Требования, предъявляемые к каркасам промышленных зданий

Требования, предъявляемые к каркасам промышленных зданий. Требования, предъявляемые к каркасам промышленных зданий: 1. удобство обслуживания и ремонта оборудования; 2. нормальная эксплуатация кранового оборудования (доступность осмотра и ремонта); 3. долговечность конструкций; 4. относительная безопасность при пожарах и взрывах; 5. необходимая аэрация, инсоляция и освещение. Большое воздействие на каркас оказывают краны. Режим работы крана определяет интенсивность работы. Интенсивность численно оценивается: 1. коэффициентом использования по грузоподъемности: средняя масса г руза за смену ; г рузоподъемность крана дни работы за г од 2. годовым коэффициентом: 3. суточным коэффициентом: ; 360 часы работы за сутки ; 24 4. относительной продолжительностью включения двигателя крана: время работы за цикл ; продолжительность цикла 5. количеством включений в час. Режим работы: Л – легкий, С – средний, Т – тяжелый, ВТ – весьма тяжелый. Краны легкого, среднего, тяжелого имеют гибкий подвес груза. На работу конструкций влияние оказывает внутрицеховая среда. Влияние оценивается скоростью коррозии (мм/год). Четыре типа агрессивной среды для металлических конструкций: 1. неагрессивная – до 0,01 мм/год; 2. слабая – до 0,05 мм/год; 3. средняя – до 0,1 мм/год; 4. сильная – более 0,1 мм/год. На стальной каркас большое влияние оказывает температура. При 100 - 150ºС разрушается защитное лакокрасочное покрытие; при 200 - 300 ºС – искривление и коробление элементов; при 400 - 500 ºС – падение прочности; при –40 - (-65) ºС – учитывается возможность хрупкого разрушения стали, ставятся дополнительные связи, сокращаются размеры температурных блоков. По степени ответственности большинство зданий относятся ко второму классу, вводится коэффициент надежности по назначению γ n= 0,95. Остальные здания, кроме ТЭЦ, АЭС и складных помещений без процессов сортировки, относятся к третьему классу. Конструктивные схемы каркасов промышленных зданий. Каркасы состоят из поперечных рам и продольных элементов. Основные элементы: колонны, ригели, фундаменты. Вспомогательные элементы: фахверки, лестницы, лифты, площадки. Схема каркаса: 1. с поперечным расположение фонаря. 2. с продольным расположением фонаря. 3. при повышенных требованиях к освещению применяют схемы с шедовым покрытием. 4. каркасы с пространственным ригелем. 5. сплошные рамные каркасы. 6. каркасы с подстропильными конструкциями. каркасы с подкраново-подстропильными конструкциями 7. 8. каркасы промышленных зданий могут проектироваться в виде висячих конструкций, складок, оболочек, структур. Размещение колонн в плане зависит от технологических, конструктивных и экономических факторов. По требованию унификации проекты кратны 6м; длина 18, 24, 30 и 36 и более; шаг колонн 6; 12 м - для зданий пролетом  30 м и высотой  14 м; краном  50т - шаг колонн – 12м. Если параметры меньше, то шаг колонн 6м. Для использования плит и панелей, длиной 6 и 12 м крайнюю колонну поперечной оси ставят с привязкой 500мм. Б А 500 1 2 3 При больших размерах здания устраивают деформационные швы. Б А 500 1 2 3 500 500 1000 В 1000-1500 Г Нн Н1 Но Нв 200-400 Н2 Нф Нф Нфн Компоновка однопролетной рамы. 0,000 Н1 - задается по условиям технологии. Н0 - кратно 1,2 м до высоты 10,8 м, при большей высоте Н0 кратно 1,8м. Если требуется большая высота цеха, то изменяют уровень головки кранового рельса. Н2 оставляют минимально необходимым. Нв- уточняют после расчета подкрановой балки. Нн= Н0- Нв+(600÷1000). Общая высота колонны: Н = Нв- Нн. Нф = 2,25м при L=24м. Нф = 3,15 м при L>24м. Нфн - определяется светотехническим расчетом с учетом типовых фонарных переплетов. Нфн = 1250 и 1750 мм. Привязки крайних колонн к продольной оси 0; 250; 500. 0 – для зданий без мостовых кранов, шаг колонн 6м, высота  14,4м. Для зданий с подвесными кранами грузоподъемностью не более 30 т. 500 – при относительно высоких зданиях, с грузоподъемностью крана 100 т и более, и если нужен проход. В остальных случаях - привязка 250мм. Колонны постоянного сечения используется для цехов с подвесным транспортом и мостовыми кранами небольшой грузоподъемности (  30т). Высота сечения колонны может быть 450мм (250+200). 200 – привязка ферм к разбивочной оси, 700 мм (200+500). Если требуется большая высота сечения, то в пределах фермы сечение 450 или 700 мм, а ниже фермы большее сечение. Высоту сечения ступенчатой колонны назначают аналогично (450 и 700 мм), но не менее 1 НВ. 12 500(а) 200 min 75 400 B1 hв l1 a hн В1 - размер части кранового моста, выступающая за ось рельса, устанавливают по ГОСТ на краны. 75 – мм минимальный зазор между краном и колонной. l1  750 мм - при грузоподъемности крана до 50т, при отсутствии проходов. l1  1000 мм – при грузоподъемности более 50т, при отсутствии проходов и грузоподъемностью до 1250т при наличии прохода. l1  1250 мм - для некоторых специальных или очень тяжелых кранов. Если нужен проход вне колонны в l1 включается еще 450мм (400 – габарит прохода + 50 мм на ограждение) l1  b1  hв  a   75 Далее пролеты кранов имеют модуль 500 мм, поэтому l1 всегда кратно 250мм. Высота нижней части колонны hн  l1  a . С учетом обеспечения жесткости цеха в поперечном направлении высота сечения нижней 1 1 части колонны не менее Н . В цехах с интенсивной работой кранов не менее Н. 12 15 Верхняя часть колонны проектируется сплошной двутаврового сечения. Нижняя часть принимается сплошной при ширине до 1м, при большей ширине ее экономичнее делать сквозной. Ширина фонаря 6 и 12м. Компоновка многопролетных рам. Желательно, чтобы все пролеты были равными и имели одинаковую высоту. По условиям технологии не всегда удобны одинаковые пролеты, тогда количество их размеров должно быть минимальным. L1 L1 L2 L2 Наиболее часто здания проектируют с плоской кровлей, уклоном 1,5% и внутренним водостоком. Для неотапливаемых зданий рациональней применять наружный отвод воды. Иногда внутренние водостоки недопустимы по условиям технологии, тогда устраивают двускатные покрытия. 70-90 м В многопролетном здании с большими производственными тепло- и газовыделениями рационально устраивать перепады по высоте. Требования освещенности заставляют в отдельных случаях использовать перепады высот для устройства бокового освещения. При компоновке конструктивных схем многопролетных рам с различной высотой пролетов решается вопрос о применении одно- или двускатных покрытий. Для больших смежных пролетов при возможном внутреннем водостоке целесообразно применять двускатные фермы с различными уклонами верхнего пояса. В случае невозможного устройства внутреннего водостока применяют односкатные покрытия. Выбор уклона зависит от кровельного материала, чаще всего он принимается 1,5%. Мощные промышленные агрегаты иногда требуют тяжелых рабочих площадок, по которым могут двигаться железнодорожные составы, а так же этажного расположения оборудования, повышения аэрации, что требует очень сложного профиля поперечного сечения. Ряд рекомендательных правил компоновки многопролетных рам: 1. здания, прямоугольные в плане с одинаковыми пролетами и высотой; 2. если это невозможно, то повышенные пролеты группируют по одной стороне от пониженных; 3. перепады высот менее 1,8 м не делают; 4. перепад 1,8 м допускается, если ширина пониженной части  60м; 5. перепад 2,4 м допускается, если ширина пониженной части  36 м. Компоновочные размеры многопролетных рам определяются так же, как и у многопролетных. Если в различных пролетах краны имеют разные грузоподъемности, то размер Н2 принимают по наибольшему крану. Н1 Н2 Н0 Размеры средних колонн Н1; Н2; Н0 для зданий без перепада высот принимают такими же, как для крайних. Заглубление средних колонн принимают одинаково с крайними (600 1000 мм). Высота сечения верхней части колонны в зависимости от грузоподъемности крана и высоты колонны 400; 700; 1000 мм: hн  l1  l1 . hв l1 l1 hн При наличии разных кранов привязки L1 могут быть различны. Для средних колонн без перепада высот (такие колонны обычно не проектируются), привязываются оба крана по наибольшему размеру: l1  a  tст  450  75  B1 , hн  l  l1 . Размеры подстропильной фермы увязываются с высотой и шагом стропильной. tст 450 75 а l1 l1 B1 hн Продольная компоновка каркаса. Устойчивость колонн в продольном направлении обеспечивается вертикальными связями между колоннами. Связи располагаются посередине здания или температурного блока. Низ строп. фермы ур. гол. кр. 35-55° 0,000 В СНиП «Строительные Конструкции» в таблице 42 указано расстояние между