Шестак - Проектирование стальных конструкций одноэтажного промышленного здания

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА

канд. техн. наук Г. А. ШЕСТАК

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОДНОЭТАЖНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство».

ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ

Москва — 1964

В книге рассматриваются вопросы компоновки,  расчета я конструирования металлического каркаса  промышленного здания в объеме, установленном  программой для курсового проекта на факультете  промышленного и гражданского строительства  инженерно-строительных вузов.

Изложение материала сопровождается  подробными 1методическими указаниями, числовыми примерами и ссылками на литературные источники.

Приведенные в книге расчеты конструкций  выполнены по методу предельных состояний и в соответствии с нормами проектирования стальных конструкций («Стальные конструкции», СНиП II-B.3-62).

В приложении даны подсобные материалы,  необходимые для разработки курсового проекта. Книга является учебным пособием для факультетов промышленного и гражданского строительства  инженерно-строительных вузов и может быть использована для факультетов ПГС транспортных, политехнических и заочных строительных институтов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с бурным развитием народного хозяйства потребность в специалистах-строителях в СССР беспрерывно увеличивается. Перед высшей школой, которая призвана обеспечить нужды  строительства руководящими и инженерными кадрами высокой  квалификации, выдвигаются новые задачи по повышению качества подготовки специалистов. В этом отношении многое уже сделано: укреплена связь высшей школы с производством, перестраиваются учебные планы,  оснащаются лаборатории, создаются новые учебники, учебно-методические пособия и т. п.

В повышении качества усвоения инженерных дисциплин большое значение имеет курсовое проектирование. В части постановки и  организации курсового проектирования в вузах накоплен значительный опыт. За истекшие, особенно послевоенные, годы были испытаны  различные методы организации курсового проектирования и различные методические и учебные пособия.

Пособия, содержащие краткие методические указания, отвечают идее самостоятельной работы студента над проектом, но, к сожалению, они не всегда доступны для большинства студентов. Пособия,  построенные на изложении материала в виде сквозного (беспрерывного)  числового примера, также не дают должного эффекта, поскольку это лишает студентов самостоятельности.

Опыт показал, что наиболее приемлемо для основной массы  студентов учебное пособие, содержащее развитые методические указания и иллюстрированное в наиболее трудных для усвоения частях  типичными, не очень трудными числовыми примерами, составленными так, чтобы для каждого последующего примера были приняты исходные данные из предыдущего.

Темы курсового проекта в зависимости от направленности вуза (факультета) могут быть весьма разнообразны; в них может  рассматриваться конструктивный комплекс какого-либо достаточно сложного сооружения.

Наиболее типично для курсового проекта — промышленное здание. Настоящее учебное пособие составлено с учетом изложенных  соображений и построено на разработке проекта каркаса промышленного здания. Здание принято однопролетным с мостовыми кранами  грузоподъемностью по 100 т. Применять тяжелые краны в зданиях,  разрабатываемых в курсовых проектах, с методической точки зрения  нецелесообразно, так как при этом усложняется вычислительная часть  проекта, что только затрудняет усвоение сущности решения задачи. По тем же соображениям был выбран проект одноэтажного здания. Это не исключает возможности выдачи более сложных заданий.

ВВЕДЕНИЕ

При работе над курсовым проектом, темой которого является  одноэтажное промышленное здание, студент обязан: выполнить компоновку сооружения в целом и отдельных его элементов, рассчитать  поперечную раму здания на различные загружения и остальные  конструктивные элементы каркаса и их сопряжения, составить расчетно-пояснительную записку и графически оформить проект.

Каркас одноэтажного промышленного здания представляет собой сложный конструктивный комплекс, и поэтому, вполне естественно,  перед студентом, впервые занимающимся проектированием, могут  возникнуть затруднения и вопросы, для решения которых он прежде всего должен обратиться к учебнику, учебному пособию, конспекту лекций, а также воспользоваться помощью руководителя курсового проекта.

Учебное пособие состоит из трех глав.

В первой главе подробно рассматриваются вопросы выбора  конструктивной формы здания, установления величин основных  параметров и размеров элементов конструкций, размещения в плане и на  разрезах колонн, ферм, связей и других конструктивных элементов.

