список литературы 20
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Пролет здания L=30 м.
Шаг поперечных рам В =12 м.
Длина здания l = 96 м.
Отметка головки кранового рельса Hкр = 15 м.
Грузоподъемность Q =50/12,5 т.
Сопряжение ригеля со стойкой – жесткое
Режим работы крана – 5К
Тип кровли – холодная
Район строительства – Владивосток
СБОР НАГРУЗОК
Рисунок 1 - Расчетная схема фермы
Таблица 1 - Сбор нагрузок
| Вид нагрузки | Нормативная нагрузка | γ | Расчетная нагрузка |
| Гидроизоляционный 3-х слойный ковер | 0,48 | 1,2 | 0,576 |
| Цементная стяжка t=30мм; γ=2000 кг/м | 0,4 | 1,3 | 0,52 |
| Керамзит по уклону γ=1200 кг/м | 0,6 | 1,3 | 0,78 |
| ж/б плита 3х12 | 2,5 | 1,1 | 2,75 |
| Стальная ферма | 0,3 | 1,05 | 0,315 |
| Снеговая нагрузка | 1,2 | 1,2 | |
| Итого | 5,48 | 6,14 |
Определение нагрузки на промежуточные узлы фермы:
, где 3м – шаг узлов верхнего пояса фермы, 12м – шаг несущих рам каркаса (колонн).
Определение нагрузки на крайние узлы фермы:
.
Статический расчет фермы на заданные узловые нагрузки выполняем в программном комплексе «Лира». Расчетная схема и результаты расчета фермы приведены ниже.
Таблица 2 – Усилия в стержнях фермы
| 947,314 | ||||
| 2210,399 | ||||
| 2631,428 | ||||
| 2210,399 | ||||
| 947,314 | ||||
| -1684,114 | ||||
| -1684,114 | ||||
| -2526,171 | ||||
| -2526,171 | ||||
| -2526,171 | ||||
| -2526,171 | ||||
| -1684,114 | ||||
| -1684,114 | ||||
| -110,520 | ||||
| -221,040 | ||||
| -221,040 | ||||
| -221,040 | ||||
| -221,040 | ||||
| -110,520 | ||||
| -1373,605 | ||||
| 1068,360 | ||||
| -763,114 | ||||
| 457,868 | ||||
| -152,623 | ||||
| -152,623 | ||||
| 457,868 | ||||
| -763,114 | ||||
| 1068,360 | ||||
| -1373,605 |
ПОДБОР СЕЧЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ФЕРМ
Верхний пояс
Nmax = -2526,171 кН.
Требуемая площадь сечения уголков при φ = 0,7 и γс = 0,95 составит:
Из сортамента находим равнополочные уголки 2∟200x20, А = 76,5 см2.
Фасонки принимаем толщиной t = 16 мм в зависимости от усилия в опорном раскосе (стержень 22 N=-1373,605кН).
Таблица 3 - Рекомендуемые толщины узловых фасонок уголковых ферм
| Усилие в опорном раскосе, кН | До 250 | 251- -400 | 401- -600 | 601- -1000 | 1001- -1400 | 1401- -1800 | Более |
| Толщина фасонки, мм |
Тогда радиус инерции сечения верхнего пояса равны:
ix = 6,12 см, iy =8,86 см.
Гибкость: 
, условия выполняются.
При λ = 49,01, находим условную гибкость 
По табл. Д.1 СП 16.13330.2011 φ = 0,795
Все элементы верхнего пояса принимаем из такого же профиля.
Нижний пояс
Nmax = 2631,428кН. Требуемая площадь сечения уголков при γс = 0,95
составит:
Из сортамента находим не равнополочные уголки 2∟ 250х160х16, А = 63,6 см2. Тогда радиус инерции сечения нижнего пояса равны: ix = 8,07 см, iy = 4,58 см.
Гибкость: 
Опорный раскос (стержень №22)
Nmax = - 1373,605 кН, φ = 0,7 γс = 0,95.
Принимаем 2∟ 200х125х16, А = 49,8 см2. Тогда радиусы инерции сечения раскоса равны: ix = 6,38 см, iy = 5,1 см.
Гибкость: 
При λ = 85,29, находим условную гибкость 
По табл. Д.1 СП 16.13330.2011 φ = 0,62
Раскос (стержень №23,,25)
Nmax = 1063,360 кН, γс = 0,95.
Принимаем 2∟ 125х10, А = 24,3 см2. Тогда радиусы инерции сечения раскоса равны: ix = 3,85 см, iy = 5,66 см.
Гибкость: 
(стержни №24,26)
Nmax = 767,114 кН, φ = 0,7 γс = 0,95.
Принимаем 2∟ 125х14, А = 33,4 см2. Тогда радиусы инерции сечения раскоса равны: ix = 3,8 см, iy = 5,75см.
