4.1. Компоновка рамы
Здание однопролетное, отапливаемое с мостовыми кранами 300/50 КН среднего режима работы.
Уровень головки рельса - УГР = 13,5 м.
Определяем размеры рамы по вертикали: h1, h2, H, hb, hн, h, hоп, hш (см. рис. 16).
h1 = УГР = 13,5 м – наименьшая отметка головки кранового рельса, которая задается из условия необходимой высоты подъема крюка над уровнем пола.
– расстояние от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия
, где
– вертикальный габарит крана (по ГОСТ – табл. 2.5 [4]);
– зазор, установленный по требованиям техники безопасности;
– размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия
.
Окончательно 
(кратно 
).
Внутренний габарит цеха
Принимаем 
(кратно 
).
Высота верхней части стойки
,где
– из расчета подкрановой балки;
– высота кранового рельса КР-70 (по ГОСТ – табл. 2.5 [4]).
Высота нижней части стойки
Высота стойки рамы
Высота фермы на опоре
- для типовых ферм с i = 1,5%
Высота покрытие от низа ригеля до конька кровли
.
Определяем размер элементов рамы по горизонтали 
, 
, 
.
Привязка наружной грани колонны к разбивочной оси 
, т.к. 
.
Ширина верхней части колонны
Необходимо, чтобы 
; имеем 
.
Ширина нижней части колонны
,где
, т.к. 
и нет необходимости устройства проходов в надкрановой части колонны.
Условие необходимой жесткости колонны
; 
Габарит безопасности движения крана
.
- условие свободного прохода крана обеспечивается.
Конструктивная схема рамы показана на рис. 16.
4.2. Нагрузки, действующие на раму
4.2.1. Постоянные нагрузки
Покрытие принято по стальным прогонам и профилированному настилу.
Рисунок 16. Конструктивная схема рамы
Таблица 5. Постоянная распределенная поверхностная нагрузка от покрытия
| № п/п | Вид нагрузки | Нормативная нагрузка  , 
| Коэффициент надежности по нагрузке, 
| Расчетная нагрузка
 ,
| |
| 1. | Защитный слой 15 мм из гравия, втопленного в мастику | 0,3 | 1,3 | 0,39 | |
| 2. | Водоизоляционный ковер из трех слоев рубероида | 0,1 | 1,3 | 0,13 | |
| 3. | Утеплитель 100 мм из плитного пенопласта (  )
| 0,05 | 1,2 | 0,06 | |
| 4. | Пароизоляция из одного слоя рубероида | 0,05 | 1,2 | 0,06 | |
| 5. | Профилированный настил t = 1 мм | 0,155 | 1,05 | 0,16 | |
| 6. | Стальной каркас комплексной панели | 0,13 | 1,05 | 0,14 | |
| 7. | Собственная масса металлической конструкции фермы и связей | 0,20 | 1,05 | 0,21 | |
| Итого общая нагрузка | 0,985 | 1,15 | |||
Постоянная линейная нагрузка на ригель
, где
– угол ската кровли. Для покрытий промзданий принимается сosα = 1 из-за малости угла ската.
Расчетное давление на колонну от покрытия:
Расчетный сосредоточенный момент в уровне уступа:
, где 
– расстояние между осями надкрановой и подкрановой части колонны (рис. 17), 
м.
Рисунок 17. Колонна и подкрановая балка.
Нагрузки от стенового ограждения при расчете рамы не учитывается, т.к. стены приняты из ребристых панелей толщиной 300 мм. Нагрузка от них передается на фундаментные балки.
4.2.2. Снеговая нагрузка
Для Магнитогорска:
, т.к. 
т.е. 
Расчетная поверхностная снеговая нагрузка на покрытие
, т.к. 
- см. СНиП «Нагрузки и воздействия».
Расчетная линейная снеговая нагрузка на ригель
.
Расчетное давление на колонну от снеговой нагрузки
.
Расчетный сосредоточенный момент в уровне уступа
.
4.2.3. Вертикальная нагрузки от мостовых кранов
Вертикальное давление на среднюю колонну продольного ряда определяется от действия двух сближенных кранов 
с помощью линий влияния опорного давления (см. рис. 18).
