Проектирование стального каркаса одноэтажного производственного здания

Уточним положение  центра тяжести сечения нижней части  колонны:

Усилия в  ветвях:

- в подкрановой  ветви

- в наружной  ветви

Рис. 36. Расчетная схема сечения колонны.

4.2.2. Проверка устойчивости ветвей

Из  плоскости рамы.

Подкрановая ветвь:

По прил. 8 находим, что коэффициент j_у = 0,644. (тип кривой устойчивости «b»).

Тогда

Наружная ветвь:

 

По прил. 8 находим, что коэффициент j_у = 0,598 (тип кривой устойчивости «с»).

В плоскости  рамы.

Разделив нижнюю часть колонны на целое число  панелей, определяем  l_B1.

Проверим устойчивость ветвей в плоскости рамы (относительно осей х₁-х₁ и х₂-х₂).

- для подкрановой  ветви:

Принимаем l_B1 = 500см.

- для наружной  ветви:

 

 

4.2.3. Расчет решетки подкрановой части колонны

Поперечная  сила в сечении колонны Q_max = 98,39 кН.

Условная поперечная сила для стали С255 принимается  по таблице учебника:

следовательно, расчет решетки проводим на действие Q_fic.

Усилие сжатия в раскосе:

Зададим, что  гибкость раскоса l_d = 100. По прил. 8 находим, что коэффициент j = 0,414. Тогда требуемая площадь сечения раскоса:

Принимаем равнополочный  уголок 110´8, для него A_d = 17,2 см², i_min = 2,19 см. Тогда максимальные гибкость и условная гибкость:

По прил. 8 находим, что коэффициент j_у = 0,271.

Получим

4.2.4.Проверка  устойчивости колонны в плоскости  действия момента как единого  стержня

Геометрические  характеристики всего сечения:

Определим приведенную  гибкость:

,

где A_d1 – площадь сечения раскосов в одном сечении, равняется:

2´A_d = 2´17,2 = 34,4 см²;

a - коэффициент, определяемый по формуле:

,

d = l_d = 291,5 см; b = h_н = 150 см; l = l_B1 / 2 =500 / 2 = 250 см

Для комбинации усилий, догружающую наружную ветвь (сечение 4-4)

N₂ = -3233,3 кН; М₂ = 1540,8

По прил. 10  двойной интерполяцией находим, что коэффициент j_е = 0,484.

Устойчивость  сквозной колонны как единого  стержня из плоскости действия момента  проверять нет необходимости, так  как она обеспечена проверкой устойчивости отдельных ветвей.

 

4.3.Конструирование  и расчет узлов колонны: сопряжение  надкрановой и подкрановой частей, базы.

4.3.1. Расчет и конструирование узла  сопряжения верхней и нижней  частей колонны

Расчетные комбинации в сечении над уступом:

1. M = 216,84 кНм; N = -778,3 кН (С6).
2. М = -136,5 кНм; N = -778,9 кН (С4).

Давление кранов D_max = кН.

Прочность стыкового  шва (Ш1) проверяем в крайних точках сечения надкрановой части.

Первая комбинация М и N (сжата наружная полка):

- наружная полка:

- внутренняя  полка:

 

Вторая комбинация М и N (сжата внутренняя полка):

- наружная полка:

- внутренняя  полка:

Прочность шва  обеспечена с большим запасом.

Толщину стенки траверсы определяем из условия ее смятия:

,

l_ef – определяемая по формуле:

t_пл – толщина плиты, принимаем равной 25 мм.

b_о.р. – ширина опорных ребер балок;

R_p – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности, R_p = R_un=47 кН/см²,

Учитывая возможный  перекос опорного ребра, примем толщину стенки траверсы t_w = 30 мм.

При второй комбинации М и N усилия во внутренней полке (в запас несущей способности):

Для сварки применяем  полуавтоматическую сварку в нижнем положении в среде углекислого  газа проволокой Св-08Г2С

R_wf = 21,5 кН/см²

d = 2 мм

β_f = 0,9; β_z = 1,05 (k_f < 8 мм);

R_wz = 0,45*R_un = 0,45*47 = 21,15 кН/см²

β_f * R_wf = 0,9*21,5 = 19,35 кН/см² > β_z * R_wz = 1,05*21,15 = 22,21 кН/см²

Расчет ведем  по металлу границе сплавления.

Принимаем катет  шва k_f = 6 мм. Тогда длина шва крепления вертикального ребра траверсы к стенке траверсы (Ш2):

В стенке подкрановой  ветви делаем прорезь, в которую  заводим стенку траверсы. Для расчета  шва крепления траверсы к подкрановой  ветви (Ш3) составляем комбинацию усилий в сечении  2-2,  дающую наибольшую опорную реакцию траверсы. Такой комбинацией будет сочетание С1:

N = -817,8 кН, М = 153,16кНм.

Рассчитаем  швы Ш3 на усилие:

Примем катет  шва k_f = 6 мм, тогда требуемая длина шва:

Из условия  прочности стенки подкрановой ветви  в месте крепления траверсы

(линия 1-1) определим высоту траверсы h_тр по формуле:

где t_w1 – толщина стенки двутавра подкрановой ветви (50Ш4), по сортаменту 16,5 мм;

R_S – расчетное сопротивление стали сдвигу,

кН/см²,

Тогда

Принимаем высоту траверсы h = 40 см (т. к. h_ТР = (0.5…0.8)*h_H)

Максимальная  поперечная сила в траверсе с учетом усилия от кранов возникает при комбинации усилий С1

Здесь k = 1,2 – коэффициент, учитывающий неравномерную передачу усилий D_max.

