СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................4

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса...........................................5

2. Расчет поперечной рамы каркаса................................................................8

Статический расчёт поперечной рамы.....................................................16

3. Расчет и конструирование подкрановой балки......................................23

4. Расчет и конструирование колонны.........................................................29

5. Расчет и конструирование стропильной фермы...................................53

6. Список литературы......................................................................................72

ВВЕДЕНИЕ

Металлические конструкции благодаря своим качествам получили широкое распространение во всех отраслях хозяйства. Проектирование экономически эффективных металлических конструкций основывается на комплексном учете требований эксплуатации, надежности и долговечности, изготовления и монтажа, на знании особенностей работы этих конструкций под нагрузкой, правильность выбора конструктивных форм, использование типовых и унифицированных решений и соответствующем расчете.

Целью данного курсового проекта является разработка схемы компоновки каркаса одноэтажного производственного здания, компоновка и расчет поперечной рамы каркаса, конструирование и расчет строительной фермы, колонны.

Курсовая работа состоит из пояснительной записки и листов чертежей формата А1.

Пояснительная записка имеет следующие разделы:

Технический проект:

• Компоновка плана и поперечного разреза.

• Рабочий проект комплекта КМ содержит расчет подкрановой балки для крана грузоподъемностью 50/12,5т и режима работы К6; расчет стропильной фермы; статический расчет рамы и расчет крайней несущей внецентренно сжатой металлической колонны.

Графическая часть состоит из двух листов: стадия КМ и стадия КМД.

Чертеж КМ, на котором представлена конструкция здания:

• План связей по нижнему поясу стропильных ферм.

• План связей по верхнему поясу стропильных ферм.

• Продольный разрез здания

• Поперечный разрез здания.

• Узлы сопряжения фермы с колонной, подкрановой балки с колонной, таблицы и ведомости элементов.

Чертеж КМД:

• Геометрическая схема стропильной фермы

• Отправочная марка несущей конструкции (стропильной фермы)

• Спецификация стали.

1. Компоновка конструктивной схемы каркаса

Исходные данные:

Цех готовой продукции;

мостовые краны – два крана грузоподъемностью по Q_кр = 50/12,5 кН;

режим работы кранов – 6К;

пролет цеха - ℓ = 24 м;

длина цеха - L = 96 м;

шаг поперечных рам – B = 12 м;

отметка головки подкранового рельса H₁ = 12 м;

снеговая нагрузка - S₀ = 1,5 кПа

ветровая нагрузка – W₀ = 0,39 кПа.

марка бетона фундамента - B5

материал конструкций – по выбору

Принимаем:

а) покрытие – без подстропильных ферм, прогонное;

б) стропильные фермы – параллельными поясами, высотой на опоре между внешними гранями поясов H_ф = 2250 мм (при пролете ℓ = 30 или 36 м принимают H_ф = 3150 мм);

в) сопряжение ферм с колоннами и колонн с фундаментами - жесткие;

г) фонарь – аэрационный шириной В_фн = 12 м, высотой H_фн = 4000 мм с двуленточным остеклением (для пролета ℓ = 18 м ширина фонаря принимается 6 м, а для больших пролетов – 12 м; для фонаря шириной 6 м можно принять H_фн = 2400 мм.

Компоновка поперечной рамы.

Вертикальные размеры.

Рис. 1 Схема поперечной рамы

Определяем расстояние от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия:

мм.;

где = 200 мм – размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия (пролет 24м).

Принимаем Н₂ = 3600 мм (кратно 200 мм).

Определяем высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм:

мм.

мм – отметка головки подкранового рельса.

Определяем размер верхней части колонны:

мм;

мм(кратно 200)

где, - высота подкрановой балки с рельсом, которая предварительно принимается равной 1/8…1/10 пролета балки (шага рам)

Определяем размер нижней части колонны:

где Н_загл = 1000 мм – заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола.

Общая высота колонны от низа базы до низа ригеля:

мм.

Определяем высоту шатра.

ПринимаемН_ф = 2250 мм при пролете 24 м.

_,

где t_n – толщина слоя покрытия, для не отапливаемых зданий принимается 380 мм.

Горизонтальные размеры

С учетом режима работы (средних) кранов и грузоподъемности крана принимаем:

мм,где а – привязканаружной грани колонны к ее оси.

Принимаем высоту сечения верхней части колонн:

h_в = 2а =500 мм.

Определяем расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны:

мм.

Принимаем l₁^min =750 мм (кратно 250 мм).