температурными швами, от 230 до 130 – по длине блока и от 150 - 90 – по ширине. Наиболее простая связь – крестовая - применяется при шаге колонн до 12м. 6м Может применяться дополнительная развязка колонн из плоскости рамы распорками. Распорка Могут использоваться портальные связи. Подстропильные фермы В случае с краном надкрановые связи могут не ставиться. Могут использоваться полупортальные связи. W2 W1 l0 l , i 0 i  Вертикальные связи ставятся по всем рядам колонн. Вертикальные связи между колоннами воспринимают усилия от ветра, действующего на торец здания и усилия от продольного торможения кранов. Ветровая нагрузка собирается с площади торца сосредоточенной силы (w1 и w2). Сила продольного торможения кранов определяется от двух кранов одного или смежных пролетов по формуле (для каждого крана):  Tпр  0,1 f  Pmax  n0  f - коэффициент надежности по нагрузке. Pmax - максимальное давление колеса крана. n0 – число тормозных колес на одной стороне крана (обычно n0 равно половине колес одной стороны крана). Элементы крестовых и подкрановых связей работают на растяжение. Сжатые стержни вследствие большей гибкости выключают из работы и в расчете их не учитывают. Гибкость растянутых элементов связей, расположенных ниже уровня подкрановых балок не должна превышать 300 – для обычных зданий и 200 – для зданий с тяжелым режимом работы кранов. Для связей выше подкрановых балок соответственно - 400 и 300. Связи по покрытию. Связи по покрытию ставят для обеспечения пространственной жесткости каркаса, устойчивого покрытия в целом и его элементов в отдельности. Связи по покрытию располагаются: 1) по верхним поясам ферм – поперечные связевые фермы и продольные элементы между ними; 12 м 6м 6м 12 м Стропильная конструкция Распорка Распорки по оголовкам колонн 2) по нижним поясам ферм – поперечные и продольные связевые фермы, иногда продольные растяжки между поперечными связевыми фермами; Растяжка не более 60-90 м 3) Распорка между стропильными фермами - вертикальные связи; 6000 12000 Распорки ставятся, если гибкость пояса из плоскости фермы больше 220 мм. Для экономии металлические связевые фермы проектируют с крестовой решеткой. Стойки ферм работают на сжатие, раскосы - на растяжение. Сечение связей по покрытию подбирают по гибкости: 400 – для растянутых элементов; 200 – для сжатых в обычных зданиях, если тяжелый режим работы, то 300 и 200. Растянутые элементы выполняются из одиночных уголков, сжатые – тавровые или крестовые. Сжатые распорки длиной 12м часто изготавливают из гнутых профилей. Связи по поясам крепятся на болтах нормальной точности непосредственно к поясам ферм. Вертикальные связи между фермами крепятся к стойкам стропильных ферм. В здании с тяжелым режимом работы связи по нижним поясам ферм после установки их на болты дополнительно обвариваются. Фахверки. Фахверк – конструктивный элемент для поддержания стенового ограждения и восприятия ветровой нагрузки. Фахверки могут быть для наружных, внутренних стен и перегородок. Стеновое ограждение (панели) Стеновое ограждение (листы, профиль) Надворотный ригель Ригели фахверка Стойки фахверка Горизонтальные распорки связей Вертикальные связи фахверка Фахверки Сечения ригелей. Фахверки внутренних стен устраивают аналогично. Стойки фахверка работают на внецентренное сжатие от эксцентрично приложенного веса стенового ограждения и ветровой нагрузки. Расчетная схема: Ригели фахверков работают как балки на косой изгиб. Âåòðî âàÿ í àãðóçêà Вес стенового ограждения F F F h Вертикальная нагрузка собирается с участка, равного расстоянию между ригелями. l 0,6 l При стенах из блоков можно учесть, что образуются своды. Если h  0,75l , то при определении пролетного момента следует принимать нагрузку с высотой равной 0,6l . Опорные реакции ригеля при этом определяются от полной высоты кладки над ригелем. Оконные проемы заполняются стальными остекленными переплетами, стандартные размеры проемов должны быть по ширине 1500 и 2000 мм (1; 1,5; 2; 3; 4; 6 м) и кратны по высоте 1200мм. Ворота тоже выполняются стандартными. Для автомобильного транспорта размеры проемов 3х3м, для железнодорожных – 4,7х5,6м. Ворота имеют жесткий металлический каркас, к которому крепится обшивка с утеплителем. l Приближенный расчет поперечных рам. Расчетная схема - многократно статически неопределимая сквозная система с жесткими узлами, в узлах шарниры, но в дальнейшем жесткость узлов учитываем при определении расчетных длин стержней. При расчете сквозные колонны и ферма заменяются сплошными, эквивалентной жесткости. Полученная расчетная схема в зависимости от конструкции сопряжения ригеля с колонной может быть с жесткими или шарнирными узлами. Iр Iр Iв Iв Iн Iн l l При горизонтальных нагрузках и изгибающих моментах можно пренебречь углами поворота верхних узлов рамы, то есть принять ригель бесконечно жестким. EI EI l l Приближение не дает больших погрешностей. Если отношение жесткости ригеля и жесткости стойки достаточно велико: I H 6 I k или k  p ,   н 1 . Iн  l Iв 1  1,1  При расчете поперечных рам используют упрощенные расчетные схемы, которые сокращают трудоемкость расчета и практически не влияют на результаты. Действительно усилия отличаются от тех, которые определяются по точной расчетной схеме. Если в колонне имеется нормальная сила, то дополнительный момент, который возникает при небольшом смещении верхнего узла рамы, при определении усилий не учитывается. e N N Есть метод расчета по деформированной схеме, при которой система канонических уравнений превращается в систему дифференциальных. Практика показала, что при нагрузках, близких к расчетным, использование недеформированной схемы дает небольшие погрешности. Сильнее искажают характер распределения усилий в системе и ее перемещение податливость фланцевых соединений ригеля с колонной и поворот фундамента. Схема рамы. Iр Iв I l Iн Чтобы определить l 0 и I, Iн; Iр; Iв, нужно знать сечения на данной стадии. На данной стадии они неизвестны. Делают упрощенный предварительный расчет или пользуются аналогами: I I l0  0,45  0,55hn  0,5hв , н  5  10 , р  2  6 , I   . Iн Iв В многопролетных рамах: I н.сред.кол  20  30 - при одинаковом шаге колонн, I в.сред.кол I н.сред.кол I в.сред.кол I в.сред.кол Iв I в.сред.кол Iв  20  60 - при разном шаге колонн,  1,5  3 - при одинаковом шаге колонн,  1,2  7 - при одинаковом шаге колонн. В сложных рамах делается упрощенный предварительный расчет жесткости. В многопролетном здании принимают шарнирное сопряжение ригеля с колонной. Если тяжелый режим работы крана, сложная рама, высокие пролеты, то принимают жесткое сопряжение, в остальных случаях – шарнирное. В продольном направлении в расчетную схему рамы включают блок шириной В. B B B Расчетные блоки приводят к плоской расчетной схеме суммированием жесткостей колонн по каждому ряду в пределах расчетного блока и с учетом всех нагрузок. Постоянные нагрузки. Постоянные нагрузки принимают равномерно распределенными по длине ригеля. В распределенную нагрузку включаются нагрузки от кровли, фермы, фонарей, связей с соответствующими коэффициентами надежности по нагрузке. Если к ферме прикладываются сосредоточенные силы больше 3..5 т, то их учитывают отдельно. Вес 1м2 горизонтальной проекции нагрузки: q q ф , cos  q ф - вес кровли,  - угол наклона кровли к горизонту. При уклоне большем или равном 1 cos   1 . 8 1-1 1 1 F2 F2c F2 F1c F1 l F1 l Расчетная погонная нагрузка на ферму: q расч  qB , В - шаг стропильных ферм. Узловые силы: P  qn d , d- длина панели верхнего пояса, qn - равномерное распределение нагрузки от веса кровли, связей, веса фермы и так далее, F1 - включает в себя вес нижней части колонны и стен, F2 – вес верхней части колонн и стен, F1с и F2с – вес нижней и верхней части средней колонны, моменты от веса стен не учитываются. Временные нагрузки. 