Конструирование и расчет каркаса одноэтажного большепролетного здания. Компоновка сооружения и выбор генеральных размеров

Министерство Образования Российской Федерации

Новосибирский Государственный Архитектурно Строительный Университет

Кафедра деревянных и металлических конструкций

КУРСОВАЯ РАБОТА

Конструирование и расчет каркаса одноэтажного     большепролетного здания.

Выполнил: студент 422гр.

 

                                                                Проверил: 

Новосибирск 2008

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПРОЕКТНАЯ РАЗРАБОТКА

КП.МК.000 – ПЗ.Р.

1.  ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.

Тип системы: - балочная;

Пролет х длина – 60х75м;

Шаг поперечных рам:- 7,5 м;

Отметка низа шатра – 8м;

Планировка –поперечная;

город – Новосибирск;

кровля – прогонная

1.1. Климатические условия.

г. Новосибирск -

-температура воздуха наиболее холодной пятидневки, °С, обеспеченностью 0.92 t=-40⁰C;

- снеговой район IV, расчетная снеговая нагрузка 240кг/м²;

- ветровой район III, нормативное значение ветрового давления w₀=0,38кПа;

1.2. Компоновка сооружения и выбор генеральных размеров.

Применим однопролетную балочную несущую конструкцию.

КР-ПГС-000-ПЗ.Р

                            2. СБОР НАГРУЗОК.

2.1. На покрытие.

Таблица.1

Nп.п.		Наименование элемента	Нормативный вес, кН/м2	gf	Расчетный вес, кН/м2
Постоянная нагрузка.
1.1 Кровля
		Кровля	0,8	1,1	0,88
1.2 Несущие конструкции
		Прогоны	0,06	1,05	0,063
1.3 Огрождающие констр
		Стальной профилированный настил	0,12	1,05	0,126
1.4 Каркас
		Фермы	0,71	1,05	0,745
		Связи	0,08	1,05	0,084
ИТОГ			1,77		1,9
Временная нагрузка.
		Снег	1,68	1,43	2,4
	Технологическая		0,2	1,2	0,24
ИТОГ			3,65		4,54

кровлю легкого типа – нагрузка g=4,54 кН/м².

Узловая нагрузка на подстропильную ферму:

P_у=g×B×L

где g=4,54кН/м² – нагрузка;

B=7,5 м –шаг колонн;

L=3м – расстояние между узлами фермы;

P_у =4,54 ×7,5×3= 102,15кН.

В нашем примере стеновые панели крепятся к колоннам с помощью ригелей.

Таблица 2.

Нагрузки от веса стенового ограждения, кН/м²

Состав	Нормативная нагрузка	gf	Расчётная нагрузка
Трёхслойные стеновые панели: два профилированных листа НС44-1000-0,7	0,166	1,05	0,174
Минераловатные плиты t=100мм, γ = 1,25 кН/м3	0,125	1,2	0,15
Ригели	0,065	1,05	0,068
КР-ПГС-000-ПЗ.Р   Итого	0,356		qс=0,392

2.2.Ветровая нагрузка.

г. Новосибирск по давлению ветра относится ко III зоне, значит Wo – нормативное значение ветрового давления, равно 0,38 кН/м² по т.5 [6].

Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки:

W = Wo * k * c* γf, где:

γf – коэффициент надёжности по ветровой нагрузке, равный 1.4.

k – коэффициент учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

с – аэродинамический коэффициент:

    - на наветренной стороне здания с_х = 0.8;

- на подветренной стороне здания с_у = 0.6.

Тип местности принимаем тип А.

Рис.   Сбор ветровой нагрузки.

По т.6 [2] определяем:

K_э на отметке +5.000 будет равен 0,75;

k на отметке +8.000 будет равен: k₁ = 0,9

k на отметке +10.000 будет равен: k₂ = 1,00.

k на отметке +11.500 будет равен: k₃ = 1,04  

Тогда Wр на наветренной стороне здания:

На отметке +5.000: Wр = 0,38 х 0,75 х 0.8 х 1.4 = 0.319кН/м².

