Министерство образования и науки Украины

Одесская государственная академия строительства и архитектуры

Кафедра Металлических, деревянных и пластмассовых конструкций

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине Металлические конструкции

к курсовому проекту на тему:

«Проектирование стального каркаса

одноэтажного промышленного здания»

Для студентов специальности

"Промышленное и гражданское строительство"

(форма обучения – дневная, заочная)

ОДЕССА – 2013

«УТВЕРЖДЕНО»

Ученым советом факультета КПГС

протокол № 10 от 29.06.2012года

Составители:

Рецензенты:

Аннотация: в методических указаниях изложены методика расчета и основные требования по выполнению курсового проекта «Проектирование стального каркаса одноэтажного промышленного здания».

Методические указания предназначены для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство»﴾бакалавр 6.060101﴿, изучающих курс «Металлические конструкции».

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой Металлических, деревянных и пластмассовых конструкций ОГАСА, д.т.н., проф. Стоянов В.В.

Введение

Курсовой проект по расчету и проектированию стального каркаса одноэтажного промышленного здания по дисциплине «Металлические конструкции» выполняются с целью закрепления студентами теоретического курса, освоения норм проектирования и приобретения навыков конструирования металлических конструкций.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки объемом 45 … 50 страниц и графической части, состоящей из трех листов формата А2 (420 x 594 мм). Расчетно-пояснительная записка состоит из титульного листа, заполненного преподавателем бланка задания, оглавления и пронумерованных разделов в последовательности их выполнения. В конце расчетно-пояснительной записки приводится список использованной литературы.

В пояснительной записке следует привести обоснование принимаемых компоновочных и конструктивных решений, ссылки на использованную литературу и нормативные документы. При вычислениях следует обратить внимание на соблюдение размерностей всех величин, подставляемых в формулы. Расчеты в пояснительной записке должны сопровождаться эскизами сечений, схем, узлов и т.п.

Содержание курсового проекта:

1. Компоновочная часть– составление конструктивной схемы каркаса здания, определение основных размеров элементов поперечной рамы и эскизная разработка схем связей каркаса.

2. Расчетно-конструктивная часть– расчет основных несущих элементов каркаса поперечной рамы (колонн и ригеля рамы).

3. Конструктивно-графическая часть – конструктивная разработка колонны, фермы и связей каркаса на стадии КМ и КМД.

1. Общие сведения о каркасе промздания

1. Общая характеристика конструктивной схемы здания

Основными несущими элементами стального каркаса промышленного здания (рис. 1.1. и 1.5.) являются плоские поперечные рамы, образованные колоннами и стропильными фермами (ригелями).

Расстояние между разбивочными осями колонн в поперечном направлении здания принято называть пролетом«l » рамы, а расстояние в осях между рамами вдоль здания –шагом«В » рам. Эти размеры указаны в задании на проектирование.

2. Схемы и габариты решетчатого ригеля (фермы) и фонаря

В данном курсовом проекте рассматриваются конструкции типовых ферм с параллельными поясами, с уклоном поясов 1,5 % и высотой фермы на опоре Н_ф = 3150мм(по наружным граням поясов) для пролетов ферм – 24, 30 и 36м.На рис. 1.2.показаны схемы типовых стропильных ферм с разбивкой их на две отправочные марки, с учетом габаритов транспортных средств.

Для организации верхнего освещения и аэрации цеха в промышленных зданиях устраивают светоаэрационные фонари. Необходимость их устройства обусловлена технологическими процессами в цехах и большой шириной здания. Особенно это важно для производства, связанного с теплогазовыделениями. Фонарь располагают над средней частью ригеля. Его ширину В_фни высотуН_фнназначают в зависимости от пролета цеха. Для пролетов цеха 24 … 36мширину фонаря рекомендуется принимать равнойВ_фн =12м(рис. 1.3.). Высоту фонаря принимают в соответствии со светотехническими и аэродинамическими расчетами и размерами переплетов остекления.

