К.Ф. Шагивалеев, Е.К. Сурнина
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

 

 

СТАЛЬНОЙ КАРКАС

ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЗДАНИЯ

 

Учебное пособие

для студентов специальности 271101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений». Специализация №1 «Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений».

 

Саратов 2016


 

УДК 624.014

ББК38.54

  Ш 15

 

Рецензенты

Кафедра

Кафедра "Промышленное и гражданское строительство" Балаковского инженерно-технологического института (филиал)-«Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ"»

Директор ООО «Экспресс-проект»

А.А.Пшенов

 

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного технического университета

 


Шагивалеев К.Ф., Сурнина Е.К.

Ш 15 Стальной каркас производственного здания: учеб. пособие / К.Ф.Шагивалеев, Е.К. Сурнина. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2016. − с.

ISBN

 

Пособие представляет собой практическое пособие по проектированию конструкций стального каркаса однопролетного производственного здания. Пособие в основном ориентировано на выполнение курсового проекта по дисциплине «Металлические конструкции», но может быть использовано и в дипломном проектировании.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 271101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений». Специализация №1 «Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений».

УДК 624.014

ББК38.54

© Саратовский государственный

технический университет, 2016

© Шагивалеев К.Ф.,

ISBN                                                                                                            Сурнина Е.К., 2016

 

 


 


ВВЕДЕНИЕ

Цель курсового проекта привить студенту практические навыки в сборе действующих нагрузок, в расчете и конструировании металлических конструкций зданий и сооружений с высокими технико-экономическими показателями.

Задание на курсовой проект выдается в виде схемы с указанием основных размеров сооружения и основных нагрузок. Отсутствующие в задании данные принимаются студентом самостоятельно на основе конструктивной или технико-экономической целесообразности.

Класс сооружений КС-2 (нормальный). Коэффициент надежности по ответственности   в курсовом проекте принять равным единице.

При работе над курсовым проектом студент обязан: выполнить компоновку каркаса здания в целом и отдельных его элементов, составить конструктивную и расчетную схемы и собрать нагрузки, приходящиеся на раму от примыкающих элементов, рассчитать поперечную раму здания на различные загружения и остальные конструктивные элементы каркаса и их сопряжения, составить пояснительную записку и графически оформить проект.

Последовательность расчета конструктивных элементов каркаса должна соответствовать направлению силового потока от места его возникновения (приложения нагрузок) до места передачи на основание здания.

С этой точки зрения расчет целесообразно вести в такой последовательности:

1. Конструирование и расчет подкрановой балки:

а) определение нормативных и расчетных нагрузок;

б) статический расчет подкрановой балки (определение наибольших значений изгибающего момента и поперечной силы от крановых нагрузок);

в) подбор поперечного сечения подкрановой балки и тормозной балки (фермы), если она необходима (компоновка сечения);

г) проверка прочности;

д) проверка выносливости;

е) проверка общей устойчивости подкрановой балки;

ж) проверка местной устойчивости элементов подкрановой балки;

з) расчет поясных швов;

и) расчет опорной части балки.

2. Статический расчет рамы:

а) выбор расчетной схемы рамы;

б) сбор нагрузок на поперечную раму;

в) статический расчет рамы (статический расчет рамы следует производить на ЭВМ);

г) составление сочетаний и комбинаций нагрузок;

д) определение расчетных усилий.

3. Конструирование и расчет фермы:

а) определение нормативных и расчетных нагрузок;

б) определение усилий в элементах фермы;

в) подбор сечений элементов фермы (сечения поясов, раскосов и стоек);

г) расчет соединений;

д) конструирование узлов фермы;

е) конструирование и расчет стыков элементов фермы;

и) конструирование и расчет укрупнительных стыков фермы.

4. Конструирование и расчет колонны.

а) определение расчетных усилий;

б) определение расчетных длин колонны;

в) подбор поперечного сечения верхней части колонны;

г) подбор поперечного сечения нижней части колонны;

д) конструирование и расчет соединительной решетки (в сквозных колоннах);

е) расчет подкрановой консоли (если консоль предусмотрена);

ж) конструирование и расчет узла сопряжения верхней части колонны с нижней;

з) конструирование и расчет укрупнительного стыка колонны (если он необходим);

и) конструирование и расчет оголовка колонны;

к) конструирование и расчет базы колонны;

л) расчет анкерных болтов;

м) конструирование и расчет узла сопряжения фермы с колонной.

