Определение расчетных усилий в элементах рамы

Методика статического расчета рамы

1. По конструктивной схеме выбираем расчетную схему. Задаем жесткости элементов (или их соотношение).

2. Выбираем метод расчета и основную систему.

3. Для основной системы построим эпюры M_i от единичных неизвестных (один раз для всех нагрузок) и эпюры М_рот данной нагрузки. При построении эпюр можно для стоек постоянного сечения и ступенчатых воспользоваться готовыми формулами, таблицами численных значений, графиками.

4. Составить канонические уравнения метода перемещений или метода сил и найти их коэффициенты. Например, при одном известном:

(метод перемещений); (1)

(метод сил) (2)

5. Решить канонические уравнения, найдя неизвестные для плоской
отдельной рамы.

6. Учесть пространственную работу каркаса. При расчете методом
сил Х_пр = Х - X_R, где X - неизвестное, определенное для плоской рамы,
X_R - реакция упругого отпора по направлению неизвестного X..

7. Построить эпюры М, Q, N,значения которых S во всех характерных сечениях рамы определяются как

(3)

где S_p - усилие в сечении основной системы от нагрузки; S_i - усилие в основной си­стеме от i-гo единичного неизвестного; X_npi - i-e неизвестное, определенное с учетом пространственной работы (для нагрузок, воздействующих на все рамы каркаса, Х_пр = Х, т. е. неизвестному, определенному для плоской отдельной рамы).

8. Проверить правильность построения эпюр.

Определение расчетных усилий в элементах рамы

Определив в раме изгибающие моменты и нормальные силы от каж­дой из расчетных нагрузок, нужно найти их наиболее невыгодные сочетания, которые могут быть не одинаковыми для разных сечений эле­ментов рамы. Как уже отмечалось, нормами проектирования предусмот­рены основные и особые сочетания нагрузок. При составлении основ­ных сочетаний учитываются:

1) постоянные нагрузки, плюс временные длительные нагрузки, плюс одна кратковременная с коэффициентом со­четаний, равным единице;

2) постоянные и временные длительные на­грузки, плюс не менее двух кратковременных нагрузок, умноженных каждая на коэффициент сочетаний 0,9.

Особые сочетания составляются при наличии сейсмических и других особых нагрузок.

Для рам промышленных зданий обычно составляются комбинации нагрузок основных сочетаний. Нагрузки от снега, кранов и ветра от­носятся к кратковременным, при этом нагрузки от вертикального и по­перечного воздействия одного или двух мостовых кранов рассматри­ваются при учете сочетаний как одна кратковременная нагрузка. Для удобства определения расчетных усилий составляют сводные таблицы усилий в характерных сечениях для колонн рамы. Мо­менты в опорных сечениях ригеля равны моментам, действующим в се­чении 1-1 для колонн. В таблице усилий выписывают значения момен­тов М и продольных сил N отдельно от всех нагрузок, причем для удоб­ства определения расчетных комбинаций усилий они приводятся с коэффициентами сочетаний 1 и 0,9 (кроме постоянных и временных дли­тельных нагрузок, которые всегда берутся с коэффициентом 1). Усилия М и N выписываются для сечений, где усилия носят скачкообразный характер и где размер сечения стержня колонны изменяется. Если в верхней части колонны есть проем для прохода, то у начала и конца проема тоже определяются усилия.

Для нижнего участка колонны кроме усилий Ми Nопределяют зна­чение поперечной силы Q, которая необходима для расчета раскосов сквозных колонн и фундаментов.

Для расчета анкерных болтов составляют специальную комбинацию расчетных усилий в сечении 4-4. Обычно она включа­ет в себя наименьшую продольную силу с наибольшими возможными моментами, причем продольная сила от постоянной нагрузки учитыва­ется с коэффициентом перегрузки 0,9, так как она разгружает анкерные болты.

Так как заранее не известно, при каких комбинациях нагрузок на­пряжения в расчетных сечениях колонны будут иметь наибольшую ве­личину, то по данным статического расчета составляют несколько ком­бинаций расчетных усилий. Комбинации нагрузок должны быть воз­можными, т. е. нельзя рассматривать усилия от боковых сил крана без учета вертикальных усилий, нельзя не учитывать постоянную нагрузку. По составленным комбинациям усилий в каждом сечении определяется наивыгоднейшая.