Рис. 1.1. Конструктивная схема стального каркаса одноэтажного промышленного здания: 1 – колонны; 2 – подкрановые балки; 3 – стропильные фермы; 4 – рамы фонаря; 5 – вертикальные связи по колоннам

Серия 1.460-4

Рис. 1.2. Схемы типовых стропильных ферм

Рис. 1.3. Схема светоаэрационного фонаря

3. Вертикальные связи стального каркаса промышленного здания в плоскости колонн

Связи придают каркасу здания пространственную жесткость и неизменяемость. Они необходимы для обеспечения нормальных условий эксплуатации в течение всего периода службы сооружения, а также для передачи ветровых нагрузок и воздействий кранов от одних конструкций к другим. При правильном выборе системы связей обеспечивается последовательное доведение возникающих усилий кратчайшим путем от места приложения нагрузки до фундаментов здания.

Вертикальные связи в плоскости колонн воспринимают и передают на фундамент усилия, возникающие от продольного торможения кранов и ветрового давления в торец здания. Более детально об устройстве связей в каркасах промышленных зданий указано в [1], [3], [4], [6].

В качестве примера, на чертеже (см. Приложение лист №1) показана схема связей для здания пролетом 30 м при шаге колонн 12 м.

4. Связи по стропильным фермам и фонарям

Связи по покрытию располагают:

• в плоскости верхних поясов стропильных ферм – продольные распорки между фермами;

• в плоскости нижних поясов стропильных ферм – поперечные и продольные горизонтальные связевые фермы;

• между стропильными фермами – вертикальные связевые фермы;

• связи по фонарям.

В качестве примера на рис. 1.4. а, б, а также на чертеже (см. Приложение лист №1) показаны схемы связей для зданий пролетом 30 м при шаге колонн 6 и 12 м.

Связи по верхним поясам стропильных ферм обеспечивают принятую в

расчете ферм расчетную длину верхнего пояса из плоскости фермы (рис. 1.4 а, б).

Кроме того, по торцам здания между двумя соседними фермами (по концам температурных блоков здания) и в промежутках между торцами здания над местами установки связей в плоскости колонн, устанавливают вертикальные связевые фермы. Обычно их ставят в плоскости стоек стропильных ферм, т.е. с шагом 6 м. Вертикальные связи между фермами обеспечивают проектное положение (вертикальность) ферм.

Связи по нижним поясам стропильных ферм представляют собой горизонтальные продольные связевые фермы в крайних панелях пролета ферм и поперечные связевые фермы в торцах температурного блока, а также в промежутках блока над местами установки связей в плоскости колонн (рис. 1.4. а, б).

5. Ограждающие конструкции

Выбор ограждающих конструкций зависит от назначения здания, требуемого температурно-влажностного режима и т.п. В соответствии с этим ограждающие конструкции могут быть утепленные или холодные. Применяют стальные комплексные панели с обшивками из стального профилированного настила или неутепленные ограждающие конструкции из профилированного стального настила.

связи по нижним поясам ферм (для кранов особого режима работы)

связи по верхним поясам ферм

связи по верхним поясам фонарей

Рис. 1.4. а Схемы связей покрытия при шаге ферм 6 м

связи по нижним поясам ферм (для кранов особого режима работы)

связи по верхним поясам ферм

связи по верхним поясам фонарей

Рис. 1.4. б Связи покрытия при шаге ферм 12 м

6. Исходные данные для проектирования

Данные задания на проектирование стального каркаса одноэтажного промышленного здания студент получает у преподавателя кафедры МД и ПК.

Исходные данные, используемые при расчете (пример):
1.	назначение сооружения – корпусный цех;
2.	пролет поперечной рамы каркаса – L=30 м;
3.	шаг поперечных рам – B=12 м;
4.	отметка верха кранового рельса – H1=10,8 м;
5.	грузоподъемность крана – Q=50/12,5т;
6.	режим работы крана – 5К;
7.	район строительства – г. Херсон;
8.	тип местности – « III »;
9.	здание отапливаемое;
10.	материал конструкций:
	а)	ферм и колонн – сталь С245;
	б)	фундаментов – бетон класса В15.

