Расчет и конструирование колонны

СОДЕРЖАНИЕ

1 КОМПОНОВКА КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ КАРКАСА ЗДАНИЯ..

1.1 Разбивка сетки колонн.

1.2 Выбор ограждающих конструкций.

1.3 Компоновка поперечной рамы каркаса здания.

1.4 Схема связей между колоннами.

1.5 Связи по покрытию..

1.6 Разработка схемы фахверка.

2 РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ ЗДАНИЯ..

2.1 Расчетная схема рамы..

2.2 Сбор нагрузок на раму.

2.3 Таблица расчетных усилий в элементах рамы..

3 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КОЛОННЫ...

3.1 Определение расчетной длины надкрановой и подкрановой частей колонны в плоскости и из плоскости рамы..

3.2 Подбор сечения стержня колонны и проверка общей и местной устойчивости.

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

3.4 Расчет базы колонны..

4 РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОПИЛЬНОЙ ФЕРМЫ...

4.1 Сбор нагрузок на ферму.

4.2 Определение расчетных усилий в стержнях фермы, расчетных длин стержней.

4.3 Подбор сечения стержней.

4.4 Конструирование и расчет монтажных, промежуточных и опорных узлов фермы..

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..

1 КОМПОНОВКА КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ КАРКАСА ЗДАНИЯ

1.1 Разбивка сетки колонн

В соответствии с требованиями унификации промышленных зданий расстояние между колоннами поперек и вдоль здания принимаем кратно 6 м. для создания возможно большей жесткости каркаса и снижения нагрузок на колонны их шаг принимаем равным = 6 м. Крайние колонны смещаем от оси на 500 мм для удобства оформления углов здания ограждающими панелями.

На рисунке 1 приведем эскиз плана здания.

Рисунок 1 – Схема колонн в плане

1.2 Выбор ограждающих конструкций

В качестве ограждающих конструкций стен для проектирования отапливаемого здания принимаем сплошные железобетонные трехслойные панели со средним слоем утеплителя шириной 1,8 м, длиной 6 м.

Покрытие принимаем беспрогонного типа, несущая конструкция – стропильная ферма пролетом 30 м. ограждающей конструкцией покрытия являются железобетонные ребристые плиты длиной 6 м, шириной 1,5 м и 1,2 м. Здание отапливаемое, поэтому принимаем утеплитель. Конструкция покрытия – в таблице сбора нагрузок.

1.3 Компоновка поперечной рамы каркаса здания

Поперечная рама состоит из ступенчатых колонн, жестко защемленных в фундаменте, и ригелей в виде решетчатых стропильных ферм, жестко или шарнирно соединенных с колоннами. Сопряжение ферм с колоннами целесообразнее принять жесткими при значительных воздействиях мостовых кранов.

Компоновка поперечной рамы включает установление основных вертикальных и горизонтальных размеров. Эти размеры принимаем в соответствии с требованиями унификации и ГОСТ «Мостовые краны». Размеры по вертикали привязываем к отметке пола.

Устанавливаем вертикальные размеры рамы:

H2 = Hк + а + 100 мм

где H₂ – высота мостового крана;

H_к – габаритный размер (высота) мостового крана (от головки подкранового рельса до верхней точки тележки), H_к = 3150 мм (принимается в зависимости от грузоподъемности крана и пролета здания);

а – возможный прогиб фермы, 300 мм;

100 мм – зазор между верхней точкой тележки и низом фермы.

H₂ = 3150 + 300 + 100 = 3550 мм

Находим расстояние от уровня пола до низа фермы:

H = H2 + H1

где H₁ – расстояние от уровня пола до головки подкранового рельса, H₁ = 14000 мм.

H = 3550 +14000 = 17550 мм

Величина H должна быть кратна ширине стеновой панели, равной 1800 мм, окончательно принимаем H = 18000 мм. В соответствии с кратностью принимаем величину H₁ = 14450 мм и H₂ =3550 мм.

Высота верхней части колонны:

HВ = H2 + hп.б. + hр

где h_п.б = 1000 мм (при шаге колонн 6 м);

h_р – высота подкранового рельса, h_р = 130 мм (тип рельса КР-80).

H_В = 3550 + 1000_. + 130 = 4680 мм

Высота нижней части колонны:

HН = H – HВ + hз

где h_з – величина заделки, h_з = 1200 мм

H_Н = 18000 – 4680 + 1200 = 14520 мм

Определяем горизонтальные размеры.

