Проектирование металлической фермы

1. Исходные данные

Необходимо рассчитать и законструировать стропильную ферму покрытия пролётом 27 м. Шаг ферм 8 м, сечение элементов решетки фермы выполнены из парных уголков, пояса из тавров. Покрытие тёплое. Климатический район по снеговому покрову тАУ IV. Материал фермы тАУ сталь марки 14Г2      (ГОСТ 19282 тАУ 73*), соответствует марке С345 по ГОСТ 27772-88*, соединения стержней в узлах фермы сварные, коэффициент надёжности по назначению зданий . Высота фермы по наружным граням поясов 3150 мм.

Рис. 1. Схема стропильной фермы

2. Сбор нагрузок на ферму

На ферму действуют два вида нагрузок:

  1. постоянная от собственного веса конструкций покрытия;
  2. временная снеговая, которую можно отнести только к кратковременной с полным нормативным ее значением.

Величины расчетных нагрузок на 1 м2 (горизонтальной проекции) площади покрытия от собственного веса конструкции удобно определять в табличной форме.

Таблица 1.

Определение нагрузок, действующих на ферму
Вид нагрузки и ее составляющие

Норма-тивная

нагрузка

()

Коэф-т надеж-ности по нагруз-ке

Расчет-ная нагрузка

()

1

2

3

4

Постоянная:

  • защитный слой гравия, на битумной мастике, t=20 мм, γ=20 кН/м3
  • гидроизоляционный ковер из 4-х слоев рубероида
  • утеплитель из минераловатных плит  t=100 мм,   γ=2,5 кН/м3
  • пароизоляция из одного слоя           рубероида
  • цементная стяжка t=20мм
  • сборные железобетонные ребристые плиты 8 x 2,7 м
  • собственная масса фермы
  • связи покрытия

0,4

0,2

0,25

0,05

0,4

1,6

0,3

0,04

1,3

1,3

1,3

1,3

1,3

1,1

1,05

1,05

0,52

0,26

0,325

0,065

0,52

1,76

0,315

0,042

Итого:

         Временная

- снег по всему покрытию

1,4

Всего:

       4,74

-

5,91

Значения погонных равномерно распределенных расчетных нагрузок от собственного веса конструкций и снега (в кН/м) определяются по формулам:

QКР = qКР ⋅ В = 3,81⋅ 8 = 30,48 кН/м ;

РСНЕГА = РСН ⋅ В = 2,1⋅ 8 =16,8 кН/м ;

где В тАУ шаг ферм (В = 8 м);

qКР, РСН тАУ расчетные нагрузки действующие на ферму из табл. 1

Общая нагрузка на промежуточные узлы фермы от собственного веса конструкций и снега определяется по формуле:

F1 = (QКР +PСНЕГА) ⋅ d = (30,48 + 16,8) ⋅ 2,7 = 127,66 кН;

где d тАУ длина панели верхнего пояса (d = 2,7 м)

Общая нагрузка на опорные стойки от собственного веса конструкций и снега определяется по формуле :

F2 = 0,5 ⋅ F1 = 0,5 ⋅ 127,66 = 63,83 кН

Тогда,  опорная реакция равна :

0,5 ⋅ (2⋅ F2+9⋅ F1) =5 ⋅ F1 = 0,5 ⋅ (2⋅63,83 + 9⋅127,66) =638,3 кН

                                          Рис. 2. Схема загружения фермы.

3. Разработка схемы связей.

Сквозная плоская система (ферма) легко теряет свою устойчивость из плоскости. Чтобы придать ферме устойчивость, ее необходимо присоединить к какой-либо жесткой конструкции или соединить с другой фермой в результате чего образуется пространственно устойчивый брус.

Для обеспечения устойчивости такого бруса (блока) необходимо, чтобы все грани его были геометрически неизменяемы в своей плоскости. 