Ординаты линий влияния
, 
Пролет крана 
.
Рисунок 18. Размещение катков двух сближенных кранов на одном подкрановом пути
По ГОСТ на краны 
. Масса крана с тележкой 
, сила тяжести 
. Для расчета можно принять среднее максимальное давление колеса Fmax = 315 КН.
Нагрузка от подкрановых конструкций определяется приближенно по данным табл. 2.2 [4]. 
площади пола.
Расчетное максимальное давление на колонну
, где
– коэффициент сочетаний для двух кранов легкого и среднего режимов работы,
– наибольшее давление колеса крана,
– сумма ординат линии влияния опорного давления на колонну (см. рис. 18),
– давление подкрановых конструкций.
Расчетное минимальное давление на колонну
Минимальное давление колеса крана на подкрановый путь
Расчетное минимальное давление на колонну:
.
Крановые моменты
, где
– эксцентриситет, принимаемый предварительно 
– для крайних ступенчатых колонн (см. рис. 17).
.
4.2.5. Горизонтальное давление от торможения крановой тележки
Горизонтальное давление от торможения крановой тележки действует поперек цеха и определяется по формуле
, где
.
Масса тележки 
, сила тяжести 
.
Число колес с одной стороны моста крана 
, для крана 
.
Сила поперечного торможения, передаваемая на колонну
.
Сила 
приложена к раме в уровне верхнего пояса подкрановой балки, может действовать на одну или другую колонну, причем как вправо, так и влево. В курсовом проекте для упрощения расчета допускаем, что давление передается в уровне уступа, т.е. в месте изменения сечения колонны.
4.2.6. Ветровая нагрузка
Для Магнитогорска 
см. таб. 5 СНиП 2.01.07-85*. Тип местности 
.
Расчетные погонные нагрузки на стойку рамы от активного давления и отсоса равны:
, 
, 
, 
.
Коэффициент 
зависит от высоты и типа местности (см. п. 6.5 СНиП 2.01.07-85*).
на отметке 
; 
на отметке 
; 
на отметке 
. Промежуточные значения определяем линейной интерполяцией. В уровне низа ригеля на отметке 
; верха покрытия на отметке 
.
Рисунок 19. Схема ветровой нагрузки на раму; а – по нормам проектирования; б – приведенная к эквивалентной; в – расчетная схема
Расчетные погонные нагрузки от ветра на стойку рамы:
на высоте до 
;
.
в уровне ригеля на высоте 
;
.
в уровне верха покрытия на высоте 
;
.
в уровне верха покрытия на высоте 
;
.
Момент в заделке стойки от ветрового напора
977 КН.м
Эквивалентная равномерно распределенная ветровая нагрузка
;
.
Ветровая нагрузка, действующая на шатер: 
.
Таблица 6. Расчетные нагрузки на раму
| Элемент рамы | Вид нагрузки | Обозначение нагрузки | Величина нагрузки |
| Ригель | Постоянная линейная от покрытия | 
| 14,16 кН/м |
| Снеговая | 
| 16,8 кН/м | |
| Стойка | Опорное давление ригеля: | ||
| от постоянной нагрузки | 
| 212,4 кН | |
| от снеговой нагрузки | 
| 252 кН | |
| Вертикальное давление колес мостовых кранов: | |||
| максимальное | 
| 1519,31 кН | |
| минимальное | 
| 497,8 кН | |
| Сила поперечного торможения |
| 48,75 кН | |
| момент от
| 
| 759,66 кН×м | |
| момент от
| 
| 248,9 кН×м | |
| Ветровая нагрузка: | |||
| активное давление | 
| 5,58 кН/м | |
| отсос | 
| 4,2 кН/м | |
| сосредоточенная сила | 
| 44,1 кН |
4.3. Расчетная схема
Определяем соотношения моментов инерции 
, 
, при 
, 
, 
.
= 
5
Принимаем: 
, 
, 
.
; 
.
Вычисляем погонные жесткости
; 
; 
.
При расчете на нагрузки, приложенные к стойкам допускается принимать 
, если выполняется условие
.
Расчетная схема показана на рис. 20.
Рисунок 20. Расчетная схема рамы
4.4. Статический расчет
Учитывая симметрию рамы и нагрузки, пренебрегаем горизонтальным смещением верхних узлов рамы.
