Проектирование стального каркаса одноэтажного производственного здания: Методика и пример выполнения курсовой работы

Проектирование промышленных зданий — сложная, но крайне важная задача, позволяющая применить теоретические знания на практике. Цель курсовой работы по этой теме — не просто выполнить набор расчетов, а глубоко освоить методологию проектирования стального каркаса, от анализа исходных данных до конструирования финальных узлов. Данное руководство призвано стать вашим надежным наставником. Мы пошагово пройдем все этапы, чтобы в итоге получить грамотно рассчитанный и продуманный проект каркаса, полностью готовый к защите.

Прежде чем приступить к расчетам, необходимо четко определить исходные условия и выполнить компоновку основной конструктивной схемы нашего будущего здания.

Этап 1. Формируем исходные данные и компонуем поперечную раму

Что нам дано для начала работы

На старте любого проекта ключевым является систематизация исходных данных. От их точности и полноты зависят все последующие расчеты. В нашем случае для проектирования предоставлены следующие параметры:

• Геометрия здания: Пролет 24 м, общая длина 144 м.
• Компоновка каркаса: Шаг поперечных рам (колонн) — 12 м.
• Технологическое оборудование: Два мостовых крана грузоподъемностью 100/20 т со средним режимом работы.
• Высотные отметки: Отметка головки кранового рельса (УГР) — 12 м от уровня чистого пола.
• Район строительства: г. Магадан.
• Климатические условия: V снеговой район (нормативное значение 3,2 кПа) и VII ветровой район (нормативное значение 0,85 кПа).

Каждый из этих параметров играет свою роль. Место строительства определяет климатические нагрузки, которые мы будем рассчитывать по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия». Грузоподъемность и отметка кранов напрямую влияют на габариты и нагрузки на колонны и подкрановые балки. Геометрия здания и шаг рам формируют общую конструктивную схему и распределение нагрузок.

Определив базовые параметры, мы можем перейти к первому конструктивному шагу — компоновке поперечной рамы, от которой зависит вся геометрия и статика каркаса.

Как определить ключевые размеры поперечной рамы

Компоновка поперечной рамы — это определение ее ключевых вертикальных и горизонтальных размеров, которое выполняется на основе исходных данных и нормативных требований. Вертикальные размеры зависят от технологического процесса, в первую очередь от габаритов мостового крана.

Логика расчета следующая: к заданной отметке головки рельса (12 м) необходимо прибавить высоту самого крана и зазоры безопасности (обычно около 100 мм), чтобы получить высоту до низа стропильной фермы. Эти данные берутся из паспорта кранового оборудования. Полученная высота до низа несущих конструкций вместе с высотой подкрановой балки и самого рельса определяет высоту надкрановой части колонны. Сложив ее с высотой подкрановой части (равной отметке головки рельса), мы получаем полную высоту колонны.

Горизонтальные размеры определяются привязкой наружных граней колонн к продольным разбивочным осям. Привязка может быть нулевой или, как часто бывает при шаге рам 12 м и тяжелых кранах, составлять 250 мм. Этот, казалось бы, небольшой параметр важен, так как он влияет на расчетные пролеты ригеля и подкрановых балок. В результате мы получаем полную геометрическую схему, готовую для дальнейших расчетов.

Теперь, когда у нас есть полная геометрическая схема рамы, мы можем приступить к самому ответственному этапу — сбору всех нагрузок, которые будут на нее действовать.

Этап 2. Выполняем сбор и анализ нагрузок

Собираем постоянные нагрузки от конструкций

Постоянные нагрузки — это вес всех строительных конструкций, который действует на каркас непрерывно. Для их корректного определения необходимо последовательно рассчитать вес каждого элемента и умножить его на соответствующий коэффициент надежности по нагрузке, согласно СП 20.13330.2016. В нашем случае в состав постоянных нагрузок входят:

1. Вес кровельного покрытия: Включает вес крупнопанельных железобетонных плит и гидроизоляционного ковра.
2. Вес утеплителя: Для отапливаемого здания учитывается вес минераловатных плит.
3. Вес прогонов и связей по покрытию: Зависит от их шага и принятого сечения.
4. Собственный вес стропильных ферм: На начальном этапе определяется по укрупненным показателям или по аналогам, а затем уточняется после подбора сечений.