Определяем высоту сечения нижней части колонны:

мм.

2. Расчет поперечной рамы каркаса

Расчетная схема поперечной рамы – это многократно статически неопределимая сквозная система с жесткими узлами. Принимаем расчетную схему рамы с жестким сопряжением ригеля с колонной. Оси стоек в расчетной схеме совпадают с центрами тяжести верхнего и нижнего сечений колонны. В ступенчатых колоннах крайних рядов центры тяжести верхней нижней частей расположены не на одной оси, поэтому стойка рамы имеет горизонтальный уступ, равный расстоянию между геометрическими осями колонн. Заделка стоек принимается на уровне базы, ось ригеля совмещается с нижним поясом стропильной фермы

.

Рис.2 Расчетная схема поперечной рамы здания.

Основные размеры: L=24м, Н=16,6м Н_в=5,2м

Определяем расстояние между центрами тяжести верхнего и нижнего участков колонн:

мм = 0,25 м.

Расстояние между осью подкрановой балки и центром тяжести нижней части колонны составляет:

мм=0,5м

Таблица 2.1 Постоянная нагрузка

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка, кН/м2
1	2	3	4
Ограждающие элементы кровли
Гравийная защита (15-20 мм)	0,35	1,3	0.34
Гидроизоляционный ковер из 4 слоев рубероида	0,2	1,3	0,26
Пароизоляция из 1 слоя рубероида	0,05	1,3	0,065
Стальной профилированный настил	0,15	1,05	0,16
Металлические конструкции покрытия
Прогоны сплошные, пролетом 12 x3м	0,15	1,05	0,16
Стропильные фермы	0,3	1,05	0,315
Подстропильные фермы	0,05	1,05	0,055
Каркас фонаря	0,1	1,05	0,105
Связи покрытия	0,05	1,05	0,053
Итого:

Расчетная равномерно распределенная нагрузка на ригель рамы:

= кН/м,

где g=1.51кН/м. - расчетная нагрузка;

В=12м – шаг колонн.

Определяем опорную реакцию ригеля:

кН.

Расчетный сосредоточенный момент в месте уступа от смещения осей верхней и нижней частей колонны:

= = = 54.36кН·м

Снеговая нагрузка

Место строительства - IV снеговой район и имеет нормативное значение веса снегового покрова на 1 м² горизонтальной поверхности: S_o = 1.5кПа.

Определим линейную распределенную нагрузку от снега на ригель рамы:

, где

 - коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие (3, пп. 5,3-5,6). Так как уклон покрытия меньше 25^о принимаем равный 1; ( 25^о )

В – шаг рам;

- коэффициент надежности по снеговой нагрузке.

кН/м.

Опорная реакция ригеля определяется по формуле:

кН.

Расчетный сосредоточенный момент в месте уступа:

= = = 75.6кН·м

Таким образом расчетная схема:

Рис. 3 Расчетная схемапри снеговой нагрузке.

Крановая нагрузка

Расчетное максимальное вертикальное давление от 2-х сближенных кранов на колонну, к которой приближена тележка с грузом:

,где

= 380 кН - нормативное вертикальное усилие от колеса крана на путь, к которому приближена тележка (табл. 1 приложения)

=1,1 –коэффициент надежности по крановой нагрузке,

=1,05 –коэффициент надежности по нагрузке от собственного веса,

– коэффициент сочетания крановых нагрузок. При учете 2-х кранов групп режимов работы 1К-6К = 0,85.

y_i – ордината линии влияния;

=48 кH –нормативный вес подкрановых конструкций

– нормативное значение собственного веса подкрановых конструкций, принимается равной4 кН/м;

Рис. 4 Тележка мостового крана, линия влияния

Сумма ординат линий влияния:

.

Подставив все величины, получим:

кH

Отсюда находим минимальное давление колеса крана с противоположной стороны :

кН.,

где Q_кр–грузоподъемность крана, кН;

G_кр –вес крана с тележкой, кН;

n_о –число колес с одной стороны крана.

Расчетное минимальное вертикальное усилие кранов при той же установке на противоположную колонну рамы:

кН

Силы D_max и D_min приложены по оси подкрановой балки и поэтому не только сжимают нижнюю часть колонны, но и передают на нее изгибающие моменты:

,

где

е_к=500мм(0,5м)– расстояние от оси подкрановой балки до оси, проходящей через центр тяжести нижней части колонны.

кН·м;

кН·м.