Грани блока образуются  двумя вертикальными плоскостями спаренных ферм, двумя перпендикулярными им горизонтальными плоскостями связей, расположенными по обоим поясам ферм, и тремя вертикальными плоскостями поперечных связей (две в торцах ферм и одна в коньке). Поскольку  этот пространственный брус в поперечном сечении замкнут и достаточно широк, он обладает очень большой жесткостью при кручении и изгибе, поэтому потеря его общей устойчивости в изгибаемых системах невозможна.

Рис. 3. Связи, обеспечивающие устойчивость стропильных ферм.

4. Определение усилий в стержнях фермы

Значения усилий определяем методом сечений. За расчетную нагрузку фермы принимается расстояние между осями поясов. Уклоном верхнего пояса фермы при i = 0,015 можно пренебречь.

cosα = ; sinα =

Рис.5. Расчетная схема фермы

                                              

                                             

            

Σmom1 = 3150 = 0 ; N1-4 = 0 (kH)В·

(kH)

        

 

Усилие в стержне 9-11 отсутствует.

Рис. 6. Размеры элементов фермы и усилия в них

Таблица 2

Расчетные усилия в элементах фермы

Элемент

Обозначение

Стержня

Расчетные усилия, кН

СЖАТИЕ

  РАСТЯЖЕНИЕ

Верхний пояс

1 тАУ 4

0

0

4 тАУ 6

-875,34

-

6 тАУ 8

-875,34

-

8 тАУ 10

-1313,07

-

10  - 11

-1313,07

-

Нижний пояс

2 тАУ 5

-

492,38

5 тАУ 7

-

1148,94

7 тАУ 9

-

1367,79

Стойки

5 - 6

-127,66

-

7 - 10

-127,66

-

9 тАУ 11

0

-

Раскосы

2 - 3

-756,64

-

3 - 4

-756,64

-

4 - 5

-

588,45

5 - 8

-420,32

-

7 - 8

-

252,19

7 - 11

-84,06

-

1 - 3

0

0

5. Подбор сечений стержней фермы

Подбор сечения стержней верхнего пояса.

Верхний пояс принимаем с изменением сечения.

Подбираем сечение для стержней 1 тАУ 4,  4-6 , для наибольшей

нагрузки N4-6 = -875.34 kH

Задаемся гибкостью тАУ λ = 90, расчетное сопротивление стали по пределу          текучести Ry=315 МПа по табл. 51* /1/, коэффициент продольного изгиба

φ = 0, 527 по табл. 72 /1/.

Требуемая площадь сечения

Принимаем профиль 17,5ШТ1, А = 47 см2, ix =4,5 см, iy= 5,96 см.

Гибкость стержня

λx = < [λx] = 132;

φх = φmin =0,783

λy = < [λy] = 136,2; φy = 0,849

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

<.

Недонапряжение составляет 20%, но при меньшем профиле возникает перенапряжение. Если принять тавр 25БТ1 и тавр 30БТ1 для стержней 8 тАУ 10 и 10 тАУ 11, получим перерасход металла. Окончательно принимаем профиль 17,5ШТ1

Подбираем сечение для стержней 8 - 10, 10 тАУ 11, для нагрузки N = -1313,07 kH

Задаемся гибкостью тАУ λ = 90, Ry=315 МПа, по табл. 72 /1/ φ = 0, 527.

Требуемая площадь сечения

Принимаем профиль 20ШТ1, А = 62 см2, ix =5,13 см, iy= 7,19 см.

Гибкость стержня

λx = < [λx] = 127,8;

φх = φmin =  0,816

λy = < [λy] = 133,2; φy = 0,909

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

<.

Недонапряжение составляет 13%, но при меньшем профиле возникает перенапряжение. Окончательно принимаем профиль 20ШТ1

Проверка местной устойчивости стенки сжатого пояса

Проверяем местную устойчивость стенок сжатого пояса для

        стержней 1 тАУ 4,  4-6 и 6 - 8, по формуле 91*/1/

где   hw,ef = h тАУ t тАУ R= 16,93 тАУ 1,28 тАУ 2,0 = 13,65

           

         Местная устойчивость стенок тавра обеспечена.