 

Расчетно-пояснительная записка выполняется на листах формата А4. В пояснительную записку обычно включается следующий материал.

1. Исходные данные для проектирования.

2. Компоновочная часть. Здесь приводятся соображения, обоснования и в необходимых случаях соответствующие расчеты по выбору конструктивной схемы и размеров основных элементов каркаса. Здесь же описываются материалы несущих и ограждающих конструкций, приводятся схемы связей.

3. Конструктивно-расчетная часть. Здесь обычно приводятся расчет подкрановой балки, статические расчеты поперечной рамы и ее элементов (ригеля, колонны и т.п.), расчеты элементов каркаса, узлов и сопряжений, приводятся соответствующие эскизы, чертежи.

Графическая часть курсового проекта выполняется на двух листах формата А1. Чертежи должны содержать исчерпывающую информацию о разработанных конструкциях, элементах и узлах. Чертежи должны быть выполнены в соответствии с ГОСТ 2.410 − 68* Единая система конструкторской документации. Правила выполнения чертежей металлических конструкций [2] и ГОСТ 21.502 − 2007 Система проектной документации для строительства. Правила выполнения проектной и рабочей документации металлических конструкций [3].

На первом листе размещаются:

1. Поперечный разрез здания, схемы связей по верхним и нижним поясам ферм, вертикальные связи по фермам и между колоннами.

2. Конструктивный чертеж подкрановой балки.

3. Конструктивный чертеж колонны.

4. Наиболее характерные узлы – сопряжение фермы с колонной, сопряжение подкрановой балки с колонной, база колонны.

На втором листе размещается чертеж отправочного элемента стропильной фермы (фасад, планы верхнего и нижнего поясов, вид с торца). На этом же листе помещаются: геометрическая схема фермы с указанием размеров по осям и с указанием расчетных усилий в элементах фермы (на одной половине размеры элементов фермы в мм, а на другой – усилия в кН), укрупнительные стыки, спецификации, примечания.

Правая часть листа над основной надписью отводится для размещения спецификаций, таблиц и примечаний.

В конце пособия приведен список литературы, который поможет студенту при выполнении курсового проекта.

 

1. КОМПОНОВКА КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ КАРКАСА

 

Проектирование каркаса производственного здания начинают с выбора конструктивной схемы и ее компоновки.

Стальной каркас одноэтажного производственного здания представляет собой пространственную систему, скомпонованную из многих элементов.

Рисунок 1

Основой каркаса является поперечная рама, состоящая  большей частью из ступенчатых колонн и сквозных ригелей (рисунок 1).

В состав каркаса одноэтажного производственного здания кроме поперечных рам входят: подстропильные и промежуточные стропильные фермы, фермы фонаря, прогоны, связи, подкрановые и тормозные балки и элементы стенового каркаса (фахверк).

Первая задача, которую приходиться решать при компоновке одноэтажного производственного здания, − расстановка колонн в плане.

Расстояние между разбивочной осью и наружной гранью колонны а       (привязка колонн к разбивочным осям см. рисунок 1) может быть нулевой, 250 или 500 мм.

Нулевую привязку принимают в зданиях без мостовых кранов, а также в невысоких зданиях (при шаге колонн 6 м), оборудованных кранами грузоподъемностью не более 30 т.

Привязку размером а = 500 мм принимают для относительно высоких зданий (свыше 30м) с кранами грузоподъемностью 75 т и более, а также если в верхней части колонны устраивается проем для прохода. В остальных случаях а = 250 мм.

Расстояние между осями колонн соседних рядов в поперечном направлении называется пролетом (обозначается буквой l).

Расстояние между осями колонн в продольном направлении называется шагом колонн (обозначается буквой В).

Чтобы избежать применения дополнительных (доборных) элементов стенового ограждения, расстояние между осями торцевой и второй от торца рам принимают на 500 мм меньше величины установленного шага (рисунок  2).

Рисунок 2. Размещение колонн однопролетного здания: I, II – соответственно поперечные и продольные разбивочные оси

 

При больших размерах здания в плане в элементах каркаса могут возникать большие дополнительные напряжения от изменения температуры. Поэтому в необходимых случаях здание разрезается на отдельные блоки поперечными и продольными температурными швами. Предельные размеры температурных блоков, при которых влияние климатических температурных воздействий можно не учитывать указаны в таблице 1.