Ширина верхней части колонны:

bВ = 2b0

где b₀ – привязка наружной грани колонны, для грузоподъемности 500 кН при среднем режиме работы b₀ = 250 мм.

b_В = 2 · 250 = 500 мм

Ширина нижней части колонны:

bН = b0 +

где – расстояние от оси колонны до оси подкрановой балки.

(bb - b0) + + B1

где B₁ – расстояние от габарита крана до середины рельса, B₁ = 300 мм;

– расстояние между крайней точной крана и гранью колонны, мм.

= (500 – 250) + 300 +75 = 625 мм

Величина должна быть кратна 250 мм, окончательно принимаем = 750 мм.

b_Н = 250 +750 = 1000мм

Проверка местной устойчивости нижней и верхней частей колонны:

bВ	500 мм 390 мм
bН	1000 мм 900 мм

Местная устойчивость нижней и верхней частей колонны обеспечена.

Поперечную раму покажем на рисунке 2.

Рисунок 2 – Поперечная рама здания

1.4 Разработка системы связей каркаса

При проектировании стального каркаса промышленного здания устраиваем две системы связей – по колоннам и по покрытию, которые необходимы для:

1) обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов;

2) восприятие ветровых нагрузок и инерционных воздействий крана;

3) создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации в течение всего периода службы здания;

4) обеспечения условий для качественного и удобного монтажа элементов сооружения.

1.4.1 Связи между колоннами

Вертикальные связи между колоннами устраиваем двух видов:

· верхние (надкрановый ярус);

· нижние (образуют вместе с колоннами и подкрановыми балками жестокую в продольном направлении конструкцию).

Расстояние между вертикальными связями не должно превышать 60 м, поэтому устанавливаем вертикальные связи в торцах здания и посередине длины. Применяем крестовую систему связей, в которой угол решетки связи к горизонтали от 35 до 55°.

Схема связей между колоннами изображены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема связей между колоннами

1.5 Связи по покрытию

Связи по конструкциям покрытия шатра располагаем:

1) в плоскости верхних стропильных ферм (поперечная связевая ферма) и продольной распорки между ними;

2) в плоскости нижних поясов стропильных ферм (поперечная и продольная связевая ферма).

Связи располагают в тех же разбивных осях, что и вертикальные связи между колонн.

Назначение верхних связей – восприятие части ветровой нагрузки, а также предотвращение от выпучивания сжатых стержней верхних поясов. Нижние связи предназначены для восприятия ветровых, крановых нагрузок, а так же крановых тормозящих усилий поперечного направления.

Схема связей по верхним и нижним поясам ферм изображены на рисунках 4 и 5 соответственно.

Рисунок 4 – Схема связей по верхним поясам ферм

Рисунок 5 – Схема связей по нижним поясам ферм

1.6 Разработка схемы фахверка

Фахверком называется система конструктивных элементов, служащих для поддержания стенового ограждения и восприятия ветровой нагрузки.

Поскольку в курсовом проекте принимаем длину стеновых панелей равной шагу колонн В = 6 м, то необходимости в дополнительной конструкциях фахверка вдоль здания нет, следовательно проектируем только торцевой фахверк, то есть в торцах здания устанавливаем фахверковые колонны с шагом 6 м.

Рисунок 6 – Схема торцевого фахверка

2 РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ КАРКАСА

2.1 Выбор расчетной схемы

При расчете поперечной рамы ее конструктивную схему приводим к расчетной, в которой стержни рамы заменяем их центральными осями. При этом опирание стержней колонны считаем на уровне низа базы (плиты). Опирание ригеля вверху считаем на уровне низа фермы. Сопряжение колонны с фундаментом принимаем жестким, сопряжение фермы с колонной также жесткое.

Рисунок 7 – Расчетная схема рамы

Принимаем , , .

2.2 Сбор нагрузок действующих на раму

На поперечную раму цеха действуют постоянные нагрузки – от веса ограждающей и несущей конструкции; временные нагрузки – от мостовых кранов и атмосферные (снег и ветер). Эпюра строится от каждой нагрузки отдельно.

2.2.1 Постоянные нагрузки

Постоянные нагрузки на ригель рамы составляем в табличной форме (табл. 1), принимая в качестве утеплителя пенобетон. Основной ограждающей конструкции покрытия является ж/б плита.