Гибкость: 
При λ = 92, находим условную гибкость 
По табл. Д.1 СП 16.13330.2011 φ = 0,544
Конструктивно принимаем 2∟ 125х14, А = 33,4 см2.
Стойка (стержень №16,17,18)
Nmax = - 221,040 кН, φ = 0,7 γс = 0,95.
Конструктивно принимаем 2∟ 80х7, А = 10,8 см2. Тогда радиусы инерции сечения раскоса равны: ix = 2,45 см, iy = 3,82 см.
Гибкость: 
При λ = 102,8, находим условную гибкость 
По табл. Д.1 СП 16.13330.2011 φ = 0,476
Остальные стойки принимаем такого же сечения.
Таблица 4 – Подбор сечения стержней
| Элементы фермы | № стержня | Усилие, кН | Сечение | Площадь, см2 | Расчетные длины, см | ||
| Растяг-вающее | Сжимаю- щее | Lx | Ly | ||||
| Верхний пояс | 200х20 | 76,5 | |||||
| 7;8 | - | 1684,114 | 200х20 | 76,5 | |||
| 9;10 | - | 2526,171 | 200х20 | 76,5 | |||
| Опорный раскос | - | 1373,605 | 200х125х16 | 49,8 | |||
| Нижний пояс | 947,314 | - | 250х160х16 | 63,6 | |||
| 2210,399 | - | 250х160х16 | 63,6 | ||||
| 2631,428 | - | 250х160х16 | 63,6 | ||||
| Стойки | - | 110,520 | 80х7 | 10,8 | |||
| - | 221,040 | 80х7 | 10,8 | ||||
| - | 221,040 | 80х7 | 10,8 | ||||
| Раскосы | 1068,360 | - | 125х14 | 33,4 | |||
| - | 763,114 | 125х14 | 33,4 | ||||
| 457,868 | - | 125х14 | 33,4 | ||||
| - | 152,623 | 125х14 | 33,4 |
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ УЗЛОВ ФЕРМЫИЗ ПАРНЫХ УГОЛКОВ
При расчете узлов фермы определяют размеры сварных швов и назначают габариты фасонок с таким расчетом, чтобы на них размещались все сварные швы стержней.
Действующее в стержне усилие передается на обушок и перо уголка не одинаково, так как ось стержня смещена в сторону обушка. Следовательно, на шов у обушка передается большая часть силы, чем на шов у пера. Для равнополочных уголков распределенные силы N принимается примерно так: на обушок 0,7N, на перо 0,3N. Для не равнополочных уголков она изменяется в зависимости от длины полок: на обушок 0,75 N или 0,65 N и на перо 0.25N или 0,35N (первое отношение для короткой, второе - для длинной полки).
Задавшись толщиной сварного шва Кf длину его на один уголок вычисляем по формуле (сечение по металлу шва):
на обушок
на перо
где k -коэффициент распределения усилия на обушок и перо; β - коэффициент, учитывающий качество и способ сварки, равный 0,7-1; для ручной
сварки 0,7.
В конструкциях из стали с пределом текучести до 580 МПа, возводимых в климатических районах с расчетной температурой не ниже -300С, коэффициенты γwf = γwz =1, а коэффициенты по таблицам СП βf = 0,7, βz = 1 при электродах марки Э42А и сварочной проволоки СВ08. Rwf =18 кН/см2, a Rwz = 0,45Run по таблицы 51 СНиП Run= 370 МПа - для стали С245; тогда при ручной сварки Rwfβf = 180 • 0,7 = 126 МПа и Rwzβz = 166,5 МПа. Следовательно, менее благоприятным расчетным является расчет по металлу шва.
Катет шва Kf принимают, как правило, не более толщины полки привареваемого уголка. Конструктивная длина шва увеличивается против расчетной на 10-15 мм, общая длина его должна быть кратной 10 мм.
В узлах прямолинейных участков пояса фермы (верхнего и нижнего) при расчете прикрепления фасонки принимают равнодейсвующую усилий, которые действуют в смежных поясах панелях равную.
Nf = N2 – N1
В узлах, где к фасонке крепятся пояса, вначале расчитывают длины швов для крепления раскосов и стоек, затем конструируют узел и назначают длину фасонки так, чтобы на ней размещались швы элементов решетки. Расчетную длину швов для крепления пояса принимают на 10-20 мм меньше длины фасонки и тогда толщину (катет) швов у поясов определяют по формулам (при расчете по металлу шва).
Поясные швы рекомендуется выполнять непрерывными (сплошными).