Конструкции покрытия

Покрытие производственного здания состоит из кровельных (ограж­дающих) конструкций, несущих элементов (прогонов, ферм, фонарей), на которые опирается кровля, и связей по покрытию, обеспечивающих пространственную неизменяемость, жесткость и устойчивость всего покрытия и его отдельных элементов.

Конструкция кровли

Покрытие производственного здания решается с применением про­гонов или без них. В первом случае между стропильными фермами че­рез 1,5-3 м устанавливают прогоны, на которые укладывают мелко­размерные кровельные плиты, листы, настилы. Во втором случае непосредственно на стропильные фермы укладывают крупно­размерные плиты или панели шириной 1,5-3 м и длиной 6 или 12 м, совмещающие функции несущих и ограждающих конструкций.

Кровля по прогонам получается легче вследствие небольшого проле­та ограждающих элементов, но требует большего расхода металла (на прогоны) и более трудоемка в монтаже. Беспрогонная кровля индустриальна и проста в монтаже, обеспечивает меньший расход стали (при применении железобетонных панелей); основной недостаток ее - боль­шая масса.

Снижение массы кровельной конструкции имеет важ­ное значение, ибо уменьшает стоимость не только конструкции кровли, но и всех нижерасположенных конструкций: фонарей, ферм, колонн и фундаментов.

Выбор конструкции кровли производится на основании технико-экономического сравнения возможных вариантов с учетом технологических и экономических факторов - назначения здания, температурно-влажностного режима внутрицеховой среды, стоимости возведения, наличия производственной базы по изготовлению крупноразмерных панелей в районе строительства, условий транспортировки, обеспеченности мон­тажными механизмами и т. д.

Прогоны

Прогоны воспринимают нагрузку от кровли и передают ее на стро­пильные конструкции. Прогоны бывают сплошного сечения и решетча­тые. Сплошные прогоны тяжелее решетчатых, но значительно проще в изготовлении и монтаже. Они применяются при шаге ферм 6 м. Сплош­ные прогоны обычно изготовляются из прокатных швеллеров, реже из двутавров. Более рациональны прогоны из гнутых профилей швеллер­ного, С-образного и Z-образного сечения. Такие прогоны мо­гут иметь развитую высоту при тонкой стенке. Для обеспечения местной устойчивости полок устраивают отгибы.

При легкой кровле и небольших снеговых нагрузках прогоны из гну­тых профилей могут применяться при шаге ферм до 12м. При больших нагрузках более рациональны сквозные прогоны из перфорированного двутавра («сквозной» двутавр) и тонкостенных балок.

По расходу стали прогоны из «сквозных» двутавров приближаются к решетчатым, а по стоимости на 10-15 % дешевле.

Еще более эффективно использование для прогонов тонкостенных
балок. Учет закритической стадии работы стенки позволяет уменьшить
ее толщину и принять гибкость стенки (отношение высоты к толщине)
200 - 300. Такие прогоны на 8—18 % легче решетчатых. Для изготовле­ния тонкостенных балок-прогонов разработана поточная линия с при­менением высокочастотной сварки.

Покрытия по прогонам

Прогоны устанавливают на верхний пояс стропильных ферм в их узлах. В качестве прогонов применяют прокатные балки, гнутые про­фили либо легкие сквозные конструкции (при шаге ферм больше 6 м). Кровельные покрытия бывают теплыми (с утеплителем) в отапливае­мых производственных зданиях и холодными без утеплителя (для не­отапливаемых зданий, а также горячих цехов, имеющих избыточные тепловыделения от технологических агрегатов).

Для теплых кровель в качестве несущих элементов, укладываемых по прогонам, широко используется стальной профилированный настил. Применяют также мелкоразмерные керамзитобетонные, армоцементные и асбестоцементные плиты, трехслойные панели типа сэндвич, состоя­щие из двух металлических листов, между которыми расположен утеп­литель, или монопанели с несущим слоем из профилированного настила и гидроизоляцией из мягкой кровли.