Таблица 1 – Постоянные нагрузки, действующие на раму

№	Состав покрытия	Нормативная нагрузка, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке γf	Расчетная нагрузка, кН/м2
	Защитный слой из гравия на битумной мастике	0,18	1,3	0,23
	Гидроизоляция в четыре слоя гидроизола	0,16	1,3	0,21
	Асфальтовая стяжка (δ = 0,02 м, γ = 18 кН/м3)	0,36	1,2	0,43
	Утеплитель – пенобетон (δ = 0,12 м, γ = 5 кН/м3)	0,6	1,2	0,72
	Пароизоляция	0,04	1,2	0,05
	Ж/б плита покрытия	2,0	1,1	2,2
	Итого	3,34		= 3,84 кН/м2

Нагрузка от кровли, кН/м:

кН/м

Нагрузка от собственного веса фермы и связей, кН/м:

,

где – коэффициент надежности по нагрузке для металлических конструкций, =1,05;

L – пролет фермы, L = 30 м;
B – шаг колонн, B = 6 м;

– коэффициент, зависящий от пролета фермы, для фермы пролетом 30 мпринимаем = 0,9.

кН/м

кН/м

2.2.2 Временные нагрузки

Снеговая нагрузка, кН/м:

,

где S₀ – расчетный вес снегового покрова по району. Для г. Омск S₀ = 1,8 кН/м², так как III снеговой район.

кН/м.

Крановые нагрузки, кН:

где – максимальное давление колеса крана, для крана грузоподъемностью 500 кНсосредним режимом работы и здания пролетом 30 м принимаем кН;
– вес одного погонного метра кранового рельса, для рельса типа КР-80 = 0,642 кН/м.

кН.

Рисунок 8 – Линия влияния крановых нагрузок на опорную реакцию
подкрановой балки

,

где В₂ – длина тележки, В₂ = 6860 мм.

К – расстояние между колесами, К = 5600 мм.

мм

;

,

где – коэффициент надежности по нагрузке для крановых нагрузок;

– коэффициент сочетания усилий для работы двух кранов, для среднего режима работы кранов принимаем ;

– сумма значений ординат с линии влияния крановой нагрузки;

– максимальное давление колеса крана, кН;

– минимальное давление колеса крана:

,

где – грузоподъемность крана;

– вес крана с тележкой, для крана с грузоподъемностью 500 кН принимаем кН;
– количество тормозных колес, для крана с грузоподъемностью 500 кН принимаем n₀ = 2;

кН.

Определяем значения ординат линии влияния из подобия треугольников:

; ; .

.

кН;

кН.

;

,

где –эксцентриситет. Значение определяется по формуле:

м.

кН·м;

кН·м;

Вес стеновых панелей не учитываем, так как вес передается на фундамент.

где – вес тележки крана, для крана с грузоподъемностью 500 кН принимаем кН;

кН.

Расчетная горизонтальная сила на колонну от поперечного торможения тележек крана определяется по формуле:

,

где – нормативная горизонтальная сила на одно колесо крана, направленная поперек кранового пути;

кН;

кН.

Ветровые нагрузки:

Полное расчетное значение ветровой нагрузки определяем по формуле:

, где

- нормативное значение ветрового давления. Для ветрового района, к которому относится город Омск, кПа;

- коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

- аэродинамический коэффициент. Принимаем равным - для наветренной стороны, для подветренной стороны;

- коэффициент надежности для ветровой нагрузки.

Расчетное значение ветровой нагрузки определяем на определенных уровнях высоты здания. Для данного здания определяем значения ветровой нагрузки на высотах соответственно 10 м, 20 м и 40 м от уровня земли. Для этого определяем значения коэффициента в соответствии со СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» для соответствующего типа местности:

; ; .

Значения ветровой нагрузки для наветренной поверхности на соответствующих высотах:

;

;

.

Значения ветровой нагрузки для подветренной поверхности на соответствующих высотах:

;

.

Рисунок 9 - Расчетная схема ветровых нагрузок

Для статического расчета рамы необходимо ветровую нагрузку заменить эквивалентной ей по действию. Вычисляем величину эквивалентной нагрузки для наветренной поверхности по формуле:

, где

- интенсивность ветровой нагрузки в уровне низа фермы. Определяем графически: ;

- интенсивность ветровой нагрузки в уровне низа фермы. Определяем графически: ;

м – высота фермы.

.

Для подветренной поверхности величина эквивалентной нагрузки:

.

Величину эквивалентной равномерно распределенной нагрузки для наветренной поверхности можно определить по формуле:

, где

- коэффициент, для зданий высотой 21 м принимаем равным ;

;

Для подветренной поверхности величина эквивалентной нагрузки:

;

Рисунок 10 - Распределение нагрузки, эквивалентной ветровой

Статический расчет рамы с учетом пространственной работы конструкции

Статический расчет рамы производим на ЭВМ с помощью ПК «Мираж», разработка НИИАСС, Киев, Украина.

По результатам расчета получаем значения усилий в сечениях рамы.

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КОЛОННЫ