1. От мостовых кранов. Fкр Тк Fк Fк – зависит от веса крана, веса груза и положения тележки, Fк max – определяется при крайнем положении тележки крана на мосту с грузом на крюке крана, масса которого равна грузоподъемности, Tk - возникает от перекосов крана, торможения тележки, распирающего воздействия колес и так далее. Для кранов с гибким подвесом груза: 0,05  9,8Q  Gm  . Tkнорм  n0 Для кранов с жестким подвесом груза: 0,1  9,8Q  Gm  , Tkнорм  n0 Fkn – возникает от трения колес о рельс от сил торможения крана. Нормативная сила, направленная вдоль пути, равна 0,1 от нормативной вертикальной нагрузки на тормозные колеса крана. Коэффициент надежности по нагрузке γt равен 1,1. Вертикальная нагрузка на подкрановые балки и колонны определяются от двух наиболее неблагоприятных по воздействию кранов; в многопролетных цехах - от воздействия не более четырех кранов. Горизонтальные нагрузки учитываются не более чем от двух кранов, расположенных в разных пролетах или на разных путях. Разная вероятность совпадения нормативных нагрузок от разных кранов учитывается введением коэффициента сочетаний nс равного при учете нагрузок от двух кранов: весьма тяжелый и тяжелый режим работы - nс = 0,9, среднего и легкого - nс = 0,85. При учете нагрузок от четырех кранов для весьма тяжелого и тяжелого режимов nс = 0,8; среднего и легкого - nс =0,7. Fк, max Dmax F'к Dmin Dmax   n  nc   Fk max  y  n0Gn  n0 q n  bт  b , γn – коэффициент надежности по назначению, nс – коэффициент сочетаний, Fк max – нормативное вертикальное ускорение колеса, y – ордината линии влияния, n0 – число колес с одной стороны крана, G – нормативный вес подкрановых конструкций, qn – полезная нормативная нагрузка, bт – ширина тормозной площадки, b – шаг колонн. Fk'  Q  Qk   F k max n0 , Qk – масса тележки крана, Dmax и Dmin - приложены по оси подкрановой балки (они сжимают низ колонны), Dmax ,Dmin - передают колонне изгибающие моменты. M max  Dmax  ek , M min  Dmin  ek Т Dmax Расчетная горизонтальная сила: T   n  nc  Tkнорм  y . Центр тяжести ек 2.Снеговая нагрузка: qснег  c  p0  B   f , с – коэффициент перехода от нагрузки на земле к нагрузке на 1м2 проекции кровли, если   25 с = 1, р0 – вес снегового покрова по СНиП «Нагрузки и воздействия», B – грузовая площадь, γf – 1,4. При сильном ветре снег уносится с крыши, поэтому нагрузка может быть снижена, также снеговая нагрузка может быть снижена на неутепленных кровлях и если есть уклон для отвода талой воды при избыточных тепловыделениях. 3.Ветровая нагрузка: Ветровая нагрузка является динамической. В низких широких зданиях не наблюдается колебание ветра. Для высоких узких зданий (высота более 36м) отношение высоты к пролету более 1,5 учитывается динамическое воздействие ветра. Давление ветра на высоте 10 м от земли зависит от района строительства, его принимают по СНиП «Нагрузки и воздействия», до 10 м ветровая нагрузка считается постоянной: qb  q0  k  c  B   f , q0 – нормативный скоростной напор ветра, k – коэффициент, учитывающий высоту и защищенность от ветра другими строениями, с – аэродинамический коэффициент для ветровой составляющей, с = 0,8 - с наветренной стороны, с = 0,6 - с подветренной стороны, В – ширина расчетного блока, γf – коэффициент надежности по нагрузке, γf – 1,2. q1 q'1 F'в h Fв q2 q'2 q в10 q'в10 qэ q'э Фактическую нагрузку можно заменить эквивалентной: qэ  qb10   , qэ'  q 'b10   . При Н  10 м   1 , При Н  15 м   1,04 , При Н  20 м   1,1 , При Н  25 м   1,17 , При Н  30 м   1,23 , При Н  35 м   1,29 . Fb  q 1     q2  h q'  q'  h , F 'b  1 2 2 2 Учет пространственной работы каркаса. Смещения рам, входящих в каркас, отличаются от смещения отдельно стоящих рам. Продольные элементы являются опорами и воспринимают часть нагрузки, поэтому горизонтальное смещение получается меньшим:  пр   пр   ,  пр - коэффициент пространственной работы, Δ – смещение единичной рамы, Δпр – смещение рамы в каркасе. Горизонтальные элементы представим как балку с опорами в виде поперечных рам. Fэ ЕI FЭ – сила, вызывающая такое же смещение Δ одиночной рамы, что и заданная нагрузка F, приложенная в уровне горизонтальных элементов. Если EI ригеля равно бесконечности, балка не прогнется, а переместится параллельно самой себе. Если FЭ приложена не посередине балки, то балка будет поступательно перемещаться и поворачиваться. На жесткость влияет конструкция кровли. Если кровля малоподатлива, то жесткость балки можно считать бесконечной, а кровлю жесткой. Если кровля податлива, то ее участие в работе каркаса не учитывается. Пространственная работа каркаса при отсутствии жесткой кровли. В этом случае в работу вовлекается 5 - 6 рам. Для определения коэффициента пространственной работы αпр принимается пятиопорная неразрезанная балка на упруго смещающихся опорах. Реакция опоры зависит от соотношения жесткости опоры и жесткости балки, то есть от высоты колонны Н, соотношения погонных жесткостей верхней и нижней части колонны, шага рам и жесткости элементов, перераспределяющих усилия: FR  . Fэ Fэ FR Это отношение может быть определено в зависимости от параметра β: b3  I  d   3 н , H   Ir где b – шаг рам, Iн – момент инерции нижней части колонны, Ir – момент инерции ригеля, d - коэффициент приведения ступенчатой колонны к колонне постоянного сечения.  I н  0,5  0,25 ; Если колонны рамы одинаковые, то d выносится за знак суммы:  Ir d 1 - при шарнирном сопряжении ригеля с колонной, c 1 - или при жестком сопряжении ригеля с колонной, k с и k – коэффициенты принимаются по табл. 12.3 Беленя, d  – учитывает загружение первой рамы, но в действительности действуют и рамы, смежные с ней. При этом уменьшается величина упругого отпора и связей и нагружается рассчитываемая рама. При расчете учитываем нагружение смежных рам. F'э y1 y'1 y''2 Fэ y2 y3 F''э y4 y''1 y F y ' Fэ'  э y F y '' , Fэ''  э Полная величина упругого отпора: FR    Fэ   '  Fэ'  Fэ'' . α' – коэффициент, определенный по табл. 12.2 Беленя. Учитывая, что при одинаковых усилиях колес крана:  y '   y ''  F  n0   y ,    F  F  , Fэ'  Fэ''  Fэ  э пр II э R y y   δ - смещение рамы от силы Fэ  1 .  пр - коэффициент пространственной работы:  пр  1   '  n0 .  y 1 Пространственная работа каркаса при жесткой кровле. Наибольшее смещение рамы происходит, когда Fэ прикладывают к крайней раме каркаса. Учитывая, что крайняя рама загружена меньше, чем остальные коэффициенты, αпр определяется для второй рамы от края температурного блока. пр. F'R Fэ F''R1 F''Ri а3 а1 M а2 F''R2 Если силу Fэ заменить силой, равной по величине, но приложенной посередине блока, то появится момент: F a M э 2. 2 Отпоры при поступательном перемещении: F FR'  э , n n - число рам. Отпоры от поворота FRi" можно определить из условия равновесия: F a M  э 2   FRi''  ai , 2 F a Так как R''2  2 , то отпор от второй от торца рамы: FRi ai Fэ  a22 . 2 ai2 Суммарный упругий отпор второй рамы от поступательного перемещения и поворота: FR'' 2  1 1 1 a22  a12  a32    . FR 2  Fэ     F    F    n 2 a 2  э1  n 2 a 2  э3  n 2 a 2  i i i       Влияние загружения соседних рам учитываем как при отсутствии жесткой кровли. Коэффициент пространственной работы. 1 a22  n0     n 2 a 2  i   ,  пр  y n - число рам, n0 – число колес, a - расстояние между рамами, Σу – сумма ординат линии влияния реакций рассматриваемой рамы. В многопролетных рамах Δпр значительно меньше, чем в однопролетных. Верх колонн смещается одинаково при любой кровли. При числе пролетов более четырех крановые нагрузки и ветровые воспринимаются большим числом колонн, поэтому верхние концы колонн, на которые действуют эти нагрузки, считаются несмещаемыми. Конструкция кровли. Покрытие производственных зданий решается по двум схемам: 1. с прогонами Прогоны Ригели Колонны Мелкоразмерные плиты 2. без прогонов Ригели Колонны Ребристая или многопустотная Ж/б. плита Выбор схемы осуществляется на основе технико-экономического сравнения. Уклон при кровлях с гравийной защитой 1,5%, уклон рулонной кровли (1/8 .. 1/2), уклон кровли из асбестоцементных или стальных листов (1/4 .. 1/6). Прогоны устанавливают на верхний пояс стропильных ферм в их узлах. В качестве прогонов применяют прокатные балки, гнутые профили, легкие сквозные конструкции. Кровли по прогонам бывают с утеплителем и без него. Гидроизоляционный ковер Утеплитель Пароизоляция Профнастил Профилированный настил укладывают по прогонам, расположенным через 3 - 4м. Холодные кровли асбестоцементных, стальных и алюминиевых листов укладывают по прогонам, расположенным через 1,25 - 1,5 м. Стальные листы изготавливают из холоднокатанной стали от 1 до 1,8 мм. Алюминиевые волнистые листы применяют толщиной 0,6 - 1,2 мм. Стальной лист 3-4мм d = 8-12 мм 150-200 мм Клямеры Гнутый лист толщ. 8-10 мм Рубероидный ковер Утеплитель Пароизоляция Неутепленные кровли используются в зданиях с незначительными тепловыделениями. Прогоны сплошного сечения. При малоуклонной кровле их работа не отличается от работы обычных прокатных балок, аналогичен и расчет. При кровлях с большим уклоном прогоны расположены на скате и работают на изгиб в двух плоскостях (косой изгиб). qx  q  cos  , q y  q  sin  qx My Mx q qy qy l 32 2 q x l2 8 Mx My   Ry   c . Wx Wy С учетом развития пластических деформаций: My M f 1 l , f   x   Ry   c ,  cxWx c yWy l 200 200 Прогоны крепятся к поясам ферм с помощью коротышей из уголков, планок или гнутых элементов.   