Суммировав все эти значения (приведенные к погонной или узловой нагрузке на раму), мы получаем полную постоянную нагрузку, которая является основой для статического расчета.

Постоянные нагрузки — это лишь основа. Далее необходимо учесть переменные климатические воздействия, которые зависят от региона строительства.

Как рассчитать снеговую и ветровую нагрузки для Магадана

Климатические нагрузки являются переменными и зависят от географического положения объекта. Все расчеты ведутся строго по СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».

Снеговая нагрузка. Город Магадан относится к V снеговому району, для которого нормативное значение веса снегового покрова составляет Sg = 3,2 кПа. Однако это значение не прикладывается к кровле напрямую. Расчетная нагрузка определяется с учетом коэффициента формы кровли μ, который учитывает ее геометрию (в нашем случае — двускатная с фонарем), возможный снос снега ветром и другие факторы. Для фонарей и перепадов высот возникают зоны повышенного снегоотложения (снеговые мешки), которые необходимо рассчитывать отдельно.

Ветровая нагрузка. Для Магадана (VII ветровой район) нормативное значение ветрового давления равно w₀ = 0,85 кПа. Расчетное значение ветрового давления зависит от высоты здания и типа окружающей местности. Нагрузка прикладывается к раме как с наветренной (давление), так и с подветренной (отсос) стороны. Необходимо рассмотреть как минимум два направления ветра: слева и справа, так как это создает разные усилия в элементах рамы.

Мы учли вес конструкций и климат. Теперь добавим самую серьезную нагрузку для промышленного здания — от мостовых кранов.

Рассчитываем нагрузки от мостовых кранов

Крановые нагрузки — это интенсивные подвижные воздействия, которые во многом определяют сечения колонн и подкрановых балок. Основные нагрузки от крана, которые необходимо рассчитать по СП 20.13330.2016, включают:

• Вертикальное давление D. Определяется максимальное (D_max) и минимальное (D_min) вертикальное давление от колес одного крана. Для этого рассматривается положение крана, при котором возникает наибольшая нагрузка на балку. При расчете учитываются коэффициенты надежности и динамичности, зависящие от режима работы кранов.
• Горизонтальная сила T. Возникает при торможении тележки крана и направлена поперек кранового пути. Для кранов с гибким подвесом груза (наш случай) она принимается равной 5% от суммы грузоподъемности и веса тележки. Эта сила вызывает изгиб колонн и подкрановых балок в горизонтальной плоскости.
• Горизонтальная сила вдоль пути. Вызывается торможением самого моста крана и учитывается при расчете продольных связей каркаса.

Эти нагрузки прикладываются в уровне верха подкрановой балки и являются ключевыми для составления самых невыгодных комбинаций усилий.

Собрав все возможные нагрузки, мы готовы к главному этапу — статическому расчету рамы, чтобы узнать, какие усилия возникают в ее элементах.

Этап 3. Производим статический расчет рамы и подбираем сечения

Как определить усилия в элементах рамы

Статический расчет — это «сердце» всего проекта. Его цель — определить внутренние усилия (изгибающие моменты M, продольные силы N и поперечные силы Q) во всех элементах каркаса от действия нагрузок. Сегодня этот расчет выполняется методом конечных элементов в специализированных программных комплексах, таких как ЛИРА-САПР или SCAD Office. В программе создается расчетная схема поперечной рамы, к которой прикладываются ранее собранные нагрузки.

Ключевым моментом является не просто расчет от каждой нагрузки в отдельности, а составление Расчетных Сочетаний Усилий (РСУ). Программа автоматически или по заданным правилам комбинирует постоянные, снеговые, ветровые и различные положения крановых нагрузок, чтобы найти наиболее невыгодное их сочетание для каждого сечения каждого элемента. Именно по этим максимальным усилиям и будет производиться подбор сечений.

Получив значения усилий, мы можем перейти к конструированию — подбору реальных стальных сечений для каждого элемента каркаса. Начнем с подкрановой балки.