Таблица 1

Предельные размеры температурных блоков зданий, м

Характеристика зданий

Стальной каркас

Смешанный каркас

(железобетонные колонны)

Длина блока вдоль здания

Ширина блока поперек здания

Длина блока вдоль здания Ширина блока поперек здания
Отапливаемое

230 (160)

150 (110) 65 65
Неотапливаемое и горячие цеха

200 (140)

120 (90) 45 45
           

П р и м е ч а н и е. Размеры в скобках даны для зданий, эксплуатируемых при расчетных температурах наружного воздуха от − 40 до – 650 С.

В задании на разработку курсового проекта устанавливаются следующие основные данные: пролет здания, шаг колонн, длина здания, грузоподъемность кранов, режим  работы, отметка головки кранового рельса ( полезная высота цеха), а также указывается район строительства.

Компоновку поперечной рамы начинают с установления вертикальных размеров. Размеры по вертикали привязывают к отметке уровня пола, принимая ее нулевой (см. рисунок 1). Вертикальные размеры здания определяются расстоянием от уровня пола до головки кранового рельса  , т.е. отметкой головки кранового рельса, задаваемый технологами, и расстоянием от головки кранового рельса до низа несущих конструкций покрытия , обеспечивающим нормальную эксплуатацию мостовых кранов. В сумме эти размеры составляют высоту цеха  (см. рисунок 1).

Размер  диктуется габаритными размерами мостового крана и условиями нормальной эксплуатации крана и несущих конструкций производственного здания:

(1)

где  − расстояние от головки кранового рельса до верхний точки тележки крана плюс установленный по требованиям техники безопасности зазор между этой точкой и строительными конструкциями, равный 100 мм;

f – размер, учитывающий прогиб конструкций покрытия (ферм, связей), принимаемый равным 200-400 мм, в зависимости от величины пролета (чем больше пролет, тем больше размер).

Габаритные размеры мостовых кранов даются в соответствующих стандартах и заводских каталогах.

Окончательный размер   принимается кратным 200 мм.

Устанавливают высоту цеха от уровня пола до низа стропильных ферм (ригелей):

 . (2)

Размер Н0 принимается кратным 1,2 м до высоты 10,8 м, а при большей высоте – кратным 1,8 м из условия соизмеримости со стандартными ограждающими конструкциями. В отдельных случаях при соответствующем обосновании размер Н0  принимается кратным 0,6 м. Если при этом требуется несколько увеличить высоту цеха, то следует изменить отметку головки рельса, а размер  оставить минимально необходимым и кратным 200 мм.

Далее устанавливают размеры верхней и нижней частей колонны, мм:

(3)
(4)

где − размеры верхней и нижней частей колонны;

    − высота подкрановой балки, которая предварительно принимается равной 1/8 − 1/10 пролета подкрановой балки (шага колонн);        

   − высота кранового рельса ;

− принимаемое заглубление опорной плиты башмака колонны ниже нулевой отметки пола.

Размер окончательно уточняют после расчета подкрановой балки, а расчет рамы можно вести по предварительным размерам.

Общая высота колонны рамы от низа базы до низа ригеля:

(5)

Высота части колонны у опоры ригеля  зависит от принятой конструкции стропильных ферм и равна их высоте на опоре. В типовых стропильных фермах под рулонную кровлю с уклоном  i = 2,5 %,  (по обушкам уголков).

Если на здании есть светоаэрационные или аэрационные фонари, то их высоту  определяют светотехническим или теплотехническим расчетом, уклон кровли фонарей обычно принимают таким же, как и кровли здания.

Установив все необходимые размеры по вертикали, переходят к определению основных размеров по горизонтали.

Размеры по горизонтали привязывают к продольным осям здания.

Высоту сечения верхней части ступенчатой колонны назначают из условия жесткости не менее 1/12 ее высоты (от верха уступа до низа стропильной фермы). Обычно высоту сечения колонны принимают 450 или 700 мм.

В каркасах зданий с кранами тяжелого режима работы (Т) и весьма тяжелого режима работы (ВТ) возникает необходимость частого осмотра и ремонта крановых путей. Для выполнения этих работ в стенках верхних частей колонн устраиваются проходы шириной не менее 400 мм и высотой 2000 м. Высота сечения верхней части колонны получается не менее 1000 мм.

Чтобы кран при движении вдоль цеха не задевал колонну, расстояние от оси подкрановой балки до оси колонны должно быть не менее, мм:

(6)

где − размер части мостового крана, выступающей за ось рельса, принимаемый по ГОСТ  на краны;

     75 мм – зазор между краном и колонной, принимаемый по требованиям безопасности;

    − расстояние от продольной оси здания до внутренней грани верхней части колонны.