Определяем изгибающие моменты в колоннах от действия моментов 
и 
, как в отдельных не смещаемых стойках.
Схема загружения рамы от воздействия равномерно распределенных нагрузок на ригель показана на рис. 21.
4.4.1. Постоянная линейная нагрузка от покрытия
,
.
.
(
определяем интерполяцией по табл. 4.1 [4]).
Рисунок 21. Схема загружения рамы от воздействия равномерно-распределенных нагрузок на ригель
, т.е. 
Рисунок 22. Эпюры 
и 
от постоянной нагрузки
4.4.2. Снеговая нагрузка
Эпюры и от снеговой нагрузки получаем умножением ординат эпюр от постоянной нагрузки на соотношение 
.
Рисунок 23. Эпюры и от снеговой нагрузки
4.4.3. Расчет на нагрузки, приложенные к стойкам
Условно закрепленная рама (т.е. основная система) показана на рис. 24:
Рисунок 24. Основная система
В расчете принято . Неизвестное смещение рамы определяем из уравнения
, где 
– смещающая горизонтальная сила.
Определяем моменты 
от единичного смещения верхних узлов рамы 
(см. рис. 25).
Рисунок 25. К расчету на нагрузки, приложенные к стойкам
, где 
. 
;
Эпюра 
используется в расчете на крановые и ветровые нагрузки.
4.4.4. Вертикальное давление кранов , и крановые моменты ,
Определяем моменты в стойках условно закрепленной рамы, когда и приложены к левой стойке, и к правой.
; 
.
Для левой стойки:
;
Для правой стойки:
;
Реакция 
в дополнительной связи условно разделенной рамы:
Горизонтальная смещающая сила
, где
– коэффициент опорного действия, учитывающий пространственность системы.
Для кровли со стальным профилированным настилом при наличии мостовых кранов грузоподъемностью 
, 
.
Определяем смещение рамы в системе каркаса
Определяем значения моментов в стойках рамы 
и строим эпюры и (см. рис. 26).
Для левой стойки:
;
;
;
;
; 
.
Для правой стойки:
;
;
;
;
.
Рисунок 26. Схема загружения и эпюры и от кранового давления ,
4.4.5. Горизонтальное давление кранов «Т» на раму
Для упрощения расчета силу принимаем действующей в уровне уступа левой колонны.
Определяем реакцию связи 
и моменты в левой стойке для условно закреплен-ной рамы.
.
при 
; 
.
; 
;
;
.
В правой стойке 
.
С учетом пространственной работы каркаса смещающая горизонтальная сила в уровне ригеля
Смещение рамы в системе каркаса
Определяем значения моментов в стойках рамы и строим эпюру (см. рис. 27).
Для левой стойки:
;
;
.
Проверка 
.
Для правой стойки: 
;
;
.
Рисунок 27. Схема загружения и эпюры и от поперечного торможения
При изменении направления силы знаки усилий меняются на обратные, поэтому в таблице усилий они вносятся со знаком ±. Продольными силами в стойках от воздействия силы пренебрегаем.
4.4.6. Ветровая нагрузка
Ветер слева.
Определяем значения моментов 
и реакций в дополнительной связи условно закрепленной рамы.
; 
;
Реакция дополнительной связи
.
Считаем, что все рамы загружены одинаково и имеют равные смещения D. Из уравнения 
определяем перемещение рамы.
.
Моменты :
Для левой стойки:
;
.
Для правой стойки:
;
.
Определяем значения моментов и поперечных сил от ветровой нагрузки. Строим эпюры и (см. рис. 28).
Для левой стойки:
;
.
Для правой стойки:
;
.
Продольными силами от воздействия ветра пренебрегаем.
Поперечная сила в сечении 1-1 может быть определена как сумма опорных реакций
, где
– реакция в заделке левой стойки условно закрепленной рамы от активного давления ветра;
– реакция от смещения рамы на D=1, равная 
.
; 
;
;
;
;
.
Правильность определения поперечных сил в заделках стоек можно проверить тождеством:
Оценим погрешность вычислений 
.
Поперечные силы в сечении 3-3
;
.