Проверяем местную устойчивость стенок сжатого пояса для

        стержней    8 - 10 и 10 - 11.

где   hw,ef = h тАУ t тАУ R= 194,3 - 14,2 - 22 = 158,1мм  = 15,81  см

           

         Местная устойчивость стенок тавра обеспечена.

Подбор сечения стержней нижнего пояса.

Нижний пояс принимаем с  изменением сечения по  длине.

Подбираем профиль для стержня 2 - 5  и рассчитываем его на

усилие тАУ N = 492,38 кН.

Требуемая площадь сечения

Принимаем тавр 13БТ1 , А = 17,65 см2, ix = 3,78 см, iy= 2,64 см.

Гибкость стержня

λx = < [λ] = 400;

λy = < [λ] = 400.

Проверка прочности стержня 5-7

<.

Условие соблюдается.

Подбираем профиль для стержня  5 тАУ 7, 7 - 9  и рассчитываем его на

усилие тАУ N = 1367,79 кН.

Требуемая площадь сечения

Принимаем тавр 25БТ1 , А = 45,9 см2, ix = 7,57 см, iy= 4,22 см.

Гибкость стержня

λx = < [λ] = 400;

λy = < [λ] = 400.

Проверка прочности стержня 5-7

<.

Условие соблюдается.

Подбор сечений сжатых раскосов и стоек производим по методике подбора сечений сжатых верхних поясов фермы, растянутых раскосов тАУ по методике подбора сечений растянутых поясов фермы.

Подбираем сечение из парных уголков для стержней 5 - 6, 7 тАУ 10 тАУ не опорный раскос (сжатый) с внутренним усилием N =  - 127,66 кН

Задаемся гибкостью тАУ λ = 100, по табл. 72 /1/ φ = 0,433.

Требуемая площадь сечения

Принимаем  тФШтФФ 70x6, А = 16,3 см2, ix =2,15 см, iy= 3,25 см.

Гибкость стержня

λx = < [λx] = 156

φx =  φmin = 0,324

λy = < [λy] = 171,6; φy = 0,456

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

<.

Условие соблюдается.

Сечение для стойки 9 тАУ 11 принимаем конструктивно, для уменьшения количества типа профилей принимаем тФШтФФ 70x6

Стержень 5 - 8.

Задаемся гибкостью тАУ λ = 100, по табл. 72 /1/ φ = 0,433.

Требуемая площадь сечения

Принимаем  2тФФ 125 x 80x8, А = 32 см2, ix =4 см, iy= 5,98 см.

Гибкость стержня

λx = < [λx] = 157,8

φx =  φmin = 0,564

λy = < [λy] = 166,8; φy = 0,678

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

<.

Условие соблюдается.

Стержень 7 тАУ 11.

Задаемся гибкостью тАУ λ = 100, по табл. 72 /1/ φ = 0,433.

Требуемая площадь сечения

Принимаем  2тФФ 90x 56x6, А = 23,74 см2, ix =2,88 см, iy= 4,42 см.

Гибкость стержня

λx = < [λx] = 180

φx =  φmin = 0,336

λy = < [λy] = 180; φy = 0,477

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

<.

Условие соблюдается.

Стержень 2 - 4

Задаемся гибкостью тАУ λ = 100, по табл. 72 /1/ φ = 0,433.

Требуемая площадь сечения

Принимаем  2тФФ125x80x10, А = 39,4 см2, ix =3,98 см, iy= 5,98 см.

Гибкость стержня

λx = < [λx] =135

φx =  0,817

λy = < [λy] = 126; φy = φmin = 0,675

Предельные гибкости

;

;

;

.

Проверка устойчивости стержня

<.

Условие соблюдается.

Подбираем профиль для стержня 4 - 5  и рассчитываем его на

усилие тАУ N =588,45 кН.

Требуемая площадь сечения

Принимаем тавр 2тФФ 75ГЧ50ГЧ8 , А = 18,94 см2, ix = 2,35 см, iy= 3,75 см.