x  y  1150; 1000 Решетчатые прогоны. 1500 ; ; 12000 12000 Недостаток: большое число элементов и узлов, большая трудоемкость изготовления. Рассчитывают решетчатые прогоны как фермы с неразрезным верхним поясом. Верхний пояс работает на сжатие с изгибом, остальные элементы испытывают продольное усилие. Подкрановые конструкции. 4 1 2 3 5 4 Fк Тк 1 Подкрановые конструкции состоят из подкрановых балок или ферм (1). Подкрановые балки воспринимают вертикальную нагрузку от кранов. 2 – тормозные балки или фермы - воспринимают поперечные горизонтальные воздействия, 3 – связи узлов крепления подкрановых конструкций, передающих крановое воздействие на колонны, 4 – крановые рельсы. 5 – ось среднего ряда. Подкрановые балки наиболее часто представляют собой сплошную конструкцию, могут быть разрезные и неразрезные. У неразрезных балок при осадке опор могут возникать дополнительные напряжения. Упругую осадку опор можно оценить коэффициентом: EI c 3 , l Δ – перемещение опоры от единичной силы, EI – жесткость подкрановой балки, l – пролет балки. Если l >0,05, то неразрезанные балки не применяются. При легких кранах грузоподъемностью 30т и меньше и больших шагах колонн применяют решетчатые подкрановые балки с жестким верхним поясом. 24; 36 м При большом шаге колонн возможно применение подкрановых балок с ездой по низу. Кроме опорных кранов применяют подвесные грузоподъемностью  5т. Подвесные краны перемещаются по путям, прикрепленным к конструкции покрытия или перекрытия. Основным видом путей является прокатные или составные балки. При необходимом обслуживании узких зон помещения вдоль колонн в здании устанавливают консольные краны. Подкрановые конструкции рассчитывают, как правило, на нагрузку от двух сближенных кранов. Тк Fк Fk  k1  n0  nc  Fkнорм , Tk  k2  n0  nc  Tkíîðì , k – коэффициент динамичности, принимаемый по таблице, n0 - число колес с одной стороны, nс – коэффициент, Fк норм - максимальное усиление на катке кратна принимаемым по ГОСТ на краны. 0,059,8Q  GT  - для кранов с гибким подвесом груза, Tkнорм  n0 0,19,8Q  GT  - для кранов с жестким подвесом груза. n0 При тяжелых и весьма тяжелых режимах работы крана: Tkнорм  0,1Fkнорм . Tkнорм  Расчет подкрановых балок. Fк Fк Fк Fк F'э l Fэ F''э Qmax Fк Мmax Тк y0 x0 Условная расчетная схема. A A M x  M max , Qx  Qmax , α - коэффициент, учитывающий влияние веса балки. T T M y  M max k , Qy  Qmax k Fk Fk При расчете используют приближенный подход, то есть считаем, что горизонтальная нагрузка воспринимается тормозной балкой, а вертикальная – подкрановой. Максимальное напряжение в точке А верхнего пояса балки равно: M M  B  Ax  Ay  Ry   c , Wx Wy WxA - момент сопротивления верхнего пояса. WyA - момент сопротивления тормозной балки для крайней точки верхнего пояса. Максимально напряжение в нижнем поясе: M  x  н.xп.  Ry   c . Wx Устойчивость верхнего пояса из плоской балки можно проверить по приближенной формуле: B  M x N x M My    Ry   c , WxA An WyA  - коэффициент продольного изгиба. 0,9Tk d , 4 где d - расстояние между узлами тормозной фермы от внеузлового приложения силы Тк. φ - коэффициент продольного изгиба, определяемый по гибкости верхнего пояса. M My  Проверка прогиба подкрановых балок. - для разрезных балок: f  Ml 2 . 10 EI Момент берется от нормативной нагрузки. - для неразрезных балок:  M ср M л  M пр  l 2  f    , 72  10  EI Мср - момент на средней опоре. Мср Мпр Мл Для легкого режима работы крана -  f   1 l. 400 Для среднего -  f   1 l. 500 1 Для тяжелого -  f   l. 600 Проверка местной устойчивости подкрановой балки. Устойчивость стенки подкрановой балки проверяется с учетом местных нормальных напряжений: 2 2   x  MY    xy       c ,       кр м . кр . кр .     σх - краевое сжимающее напряжение в стенке, τху - среднее касательное напряжение в стенке, σкр и τкр – критические нормальные и касательные напряжения.  F  MY  f k  Ry c , tстl0 Fк - расчетная нагрузка на колесе крана без учета динамичности, γf - коэффициент увеличения нагрузки на колесе (  f  1,1  1,6 ), l0 - расчетная длина распределения усилия Fк. Расчет соединения поясов подкрановой балки со стенкой. Результирующее напряжение в швах будет равно геометрической сумме напряжений от поперечной силы и местных напряжений:    1 2    2 2  Rf  f  c , QSn , I  k f βw - коэффициент условия работы сварного шва по металлу, βwf - границы сплавления, βwz - по металлу шва,  F τw2 - местное напряжение:   2  2 f к . l0   k f τw1 - напряжение от поперечной силы:  1  2 x Аналогично определяются напряжения по металлу границы сплавления. Катет шва определяется:  QS    F  1 kf    n    f к  . 2  R min rc  I x   l0  В клепаных балках выбирается наибольший шаг заклепок: N min , a 2 2  QSn    f Fк        I x   l0  2 2 α - коэффициент, если стенка прострогана «заподлецо» с обушками верхних поясных уголков: α = 0,4 α = 0,1, если стенку не строгают. Nmin - наименьшее расчетное усилие, допускаемое на одну заклепку по срезу или смятию. Подбор сечения подкрановой балки. t n Влияние горизонтальных поперечных нагрузок можно учесть коэффициентом β. M W M   x  x  Ry c ,   1  y  x M x Wy Wx Определяем требуемый момент сопротивления: M  Wx треб  x , Ry c hопт; tст – оптимальная высота балки и толщина стенки определяется как в обычных балках, hmin - определяется из условий полного использования материала: 5 Ry l c  f  M n hmin     , 24 E  l  M x Mм - максимальный момент от загружения балки одним краном. Окончательно высоту балки принимаем с учетом ширины листов или в целях унификации кратно 100мм. Определив требуемую площадь полки, назначаем ее размеры из условий местной устойчивости при упругой работе. b cl bсв E  0,5 . tn Ry Опорные узлы подкрановых балок. 1 15-20 мм прострогать 1 Для восприятия горизонтальных поперечных воздействий кранов устанавливают элементы крепления балок к колоннам. H h1 h2 Fт Элементы крепления рассчитывают на горизонтальное усилие Н: h H  Ft 1 . h2 Изгибающий момент в элементе крепления определяется как в балке с защемленными концами. H l M 6 EI . l02 Решетчатые подкрановые балки. Решетчатые подкрановые балки экономически целесообразны при пролетах 12м и более и кранах грузоподъемностью  30т, а также кранах грузоподъемностью  30т легкого и среднего режимов работы. l h ф= (1/6...1/8)l hn d Максимальная длина панели d = 3м, так как верхний пояс дополнительно воспринимает 1 1 местный момент от внеузловой передачи нагрузки от колеса крана, высота hn    d . 5 7 Решетку выполняют из спаренных уголков, нижний пояс - из тавров или спаренных уголков. Фасонки принимают толщиной не менее 10мм, а стенка укрепляется ребрами жесткости. По статической схеме решетчатая подкрановая балка – это ферма с жестким верхним поясом. Расчет балки ведется как для фермы, представляющей (n - 1) раз статически неопределимую систему, n - число панелей. Предварительно подбор сечений может быть выполнен приближенно: осевые усилия определяются по линиям влияния в предположении шарнирности всех узлов. Изгибающий момент в верхнем поясе определяется по формуле: Fd M x  k - если на панели только одно колесо крана. 3 Затем определяется Mу и N и местный изгибающий момент Mму в верхнем поясе от горизонтальных сил при том же положении кранов, что и при определении усилий от вертикальной нагрузки. Верхний пояс работает на сжатие с изгибом в двух плоскостях. Проверка прочности и устойчивости при сплошной тормозной балке определяется по формуле: M M N  x  y  Ry c .  x An Wx Wy1 При тормозной форме: N  N t M x M MY    Ry c , min An Wx Wy 2 N - продольная сила от вертикальной нагрузки, NT - продольная сила от горизонтальной нагрузки: M Nt  y , hт.ф hтф - высота тормозной фермы, Мму - местный момент: Td M MY  0,9 k , 4 Wy1 - момент сопротивления тормозной балки относительно оси у, Wy2 - момент сопротивления полки верхнего пояса относительно оси у. d  x  x  ; ix min   x или  y . При использовании болтовых соединений ослабление сечения болтами не учитывается. Нижний пояс и решетка работают и рассчитываются на центральное сжатие и растяжение. Предельная гибкость должна быть не более: для поясов и опорных раскосов – 120 при сжатии и 150 - при растяжении; для остальных элементов - 150 при сжатии и 350 – при растяжении. Прогиб балки определяется: M норм  l 2 f   , 10 EI h 1   1,4 при ф  , l 6 h 1   1,3 при ф  . l 8 I  Aверх.п  z12  Aн.