На отметке +8.000: Wр = 0,38 х 0,9х 0.8 х 1.4 =  0.383 кН/м².

КР-ПГС-000-ПЗ.Р

На отметке +10.000: Wр = 0,38 х 1 х 0.8 х 1.4 =  0.43 кН/м².

На отметке +11.500 Wр = 0,38 х 1,04 х 0,8 х 1.4 = 0,44 кН/м².

Wр на подветренной стороне здания:

На отметке +5.000: Wр = 0,38 х 0,75 х 0,6 х 1.4 = 0,24 кН/м².

На отметке +8.000: Wр = 0,38 х 0,9 х 0.6 х 1.4 = 0,29 кН/м².

На отметке +10.000: Wр = 0,38 х 1х 0,6 х 1,4 = 0,32 кН/м².

На отметке +11.500 Wр = 0,38 х 1,04 х 0,6 х 1.4 = 0,332 кН/м².

Приведём расчётное значение средней составляющей ветровой нагрузки к эквивалентной расчётной погонной нагрузке:

Wр ^п = Wр х В, где:

В – шаг рам равный 7,5 м.

Тогда Wр ^п на наветренной стороне здания:

На отметке +5.000: Wр ^п = 0,319 х 7,5 = 2,393 кН/м.

На отметке +8.000: Wр ^п = 0,383 х 7,5 = 2,8725 кН/м.

На отметке +10.000: Wр ^п = 0,43 х 7,5= 3,225 кН/м.

На отметке +11.500: Wр ^п = 0,44 х 7,5 = 3,3 кН/м.

Тогда Wр ^п на подветренной стороне здания:

На отметке +5.000: Wр ^п = 0,24х 7,5 = 1,8 кН/м.

На отметке +8.000: Wр ^п = 0,29х 7,5 = 2,175 кН/м.

На отметке +10.000: Wр ^п = 0,32 х 7,5= 2,4 кН/м.

На отметке +11.500: Wр ^п = 0,332 х 7,5 = 2,49 кН/м.

Участок распределённой нагрузки с отметки +8.000 до отметки +11.500 необходимо привести к эквивалентной сосредоточенной силе, для этого достаточно найти площадь фигуры этой распределённой нагрузки:

Для наветренной стороны здания: Fw ^а = (2,8725 + 3,3)/2 х 3,5 = 10,8 кН.

Для подветренной стороны здания: Fw ^р = (2,175 + 2,49)/2 х 3,5 = 8,16 кН.

3.Расчёт фермы.

3.1.Определение усилий в стержнях фермы.

Определение усилий в поясах,  раскосах фермы производим при помощи метода Риттера( вырезания узлов).

Расчетные усилия в стержнях фермы приведены в таблице 3.

	КР-ПГС-000-ПЗ.Р

 

Усилия в элементах фермы

(Значения усилий приведены в kN)

Усилия и напряжения элементов, т, м
Номер эл	Усилия и напряжения  N
1	-1110,33
2	999,3
3	-999,3
4	888,27
5	-888,27
6	777,23
7	-777,23
8	666,2
9	-666,2
10	555,18
11	-555,18
12	444,15
13	-444,15
14	333,12
15	-333,12
16	222,09
17	-222,09
18	111,06
19	-111,06
20	0,027
21	0
22	- 822,76
23	-1558,91
24	-2208,445
25	-3191,1
26	-3667,41
27	-4057,15
28	-4360,28
29	-4576,8
30	-4706,73
31	-4750,04
32	433
33	1212,45
34	1905,3
35	2511,54
36	3031,18
37	3464,22
38	4013,85
39	4273,7
40	4446,91
41	4490,22
42	-51,07

Таблица 3

КР-ПГС-000-ПЗ.Р

Примечание: Усилия во второй половине фермы аналогичны усилиям в первой половине и получены зеркальным отображением.

3.2. Подбор сечений стержней фермы.

Алгоритм подбора сечений сжатых стержней фермы:

1. Выбор типа сечения стержня и марки стали.