При устройстве прохода вне колонны размер   включает еще 450 мм (400 мм минимальный габарит прохода и 50 мм на ограждение).

Пролеты кранов   имеют модуль 500 мм, поэтому размер  должен быть кратным 250 мм.

Размеры пролета здания   и пролета крана  связаны зависимостью:

(7)

Ось подкрановой ветви колонны совмещают с осью подкрановой балки, в этом случае высота сечения нижней части колонны:

. (8)

Верхнюю часть колонны проектируют сплошной, двутаврового сечения; нижнюю часть принимают сплошной при ширине до 1 м включительно, а при большей ширине ее экономичней делать сквозной.

При компоновке устанавливаются схемы и размеры связей, фахверка и других элементов каркаса.

Связи являются важными элементами каркаса.

Связи предназначаются для обеспечения неизменяемости пространственной системы каркаса и устойчивости его сжатых элементов; восприятия и передачи на фундаменты некоторых нагрузок (ветровых, горизонтальных от кранов); обеспечения совместной работы поперечных рам при местных нагрузках (например, крановых); создания жесткости каркаса, необходимой для обеспечения нормальных условий эксплуатации; обеспечения необходимых условий монтажа элементов сооружения.

Связи подразделяются на связи между колоннами и связи между фермами (связи по покрытию).

Связи по покрытию. Система связей покрытия предназначена для обеспечения пространственной работы и придания пространственной жесткости каркасу, обеспечения устойчивости конструкций в целом и их отдельных элементов, восприятия горизонтальных нагрузок от ветра, воздействия сейсмики и кранового оборудования, а также для выверки конструкций и обеспечения их устойчивости в процессе монтажа.

Система связей покрытия состоит из горизонтальных и вертикальных связей. Горизонтальные связи располагаются в плоскостях нижнего и верхнего поясов ферм. Горизонтальные связи состоят из поперечных и продольных (рисунок 3).

Поперечные горизонтальные связи ставятся по торцам здания или температурного блока. При значительной длине здания или температурного блока (более 144 м ) применяют промежуточные горизонтальные связи.

На участке расположения поперечных связей ставят вертикальные связи между фермами. Вертикальные связи предназначаются для удержания ферм в проектном (вертикальном) положении. Их устанавливают на опорах и в пролете ( по коньку). Промежуточные стропильные фермы закрепляют с помощью распорок и растяжек.

Продольные связевые фермы соединяют отдельные плоские рамы каркаса в жесткую пространственную систему, создавая условия для перераспределения местных нагрузок (крановых моментов и сил поперечного торможения кранов).

Рисунок 3. Связи между фермами а – по верхним поясам ферм; б – по нижним поясам ферм; в – вертикальные; 1 – распорка в коньке; 2 – поперечные связевые фермы; 3 – продольная связевая ферма; 4 – растяжка по нижнему поясу; 5 – вертикальные связи.

 

Связи между колоннами. Эти связи предназначены для создания продольной жесткости каркаса и закрепления колонн из плоскости рамы, а также для восприятия сил продольного торможения кранов и давления ветра на торцы здания (рисунок 4).

В верхней (надкрановой) части колонн при жестком сопряжении ригеля с колоннами применяют две вертикальные связи: верхнюю в плоскости шатра и нижнюю между нижними поясами стропильных ферм и тормозными балками.

Вертикальные связи в верхней части колонн устанавливают у торцов здания, у температурных швов и в средней части температурного отсека, как правило, между осями, где поставлены поперечные связи шатра.

Для уменьшения усилий в продольных элементах каркаса от температурных воздействий следует размещать связи в нижней части колонн только в середине температурного отсека, под вертикальными связями верхней части колонны.

Рисунок 4.  Вертикальные связи а, б – при длине температурного отсека соответственно до 180 и свыше 180 м; в,г – схемы вертикальных связей при шаге колонн соответственно 6 и 12 м.

 

При значительной высоте подкрановой части колонны для их развязки из плоскости рам возможно размещение распорок вдоль всей длины здания или температурного отсека (рисунок 4г). Необходимость в них устанавливается при проверке устойчивости нижних частей колонн из плоскости поперечной рамы.

Общая схема каркаса представлена на рисунок 5.

Рисунок 5. Схема каркаса

 

 

2. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНОЙ РАМЫ

Дата: 2018-12-21, просмотров: 432.