Далее составляем сводную таблицу усилий в левой стойке и таблицу расчетных усилий.
Рисунок 28. Схема загружения и эпюры и от ветровой нагрузки
Таблица 7. Усилия в левой стойке рамы
| № | 
| Нагрузка | nc | Сечение 1-1 | Сечение 2-2 | Сечение 3-3 | ||||
| M | N | Q | M | N | M | N | ||||
| постоянная | 1,0 | -5,4 | +212,4 | +3,1 | +39,0 | +212,4 | -14,1 | +212,4 | |
| снеговая | 1,0 0,9 | -6,4 -5,8 | +252,0 +227,0 | +3,7 +3,3 | +46,41 +41,77 | +252,0 +227,0 | -16,78 -15,1 | +252,0 +227,0 | ||
| крановое вертикал. давление (тележка слева) | 1,0 0,9 | -50,7 -45,63 | +1519,3 +1367,4 | -57,85 -34,07 | -588,6 -529,7 | +1519,3 +1367,4 | +171,1 +153,9 | - - | |
| 3* |
| крановое вертикал. давление (тележка справа) | 1,0 0,9 | +151,5 +136,4 | +497,8 +448,02 | -21,32 -19,19 | -152,5 -137,3 | +497,8 +448,02 | +96,38 +86,74 | - - |
| поперечное торможен. (сила при-ложена к лев стойке) | 1,0 0,9 | ±383,5 ±345,2 | - - | ±32,22 ±29,0 | ±74,87 ±67,38 | - - | ±74,87 ±67,38 | - - | |
| 4* | 
| поперечное торможен. (сила при-ложена к пр. стойке) | 1,0 0,9 | ±90,21 ±81,19 | - - | ±4,81 ±4,33 | ±21,64 ±19,48 | - - | ±21,64 ±19,48 | - - |
| ветровая нагрузка слева | 1,0 0,9 | -1315 -1184 | - - | +122,5 +110,3 | -136,5 -122,8 | - - | -136,5 -122,8 | - - | |
| 5* | 
| ветровая нагрузка справа | 1,0 0,9 | +1233 +1109 | - - | -105,2 -94,7 | +159,2 +143,3 | - - | +159,2 +143,3 | - - |
Таблица 8. Расчетные усилия для левой стойки
| Сочетания | Усилия | Нижняя часть стойки | Верхняя часть | |||||
| Сечение 1-1 | Сечение 2-2 | Сечение 3-3 | ||||||
| M | N | Q | M | N | M | N | ||
| Основные сочетания nc= 1,0 | 
| +1228,1 | +212,4 | -102,1 | +198,23 | +212,4 | +231,83 | +212,4 |
| 1,5* | 1,5* | 1,3,4 | |||||
| -1320,9 | +212,4 | +125,6 | -624,47 | +1731,7 | -150,57 | +212,4 | |
|
| 1,5 | 1,3,4 | 1,5 | |||||
| +327,46 | +1731,7 | -2,53 | - | - | - | - | |
|
| 1,3,4 | - | - | |||||
| -439,66 | +1731,7 | -66,97 | -474,73 | +1731,7 | -30,88 | +464,4 | |
|
| 1,3,4- | 1,3,4 | 1,2 | |||||
| Основные сочетания nc = 0,9 |
| +1321,4 | +660,42 | -106,46 | +224,08 | +439,4 | +350,54 | +212,4 |
|
| 1,3*,4*,5* | 1,2,5* | 1,3,4,5* | |||||
|
| -895,63 | +1806,8 | +111,58 | -680,94 | +1579,8 | -152,02 | +439,4 | |
|
| 1,2,3,4,5 | 1,3,4-,5 | 1,2,5 | |||||
|
| -1586,03 | +1806,8 | +53,58 | - | - | +335,44 | +439,4 | |
|
| 1,2,3,4-,5* | - | 1,2,3,4,5* | |||||
|
| -1586,03 | +1806,8 | -151,37 | -504,41 | +1806,8 | -152,02 | +439,4 | |
|
| 1,2,3,4-,5 | 1,2,3,4,5 | 1,2,5 | |||||
| -1189,4 | +212,4 | +113,35 | - | - | - | - | |
|
| 1,5 | - | - | |||||