2. Определение расчетных длин стержня в плоскости l_ef, x и из плоскости фермы l_ef, y

3. Вычисление требуемой площади сечения стержня А_тр= N/(φR_yγ_c), где коэффициент продольного изгиба φ принимается по гибкости λ = 80…100 для поясов, опорных раскосов и стоек и λ = 100…130 – для остальных сжатых стержней решетки по [5, табл. 72]; R_y - определяется по [5, табл. 51*, 51а], γ_с – коэффициент условий работы элемента по [5, табл. 6*], все эти величины можно найти в приложениях [1, 4, 5].

4. Выбор сечения стержня по сортаменту.

5. Определение геометрических характеристик подобранного стержня:

А, i_x, i_y.

6. Определение гибкостей: λ_x=l_ef, x/ i_x, λ_y=l_ef, y/ i_y.

7. Проверка гибкостей стержня в плоскости и из плоскости фермы:

λ_x≤ [λ], λ_у≤ [λ].

8. Проверка устойчивости стержня: s = N/(φ_minА)≤R_yγ_c, где φ_min – коэффициент, соответствующий максимальной гибкости (большей из λ_x и λ_у), он и γ_c  определяются как по п.3 алгоритма. R_y  уточняется в зависимости от толщины полок и стенок стержня.

Обратим внимание на то, что γ_c сжатых стержней ферм при проверке устойчивости для труб равен 1, для прочих – 0,95, кроме сечений стержней решётки (не считая опорных) из парных уголков, составленных тавром, при гибкости ≥ 60, в этом случае γ_с = 0,8.

Алгоритм подбора сечений растянутых стержней фермы:

1. Выбор типа сечения стержня и марки стали.

2. Определение расчетных длин стержня в плоскости l_ef, x и из плоскости фермы l_ef, y (см. выше).

3. Вычисление требуемой площади сечения стержня А_тр= N/(R_yγ_c), где γ_с=0,95 для сварных конструкций.

4. Выбор сечения стержня по сортаменту.

5. Определение геометрических характеристик подобранного стержня:

А, i_x, i_y.

6. Определение гибкостей: λ_x=l_ef, x/ i_x, λ_y=l_ef, y/ i_y.

7. Проверка гибкостей стержня в плоскости и из плоскости фермы:

λ_x≤ [λ], λ_у≤ [λ].

8. Проверка прочности стержня: s = N/А_n≤R_yγ_c, где А_n – площадь сечения стержня с учётом ослаблений (у сварных ферм ослаблений нет).

	КР-ПГС-000-ПЗ.Р

    Материал поясов и решетки – сталь С255 ГОСТ 27772-88. Для t=2…20мм, R_y=240МПа. Сечения поясов – двутавр по ГОСТ 8639-82.  Сечения решетки – Швеллера стальные горячекатанные ГОСТ 8639-82.

	КР-ПГС-000-ПЗ.Р

 

Подбор сечений стержней ферм                                                                                                                                   Таблица 4.

