1.3. Разработка схем продольного и торцового фахверков

Для поддержания стенового ограждения и остекления устраивают продольный и торцовый фахверки, состоящие из стоек с шагом 6м и ригелей. Продольного фахверка при данном проектировании не будет, так как шаг колонн 6м. Стойки фахверка опираются на фундамент, вверху – на горизонтальные связевые фермы шатра с помощью листового шарнира. При высоте здания более 14м, а у нас 18,6м, стойки фахверка получаются гибкими, и для их разгрузки ригели фахверка выполняют в виде горизонтальных ветровых ферм шириной 2,2м, являющихся промежуточными опорами стоек фахверка. По высоте здания ветровые фермы размещают через 7-10м.

Рисунок 3 – Торцовая схема фахверка.

2. Статический расчет поперечной рамы

2.1 Определение нагрузок на раму

Нагрузки на ригель

На ферму действует постоянная нагрузка (вес кровли, утеплителя, собственный вес фермы) и временная (снеговая). Их определяют исходя из состава кровли и района строительства. Нагрузки, действующие на ригель рамы, сведем в таблицу 1.

Таблица 1 – Нагрузки на ригель рамы

Наименование нагрузок	Нормативная, кПа	Коэффициент надежности	Расчетная, кПа
1. Постоянная:
полистирол (3 слоя)	0,10	1,35	0,135
цементная стяжка (t=2см, y=20кН/м3)	0,40	1,35	0,54
утеплитель (пенобетон t=12см, y=5кН/м3)	0,6	1,35	0,81
плита типа ПНС (3*6м)	1,45	1,05	1,52
собственный вес фермы со связями	0,314	1,05	0,33
прогон	0,15	1,05	0,16
И т о г о	gn=3,01		g=3,5
2. Временная
снеговой покров для города	sп=1	1,4	s=1,4

Нормативную нагрузку от веса фермы, кПа, со связями определим по приближенной формуле:

где q_n – нормативная суммарная нагрузка, кПа, от собственного веса покрытия и снега, которая равна ;

;

- коэффициент, равный 0,13;

b, L -шаг ферм (6м) и их пролет (36м);

– коэффициент перехода от веса снега на земле к весу снега на покрытие,

принимаем равным 1.

Вычислим нагрузку от веса фермы со связями:

кПа

Для расчета рамы вычисляем погонные нагрузки на ригель, постоянную g и временную s, а так же опорные давления стропильных ферм от этих нагрузок:

кН/м

кН/м

кН

кН/м

Рисунок 4- Схема приложения постоянных нагрузок к раме

;

;

;

;

.

;

;

;

.

Постоянные нагрузки на колонну.

Вес стеновых панелей G₁, G₂ вместе с остеклением передаётся на колонну. Давление стропильной фермы F действует в плоскости внутренней грани колонны. Расчётные нагрузки, кН, от собственного веса подкрановой и тормозной балок G_б , верхней G_В и нижней G_Н частей колонны, определяем:

,

где,

коэффициент веса подкрановой и тормозной балок, равный 0,35;

пролёт балки, равный 6м;

вес 1 м кранового рельса, равный 1,181кН.

;

,

где,

, высота верхней (5,23м) и нижней (13,52м) частей колонны;

расчётное сопротивление стали, равное 380МПа;

, - нормальные силы в верхней и нижней частях колонны, находим по

формулам:

;

;

;

кН;

кН;

кН,

Тогда:

кН;

кН.

Для удобства расчета рамы все вертикальные нагрузки, приложенные к колонне, переносят в центр тяжести колонны с добавлением моментов:

кН∙м

Временные нагрузки на колонны.

К ним относятся нагрузки от снега, кранов и ветровая. Воздействие снеговой нагрузки на колонну передается через стропильную ферму. Давление стропильной фермы F_s =151,2 кН, вычислено ранее.

Силу F_s также перенесем в центр тяжести сечения с добавлением моментов:

кН∙м;

кН∙м.

Рисунок 5 – Схема приложения снеговой и крановой нагрузок к раме.

Крановая нагрузка.

Вертикальное давление кранов определяют при крайнем положении тележки с грузом. При этом одна из колонн испытывает максимальное давление D_max, другая минимальное D_min. Расчетные значения этих давлений определим от двух наиболее неблагоприятных по воздействию кранов с помощью линий влияния опорных реакций двух смежных балок.

Рисунок 6- Линии влияния опорных реакций подкрановых балок.

;

,

где,

ψ – коэффициент сочетаний, принимаем ψ=0,85;

y_i – ординаты линий влияния;

Расчетные давления колес крана определим при коэффициенте надежности по нагрузке γ_f =1,1;

,

где,

Q, G_кр – грузоподъемность (125т) и полный вес крана(155т);

n₀ – число колёс крана на одном рельсе (4).

.

кН

кН

Поскольку давления D_max и D_min относительно нижней части колонны действуют с эксцентриситетом e₃=b_н/2=1,5/2=0,75м, то они вызывают не только сжатие, но и изгиб колонны моментами:

кН∙м;

кН∙м.