Таблица 1.1.

Место строительства	Характеристическая нагрузка, кН/м2
	Снеговая S0, кН/м2	Ветровая W0, кН/м2
г. Херсон	0,76	0,48

Таблица 1.2.

Q, т

Пролет, м

группа режима работы крана

Размеры, мм

Давление колеса, кН

Масса, т

тип крановой рейки

высота крановой рейки hp, мм

высота подкрановой балки при шаге колонн, мм

главный крюк

вспом. крюк

здания L, м

крана Lcr, мм

Hcr

Bcr

К

С

Fn,max

Fn,1

Fn,2

крана с тележкой G

тележки Gс

6 м

12 м

50

12,5

30

28,5

5К

3150

300

5250

6760

415

-

-

59,5

15,2

КР-80

130

1300

1600

7. Компоновочная часть – разработка схемы и конструкции поперечной рамы каркаса здания

1. Определение основных размеров поперечной рамы каркаса

На основании исходных данных, указанных в задании на выполнение курсового проекта, используя основные положения по унификации объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий [4], а также литературы по металлическим конструкциям [3], [5], [6] принимаем конструктивные решения по выбору несущих и ограждающих конструкций, и производим привязку их к разбивочным осям здания.

а) Принимаем привязку а₀ (рис. 1.5.)наружной грани колонны к разбивочной оси. Привязка к разбивочным осям унифицирована и может быть нулевой (а₀ = 0), равной 250ммлибо 500мм. Нулевую привязку принимают в зданиях без мостовых кранов, а также в невысоких зданиях при шаге колоннВ = 6м, оборудованных кранами грузоподъемностью не более 30 т.

Привязку а₀ = 500ммпринимают для относительно высоких зданий с кранами грузоподъемностью 100 т и более, а также, если в верхней части колонны устраивают проемы для прохода. В остальных случаяха₀ = 250мм.

Принимаем привязку а₀ = 250 мм.

б) Определение вертикальных габаритов поперечной рамы

В курсовом проекте эти размеры устанавливаются на основании указанного в задании расстояния от уровня пола до верха головки кранового рельса H₁, а также размераH₂(от головки кранового рельса до низа несущей конструкции покрытия – стропильной фермы), определенного в соответствии с высотой мостового крана –H_cr(рис. 1.5.):

(1.1)

где,	Hcr  –	высота мостового крана (см. Приложение, т. 1), расстояние от головки рельса до верхней точки тележки крана;
	100 мм 		размер безопасного зазора между верхней точкой тележки крана и низом конструкции покрытия;
	f  		размер, учитывающий прогиб конструкции покрытия (ферм, связей); принимается равным 200 … 400ммв зависимости от пролета.

Окончательно размер H₂принимается кратным 200мм.

Принимаем H₂ = 3600 мм  высоту от головки кранового рельса до низа несущей конструкции покрытия.

Определяем полную высоту цеха H₀– расстояние от пола цеха до низа несущей конструкции покрытия у колонны:

(1.2)

Размер H₀в соответствии с требованиями унификации [4] и стандартов ограждающих конструкций (стеновых панелей) принимается кратным 1,2м либо 1,8м(H₀ ≤ 10,8 м – кратность 1,2 м; H₀ > 10,8м – кратность 1,8 м). Если в этом случае приходится несколько увеличить высоту цеха, то это следует сделать за счет увеличения размераH₁– отметки головки кранового рельса, т.е. рабочей высоты подъема грузов краном. Если это увеличение получается больше 1м, то высотуH₀цеха разрешается принимать кратной 0,6м.

Принимаем полную высоту цеха H₀ = 14400 мм.