Гибкость стержня

λx = < [λ] = 400;

λy = < [λ] = 400.

Проверка прочности стержня 4 - 5

<.

Условие соблюдается.

Подбираем профиль для стержня 7 - 8  и рассчитываем его на

усилие тАУ N =252,19 кН.

Требуемая площадь сечения

Принимаем тавр 2тФФ 63ГЧ40ГЧ6 , А = 11,8 см2, ix = 1,99  см, iy= 3,21 см.

Гибкость стержня

λx = < [λ] = 400;

λy = < [λ] = 400.

Проверка прочности стержня 7 - 8

<.

Условие соблюдается.

Что бы уменьшить количество типов профилей для не напряженного раскоса  1 - 3  конструктивно принимаем сечение  2тФФ 63ГЧ40ГЧ5.

Опорную стойку принимаем конструктивно из сварного симметричного двутавра. Конструктивные особенности, катеты швов  указаны в графической части проекта и главе ВлКонструирование монтажных узловВ» данной пояснительной записки.

Результаты расчета стержней фермы приведены в табл.3

       6. Расчет сварных швов.

Для присоединения стержней применяем полуавтоматическую сварку в

среде углекислого  газа сварочной проволокой СВ-10НМА d = 2 мм по

ГОСТ 2246-70*.

Коэффициенты и расчетные сопротивления, принимаемые при расчете по металлу шва:

βf  = 0,9; γwf = 1; R wf = 240 МПа

βf γwfR wf = 0,9⋅1⋅240 = 216 МПа,

где :- расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу шва, принимается по табл. 56*/1/ ; - коэффициенты для расчета углового шва  по металлу шва, принимается по табл. 34*/1/ ;

При расчете по металлу границы сплавления

βz = 1,05; γwz = 1; R wz = 0,45R un = 0,45⋅490 = 220,5 МПа,

βz γwzR wz = 1,05⋅1⋅220,5 = 231,5 МПа;

где :  = 490 МПа - временное сопротивление стали разрыву, принимаемое равным минимальному значению по государственным стандартам и техническим условиям на сталь ;

- коэффициенты для расчета углового шва по металлу границы сплавления табл 56*/1/;

- расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу границы сплавления;

βf γwfR wf = 216 МПа < βz γwzR wz = 231,5 МПа,

Расчет ведем по металлу шва

Несущая способность сварных швов определяется прочностью металла сварного шва и вычисляется по формуле

,

где Nоб(п) тАУ усилие, действующее на обушок (перо) уголков;

           n тАУ количество швов (n = 2);

           a тАУ длина шва на непровар (а = 1-2 см);

           kf тАУ катет сварного шва.

kf, min  ≤ kf  ≤ kf, max,

где kf, min  тАУ минимальный катет шва, определяемый по табл. 38* /1/;

      kf, max тАУ максимальный катет шва, равный:

      для шва по обушку 1,2 tуг;

      для шва по перу

      kf, max = tуг тАУ 1мм, при tуг ≤ 6мм;

      kf, max = tуг тАУ 2мм, при tуг = 7 тАУ 16мм;

      здесь  tуг тАУ толщина прикрепляемого уголка.

Стержень 2 - 4

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 15 см.

Шов по перу

см. Принимаем lw = 10 см.

Стержень 4 - 5

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 12 см.

Шов по перу

см. Принимаем lw = 8 см.

Стержень 5 - 8

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 9 см.

Шов по перу

см. Принимаем lw = 6 см.

Стержень 7 - 8

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 8 см.

Шов по перу

см. Принимаем lw = 6 см.

Стержень 7 - 11

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 6 см.

Шов по перу

см. Принимаем lw = 6 см.

Стержень 5 тАУ 6 (7 - 10)

Шов по обушку

см. Принимаем lw = 6 см.

Шов по перу

см. Принимаем lw = 6 см.

Результаты расчета размеров сварных швов сводим в табл. 4.