Профилированный настил (рис.) изготовляют из оцинкованной рулонной стали толщиной t=0,8; 0,9; 1 мм; высота профиля h=40, 60 и 80 мм; ширина B = 680, 711 и 782 мм; длина до 12 м.

Профилированные листы укладывают по прогонам, расположенным через 3-4 м. При шаге стропильных ферм 4 м настил может опираться непосредственно на фермы.

Настил крепится к прогонам самонарезающими винтами. Между собой листы настила соединяются комбинированными заклепками, по­зволяющими вести клепку с одной стороны настила. Масса настила – 10-15 кг/м².

Холодные кровли выполняют из волнистых асбестоцементных, стальных или алюминиевых листов, укладываемых по прогонам, распо­ложенным через 1,25-1,5 м. Масса асбестоцементных листов в сред­нем 20 кг/м². Стальные волнистые листы изготовляют из холодноката­ной стали толщиной от 1 до 1,8 мм. Высота волны h=30 и 35 мм. Мас­са 15-20 кг/м². Алюминиевые волнистые листы имеют толщину 0,6 - 1,2 мм и массу 5 - 7 кг/м². Волнистые листы крепят к прогонам с по­мощью специальных упругих кляммеров или крюков из круглой стали.

Для обеспечения водоотвода в местах стыков волнистые листы пере­пускают внахлестку на 150 - 200 мм, при этом уклон кровли для асбе­стоцементных листов должен быть не менее 1/4; а для стальных и алю­миниевых — не менее 1/6.

Во избежание электрохимической коррозии в местах контакта алю­миния со сталью при установке алюминиевых листов на стальные про­гоны соприкасающиеся поверхности покрывают специальными грунтами (например, АЛГ) или применяют изолирующие прокладки. Стальные метизы для крепления листов нужно оцинковывать или кадмировать.

Рис.Теплая кровля со стальным профилированным настилом

а - профилированный настил; б - комбинированная заклепка; в - узел кровельного покрытия; 1 - стальной стержень; 2 - алюминиевая втулка; 3 - самонарезающий винт; 4- комбинированные

Беспрогонные покрытия

Для покрытий производственных зданий широко применяют различ­ного вида крупнопанельные железобетонные плиты шириной 3 м и дли­ной 6 и 12 м. Продольные ребра плит опираются непосредственно в уз­лах верхнего пояса ферм и привариваются минимум по трем углам. Иногда в качестве доборных применяют плиты шириной 1,5 м. В этом случае верхний пояс ферм необходимо рассчитать с учетом ме­стного момента от внеузловой передачи нагрузки или поставить допол­нительные шпренгели, подкрепляющие верхний пояс в местах опирания плит. Типы плит покрытия и их характеристики указаны в каталогах типовых сборных железобетонных изделий.

Основной недостаток крупнопанельных железобетонных плит - их большой собственный вес (1,4 - 2,1 кН/м²), что утяжеляет все нижеле­жащие конструкции каркаса здания.

Для снижения нагрузок от покрытия в последнее время находят применение металлические панели шириной 1,5 и 3 м и длиной 6 и 12 м. Масса таких панелей в 4 - 5 раз меньше, чем железобетонных. По срав­нению с кровлей по прогонам металлические панели более индустриальны и позволяют значительную часть работ по устройству кровли пе­ренести на заводы металлических конструкций или в специализирован­ные мастерские. Однако расход стали на них по сравнению с прогонным решением несколько больше за счет дополнительных элементов, необ­ходимых для обеспечения жесткости панелей при транспортировке и монтаже.

Утепленные стальные панели обычно состоят из каркаса, профили­рованного настила, эффективного утеплителя и гидроизоляционного слоя.

Неутепленные стальные панели применяются в покрытиях зданий со значительными тепловыделениями.

Панели с использованием алюминиевых сплавов отличаются малой массой и высокой коррозионной стойкостью. Однако из-за высокой сто­имости алюминия их применение требует дополнительного технико-экономического обоснования.