п  z22 . Для фермы с тормозной балкой. Вариант с тормозной балкой. Fк Тк y z 1 x z 2 z 1 Вариант с тормозной фермой. Fк Тк y x z 2 Подкраново-подстропильные фермы. l (1/6...1/8)l (1/5...1/7)d Подкраново-подстропильные фермы целесообразны при больших пролетах 24 м и более и тяжелых кранов. d - наибольшая длина панели. Нижний пояс работает на растяжение, изгиб и кручение, поэтому его проектируют сварного коробчатого сечения. Остальные элементы решетки выполнены из широкополочных или сварных двутавров. Фермы по средним рядам колонн рассчитывают на вертикальную нагрузку от четырех кранов и на поперечную горизонтальную нагрузку от двух кранов. Усилия определяются как в комбинированной системе (ферма с жестким нижним поясом). При предварительном расчете допускается определение усилия по шарнирной схеме, а момент в нижнем поясе, как балки на упругоподатливых опорах. Нижний пояс представляет собой тонкостенный стержень замкнутого коробчатого сечения. Проверка прочности производится по формуле: M N M B    x  y  y  x     Ry c , A Ix Iy I Мх - момент от вертикальной нагрузки, Му – момент от горизонтальных поперечных сил, определяется как в разрезной балке пролетом l, В – момент в рассматриваемом сечении от вертикальных и горизонтальных нагрузок, А – площадь сечения нижнего пояса, Iх, Iу – моменты инерции нижнего пояса, Yw - момент инерции пояса (секториальная), х; у - линейные координаты, w – секториальная координата - определяется по теории Власова для тонкостенных оболочек. Дополнительные нормальные напряжения от стесненного кручения определяются последним членом формулы в замкнутом коробчатом сечении. Они обычно невелики, и их учитывает коэффициент условия работы γс = 0,9. Касательные напряжения в нижнем поясе определяется как для тонкостенного стержня замкнутого сечения: QS M QS M S   x x  y y     кр  Ry c , I xt I yt I t 2bht Qx и Qу – поперечные усилия в нижнем поясе от вертикальных и горизонтальных нагрузок, Mw - изгибно-крутящий момент, Mкр - момент чистого кручения, Sx, Sy и Sw – статические моменты отсеченной части сечения, Ix; Iy; Iw – момент инерции нижнего пояса, t – толщина листа в точке проверки касательного напряжения, b – расстояние между осями стенок, h – высота сечения пояса, Qх – можно определить как в неразрезной балке с пролетами, равными расстоянию между узлами фермы. При определении Мw и Мкр жесткость решетки можно не учитывать, а рассматривать нижний пояс как тонкостенный стержень с пролетом, равным пролету фермы. Прогиб определяется по формуле: Mn l2 f   . 10 EI Схемы стропильных и подстропильных ферм. а) г) в) б) е) ж) Выбор типа ферм зависит от технологии условий производства конструкции кровли и технико-экономических показателей. При рулонных кровлях применяют фермы трапециевидного очертания (а). Уклон принимают 1/8 .. 1/12. Также применяют фермы с параллельными поясами (б) с уклоном кровли 1,5%. Малоуклонную кровлю защищают тонким слоем гравия на битумной мастике, что повышает ее долговечность и огнестойкость. При холодных кровлях из асбестоцементных, стальных или алюминиевых листов, когда требуется большой уклон, применяют треугольные фермы (в) и с параллельными поясами - двускатные (г). Для открылков и многопролетных зданиях с наружным отводом воды используют односкатные фермы (д, е). В зданиях с подвесным транспортом высота ферм определяется с учетом строительного подъема (г). Высоту ферм в середине пролета принимают на основе технико-экономического анализа с учетом условий перевозки. Высота фермы на опоре зависит от типа сопряжения с колонной. При жестком сопряжении она не менее 1/13 .. 1/17 пролета, с учетом размеров типовых кровельных плит панель ферм принимают кратной модулю 3м. При частом расположении прогонов или ширине плит 1,5м применяют шпренгельное решение (в). Для отапливаемых и неотапливаемых зданий с покрытием из железобетонных плит или стропильных ферм разрабатывают серии типовых ферм. Для отапливаемых и неотапливаемых зданий с железобетонными плитами применяют фермы с параллельными поясами. И уклоном 1,5%. Высота фермы 3150мм. Для пролетов 18 и 24м можно применять легкие фермы высотой 2250мм. Можно применять фермы с элементами из круглых труб высотой 2900мм. Для неотапливаемых зданий с покрытием из волнистых листов применяют треугольную фермы с уклоном 1:3,5, шаг прогонов 1,5м. Подстропильные фермы чаще всего проектируют с параллельными поясами, треугольной решеткой и стойками, к которым крепятся стропильные фермы. Высота подстропильной фермы зависит от узла примыкания стропильной. Обычно стропильные фермы с параллельными поясами и трапециевидные фермы примыкают к подстропильной сбоку и их высоты близки. Треугольные стропильные фермы опираются сверху. Узел примыкания стропильных ферм к подстропильным обычно выполняют шарнирным. Основной тип сечения решетки ферм - парные уголки таврового сечения. Недостатки: нерациональны при работе на сжатие, большое число дополнительных элементов (фасонки, соединительные планки, большой объем сварки и мелких деталей), наличие зазоров между уголками, что затрудняет окраску конструкций и снижает их коррозионную стойкость, поэтому можно применять фермы с элементами из круглых труб и прямоугольных гнуто-замкнутых профилей. Фермы с поясами из двутавров и решеткой из гнуто-замкнутых профилей. Фермы с поясами из тавров и треугольной решеткой из уголков. Возможно применение фермы с поясами широкополочных тавров и перекрестной решеткой из одиночных уголков (ж). Крепление уголков в узлах с разных сторон пояса позволяет обойтись без фасонок. При небольшой нагрузке возможно использование тонкостенной балки с гибкостью стенки 200 .. 300. При конструировании фермы разбивают на отправочные марки. Длина марки определяется условием транспортирования. Обычно при пролете до 18м фермы транспортируют целиком. При большом пролете разбивают на 2 - 3 отправочных элемента. Для сокращения транспортных расходов разработаны конструкции ферм с узлами на высокопрочных болтах. Такие конструкции поставляются россыпью. Перспективна разработка и внедрение легких металлических конструкций одноэтажных зданий. Их отличительная особенность: комплектность поставки всех элементов, применение эффективных профилей и соединений, использование легких, со средней плотностью не более 300 кг/м3 утеплителей. Легкие металлические конструкции рекомендуют для отапливания одноэтажных зданий с неагрессивной и слабоагрессивной средой, также при подвесных кранах грузоподъемностью 3,2т или мостовых кранов до 20т легкого и среднего режимов работы. Одним из примеров такого покрытия являются фермы из замкнутых гнутосварных профилей пониженной высоты. Шаг ферм 3м. Профилированный настил крепится непосредственно к верхним поясам ферм на самонарезающихся болтах. Верхний слой фермы помимо сжимающего усилия воспринимает момент от равномернораспределенной нагрузки. Подстропильные фермы также имеют треугольную решетку с нисходящим раскосом. Верхний пояс фермы выполнен из широкополочного двутавра, что упрощает опирание стропильных ферм. Нагрузки на стропильные фермы. Постоянные: от кровли, веса связей, фонарей, собственного веса стропильных ферм – принимаются равномерно распределенными. Нагрузки от бортовых стенок фонаря и остекления учитываются в виде сосредоточенной силы, приложенной в узлах опирания крайних стоек фонаря. Вес остекления принимается 0,35кН/м2 остекленной поверхности. Снеговые нагрузки: Снеговые нагрузки при расчете плит, прогонов, настила и ферм отличаются от принимаемых при расчете поперечных рам: p  p0  c   f p0 - нагрузка для данного снегового района, с – коэффициент, учитывающий уклон кровли. При   25 c  1,0 ,   60 c  0 . 