Проектируем и рассчитываем подкрановую балку

Подкрановая балка — один из самых ответственных элементов, работающий в условиях сложных нагрузок. Ее проектирование ведется на основе усилий, полученных от крановых нагрузок.

1. Подбор сечения. Для пролета 12 м и кранов большой грузоподъемности (100 т) оптимальным решением является сварной двутавр асимметричного сечения, часто с развитым верхним поясом для восприятия местных изгибов и горизонтальных сил. Предварительные размеры сечения (высота, толщина поясов и стенки) назначаются на основе опыта проектирования и предварительных расчетов.

2. Проверки по предельным состояниям. После подбора сечения балка должна пройти ряд обязательных проверок согласно СП 16.13330 (актуализированная версия СНиП II-23-81*):

• Проверка прочности: по нормальным напряжениям (от вертикального и горизонтального изгиба) и по касательным напряжениям (от поперечной силы).
• Проверка общей устойчивости: чтобы избежать потери устойчивости балки как единого элемента из плоскости изгиба.
• Проверка местной устойчивости: сжатые элементы сечения (верхний пояс и стенка) должны быть достаточно «компактными», чтобы их не «вспучило» до достижения предельных напряжений.
• Проверка по деформациям: вертикальный прогиб балки не должен превышать предельных значений, установленных нормами.

Разобравшись с подкрановой балкой, мы можем спроектировать самый нагруженный элемент рамы — ступенчатую колонну.

Подбираем сечения и проверяем устойчивость ступенчатой колонны

Ступенчатая колонна — сложное составное сечение, необходимое для опирания подкрановых балок и обеспечения жесткости каркаса. Ее расчет ведется на основе усилий (M, N, Q) из РСУ и состоит из нескольких шагов:

1. Подбор сечения надкрановой части. Верхняя часть колонны, как правило, представляет собой сплошной прокатный или сварной двутавр. Его сечение подбирается по прочности и устойчивости на действие усилий в верхней части.
2. Подбор сечения подкрановой части. Нижняя часть состоит из двух ветвей: подкрановой (более мощной, воспринимающей нагрузку от крана и ригеля) и наружной. Ветви обычно представляют собой двутавры или швеллеры. Их сечения подбираются на соответствующие им доли общей нагрузки.
3. Расчет соединительной решетки. Ветви ступенчатой колонны соединяются между собой решеткой из уголков или швеллеров, которая обеспечивает их совместную работу. Решетка рассчитывается на условную поперечную силу.
4. Проверка общей устойчивости. Это главная и самая сложная проверка. Колонна целиком проверяется на устойчивость в плоскости рамы (как сжато-изгибаемый стержень переменного сечения) и из плоскости рамы. Для этого определяются ее расчетные длины, которые зависят от условий закрепления и соотношения жесткостей участков.

В качестве материала обычно используются стали С245 или С255.

Колонна рассчитана. Теперь необходимо спроектировать ее основание — базу, которая передаст все нагрузки на фундамент.

Как рассчитать и сконструировать базу колонны

База колонны — это узел, обеспечивающий передачу всех нагрузок с колонны на бетонный фундамент. Ее тип и размеры зависят от величины и знака усилий (N и M) в нижнем сечении колонны. Для мощных колонн промышленных зданий, как правило, применяют базы с траверсами.

Расчет включает в себя:

• Определение размеров опорной плиты. Площадь плиты подбирается из условия, чтобы напряжения под ней не превышали расчетного сопротивления бетона фундамента на смятие (для бетона класса В10 это важное условие).
• Расчет толщины плиты и траверс. Элементы базы (участки плиты, траверсы) рассчитываются на изгиб от реактивного давления фундамента.
• Подбор и расчет анкерных болтов. Болты необходимы для фиксации колонны на фундаменте и восприятия возможных растягивающих усилий, которые могут возникнуть при действии ветровых и крановых нагрузок.

Каркас рамы практически готов. Остался верхний элемент — стропильная ферма.

