Стальной каркас одноэтажного бескранового здания

Исходные данные

1. Назначение здания  – машиностроительный цех

2. Характеристика здания  – здание отапливаемое

3. Пролет здания –  24 м

4. Длина здания –  72м

5. Шаг колонн и стропильных  ферм – 6 м

6. Отметка опирания нижнего  пояса фермы на колонну: +7,2 м

7. Материалы конструкций:

       Колонн  – сталь С235

       Ферм  – сталь С255

       Фундаменты  – бетон класса В15

8. Место строительства  – Новосибирск

9. Тип местности –  В

10. Материал кровли –  металлическая

11. Снеговой/ветровой район  – 4/3

 

 

 

 

 

 

1. Сбор нагрузок на конструкции покрытия

Нагрузка
Гидроизоляция с гравийной защитой	40	1,3	52
Выравнивающий слой, h=20 мм	36	1,2	43,2
Утеплитель - пенопласт,       ρ=50 кг/м³  t=100мм	5	1,2	6
Стальные панели	20	1,05	21
ЖБ плиты 3*6м	150	1,1	165
Итого:
Постоянные	251		287,2
Временные	168	240*0,7	240
Итого:	419		527,2

 

 

2. Определение  усилий в стержнях фермы

Допущения при расчете:

• Все узлы – шарниры;
• Все стержни пересекаются в одной точке;
• Все элементы работают только на центральное сжатие или растяжение;
• Нагрузка прикладывается только в узлы.

 Расчет моментов в узлах:

 

 

 

 

 Определение усилий в поясах:

Верхний:             

 

Нижний:               

 

Определение усилий в раскосах:

—    :          

 

+    :                 

 

Определение усилий в стойках:

Стойки сжаты:

Наименование стержня	Номер стержня	Растяжение/ сжатие	Расчетное усилие, кН
Верхний пояс	4 –5’ 2 – 4	- -
Нижний пояс	10 – 11 9 – 10	+ +
Раскосы	9 – 2 10– 4 2 – 10 4 – 11	- - + +
Стойки	все	-	94,9

                              

 

 

3. Подбор сечений  элементов фермы

Толщина фасонки определяется усилием в опорном раскосе:

 

Правила подбора сечений:

• Для стоек и неопорных раскосов рабочая длина . Для прочих элементов . Для всех элементов ;
• Предельная гибкость сжатых элементов: пояса и опорный раскос – [λ]=120; прочие элементы - [λ]=150; шпренгель - [λ]=200. Для растянутых элементов [λ]=400;
• Для сжатых стержней при ; при ;
• При подборе площади сечения сжатых стержней задаемся : для поясов и стоек ; для раскосов ;
• Центральные растянутые раскосы с малыми усилиями проверяют на сжатие (по гибкости);
• Для сжатых стержней:

 

• Для растянутых стержней:

 

Элементы  фермы	Обозначение стержня	Сечение	Площадь, А см2	Расчетное усилие N, т	Расчетные длины,  м		Радиусы инерции, см		Гибкости			Коэффициент условий работы	Коэффициент для сжатых стержней	Напряжение 2
											[λ]			-	+
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
Пояса: верхний	4-5'	200*20	76,1	101,2	3	3	6,12	8,79	49	34,12	120	0,8	0,7	15,51
	2-4	200*20	76,1	75,9	3	3	6,12	8,79	49	34,12	120	0,8	0,7	11,64
нижний	10-11	125*14	43,9	39,5	3	3	6,41	9,65	46,8	31,08	400	0,95	-		8,99
	10-9	125*14	43,6	7,9	3	3	6,41	9,65	46,8	31,08	400	0,95	-		8,99
Раскосы	9 – 2	125*16	49,8	55,3	3,75	3,75	6,38	9,7	58,77	38,65	120	0,8	0,7	17,11
	10– 4	100*10	25,3	23,7	3,75	3,75	5,13	7,76	73,09	48,32	120	0,8	0,7	15,95
	2 – 10	125*11	34,9	39,55	3,75	3,75	6,45	9,58	58,14	39,14	400	0,8	0,7	17,4
	4 – 11	63*10	15,5	7,9	3,75	3,75	3,15	5,09	119,04	73,67	400	0,8	0,7	14,99
Стойки	все	63*10	15,5	9,7	1,8	2,25	3,15	5,09	57,14	44,2	120	0,8	0,7	9,55

4. Расстановка  соединительных прокладок

Толщина сухарика равна толщине  фасонки:

 

Расстояние между сухариками, а, следовательно, и их количество, определяется по формуле:

для сжатых стержней,

для растянутых стержней,

где радиус инерции одного уголка относительно оси, параллельной плоскости прокладки.

Сечение	iy	L cжат, см	L раст, см
200х20	8,79	351,6	703,2
125х14	9,65	386	772
125х16	9,7	388	776
100х10	7,76	310,4	620,8
125х11	9,58	383,2	766,4
63х10	5,09	203,6	407,2

 

Таким образом, на каждый элемент фермы  устанавливается по 2 сухарика.

5. Конструирование и расчет узлов фермы

Принимаем полуавтоматическую сварку в среде углекислого газа проволокой СВ - 08Г2С. Определяем зону разрушения шва: шов или граница сплавления.

 

 

 

 

Следовательно, дальнейший расчет ведем  по металлу шва.

Для равнополочных уголков:

Для неравнополочных уголков: .

Катеты углов швов: для обушка, для пера.

Для швов крепления поясов к фасонкам расчет ведется только по обушку, при этом .