Длина верхней части колонны H_в. Этот размер определяется расстоянием от низа подкрановой балки до низа фермы:

(1.3)

где,	hпб 	высота подкрановой балки, принимаетсясогласно ГОСТа на краны, (см. Приложение, т. 1);
	hр 	высота кранового рельса (см. Приложение, т. 1).

Принимаем длину верхней части колонны H_в = 5330 мм.

Длина нижней части колонны H_н определяется расстоянием от низа базы колонны до низа подкрановой балки:

(1.4)

где,

hб

заглубление базы колонны ниже уровня пола цеха, принимается ориентировочно равным 600… 1000мм.

Принимаем длину нижней части колонны H_н = 9870 мм.

Рис. 1.5. Схема поперечной рамы однопролетного здания

2. Определение высоты поперечного сечения колонны

а) Высота h_в сечения верхней части колонны (рис. 1.6. а) определяется из условия обеспечения необходимой жесткости колонны и должна быть равной не менее Высоту сечения верхней части колонны принимают равной 450 или 700мм. В каркасах с режимом работы с режимом работы кранов 7К и 8К в стенках верхних частей колонн устраивают проходы шириной не менее 400мми высотой 2000мм. Высота сечения верхней части колонн этом случае получается не менееh_в = 1000мм. Если числополучилось меньше 450мм, h_в принимаем равным 450мм, если больше,h_впринимаем равным 700мм.

(1.5)

Принимаем высоту сечения верхней части колонны h_в = 450 мм.

б) Высота h_н сечения нижней части колонны (рис. 1.6. б, в) – назначается в зависимости от грузоподъемности крана и высоты цеха не менееи равна:

			(1.6)
где,	L1 	унифицированный размер между разбивочной осью колонны и осью подкрановой балки: L1 = 750 мм для кранов грузоподъемностью Q ≤ 50 т и при отсутствии проходов в надкрановой части колонны; L1 = 1000 мм для кранов грузоподъемностью Q > 80 т, а также при устройстве проходов в надкрановой части колонны;
	а0 	привязка наружной грани колонны к разбивочной оси.

Принимаем высоту сечения нижней части колонны h_н = 1000 мм.

Рис. 1.6. Сечения верхней и нижней частей колонны

8. Расчетно-конструктивная часть

Расчет поперечной рамы каркаса промышленного здания состоит из следующих этапов:

1. составление расчетной схемы;

2. определение нагрузок, действующих на раму, и статический расчет рамы – определение усилий в элементах рамы (колоннах и ригеле) от действующих нагрузок;

3. определение расчетных усилий в колонне рамы в соответствии с возможными сочетаниями действующих нагрузок;

4. расчет колонны рамы;

5. расчет решетчатого ригеля рамы, т.е. стропильной фермы.

1. Определение нагрузок, действующих на раму

На поперечную раму цеха действуют:

• постоянные нагрузки: собственный вес кровли и конструкций покрытия, вес колонн и подкрановых балок, вес стеновых панелей при их опирании на колонны;

• переменные кратковременные: технологические (от мостовых или подвесных кранов);

переменные кратковременные:атмосферные (воздействия снега, ветра).

а) Постоянная нагрузка

Нагрузку от собственного веса кровли и конструкции покрытия обычно принимают равномерно распределенной по длине ригеля. Для этого определяют величину нагрузки на 1 м²покрытия, ее удобно вычислять в табличной форме.

Как правило, применяют два вида несущих конструкций покрытия: беспрогонные в виде ребристых железобетонных панелей, либо из листов профнастила по прогонам из прокатных профилей.

Таблица 1.3.