Этап 4. Завершаем проектирование основных конструкций

Проектируем стропильную ферму и ее узлы

Стропильная ферма является основной несущей конструкцией покрытия, перекрывающей пролет 24 метра. Для таких пролетов часто применяют фермы из парных уголков с треугольной решеткой, проектируемые по типовым сериям (например, серия 1.460.2-10) или путем индивидуального расчета. Процесс проектирования включает:

1. Сбор нагрузок. На ферму действуют постоянные нагрузки от веса кровли и собственного веса, а также временная нагрузка от снега. Нагрузки собираются с грузовой площади и прикладываются к узлам фермы.
2. Статический расчет. Определяются усилия (растяжение или сжатие) в каждом стержне фермы. Это можно сделать аналитически (например, методом вырезания узлов) или в расчетном комплексе.
3. Подбор сечений стержней. Для каждого элемента (верхний и нижний пояс, раскосы, стойки) подбирается сечение из парных уголков. Растянутые стержни подбирают по прочности, а сжатые — по устойчивости, что является более сложной задачей.
4. Конструирование и расчет узлов. Узлы — это место соединения стержней. Элементы решетки присоединяются к поясам через фасонки. Необходимо рассчитать длину сварных швов или количество болтов для крепления каждого элемента в узле. Особое внимание уделяется опорному узлу, где максимальные усилия передаются на колонну.

Все основные несущие элементы спроектированы. Финальный шаг — убедиться, что все они правильно соединены между собой и образуют устойчивую пространственную систему.

Продумываем узлы и систему связей

Отдельные плоские рамы не способны обеспечить устойчивость здания в целом. Для создания жесткой и геометрически неизменяемой пространственной системы используется система связей и продуманные узлы сопряжения.

Узел сопряжения фермы с колонной. Это ключевой узел, определяющий, как рама будет работать. Он может быть жестким или шарнирным. В промышленных зданиях часто используется шарнирное опирание фермы сверху на колонну, что упрощает и узел, и расчетную схему.

Система связей. Это важнейший компонент каркаса, обеспечивающий его пространственную жесткость. Система включает:

• Горизонтальные связи по покрытию. Располагаются в плоскости верхних и нижних поясов ферм и образуют жесткие диски, которые воспринимают ветровую нагрузку на торец здания и распределяют горизонтальные нагрузки между рамами.
• Вертикальные связи между фермами и колоннами. Вертикальные связи между фермами обеспечивают их устойчивость из своей плоскости. Связи по колоннам воспринимают продольные горизонтальные нагрузки (от ветра и торможения кранов) и передают их на фундаменты.

Наш проект практически завершен. Осталось подвести итоги и оформить результаты.

Заключение и оформление работы

В ходе этой работы мы прошли все ключевые этапы проектирования стального каркаса одноэтажного промышленного здания. Начав с анализа исходных данных, мы скомпоновали поперечную раму, выполнили подробный сбор нагрузок (постоянных, снеговых, ветровых и крановых), произвели статический расчет и подобрали сечения для всех основных несущих конструкций: подкрановой балки, ступенчатой колонны и стропильной фермы. Завершающим шагом стало проектирование узлов и продумывание системы связей, обеспечивающей общую устойчивость каркаса.

Результатом этой работы является готовый проект, который оформляется в виде двух основных частей:

1. Пояснительная записка (ПЗ): содержит все исходные данные, обоснования принятых решений и полные расчеты всех элементов и узлов.
2. Графическая часть (чертежи КМ): включает в себя компоновочную схему, чертежи поперечной рамы, планы, разрезы и деталировки основных конструктивных узлов.

Надеемся, это руководство придало вам уверенности и помогло систематизировать сложный процесс проектирования.

Список использованной литературы

1. Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ под ред. Ю.И. Кудишина. – 8-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 688 с.
2. СП 16.13330.2011 Стальные конструкции.
3. СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия.
4. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В. и др. Металлические конструкции. – 3-е изд., стер. – М.: Высш.шк., 2004.
5. Мандриков А.П., Лялин И.М. Примеры расчета металлических конструкций. – М.: Стройиздат, 1982.
6. ГОСТ 24379.0-80 Болты фундаментные.
7. ГОСТ 23119-78 Фермы стропильные стальные сварные с элементами из парных уголков для производственных зданий.