20-3 0° b l c c2 1 вариант b a c2 c1 1 вариант 1,25c 0,75c 0,5l 2 вариант c3 0,5l c4 c4 Sф Sф c3 2 вариант a c2  1  0,1 , b a c3  1  0,6 , Sф c4  1  0,4 a . Sф Sф – принимают равным высоте фонаря, но не более b: S ф  h фн . с – не должно превышать при нормативной нагрузке от покрытия более 1,5 кН/м 2, для ферм и балок – 2,5; при нагрузке менее 1,5 кН/м2 – 4; для профилированного настила – 2; для прогонов – 2,5. Если конструкция загружена частично, рассматривают схемы со снеговой нагрузкой на части пролета. В большинстве случаев наибольшие усилия в поясах и раскосах ферм получают по первому варианту. Второй вариант является определяющим для плит, настилов, прогонов, стоек ферм, расположенных в местах повышенных снеговых нагрузок. При загружении по второму варианту при половинном загружении пролета в средних раскосах может измениться знак усилия, и слабонагруженные растянутые элементы, имеющие большую гибкость, окажутся сжатыми. Нагрузка от ветра вызывает обычно усилие противоположного знака по сравнению с усилиями от веса покрытия и снега. При расчете ферм ветровую нагрузку следует учитывать, если ее величина превышает вес покрытия. Остальные нагрузки на стропильные фермы принимают по технологическому заданию. Определение усилий в стержнях ферм. Усилия в стержнях ферм при шарнирном сопряжении их с колоннами от неподвижной узловой нагрузки определяется графическим или аналитическим способом. При внеузловой передачи нагрузки пояс ферм работает на осевое усилие с изгибом. Учитывая неразрезность пояса, значение момента определяем: Fd , M 4 d – панель фермы, F – опорная реакция. Fd M  0,9 , 4 0,9 – коэффициент, учитывающий неразрезность пояса фермы. Усилия от подвесных кранов, тельферов и так далее определяются по линиям влияния. Учитываются также усилия от распора. Нр М1 Нр М2 В зависимости от конструкции узла сопряжение фермы и колонны, распор рамы воспринимается нижним или верхним поясом фермы. При расчете по приближенной методике с заменой решетчатого ригеля на сплошной, расположенный в уровне нижнего пояса распор рамы считают приложенной к нижнему поясу. При жестком сопряжении ригеля с колонной в элементах фермы возникают усилия от момента на опорах. Нр Н1 Н2 Н1 Н2 Нр Эти усилия определяют графическим или аналитическим способом прикладывания к опорам усилия Н1 и Н2: M M H1  1 , H 2  2 hоп hоп hon - расстояние между осями поясов фермы на опоре, М1 и М2 - берут из таблицы расчетных усилий. Узлы сопряжения ферм с колонной выполняют, как правило, на болтах и имеют определенную податливость. В процессе эксплуатации может произойти ослабление соединений и степень защемления фермы на опоре уменьшится. Опорные моменты и распор определяются с учетом всех нагрузок (постоянных, снеговых, крановых и ветровых), которые могут и не быть, поэтому разгружают влияние опорных проектов и распора рамы обычно не учитывают. Если усилия от распора рамы опорных моментов и вертикальной нагрузки имеют одинаковые знаки, то принимают их сумму. Если знаки усилий разные и усилия от распора и моментов меньше по абсолютному значению, то за расчетное берут усилие только от вертикальной нагрузки. Если же усилия имеют разные знаки и усилия от распора и опорных моментов больше усилий от вертикальной нагрузки, то стержень должен быть проверен и на алгебраическую сумму этих усилий. При обеспечении достаточной жесткости узла ферм и колонн, например, сварка, разгружающее влияние опорных моментов от постоянной и снеговой нагрузок может быть учтено. Узлы сопряжения ферм с колонной. 1.Шарнирный узел (ферма сверху). При таком решении возможно опирание ферм, как на металлические, так и на железобетонные колонны. Аналогично можно выполнить узел опирания стропильной фермы на подстропильные. Fф - опорное давление фермы. 10-12 150 Надколонник Fф Опорное давление фермы Fф передается с опорного фланца фермы через строганные или фрезерованные поверхности на опорную плиту колонны или опорный столик подстропильной фермы. Опорный фланец для четкости опирания выступает на 10 - 12 мм ниже фасонки опорного узла. Площадь торца фланца определяется из условия смятия: Fф . А Rсмятия Верхний пояс конструктивно на болтах нормальной точности, прикрепленный к фасонке надколонника. Для того, чтобы узел не мог воспринять усилия от расчетного момента и обеспечивал шарнирность соединений, отверстия в фасонках делают на 5 - 6 мм больше диаметра болта. l hоп. 2. Жесткое сопряжение (ферма сбоку). Н1 Нр 10 - 20 мм Fф t=30-40 мм Опорное давление фермы Fф передается на опорный столик, угловые швы крепления столика рассчитывают на усилие: F  1,2 Fф . Опорный фланец крепят к полке колонны на болтах нормальной точности, чтобы они не могли воспринять опорную реакцию фермы в случае неплотного опирания фланца на опорный столик: M H1  1 - горизонтально усилие от опорного момента. hоп Hр – распор рамы. l Если усилие H  H1  H p отрывает фланец от колонны (момент положительный), то болты крепления фланца к колонне работают на растяжение. Болты проверяют с учетом внецентренного приложения усилия. Швы крепления фланца к фасонке воспринимают Fф , работают на срез в двух направлениях. Н А F н + м Fф Прочность соединений по металлическим швам проверяем в точке действия наибольших результирующих напряжений (точка А):    F 2   H   M 2  F   H  Fф 2 f k f l  Rf  f  c , , H , 2 f k f l M 6 Hl  , W 2kl 2 M  Hl . H1 отрывает фланец от колонны и вызывает его изгиб. Момент при изгибе фланца определяется в защемленной балке пролетом l, равным расстоянию между болтами: Hl M фл  1 , 8 M H l at 2 3H1l  фл  фл  1 :   Ry , W 8 6 4at 2 а – длина фланца, t – толщина фланца. Желательно чтобы H1 проходила через центр фланца, тогда усилие растяжения всех болтов одинаковое. Число болтов: H n  1 c. N Шов крепления фланца к фасонке работает на срез. Его высота: H1 . kf  2aR    min  c Если усилие H1 не проходит через центр фланца, то учитываем эксцентриситет. Если большие опорные моменты, то для повышения жесткости следует применять сварку.  M  Нл Мфл Нл Если фланец сделать тонким (8 - 10мм) и коротким, а расстояние между болтами b по вертикали 160 - 200мм, то он будет гибким и не сможет воспринимать усилие H1. Предельно усилие H1 , которое может воспринимать фланец с учетом образования пластического шарнира: M H b at 2   фл  1 :  Ry , W 8 4 at 2 W - пластический момент сопротивления фланца: 4 k  1,3 – коэффициент вероятности повышенных значений предела текучести. 2at 2  R y  k Отсюда H1 max  . b При малом значении опорного момента им можно пренебречь, а соединение считать шарнирным. Стальные каркасы многоэтажных зданий. Многоэтажные здания – это здания выше 20 этажей. В них четко разделенные конструкции на несущие и ограждающие. Несущие конструкции – каркас из высокопрочных материалов. Ограждающие конструкции – эффективные стеновые материалы. Каркас может быть стальным, железобетонным (с гибкой и жесткой арматурой) и смешанным. Достоинства каркаса из стали: высокая индустриальность, минимальная строительная площадка, высокая прочность материалов, позволяет делать минимальное сечение колонн. В нижних этажах целесообразно применять колонны из низколегированной стали. Для защиты стали от пожара и коррозии, каркасы бетонируют, облицовывают керамическими блоками, специальными плитами или покрывают защитными составами. Каркасы многоэтажных зданий воспринимают значительные нагрузки. Вертикальные: собственный вес здания и полезные нагрузки. Горизонтальные: ветровые, сейсмические и температурные. Основные элементы каркаса: колонны и балки. Расход материалов на стальной каркас, отнесенный к 1 м3 здания, определяется: n   3 G   0,12  , кН / м , 200   n – число этажей. Несущие системы многоэтажных зданий могут быть каркасные, бескаркасные и смешанные. Наиболее распространена каркасная система, разделяется на: связевую, рамно-связевую и рамную. Фундамент – обычно сплошная железобетонная плита. Вертикальная нагрузка через балки перекрытия передаются на колонны, с колонн на фундаменты. Для восприятия и передачи горизонтальных нагрузок на фундамент в каркасе здания нужны жесткие по высоте системы. Связевая система отвечает принципу концентрации материала и позволяет   проектировать элементы каркаса более легкими, типовыми. Рамная система более сложная, менее жесткая, предпочтительная для невысоких зданий. Вертикальные связи устраивают в виде консольных ферм, защемленных в фундамент. Иногда вертикальные связи проектируются в виде сплошных железобетонных стенок или системных оболочек, расположенных внутри каркаса или по периметру. Размещение колонн. Связи. Предпочтителен квадратный или прямоугольный план. Колонны должны образовывать стандартные ячейки. Количество типоразмеров элементов должно быть минимальным. Расстояние между колоннами определяет расход стали на каркас. С увеличение шага вес колонн снижается, а балок – повышается, с уменьшением шага наоборот. Величина оптимального шага колонн уменьшается с уменьшением высоты здания. Если здание 30 40 этажей, то шаг колонн 4 - 6 м, так как ветровые нагрузки действуют в любом направлении, то для пространственной жесткости нужны связи, которые предотвращают скручивание. Связевые фермы располагаются вдоль и поперек симметрично главной оси здания, если связи несимметричны, то здание будет закручивать. Поперечные связи наиболее важные. Связи с раскосной решеткой. Эти связи наиболее распространенные, испытывают небольшие усилия сжатия от укорачивания колонн под разгрузкой. Крестовые связи. Эти связи наиболее жесткие, применяются в глухих стеновых панелях. Раскосы решетки получают дополнительные усилия от сжатия колонн:  св   к  cos 2  ,  к – напряжение сжатия в колонне. Ромбическая решетка. Ромбическая решетка имеет много узлов, вызывает прогиб колонны. Неполные раскосы. Неполные раскосы образуют рамную систему, вызывая дополнительный изгибочный момент в ригелях и колонне. Колонны многоэтажных зданий. Свободная длина колонны в пределах этажа 3 - 4м. Нагрузки достигают несколько тысяч тонн, поэтому требуется большая площадь сечения. Коэффициент предельного изгиба близок к 1, поэтому устойчивость колонны всегда обеспечена. Типы сечений: Слябы 40-60мм 40-60мм Достоинства: максимальная компактность, большая несущая способность, удобство примыкания балок. Если усилия небольшие (4000 - 5000 кН), то можно применять уголки, сваренные по перу. Чтобы сечение было более устойчиво: В совсем легких колоннах можно применять: Колонны стыкуются через два этажа. Стыки на 0,5 .. 