Рассчитываем узел А
Рассчитываем прикрепление опорного раскоса 22, расчетное усилие
N = -1373,605кН сечение из двух уголков 200x125х16. Принимаем толщину шва у обушка Kf.b = 16 мм, а у пера Кf.p = 14 мм; вычисляем длину шва:
Рассчитаем прикрепление нижнего пояса к фасонке, расчетное
усилие N = 947,314 кН сечение из двух уголков 250х160х16. Принимаем толщину шва у обушка Kf.b = 16 мм, а у пера Кf.p = 14 мм; вычисляем длину шва:
Рассчитываем узел В
Крепление к фасонке стержней верхнего пояса, расчетное усилие
N = N7 = 1684,114кН; расчетная длина шва: Lw.b= Lw.p= 86 см; требуемую толщину сварных швов с учетом узловой нагрузки F = 162,36 кН.
Принимаем толщину шва у обушка Kf.b = 20 мм, а у пера Кf.p = 18 мм.
Рассчитаем прикрепление раскоса к фасонке, расчетное
усилие N = 1068,36 кН сечение из двух уголков 125х14. Принимаем толщину шва у обушка Kf.b = 14 мм, а у пера Кf.p = 12 мм; вычисляем длину шва:
КОМПАНОВКА СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ
Стальной каркас одноэтажного производственного здания представляет собой сложную пространственную систему, состоящую из отдельных элементов. Основной несущей конструкцией каркаса является плоская поперечная рама, состоящая из двух колонн, соединенных сквозным ригелем. При полном металлическом каркасе соединение ригеля с колонной, как правило, принимается жестким, крепление колонн к фундаменту – защемленным. Схема несущего каркаса представляет собой П – образную раму без шарниров, обладающую повышенной жесткостью, что особенно необходимо при наличии мостовых кранов.
1.1 Определение размеров элементов рамы.
1.1.1.Размеры рамы по высоте.
Высота рамы Н (рис.1) принимается от нижнего пояса фермы до низа базы колонны:
,
где, hВ – заглубление колонны ниже пола;
hn – высота нижней части колонны до отметки пола;
hv – высота верхней части колонны.
Размер hВ рекомендуется принимать в зависимости от грузоподъемности крана: hВ=0,6÷0,8м при Qo≤50т; hВ=0,8÷1м при Qo≤100т; hВ=1÷1,2м при Qo>100т.
Размер
где, hb – высота подкрановой балки,
– при шаге рам В=6м;
– при шаге рам В=12м.
Принято 
, следовательноhb=1,5м.
Высоту кранового рельса hrsпринимают по ГОСТ 4121-76* в зависимости от типа рельса, который принимается по грузоподъемности мостового крана по табл.1 приложения 1. hrs=13см для рельса КР-80.
.
Высота верхней части колонны:
где, hcr=315см по табл.1 приложения 1 расстояние от отметки рельса до верха габарита крана;
100мм – зазор между верхним габаритом крана и низом фермы;
200÷400мм – зазор на прогиб фермы и связей;
.
.
1.1.2. Размеры рамы по пролету цеха.
Высоту сечения верхней части колонны (hv) рекомендуется принимать 500 или 1000мм. Ось колонны обычно совмещают с серединой верхней части колонны.
Высота сечения нижней части колонны (hn) зависит от грузоподъемности мостовых кранов Q0 и высоты здания H. Для свободного прохода крана вдоль цеха расстояние λ от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть:
,
где, В=300мм, габаритный размер крана по таблице № 2 Приложения № 1.
- расстояние от оси колонны до внутренней грани верхней части колонны;
75мм – зазор между краном и колонной.
λ – рекомендуется принимать равной 750мм при Q0≤50тс;
λ=1000мм при Q0≥50тс.
, принято λ=750мм.
Таким образом, высота сечения нижней части колонны определяется из выражения 
и должна быть кратно 250мм:
Пролет мостового крана:
.
1.2. Сетка колонн.
Поперечные рамы вдоль цеха располагают с постоянным шагом В, кратным 12м. Шаг рам (6 или 12м) в однопролетных цехах при L0≥30м, H≥14м, Q0≥75т рекомендуется принимать 12м. Принято В=12м. Колонну торцов здания смещают на 500÷750мм внутрь цеха. Принято а=500мм.
По длине здание разбивается на температурные блоки в соответствие со СНИП II-23-81*.
Рис. 3 Компоновка ферм покрытия
1.3. Системы связи.
Связи промышленного здания обеспечивают геометрическуюнеизме-
няемость пространственной системы каркаса, уменьшают расчетные длины элементов конструкции, воспринимают ветровые и тормозные крановые нагрузки, обеспечивают необходимые условия для монтажа элементов сооружения.
Связи каркаса промышленного здания подразделяются на две системы: связи шатра и связи между колоннами.
1.3.1. Связи шатра.
Стропильные фермы обладают значительной жесткостью в вертикальной плоскости и очень малой в горизонтальной. Нормальная работа ферм и каркаса будет обеспечена, если они будут надлежащим образом закреплены связями.