Пример определения нагрузки одного из видов покрытия

Нагрузка	Характеристи-ческая нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке	Предельная расчетная нагрузка, кН/м2
Еврорубероид Асфальтовая стяжка (t = 30 мм, ρ = 21 кН/м3) Утеплитель (h = 100 мм, ρ = 6 кН/м3) Пароизоляция из одного слоя рубероида Профилированный настил Собственный вес ме-таллоконструкций шатра (стропильных ферм, фонарей и связей)	0,05 0,63 0,6 0,05 0,16 0,49	1,2 1,3 1,2 1,2 1,05 1,05	0,06 0,82 0,72 0,06 0,17 0,51
Итого:
Всего, с учетом коэффи-циента надежности по назначению

Расчетная нагрузка на единицу длины ригеля будет равна:

(1.7)

б) Снеговая нагрузка

Величина снеговой нагрузки определяется по нормам [2] (определяется студентом самостоятельно) в зависимости от района строительства здания, указанного в задании. В курсовом проекте необходимо запроектировать однопролетное здание с ровной скатной крышей. Снеговая нагрузка на таком покрытии распределяется равномерно. При наличии конструкций светоаэрационного фонаря снеговая нагрузка на покрытии распределяется неравномерно.

Предельное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия (конструкции) вычисляется по формуле:

(1.8)

где,	γfm  	коэффициент надежности по предельному расчетному значению снеговой нагрузки. Определяется в зависимости от заданного среднего периода повторяемостиТ. Для объектов массового строительства допускается средний период повторяемостиТпринимать равным установленному сроку эксплуатации конструкции. Для производственных зданийТ =60 лет, соответственно принимаем γfm = 1,04 (см. т. 1.4.);
Таблица 1.4. Т 1 5 10 20 40 50 60 80 100 150 200 300 500 γfm 0,24 0,55 0,69 0,83 0,96 1,00 1,04 1,10 1,14 1,22 1,26 1,34 1,44
	S0 	характеристическое значение снеговой нагрузки, определяемое в зависимости от снегового района строительства по карте рис. 1.7. (см. Приложение, т. 2);
	С – μ – Се – Сalt –	коэффициент, определяется по формуле: коэффициент перехода от веса снегового покрова на поверхности земли к снеговой нагрузке на покрытие, определяется в зависимости от формы кровли и схемы распределения снеговой нагрузки. В данном примере μ принимаем равным 1, принимая схему 1 (вариант 1) [2], для зданий с двускатными покрытиями при уклоне кровли ; коэффициент, учитывающий влияние режима эксплуатации на накопление снега на кровле (очистку, таяние и т.п.) и устанавливается заданием на проектирование. В курсовом проекте принят равным 1, так как при отсутствии данных о режиме эксплуатации кровли коэффициент Се допускается принимать равным единице; коэффициент учитывает высоту Н (в километрах) размещения строительного объекта над уровнем моря, Сalt = 1 (при Н ≤ 0,5 км).

Рис. 1.7. Карта районирования территории Украины по характеристическим значениям веса снегового покрова

в) Ветровая нагрузка

При расчете рамы рассматривают раздельно ветровую нагрузку на колонны рамы и на ригель рамы (рис. 1.8.).

Рис. 1.8. Эпюра воздействия ветра

1) Ветровая нагрузка на колонны рамыпередается панелями стенового ограждениями, как равномерно распределенная.

Предельное расчетное значение равномерно распределенной ветровой нагрузки на колонну рамы определяется по формуле:

				(1.9)
	где,	γfm 	коэффициент надежности по предельному расчетному значению ветровой нагрузки. Определяется в зависимости от заданного среднего периода повторяемости Т, для объектов массового строительства допускается средний период повторяемости Тпринимать равным установленному сроку эксплуатации конструкции. Для производственных зданийТ = 60 лет, соответственно принимаем γfm = 1,035 (т. 9.1 [2],);
	Таблица 1.5. Т 5 10 15 25 40 50 70 100 150 200 300 500 γfm 0,55 0,69 0,77 0,87 0,96 1,00 1,07 1,14 1,22 1,28 1,35 1,45
		W0 	характеристическое значение ветрового давления, которое определяется в зависимости от ветрового района строительства по карте рис. 1.10. (см. Приложение, т. 2);
		С 	коэффициент, определяемый по формуле:
		Сaer 	аэродинамические коэффициенты (п. 9.8. [2]), определяется в зависимости от формы сооружения, Сe1 = 0,8 с наветренной стороны, Сe2 = 0,6 с заветренной стороны: эти коэффициенты учтены в программе статического расчета рамы, поэтому Сaer принимаем равным 1.
		Сh –	коэффициент высоты сооружения, учитывающий увеличение ветровой нагрузки в зависимости от высоты конструкции или рассматриваемой ее части над поверхностью земли (Z) и типа окружающей местности. В данном примере тип местности III – пригородные и промышленные зоны (для промежуточных значений высоты над поверхностью земли, коэффициент высоты сооружения следует определять линейной интерполяцией по т. 1.6.), (п. 9.9. [2]): Сh,1 =1,97 (для отметки низа фермы H0 = 14,4 м); Сh,2 = 2,13 (для отметки верха (конька) шатра H0+Hш= =14,4 м+3,375 м = 17,775 м); высота шатра,
		Таблица 1.6. Тип местности Высота над поверхностью земли Z, м 10 20 30 III 1,75 2,25 2,50
		Сalt –	коэффициент географической высоты, учитывает высоту Н (в километрах) размещения строительного объекта над уровнем моря, при Н ≤ 0,5 км, Сalt = 1;
		Сrel –	коэффициент рельефа, Сrel = 1 за исключением случаев, когда объект расположен на холме или склоне (п. 9.11. [2]);
		Сdir –	коэффициент направления, который учитывает неравномерность ветровой нагрузки по направлениям ветра и, как правило, принимается равным единице (п. 9.12. [2]);
		Сd –	коэффициент динамичности, который учитывает влияние пульсационной составляющей ветровой нагрузки и пространственную корреляцию ветрового давления. Для зданий со стальным каркасом этот коэффициент учитывается (Сd > 1) при высоте здания больше 30 м. В курсовом проекте может быть принят равным 1;
		В 	шаг рам, м.

Рис 1.9. Коэффициент высоты сооружения С_h

Типы местности, что окружают здание или сооружение, определяются для каждого расчетного направления ветра отдельно:

I– открытые поверхности морей, озер, а также плоские равнины без преград, которые подаются действию ветра на участках длинной не менее, чем 3км;

II– сельская местность с ограждениями (заборами), небольшими сооружениями, домами и деревьями;

III– пригородные и промышленные зоны, лесные массивы;

IV– городские территории, на которых хотя бы 15 % поверхности заняты зданиями, которые имеют среднюю высоту более 15м.

2) Ветровая нагрузка на шатер каркаса

_{Ветровая нагрузка, расположенная выше нижнего пояса стропильных ферм приводится к сосредоточенной силе , условно приложенной к нижнему поясу фермы, определяется по следующей формуле:}

(1.10)

где,	i=1,5% 	уклон поясов фермы;
	Hф 	высота фермы, Hф = 3,15м;
	L 	пролет рамы, м;
			Рис. 1.10 Карта районирования территории Украины по характеристическим значениям ветрового давления

г) Крановые нагрузки

При движении мостового крана его колеса передают крановому рельсу вертикальное давление F_m (которое зависит от собственного веса крана, веса груза на крюке крана и положения тележки на крановом мосту) и горизонтальные силыН_m, направленные поперек кранового пути (они возникают из-за торможения тележки, перекосов крана, распирающего воздействия колес при движении по рельсам и др.).

Нагрузка на колонны определяется от двух кранов, сблизившихся вплотную. Ее можно определить по линии влияния опорных реакций подкрановых балок при найневыгоднейшем расположении кранов на подкрановых балках (когда два крана сблизились вплотную, а колесо одного из них находится над осью колонны) при максимальном значении суммы ординат « y » линии влияния(рис. 1.11.).

При этом определяют вертикальные максимальное давление D_maxи минимальноедавление колес на колонну, а также горизонтальную поперечную нагрузкуот боковой силы крана.

Рис. 1.11. Схема размещения четырехколесных кранов