Расчетную горизонтальную силу от поперечного торможения кранов подсчитывают при том же положении кранов, при котором определялись вертикальные крановые нагрузки:

Расчетную горизонтальную нагрузку на колесо крана определим по формуле:

,

где,

к – величина, равная 0,1 для кранов с жестким подвесом груза;

коэффициент надёжности по нагрузке, равный 1,1;

Q, G_т – грузоподъемность (125т) и полный вес тележки (40т);

n₀ – число колёс крана на одном рельсе (4).

,

Тогда:

кН

Сила поперечного торможения передается на уровне головки рельса и может быть приложена к любой колонне и действовать в любом направлении (влево, вправо).

Ветровая нагрузка.

Ветровая нагрузка должна определятся как сумма средней статической и пульсационной составляющих. Статическую нагрузку учитывают всегда, пульсационную – для относительно высоких сооружений. Так, как у нас H=18,6м<36м и H/l=18,6/36=0,52<1,5, то пульсационной нагрузки не будет.

Нормативное внешнее давление статической составляющей ветровой нагрузки, кПа, на высоте z определяют по формуле:

где,

W₀ – нормативное давление ветра, принимаемое в зависимости от района

строительства (по заданию здание планируется возводить в городе Тула,

который относится к 1-му району по ветровой нагрузке с W₀ =0,23 кПа);

k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте,

принимаемый в зависимости от типа местности (принимаем тип местно

сти B);

c_e – аэродинамический коэффициент внешнего давления, принимаемый в за

висимости от формы сооружения, его размеров и направления ветра.

Определим аэродинамические коэффициенты, при расчётах будем учитывать, что высота сооружения H=18,6м, длина здания b=192м, пролет L=36м.

Рисунок 7 – Ветровая нагрузка на поперечную раму

На рисунке 7:

c_e=0,8 – коэффициент активного давления;

c_e1 – зависит от отношения H/L (18,6/36=0,52), определяется по таблице СНиПа 2.01.07-85 [8] интерполяцией:

c_e2 – зависит от отношений H/L (0,52), и определяется по таблице СНиПа [8]:

c_e3 – зависит от отношений H/L (0,52), и B/L (192/36=5,3), и определяется по таблице СНиПа:

Для первой зоны определяем средневзвешенную величину напора:

кПа

Для второй зоны определяем величину среднего давления:

кПа

Ветровая нагрузка на раму передается в виде равномерно распределенной (активной q_ω при c_e =0,8 и пассивной q’_ω при c_e=c_e3) и в виде сосредоточенных сил (W и W’), приложенных по оси нижнего пояса ригеля. Величины этих нагрузок зависят от конструкции продольного фахверка. Рассчитываем нагрузки с учетом скатной составляющей, без фахверков.

кН/м;

кН/м;

;

;

кН

кН

Кроме горизонтальной рама испытывает и вертикальную ветровую нагрузку q_ск, действующую на скаты кровли. При малых уклонах эта нагрузка действует в виде отсоса (вверх) и достаточно точно может быть определена по среднему значению аэродинамического коэффициента:

кН/м

Расчетная схема и статический расчет рамы

Расчет рамы по действительной схеме очень трудоемок, поэтому ее заменяют моделью – расчетной схемой, в которой физические процессы происходят так же как и в действительной схеме. Расчетную схему получают из действительной, отбрасывая несущественные детали и учитывая главные факторы, к которым относятся: размеры контура рамы, жесткости ее элементов (I₁, I₂, I₃), характер закрепления стержней рамы.

Момент инерции ригеля, эквивалентный моменту инерции сплошной балки, определяют по формуле:

,

где,

h – высота сечения фермы, равная 3,15м;

g, s – постоянная (21кН/м) и снеговая (8,4кН/м) нагрузки на ригель.

м⁴

Момент инерции нижней части колонны:

,

где,

N – максимальная нормальная сила в колонне от постоянной и снеговой

нагрузок:

кН;

К₂ =2,8 при шаге рам 6м.

м⁴

Для верхней части колоны:

,

где,

высота сечения верхней (0,7м) и нижней (1,5м) частей колонны;

К₁ – коэффициент, изменяющийся в пределах 1,2-1,8 и принятый 1,5.

м⁴

;

Для статического расчёта достаточно 5-7 рам блока.

Рисунок 8 – Схема поперечной рамы и расчётного блока каркаса

Величина опорных стальных рам пространственного блока, направленного в обратную сторону от местной крановой нагрузки:

,

где,

Pэк – эквивалентная сила, приложенная по оси нижнего пояса и вызы

вающая такое же перемещение верхнего узла, как и местные кра

новые силы, равна 1077,3 кН/м;

коэффициент пространственной жесткости.

Определим коэффициент пространственной жесткости α:

,

где,

n – число рам, равное 7;

ai – расстояние между рамами;

к =0,9 для зданий однопролётных без фонаря;

коэффициент, учитывающий влияние Рэк на другие рамы блока, кроме

второй;

,

где,

F_mах – сумма расчетных давлений колес, расположенных на оном рельсе

(569кН).

Тогда:

кН/м.