1 м выше уровня перекрытия. Торец фрезеровать 200 200 Если в колоннах с рамными связами в стыке возможно появления растягивания напряжения, то одних стяжных болтов недостаточно, стык перекрывается накладками. Болты d=25мм отв. d=26мм -100х20 после приварки накладок уголки убрать Базы колонн с фрезерованными торцами. Плиту строгать Торец фрезеровать База колонн под большие усилия. 80 l=1500, -550х60 215 215(после стяжки 210) l=2300, -550х60 М36 Балки. Образуют балочную клетку. Балки по осям колонн работают на момент от вертикальных и горизонтальных нагрузок. Наиболее часто применяют двутавровые балки, прокатные или сварные. Строительная высота между этажами перекрытия 350..400 мм. Проектируют мощные сварные балки небольшой высоты, если прокатные выходят за предел строительной высоты. При небольших нагрузках и значительных пролетах для балок, поддерживающих настил, можно применять легкие решетчатые сечения. Сопряжение балок с колонной может быть: 1) шарнирным: 10-20 1-1 9 16 150 160 111 80 100 80 1 111 1 160 2-2 2 2 2) жестким: -100х10 111 111 -40 100 10-20 1 1-1 1 толщ. 38мм 2 2 600 толщ. 14мм толщ. 22мм 55 2-2 745 55 В стенках колонн двутаврового сечения в узле жесткого сопряжения возникает сложное напряженное состояние, поэтому необходимо проверять приведенное напряжение. Мв Fл Qл Qп Мв Fп N Fл Мн Fп N  прив   M   N 2  3 2  1,5Ry   c . Величина касательного напряжения в стенке колонны: Q  Fл  Fп   Аст Особенности расчета каркаса многоэтажных зданий. Связи конструируются в виде ферм с поясами из колонн и стойками из балок перекрытия, дополнительно ставятся раскосы. Раскосы конструируются на фасонках. Сборка элементов связей проектируются на монтажных болтах, а раскосы к фасонке крепятся при помощи сварки. Проверка жесткости к ветровой нагрузке сводится к определению максимального прогиба 1 каркаса: f max  H и проверки перекоса в отдельных панелях. Проверка прогиба 500 является условной, так как учитывается условная ветровая статическая нагрузка. Считается, что вся нагрузка воспринимается каркасом без учета жесткости, которую придают зданию ограждающие конструкции и внутренние стены, но такая условная проверка гарантирует, что у зданий больших колебаний от ураганного ветра не будет. Ограничения перекоса каркаса в отдельных панелях гарантирует сохранность стенового заполнения и внутренней отделки зданий от трещин. Балки при свободном опирании на колонны рассчитывают как однопролетные. Колонны в основном работают на центральное сжатие при полном загружении. Дополнительно проверяется несущая способность колонн на одностороннее загружение временной нагрузкой: М Рл временная Рп ал ап M  Pn  an  Pл  a л . При определении расчетного изгибающего момента в колонне ее рассматривают как неразрезную балку с внешним моментом, приложенным на опорах. Такой же расчет производится, если реакция левой и правой балок Рп; Рл неодинаковы. Если каркас состоит из рамных систем с жестким сопряжением балок с колонной, то расчет на вертикальную нагрузку производится приближенным методом. Условно принимаем, что при загружении одного пролета усилия возникают только в колоннах и ригелях, примыкающих к данному пролету. При этих предпосылка расчетная схема имеет два неизвестных момента (опорные моменты у загруженного ригеля). Моменты находят методом деформаций. Расчетные значения моментов в колоннах и ригелях определяются из наиболее неблагоприятной комбинации загружения данного и соседнего ригеля, как временной, так и постоянной нагрузкой. Горизонтальные нагрузки воспринимают рамы, расположенные по всем рядам колонн (рамная система), или отдельные связи (связевая система). При рамной системе ветровая нагрузка распределяется между рамами пропорционально их жесткости. Учитывается пространственная работа каркаса, связанного жесткими горизонтальными дисками. Раму после определения горизонтальной нагрузки рассматривают как плоскую. Делают приближенный расчет. Рама принимается статически определимой в результате размещения шарниров. Связи Ветровая нагрузка на отдельно стоящие вертикальные связи распределяются пропорционально их жесткости. Если связи несимметричны, учитывают дополнительный момент от закручивания всего здания. Связи смещаются на одинаковую величину параллельно сами себе и дополнительно перемещаются на некоторый угол от поворота здания. После определения нагрузки на связи они рассчитываются как вертикальные фермы. Особенности листовых конструкций. Листовые конструкции представляют собой емкости в виде тонкостенных сплошных оболочек. Условия работы листовых конструкций (ЛК): - наземные, - полузаглубленные; - подземные; - подводные. Листовые конструкции могут воспринимать статические и динамические нагрузки, работать под низким, средним и высоким давлением, вакуумом, под воздействием средних или агрессивных сред. Для листовых конструкций характерно двухосное напряженное состояние. В местах сопряжения различных оболочек на участках защемления их у колец жесткости, крыш, днищ возникают местные напряжения, быстро затухающие по мере удаления от этих участков. Листовые конструкции совмещают несущие и ограждающие функции, имеют большую протяженность швов в 2 - 3 раза большую, чем в обычных металлических конструкциях на единицу массы. К швам предъявляются повышенные требования. Они должны быть прочными и герметичными. Швы выполняются встык и внахлестку. Целесообразно соединение встык. Соединение встык с накладками применяется реже, так как увеличивается протяженность шва и создаются большие напряжения в зоне шва. Для упрощения работы используют соединение внахлестку. Для листовых конструкций применяют листы толщиной до 4мм из холоднотянутой стали. Если требуется толщина 4 10мм, то применяется горячекатаная сталь. Для резервуаров кислот применяют алюминиевые сплавы или биметаллы (сталь, покрытая нержавеющей сталью или никелем). Для защиты от коррозии наружную поверхность резервуаров или газгольдеров покрывают лакокрасочной пленкой. Низ днища вертикального цилиндра резервуара или газгольдера предохраняется от коррозии изоляционным слоем на песчаном основании. Внутри листовые конструкции защищены от коррозии только при наличии агрессивной среды, для сернистой нефти – перхлорвиниловое покрытие. Специфика работы листовых конструкций учитывает γс = 0,8. Резервуары. Резервуары - это сосуды для хранения нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, жидкого аммиака, кислот, технического спирта и так далее. Бывают цилиндрические (горизонтальные и вертикальные), сферические, каплевидные, траншейные и так далее; по расположению относительно земли: надземные на опорах, подземные, наземные, полузаглублённые, подводные. Могут быть постоянного и переменного объёма. Наиболее распространены цилиндрические резервуары. Резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления. В них хранятся нефтепродукты при малой их оборачиваемости (10 - 12 раз в год). В таких резервуарах при наполнении жидкостью образуется избыточное давление в паровоздушной зоне до 2 кПа, а при опорожнении образуется вакуум до 0,25 кПа. Для нефти и легко воспламеняющихся нефтепродуктов при большой оборачиваемости используют резервуары с плавающей крышей и понтоны. В них практически нет избыточного давления и вакуума. Резервуары повышенного давления до 30 кПа используют для длительного хранения нефтепродуктов оборачиваемостью не более 10 – 12 раз в год. Для хранения бензина с высокой упругостью паров используют каплевидные резервуары. Цилиндрические резервуары объемом 100 – 20 000 м3 используют для хранения легковоспламеняющихся жидкостей; объемом до 50 000 м3 - для горючих жидкостей (мазут). Они бывают, как правило, наземные. Основные элементы: стенка, днище, крыша. Эксплуатация