Горизонтальное усилие на колонну от поперечного торможения кранов

Нормативную горизонтальную силу от поперечного торможения тележки, передаваемое одним колесом крана:

кН;

где – вес тележки, для крана грузоподъемностью 50т принимаем 132 кН;

f – коэффициент трения при торможении.

- число тормозных колес тележки крана

- число всех колес тележки крана

Расчетное горизонтальное давление на колонну от поперечного торможения тележки крана:

кН.

Условно принимаем, что давление Т приложено в уровне уступа колонна.

Ветровая нагрузка

Для упрощения расчета рамы фактическую эпюру ветрового давления до уровня низа ригеля заменяем эквивалентной равномерно распределенной w_0.экв:

w_0.экв = 2·М/Н² , где

М – изгибающий момент от фактического давления ветра на колонну

Вертикальные размеры колонны приняты в метрах.

Здесь w₀=0,38 кПа – нормативное значение ветрового давления в районе строительства;

к_н.р, к₁₀ – коэффициенты ветрового давления на уровне ригеля и на отметке 10.000

Коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления зависит от высоты над поверхностью земли и типа местности. В примере местность типа А, т.е к₁₀= 1.

w_0.экв = 2·55.02/16.6² =0.39 кН/м²

Таблица 2.2 Коэффициент ветрового давления

Тип местности	Высота над поверхностью земли, м
	≤ 5	10	20	40	60
А – открытое	0,75	1,0	1,25	1,5	1,7
В – с препятсвиями высотой более 10 м	0,5	0,65	0,85	1,1	1,3
С – городские районы со зданиями высотой более 25 м	0,4	0,4	0,55	0,8	1,0

Расчетная нагрузка на 1 м длины колонны:

- от активного давления ветра

-от отсоса ветра

Здесь = 1.4 – коэффицент надежности по ветровой нагрузке;

С и - аэродинамические коэффициенты (для вертикальных наветренных поверхностей обычных зданий С =0,8, а для заветренной стороны = 0,6);

В – шаг рам (или ширина расчетного блока)

Расчетная сосредоточенная сила ветра в уровне ригеля:

- от активного давления ветра

- от отсоса ветра

Здесь – коэффициенты ветрового давления на отметке 20.000 и на уровне верха аэрационного фонаря;

Рис. 5 Схема ветровой нагрузки на раму

Статический расчет поперечной рамы

Расчет на постоянную нагрузку

Сосредоточенный момент из-за смещения осевой верхней и нижней части колонны:

= = = -54.36кН·м

Параметры по табл. 12.4 (1)

Каноническое уравнение для левого узла:

_{Моменты от поворота узлов на угол}

_{Моменты от нагрузки на стойках}

_{Моменты на опорах ригеля (защемленная балка постоянного по длине сечения):}

Коэффициент канонического уравнения:

(по );

(по ).

Угол поворота:

Моменты от фактического угла поворота

Эпюра моментов от постоянной нагрузки

_{Проверкой правильности служит равенство моментов в узле «В»} равенство перепада эпюры моментов в точке «С» (79,459- 25,099 = 54,36=M_g=54,36), а также равенство поперечных сил на верхних и нижних частях колонны (Q_AC = 10,884 ≈ Q_BC = 10,232).

Рис 6.

Расчет на снеговую нагрузку

Проводится аналогично расчету на постоянные нагрузки. Сосредоточенный момент на колонне:

= = = 75.6кН·м

Моменты от нагрузки:

Далее определяем:

(по );

(по ).

Угол поворота:

_Моменты от фактического угла поворота

_{Эпюра моментов от снеговой нагрузки:}

Рис. 7

Расчет на вертикальную нагрузку от мостовых кранов

Проводится при расположении крана у левой стойки. Проверку возможности считать ригель абсолютно жестким проводим по формуле:

Каноническое уравнение для определения смещения плоской рамы имеет вид

r₁₁∆+r_1р=0

Моменты и реакции от смещения верхних узлов на ∆=1находим по табл. 12.4 (1)

r₁₁= 2F_RB= 2k^/_B∙t/H = 2∙6,283∙t/16,6= 0,757t

Моменты и реакции на левой стойке от нагрузки

M_A= k_A∙M= 0,353∙532,7= 188,043 кН∙м;

M_В= k_В∙M= - 0,145∙532,7= -77,242 кН∙м;

M_C^H= k_C∙M= -0,695∙532,7= -370,226 кН∙м;

M_C^B=( k_C+1) ∙M= 0,305∙532,7= 162,473 кН∙м;

F_RB=k’_BM/ H=-1,5∙532,7 / 16,6= -48,135кН;

Усилия на правой стойке можно получить аналогично или умножая усилия левой стойки на отношение

M_min / M_max = 162,24 / 532,7= 0,304

Реакция верхних концов стоек:

кН.