Наименование стержня	Обозначение стержня	Расчетное усилие, кН	Сечение	Площадь, см2	Расчетная длина, м		Радиус инерции, см		Гибкость			jmin	gc	Напряжение, МПа	Ry, МПа
					lef,x	lef,y	ix	iy	lx	ly	[l]
Верхний пояс	21,22,23,24, 25,26,27,28, 29,30,31	-822,76	26Ш1	54,37	3	6	4,23	10,7	70,92	56,07	127,18	0,754	0,95	200,70	240
		-3191	40ШТ3	157,2	3	6	7,18	16,87	41,78	35,57	120,00	0,892	0,95	227,57	240
		-4750,04	60Ш2	225,3	3	6	7,06	24,19	42,49	24,80	120,00	0,888	0,95	237,42	240
Нижний пояс	32,33,34,35, 36,37,38,39, 40,41	1905,3	30Ш3	87	3	6	4,8	12,7	62,50	47,24	400	-	0,95	219,00	240
		3031,18	40Ш2	141,6	3	12	7,14	16,75	42,02	71,64	400	-	0,95	214,07	240
		4490,22	50Ш3	199,2	3	12	6,81	20,56	44,05	58,37	400	-	0,95	225,41	240
Раскосы	1	-1110,3	2*22П	53,4	3,8	3,8	8,36	10,088	45,45	37,67	120	0,873	0,95	238,18	240
	2	999,3	2*20П	46,8	3,04	3,8	7,6	9,464	40,00	40,15	400	-	0,95	213,53	240
	3	-999,3	2*22П	53,4	3,04	3,8	8,36	10,088	36,36	37,67	155	0,893	0,95	209,56	240
	4	888,27	2*18П	41,4	3,04	3,8	6,84	8,84	44,44	42,99	400	-	0,95	214,56	240
	5	-888,27	2*20П	46,8	3,04	3,8	7,6	9,464	40,00	40,15	154	0,894	0,95	212,31	240
	6	777,23	2*16П	36,2	3,04	3,8	6,08	8,216	50,00	46,25	400	-	0,95	214,70	240
	7	-777,23	2*18П	41,4	3,04	3,8	6,84	8,84	44,44	42,99	153	0,874	0,95	214,80	240
	8	666,2	2*14П	31,2	3,04	3,8	5,32	7,592	57,14	50,05	400	-	0,95	213,53	240
	9	-666,2	2*16П	36,2	3,04	3,8	6,08	8,216	50,00	46,25	153	0,849	0,95	216,76	240
	10	555,18	2*12П	26,6	3,04	3,8	4,56	6,448	66,67	58,93	400	-	0,95	208,71	240
	11	-555,18	2*14П	31,2	3,04	3,8	5,32	7,592	57,14	50,05	152	0,808	0,95	220,23	240
	12	444,15	2*10П	21,8	3,04	3,8	3,8	5,824	80,00	65,25	400	-	0,95	203,74	240
	13	-444,15	2*12П	26,6	3,04	3,8	4,56	6,448	66,67	58,93	153	0,77	0,95	216,85	240
	14	333,12	2*8П	17,96	3,04	3,8	3,04	5,2	100,00	73,08	400	-	0,95	185,48	240
	15	-333,12	2*10П	21,8	3,04	3,8	3,8	5,824	80,00	65,25	151	0,686	0,95	222,75	240
	16	222,09	2*8П	17,96	3,04	3,8	3,04	5,2	100,00	73,08	400	-	0,95	123,66	240
	17	-222,09	2*8П	17,96	3,04	3,8	3,04	5,2	100,00	73,08	150	0,542	0,95	228,15	240
	18	111,06	2*8П	17,96	3,04	3,8	3,04	5,2	100,00	73,08	400	-	0,95	61,84	240
	19	-111,06	2*8П	17,96	3,04	3,8	3,04	5,2	100,00	73,08	180	0,542	0,95	114,09	240
	20	0,027	2*8П	17,96	3,04	3,8	3,04	5,2	100,00	73,08	400	-	0,95	0,02	240
Стойки	42	-51,07	2*8П	17,96	3,5	3,5	3,04	5,2	115,13	67,31	180	0,448	0,95	63,47	240

^* - сечение, принятое в целях унификации.

4.РАСЧЁТ КОЛОННЫ

Рис.

Определение расчётных длин колонны:

Расчётная длина:

lef = μ x lгеом., где:

lгеом – геометрическая длина отдельного участка колонны.

μ-коэффициент расчётной длины, определяем по прил. 6 [6]:

μ = 1,

Угол а на Рис. должен находится в пределах от 35 до 55 градусов, если не уменьшать геометрическую длину нижней части колонны тогда:

<а = arctg(l/B) = arctg(8000/7500) = 50 градусов < 55 градусов.

Расчётные длины в плоскости колонны:

Расчётные длины из плоскости колонны:

Подбор сечения колонны:

Принимаем как материал – сталь С255 ГОСТ 27772-88 с Ry = 2400 кг/см²

и коэффициент условия работы колонны γс = 0.9.

Назначаем сечение колонны в виде сварного двутавра