Проверим на срез стенку подкрановой ветви в месте крепления траверсы:

Рис. 37. Узел сопряжения верхней и нижней части колонны.

4.4.2. Расчет и конструирование базы  колонны

 

Ширина нижней части колонны превышает 1 м, поэтому  проектируем базу раздельного типа.

Расчетные комбинации усилий в нижнем сечении колонны (сечение 4-4):

1) N= -3233,3 кН; М₂ = 1540,8кНм (для расчета базы наружной ветви);

2) N₁ = -817,8кН; М₁ =-255,73кНм (для расчета базы подкрановой ветви, сочетание C1)

Усилия в  ветвях:

- в подкрановой  ветви

- в наружной  ветви

 

База  наружной ветви

Требуемая площадь плиты  базы наружной ветви колонны

,

где y - коэффициент, зависящий от характера распределения местной нагрузки по площади смятия, при равномерно распределенной нагрузке y = 1;

R_b,loc – расчетное сопротивление смятию:

,

где R_b – расчетное сопротивление тяжелого, мелкозернистого и легкого бетонов для предельных состояний первой группы на осевое сжатие, для бетона класса В12,5 R_b = 0,75 кН/см²;

a - коэффициент для расчета на изгиб, зависящий от характера опирания плит, для бетонов класса ниже В25 a =1;

, принимают не более 2,5 для  бетонов класса выше В7,5, потому  в нашем случае j_b = 1,2.

кН/см².

Получим

По конструктивным соображениям с₂ должен быть не менее 4 мм. Тогда

см,

принимаем B = 60 см.

принимаем L =  45 см. Тогда

Среднее напряжение в  бетоне под плитой

 

Рис.38. Расчетная схема базы колонны наружной ветви.

 

Из условия симметричного  расположения траверс относительно центра тяжести ветви расстояние между траверсами в свету равно 2*(b_f + t_w – z₀) = 2*(22 + 1,6 – 6,21) = 34,78; при толщине траверсы 12 мм с₁ = (45 – 34,78 – 2*1,2)/2 = 3,9 см.

Плита работает на изгиб, как пластинка, опертая на соответствующее число сторон. Нагрузкой является отпор фундамента. В плите имеются 4 участка.

На участке 1 плита работает как консоль со свесом с = с₁ = 3,9 см. Изгибающий момент:

 

 

Участок 2 – консоль со свесом с = с₂ = 5,0 см:

 

Участок 3 работает по схеме – пластинка, опертая на четыре канта. Соотношение сторон

то есть плиту можно  рассматривать как однопролетную  балочную, свободно лежащую на двух опорах.

Изгибающий момент: 

Участок 4 – плита работает тоже, как пластинка, опертая на три канта. Соотношение сторон:

то есть плиту можно  рассматривать как однопролетную  балочную, свободно лежащую на двух опорах.

Изгибающий момент:

Требуемая толщина плиты  подбирается по максимальному изгибающему моменту, принимая материал плиты – сталь С375, для которой расчетное сопротивление R_y =31,5 кН/см², тогда

принимаем толщину базы 34 мм (2 мм припуск на фрезеровку).

Высоту траверсы определяем из условия размещения шва крепления  траверсы к ветви колонны. В запас  прочности все усилие в ветви  передаем на траверсы через 4 угловых шва. Сварка полуавтоматическая проволокой марки Св-08Г2С, d = 2 мм; k_f = 12 мм. Требуемая длина шва определяется по формуле:

Принимаем h_тр = 55 см.

 

База подкрановой  ветви.

 

Требуемая площадь плиты  базы наружной ветви колонны

Считая, что В останется тем же, что и для базы наружной ветви, получим

принимаем конструктивно L = 13см.

Тогда

Среднее напряжение в  бетоне под плитой

Так как значение отпора бетона фундамента и линейные размеры  всех расчетных участков плиты базы подкрановой ветви меньше соответствующих величин для базы наружной ветви, то нет причины подбирать фундаментную плиту заново. Поэтому примем толщину плиты t_f = 40 мм.

 

Расчет  анкерных болтов крепления подкрановой  ветви.

 

Расчетные нагрузки: М = 729,7 кНм; N = -56,3 кН.

Усилие в анкерных болтах:

Примем анкерные болты  из стали С235. По табл. 60 СНиП II-23-81 определим, что расчетное сопротивление болтов R_b = 18,5 кН/см².

Требуемая площадь сечения  болтов:

Принимаем болты М 24 с  площадью поперечного сечения нетто А_bn = 9,135*2 = 18,27 см².

Усилия в  анкерных болтах наружной ветви меньше. Из конструктивных соображений принимаем  такие же болты.

5. Расчет и конструирование подкрановой балки.

 

1. Установка расчетной нагрузки на балку

 

По прил. 1 для  крана Q = 100/20 нормативное значение максимального давления колеса крана F_К1ⁿ = 469 кН и F_К2ⁿ =489 кН. Вес тележки G_T = 412 кН. Тип кранового рельса – КР-120.

Для кранов режима работы 5К-6К металлургического производства поперечное горизонтальное усилие на колесе при расчете подкрановых  балок:

Расчетные усилия на колесе крана:

Здесь k – коэффициент динамичности, зависящий от режима работы и пролета подкрановой балки.

2. Определение расчетных усилий

 

Максимальный  момент возникает в сечении, близком  к середине пролета. Загружаем линию  влияния момента в среднем сечении, устанавливая краны невыгоднейшим образом.

 

 

Расчетный момент от вертикальной нагрузки:

- коэффициент, учитывающий влияние  веса балки.