Таблица 4

Таблица расчета швов

Номер стер-жня

Сечение

[N], кН

Шов по обушку

Шов по перу

Nоб, кН

kf, мм

lw, см

Nп кН

kf, мм

lw, см

2 тАУ 4

2тФФ125x80x10

756,64

529,64

9

15

227

6

10

4 тАУ 5

2тФФ75x50x8

588,45

411,9

9

12

176,55

6

8

5 тАУ 8

2тФФ125x80x8

420,32

294,22

9

9

126,1

6

6

7 тАУ 8

2тФФ75x50x6

252,19

176,53

6

8

75,66

5

6

7 тАУ 11

2тФФ90x56x6

84,03

58,83

6

6

25,2

5

6

5 тАУ 6

(7 - 10)

тФШтФФ 70x6

127,66

89,36

6

6

38,3

5

6

Сварку не напряженных стержней 1 тАУ3 и 9 тАУ 11, выполняем конструктивно соответственно с катетами швов по обушку 9 мм и 6 мм длиной 7 см, катетами швов по перу 6мм и 5мм длиной 7см.   

7. Конструкция монтажных  узлов фермы.

  1. Опорный узел

Принимаем толщину фасонки 12 мм. Опорный лист принимаем толщиной

10 мм, ширина 160, длина 180.

Ширина фасонки 100мм, длина 260мм

Катет швов прикрепляющих фланец к стойке принимаем 7мм, сварной шов по всей длине фланца

2) Укрупнительный стык (нижний)

Накладку принимаем толщиной  16 мм. шириной 150 и длиной 600.

Накладка на  пояс ( полка тавра) принимается толщиной 16мм, шириной

100мм, длиной 1000мм. Сварной шов по всей длине накладки , катет шва 7мм.

  1. Укрупнительный стык (верхний)

Накладка 1 :

Накладку принимаем толщиной  16мм, шириной 130мм , длиной 1000мм.

Накладки 2 :

Принимаем толщину 16мм, ширина 200мм, длина 300 мм

Катеты швов 7мм

Содержание

  1. Исходные данныетАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.тАжтАжтАжтАжтАж..4
  2. Сбор нагрузок на фермутАжтАжтАжтАжтАж.тАжтАжтАжтАжтАжтАж.тАжтАжтАжтАжтАжтАж4
  3. Разработка схемы связейтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.тАжтАжтАжтАжтАж..6
  4. Определение усилий в стержнях фермытАжтАжтАжтАж.тАжтАжтАж.тАжтАж.7
  5. Подбор сечений стержней фермытАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.тАжтАжтАжтАжтАж.11
  6. Расчет сварных швов.тАжтАжтАжтАжтАж.тАжтАж.тАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.21
  7. Конструкция монтажных узловтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.24
  8. Список использованной литературытАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАжтАж.27
8. Список использованной литературы

1. СНиП   II-23-81*.  Стальные  конструкции.   Нормы  проектирования. -М.: Стройиздат,   2001.- 96 с.

2. СНиП  2.01.07-85.  Нагрузки  и  воздействия.  Нормы  проектирования. - М.: Стройиздат,  1986.- 35 с.

3. Металлические  конструкции  /  под  общей  редакцией  Е. И. Беленя /.  Издание  6-е,  переработанное  и  дополненное. -М.: Стройиздат,  1985.- 560 с.

5. Мандриков  А. П.  Примеры  расчета  металлических  конструкций.-М.: Стройиздат,  1991.- 429 с.

Министерство образования РФ

Тульский государственный университет.

Кафедра ССМиК

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине : ВлМеталлические конструкцииВ»

на тему ВлСтропильная ферма промзданияВ»

Выполнил :                                                           студент гр.321291

Чепелюк И.Л.

Проверил:                                                            доцент Иванов А.А.

Тула, 2002

Вместе с этим смотрят:

Проектирование торговых комплексов и крытых рынков
Расчет систем газоснабжения района города
Рерберг И. И
Русская архитектура XVIII века