оборудования состоит из арматуры (устройства для налива, замера, выпуска жидкости, предохранительных клапанов) и приспособлений для очистки и осмотра (лестницы, люки, лазы). Резрвуаростроение заложил Шухов. Им были установлены оптимальные размеры вертикальных цилиндрических резервуаров. Резервуар со стенкой постоянной толщины имеет минимальную массу, если суммарная масса днища и покрытия вдвое больше массы стенки, а значение оптимальной высоты резервуара определяется по формуле: 2 V  hопт  3   ,   tст  прив прив  tпокр ∆ - сумма приведённых толщин днища и покрытия:   tдн . В резервуарах большого объёма толщина стенки переменна по высоте. Масса такого резервуара минимальна, если суммарная масса днища и покрытия равна массе стенки:   Ry  hопт  3 , n ж Rωy – расчётное сопротивление металла стыковых сварных соединений растяжению, сжатию или изгибу по пределу текучести, γж – удельный вес жидкости в резервуаре (Н/м3), n – коэффициент перегрузки гидростатического давления жидкости, γ – коэффициент условия работы. Резервуары объемом до 30 000 м3 изготавливают методом рулонирования. Высота резервуара с учётом размер стенда для изготовления рулонов h = 12 м при hопт ≤ 14 м или h = hопт, но не более 18 м, при hопт>14 м. Высота корпуса кратна ширине стандартного листа (1400, 1500, 2000 мм). Для резервуаров объемом до 1000 м3 h/D = 0,25 – 1 и до 10 000 м3 h/D = 0,2 – 0,5. Газгольдеры переменного объёма. Газгольдеры переменного объёма – сосуды для хранения и смешивания газов. Их включают в газовую сеть между источниками газа и его потребителями. Они регулируют потребление газа, применяются на металлугческих, коксохимических, газовых заводах в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. В городском хозяйстве применяются для хранения природного и искусственного газа. Газгольдеры переменного объёма бывают: 1. мокрые 2. сухие Газгольдеры переменного объёма называются газгольдерами постоянного низкого давления, так как давление газа в них не превышает 4 – 5 кПа. Типовые мокрые газгольдеры имеют вместимость от 100 до 30 000 м3, состоят из вертикального цилиндрического резервуара, наполненного водой, одного или нескольких промежуточных звеньев (телескопов), колокола и направляющих. направляющая Колокол Промежуточные звенья Промежуточные звенья Резервуар Через дно резервуара под колокол подводят газопроводы для подачи и расходования газов. При наполнении газгольдера газом, колокол поднимается, зачерпывая воду из резервуара своим жёлобом, захватывает им вертикальный жёлоб телескопа, после чего колокол с телескопами поднимается до своего верхнего положения. Для уравновешивания внутреннего давления газа масса подвижных звеньев бывает недостаточной. Для этого применяют бетонные грузы, расположенные по периметру крыши колокола, а также чугунные грузы, уложенные по периметру нижней части колокола. Газгольдеры должны использовать молниеотводы. Плавность и бесперебойность движения колокола и телескопа обеспечивается направляющими и роликами. Для оболочки резервуара и подвижных звеньев с расчётной температурой ниже -30°С применяют сталь ВСт 3 сп5, до -30°С - ВСт 3 пс6. Для прочих элементов - ВСт 3 кп2. Сухие газгольдеры применяют, когда хранимые газы имеют высокую концентрацию до 90.9 % и выше и не допускают увлажнения (этилен, пропилен) V = 10 – 600 000 м3. Конструкция состоит из цилиндрической оболочки с плоским днищем, находящимся на песчаной подушке. Кровля сферическая толщиной 3 мм. Листы крепятся к каркасу радиально. Каркас из гнутых швеллеров. Внутри размещена конструкция в виде шайбы, перемещающейся под давлением газа, как поршень. Шайба имеет каркас и наружную обшивку из листовой стали. воздух воздух воздух газ газ Стенки корпуса сухого газгольдера рассчитывают как цилиндрическую оболочку от избыточного внутреннего давления газа на растяжение. Расчётная толщина стенки оказывается незначительной, поэтому толщину стенки принимают конструктивно 5 мм. Так как конструкция корпуса получается тонкостенной его проверяют на устойчивость при отсутствии газа и наличии вакуума. В этом случае от действия веса корпуса и покрытия с оборудованием, веса снега на кровли, а также от полезной нагрузки в корпусе возникает продольные меридиональные напряжения: G 1   Ry   c , 2r2t G – сумма всех поперечных нагрузок, r2 – радиус по внутренней стороне резервуара, t – толщина стенки резервуара. Критические напряжения от этих нагрузок. Газгольдеры постоянного объёма. Для хранения природного газа, выходящего при добыче из – под земли под большим давлением и подаваемого потребителям, а также при значительно суточном обороте газа, применяются газгольдеры постоянного объёма. Давление в них от 70 – 200 кПа. Это даёт возможность при значительно меньших габаритах по сравнению с газгольдерами переменного объёма хранить во много раз больше количество газа. Газгольдеры постоянного объёма более экономично по расходу металла на 1 м3 хранимого газа. По конструкции они подразделяются на цилиндрические и сферические. Цилиндрические состоят из цилиндрического корпуса и двух днищ. Объём 50 – 300 м3 , что позволяет их делать габаритными для перевозки железнодорожным транспортом. Газгольдеры могут быть горизонтальные и вертикальные. На опорах устраивают рёбра жёсткости. Расчётные толщины стенок и днищ для цилиндрической части определяется по формуле: n pD t 2 u , 2 c Ry n2 - коэффициент перегрузки: в этом случае n2 = 1,2, pu - избыточное давление,  c = 0,7. n pD Для сферических днищ: t  2 u 4 c Ry Для снижения изгибающего момента краевого эффекта переход от цилиндрической стенки днища делается плавным: 2 3 tc    t 3 4 Кольца жёсткости делают из составных или прокатных тавров приваренных к стенке. Наибольшие усилия в кольцах жёсткости возникают при гидравлических испытаниях, когда газгольдер заполняется водой. Сдвигающие усилия между стенкой корпуса и кольцом жёсткости, возникающие в этот момент: Fô  F0 sin  , если F0  G G , то Fô  sin  . 2r2 2r2 Эп. F0 r2 F 0= Q 4 F0 = Q 4 В газгольдерах с не большим внутренним избыточным давлением кольцо жёсткости выполняется из уголка, усиленного дополнительными стержнями. Сферические газгольдеры выполняются не габаритными, объёмом до 600 м3 и более. По расходу металла на 1 м3 хранимого газа они более экономичны, чем цилиндрические, но сложнее в изготовлении и монтаже. Их конструктивное оформление и методика расчёта такие же, как для сферических резервуаров сжиженных газов. Бункеры и силосы. Бункера и силосы - это ёмкости для хранения и перегрузки сыпучих материалов. Силос H H Бункер a b a D H 1,5b H 1,5D Силосы исключительно круглые в плане. Загружение бункера и силоса происходит сверху, разгружение – снизу через воронку и выпускное отверстие. Размер выпускного отверстия: a0  k b  80tg , k - опытный коэффициент: k  2,4  2,6 . При хранении твёрдых кусковых материалов наклонные стенки футеруют для избежания истирания стенки и образования вмятин. Для руды футеруют листовой марганцовистой сталью 30 Г2 толщиной 6 – 10 мм. Можно использовать деревянную футеровку. Для бункеров и силосов используют углеродистую стали: для гибких бункеров – низколегированные. Швы – сварные встык. Внахлёстку могут быть только монтажные швы. Бункера с плоскими стенками – это жёсткие конструкции, сохраняющие постоянную геометрическую форму. По конструкциям бывают пирамидально призматические, лотково призматические; состоят из верхней призматической части и нижней части в виде усечённой пирамиды или лотка большой протяжённости. Бункерная несущая балка Горизонтальные и вертикальные ребра жесткости Горизонтальные ребра жесткости Несущие балки Бункерные балки с колонной образуют конечные рамы. В продольном направлении при большой протяжённости бункера устанавливают связи. Гибкий или висячий бункер представляет собой не замкнутую цилиндрическую оболочку нулевой гауссовой кривизны. Оболочка подвешивается к двум продольным несущим балкам опёртым на колонну. y f Балка Колонна x b Так как отсутствуют рёбра жёсткости, стенки работают на растяжение. Гибкие бункера наиболее экономичны. Для определения формы гибкого бункера используют следующие зависимости: 3   x 2  x    y  2 f 3   2  ,  b  b    2  x y4f  . b Площадь поперечного сечение бункера: A  5 fb . 8 5 fbL , 8 L - пролет гибкого бункера, t 2 3 b Ry  Rô  ô  há , 3  2 R y - расчетное сопротивление оболочки, Объём: V    Rô - расчетное сопротивление футеровки, t ô - толщина футеровки,  - удельный вес сыпучего материала, há - высота бункерной балки. Оптимальное отношение пролёта бункера к высоте оболочки: b  1,4 . f