Связи шатра располагаются по верхним поясам ферм, горизонтальные связи – по нижним поясам ферм, вертикальные – между стропильными фермами.
а) Связи по верхним поясам ферм (рис.4)включают в себя поперечные связевые фермы и распорки, располагают их в торцах здания у температурных швов и по длине здания не реже чем через 60м. Они предназначены для уменьшения расчетной длины сжатых верхних поясов ферм из плоскости ферм, а так же для частичного восприятия ветровой нагрузки от стоек торцевого фахверка. Распорки обеспечивают устойчивость верхних поясов промежуточных ферм.
Связи по верхним поясам ферм выполняются из одиночных уголков, сечения их подбирают по предельной гибкости λ=400 (табл. 20) [1].
В соответствии п. 13. 18 [1] при наличии жесткого диска кровли в уровне верхних поясов ферм следует предусматривать инвентарные съемные связи для периода монтажа.
Стационарными ставятся распорки вдоль здания в середине пролета и на опоре ферм.
Рис. 4 Связи по верхним и нижнему поясам ферм
б) Связи по нижнему поясу ферм (рис.5) состоят из системы продольных и поперечных горизонтальных связевых ферм и распорок. Поперечные связи по нижнему поясу крепятся к нижнему поясу двух соседних ферм в торцах здания, у температурных швов и промежуточные при длине температурных блоков более 144мм.
Продольные связи обеспечивают пространственную работу каркаса, совместно с поперечными связями образуют жесткий диск в уровне нижних поясов ферм, воспринимают ветровую нагрузку от стоек торцевого фахверка, перераспределяют местную крановую нагрузку на соседние рамы; уменьшают расчетную длину нижних поясов ферм из плоскости ферм.
в) Вертикальные связи между фермами следует предусматривать в местах расположения поперечных связей, они обеспечивают пространственную неизменяемость шатра; имеют схему ферм с параллельными поясами и треугольную или крестовую решетку; крепятся к стойкам стропильных ферм, имеющим крестовое сечение. Промежуточные стропильные фермы закрепляются струнами – распорками, которые ставятся в положении вертикальных связей.
1.3.2. Связи между колоннами.
Обеспечивают продольную устойчивость каркаса; воспринимают и передают на фундамент все продольные усилия (ветровую нагрузку с торца здания, продольные тормозные силы от мостовых кранов); уменьшают расчетную длину колон из плоскости рамы. Устойчивость соседних колон обеспечивается подкрановыми балками и распорками.
Рис. 5 Схема связей по колоннам
Для обеспечения неизменяемости каркаса и устойчивости его элементов в про-дольном направлении, а также для восприятия продольных горизонтальных ветро-вых и крановых воздействий на каркас в продольном направлении по всем рядам
колонн устраиваются вертикальные связи.
По длине здания связи располагаются через40…50 м у середины температур-ного блока(рис. 2) и не более50…90 м от его торцов[1, табл. 42].
Рис. 2. Схема расположения вертикальных связей колонн по длине температурного
блока отапливаемого и неотапливаемого(в скобках) здания
По высоте здания вертикальные связи колонн располагаются в трех ярусах:
- в пределах подкрановой части колонн(первый ярус);
- в пределах надкрановой части колонн(второй ярус);
- в пределах высоты фермы у колонны(третий ярус). Связи этого яруса од-новременно являются вертикальными связями ферм.
Связи первого яруса проектируются как правило с крестовой решеткой и рас-полагаются в плоскости двух поясов(или ветвей) колонны(см. пунктирные линии
на рис. 2).
Связи второго яруса проектируются с подкосной решеткой и располагаются
обычно в плоскости разбивочной оси.
Связи третьего яруса проектируются в виде ферм(рис. 3) и располагаются в
одной плоскости со связями второго яруса.
Сечения элементов связей назначаются по[3,4,5,8].
Рис. 3. Схема вертикальных связевых ферм покрытия здания при отсутствии (а) и наличии в нем (б) сквозных прогонов
Вертикальные связи между колоннами, поперечные связи по нижнему и верхнему поясам ферм рекомендуется располагать в одном шаге рам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП II-23-81* «Стальные конструкции», Москва 1990.
2. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия», Москва 2001.
3. А. П. Мандриков «Примеры расчета металлических конструкций», Москва Стройиздат, 1973.
4. Е. И. Беленя «Металлические конструкции», Москва Стройиздат, 1985.
5. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статические параметры климатических факторов для технических изделий.
6. ГОСТ 8240-72. Сталь горячекатаная. Швеллера.
7. ГОСТ 19903-74. Сталь прокатная толстолистовая.
8. ГОСТ 82-70. Сталь универсальная.
9. А.П. Фастовец. Методическое указание «Статический расчет рамы». Благовещенск 2006.