 

При этом:

 

 

Номер стержня	Сечение	Усилие, кН	Обушок			Перо
			Nоб	kf, мм	Lш, см	Nп	kf, мм	Lш, см
4-5'	200х20	1012	708,4	11	22	303,6	8	13
2 - 4	200х20	759	531,3	11	17	227,7	8	10
10-11	125х14	949	711,75	11	22	237,25	8	10
9-10	125х14	442	331,5	11	11	110,5	8	5
9 - 2	125х16	553	414,75	11	13	138,25	8	6
10 - 4	100х10	237	177,75	11	6	59,25	8	5
2 - 10	125х11	395	296,25	8	13	98,75	5	7
4 - 11	63х10	79	59,25	8	5	19,75	5	5
стойки	63х10	95	71,25	8	5	23,75	5	5

 

Опорный узел

Принимаем ширину опорного ребра равную 200 мм, а толщина ребра равна  толщине фасонки: .

Проверим сечение опорного ребра  на смятие по формуле:

 

 

Размеры ребра оставляем без  изменений.

Опорная реакция передается через  сварные швы крепления фасонки  к ребру. Требуемый катет этих швов рассчитывается по формуле:

 

где коэффициент, учитывающий возможную неравномерность передачи усилия.

6. Статический расчет поперечной рамы

Так как высота здания меньше 10 м, ветровая нагрузка принимается постоянной по всей высоте здания.

Расчетная ветровая нагрузка w на 1 м² здания определяется по формуле:

• с наветренной стороны здания (активное давление),
• с подветренной стороны здания (пассивное давление),

где нормативный скоростной напор,

коэффициент, учитывающий  изменение ветрового давления по высоте, ,

аэродинамические  коэффициенты,

коэффициент надежности по нагрузке.

 

 

 

 

 

 

7. Определение  расчетных усилий в колоннах

Расчет рамы производится отдельно на нагрузки от собственного веса, снега  и ветра.

1). Усилия от собственного веса:

 

 

Нагрузка от стен (в качестве стен используем сэндвич-панели):

 

При вес колонн принимаем:

 

 

2). Усилия от снеговой нагрузки:

 

3). Усилия от ветровой нагрузки:

 

 

Таблица нагрузок в  колоннах

N п/п	Тип нагрузки	Коэф. сочетания	M, кН×м	N, кН	Q, кН
1	Постоянная	1	0		0
2	Снеговая	1	0		0
2*		0,9	0	155,52	0
3	Ветровая	1		0
3*		0,9	152,739	0	26,847

 

Таблица сочетания  нагрузок

Сочетание	Комбинация нагрузок	Усилия
		M, кН×м	N, кН
Пост.+1 врем.	1, 2	0	404,505
	1, 3
Пост.+временные	1, 2*,3*		387,225
Для анкерных болтов	1*, 3		208,5345

 

8. Расчет колонны

Наиболее невыгодной принимаем комбинацию нагрузок 1, 2*,3*.

Определим расчетные длины колонны:

• В плоскости рамы:
• Из плоскости: .

Определим предварительную  площадь сечения:

 

где эксцентриситет, ;

высота сечения  колонны, ;

По сортаменту подбираем двутавр 40Ш1:

 

 

Проверка гибкости:

 

 

Проверка  устойчивости колонны в плоскости рамы (относительно оси х – х):

 

где коэффициент условия работы для колонн общественных зданий,

коэффициент гибкости для внецентренно сжатых колонн.

Коэффициент следует определять в зависимости от условной гибкости и приведенного относительного эксцентриситета.

 

 

где приведенный относительный коэффициент,

относительный эксцентриситет,

коэффициент формы  сечения,

 

 

 

 

 

Условие выполняется.

Предельная гибкость колонны  в плоскости рамы:

 

где но не меньше 0,5:

 

 

Проверка  устойчивости колонны из плоскости  действия момента (относительно оси у – у):

 

где коэффициент продольного изгиба относительно оси y для центрально сжатой колонны; определяется в зависимости от и :

 

коэффициент, учитывающий  влияние момента на устойчивость в плоскости, перпендикулярной плоскости действия момента:

 

 

максимальный  момент в средней трети длины  колонны, принимаемый равным:

 

 

 

 

 

Условие выполняется. Таким  образом, окончательно принимаем колонну 50Ш2.

Проверка  местной устойчивости полок колонны

Отношение свеса полки к ее толщине не должно превышать предельного отношения, определяемого по формуле:

 

 

Местная устойчивость полок  колонны обеспечена.

 

 

9. Расчет и конструирование базы колонны

Торец колонны после  приварки траверс фрезеруется и  опирается на заранее поставленные и выверенные опорные плиты со строганной верхней поверхностью (безвыверочный монтаж).

Наибольшее суммарное  напряжение в бетоне фундамента по краю плиты не должно превышать расчетного сопротивления бетона:

 

 

где площадь плиты: ,

расчетное сопротивление  бетона при местном сжатии:

 

где коэффициент, принимаемый равным 1,2, определяемый по формуле:

 

расчетное сопротивление  бетона при осевом сжатии:

 

 

момент сопротивления опорной плиты:

 

ширина опорной  плиты:

 

длина опорной  плиты, определяемая по формуле:

 

 

 

 

 

Толщина опорной плиты  определяется ее работой на изгиб  под действием реактивного давления фундамента. Назначим толщину плиты  по наибольшему из изгибающих моментов, действующих на различных участках плиты.