Смещение плоской рамы:

∆= - r_1p / r₁₁= -31,744 / 0,757t = 41,934/t;

С учетом крепления связей на сварке (краны среднего режима работы) для кровли из стальных листов можно принять:

, , ;

По таблице 12,2 учебника находим, что  = 0,67; ’ =–0,25.

Следовательно, по формуле:

.

Моменты от фактического перемещения узлов (М1пр) равны:

M_A=k_A∙t= -4,341t; M_B=k_B∙t= 1,942t; M_C=k_C∙t= -0,092t;

M_A= -4,341t∙25,11/t= -109;

M_B= 1,942t∙25,11/t= 48,76;

M_C= -0,092t∙25,11/t= 2,31;

Слева Справа

M_A= 188,043 - 109=79,043 M_A= 57,27+109= 166,27

M_B= -77,242+ 48,76= 28,482 M_B= -23,52 - 48,76=-72,28

M_C^B=162,473 +2,31=164,783; M_C^B=49,48 - 2,31=47,17

M_C^H=-370,226+2,31= 367,916M_C^H= -112,75- 2,31=-115,06;

Разница в значении нормальной силы у левого и правого концов ригеля получилась из-за передачи горизонтальных сил на соседние рамы вследствие учета пространственной работы каркаса.

Проверкой может служить значение перепада моментов в месте изменения жесткости стойки:

- на левой стойке;

- на правой стойке.

Рис. 8

Расчет на горизонтальное воздействиемостовых кранов.

Очевидно, что единичная эпюра моментов М1, каноническое уравнение и коэффициент _пр здесь такие же, как при расчете вертикальные крановые нагрузки.

Моменты и реакции в основной системе от силы Т:

Смещение верха колонн с учетом пространственной работы каркаса

.

Моменты от фактического перемещения узлов (М1_пр) равны:

Эпюра моментов (М1_пр + МР) от постоянной нагрузки для левой стойки:

Проверка – равенство перепада в эпюре поперечных сил на левой стойке и величины приложенной нагрузкиТ:

Рис. 9

Расчет на ветровую нагрузку

Основная система и эпюра М₁ такие же, как для крановых воздействий. Эпюра М_р на левой стойке:

M_A= k_Aq_в∙H²= (-0,104) 5,24∙16,6²= - 150,169

M_B= k_Bq_в∙H²= (-0,056) 5,24∙16,6²= - 80,86

M_C= k_Cq_в∙H²= (0,035) 5,24∙16,6²=50,537

F_RB= k^’_Bq_в∙H= (-0,452) 5,24∙16,6= -39,316

q^’_в/ q_в= 3,93/ 5,24= 0,75

r₁₁= 0708tr_1p= F_RB+ F’_RB+ F_B+F’_B= 39,316+29,487+42,76+32,07=143,633

Так как ветровая нагрузка с одинаковой интенсивностью воздействует на все рамы здания, следовательно, коэффициент _пр = 1, или смещение рамы равно:

.

M_A= -4,341t∙ 202,87/t= -880,658;

M_B= 1,942t∙ 202,87/t=393,973;

M_C= -0,092t∙ 202,87/t= -18,664;

Слева Справа

M_A= -880,658 -150,887= -1030,827M_A= 880,658+113,165=993,144

M_B= 393,973 – 80,86= 313,113M_B= -393,973 + 60,645= - 333,38

M_C= 18,664 +50,537=69,201M_C= -18,664 –37,903=56,52

Q_A= (-M_A+M_B) / H + q_вH / 2= (1030,823 +313,11) / 16,6 + 5,24∙16,6 / 2=124,452

Q_B= Q_A- q_вH= 124,452 – 5,24∙ 16,6= 37,468

Q^пр_A= ( 993,144+333,38 ) / 16,6 + 3,93∙16,6 / 2=112,567

Q^пр_B=112,567- 3,93 ∙16,6=47,33

Q_A+ Q^пр_A= 124,452+112,567=237,019≈( q^’_в +q_в)∙H+ F_B+ F_B^’=236,052

Q_B+ Q^пр_B= 37,468+ 47,293= 84,761≈ F_B+ F_B^’= 42,76+32,07= 83,83

Рис. 10