Вторая глава посвящена расчету конструкций каркаса —  поперечной рамы здания, подкрановой балки, колонн, ферм и их сопряжений.

Третья глава содержит указания и рекомендации по составлению расчетно-пояснительной записки и графическому оформлению проекта.

В приложении к книге приведены вспомогательные справочные  материалы, необходимые для разработки проекта. Курсовой проект разрабатывается на основе выдаваемого  руководителем проекта задания. Заданием устанавливаются: тип здания, основные его размеры (длина, ширина, величина пролетов, отметки головок рельсовых путей и др.), а также указываются район  строительства и некоторые другие данные.

На основе данных задания разрабатывается конструктивная схема здания (см. главу I, § 1), устанавливаются типы конструктивных  элементов, их размеры и выбирается материал для конструкций. Выбор конструктивной схемы здания должен быть обоснован. Ограниченность времени, отводимого программой на выполнение  курсового проекта, не позволяет студенту разрабатывать несколько  вариантов схемы здания и вынуждает ограничиваться только изучением  материала учебника и соответствующей литературы и на базе этого обосновать схему здания.

Несмотря на широко проведенную типизацию и унификацию элементов металлических конструкций, компоновка конструктивных элементов каркаса здания является многовариантной задачей.

Разработка схемы здания и его элементов составляет первый этап работы студента, результаты которой должны быть утверждены  руководителем.

После, когда выбрана конструктивная схема каркаса здания  следует переходить к расчету конструкций. Для этого:

а) каркас расчленяют на отдельные конструктивные элементы,  которые рассчитывают раздельно;

б) уточняют конструктивную схему здания и окончательно  устанавливают схемы отдельных элементов каркаса;

в) выбирают и обосновывают методы расчета.

Расчет конструкций нужно производить по правилам  сопротивления материалов и строительной механики и в соответствии с  действующими нормами. Результаты расчета целесообразно сводить в наглядные таблицы, примеры которых приводятся в тексте пособия.

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

С этой точки зрения расчет целесообразно вести в такой  последовательности: подкрановые балки, поперечные рамы, колонны,  стропильные фермы и сопряжения.

После расчета подкрановых балок проектировщик имеет  возможность уточнить некоторые размеры рамы перед ее расчетом. Так,  например, после подбора сечений подкрановых балок можно уточнить  высоту нижней части ступенчатой колонны, поскольку при определении этого размера в компоновочной части проекта высота подкрановой  балки была установлена ориентировочно.

По тем же соображениям рекомендуется производить расчет стропильных ферм (ригелей рамы) после статического расчета рамы, что позволяет воспользоваться полученными значениями узловых моментов рамы.

Рекомендуется следующий порядок расчета конструктивного элемента:

а) сбор нагрузок;

б) определение усилий;

в) подбор сечений;

г) установление в результате подбора сечений окончательной  формы и размеров рассчитываемого конструктивного элемента;

д) проверка отдельных деталей и сопряжений конструкции в  соответствии с требованиями норм и действительной работой конструкции.

Практика курсового проектирования показывает, что студент  нередко делает ошибки, являющиеся следствием недостаточного опыт проектирования. Часть этих ошибок возникает из-за излишней уверенности студента в правильности принятых им исходных данных или результатов, полученных на предыдущих этапах расчета.

Допущенная в одном месте расчета рамы ошибка делает непригодными все последующие расчеты. Весьма важно выполнять промежуточную проверку произведенных вычислений. Для облегчения проверки рекомендуется результаты расчетов сводить в таблицы, формы которым наравне с другими приемами контроля приведены в тексте пособия.

Параллельно с расчетами рекомендуется заниматься  конструктивной разработкой решения. Результаты разработки приводятся в тексте расчетно-пояснительной записки в виде эскизов и на чертежах. Следующий этап работы — графическое оформление проекта. Проект должен быть вычерчен на двух листах нормального  формата А1. На первом листе рекомендуется размещать компоновочную часть проекта: поперечный разрез, схемы связей (планы, поперечные и продольные разрезы) и схему торцового фахверка, а также поперечную раму цеха в стадии технического проекта (или в стадии КМ) и важнейшие узлы.

На втором листе обычно помещают рабочий деталировочный  чертеж отправочного элемента (в стадии КМД) с необходимым числом проекций монтажных узлов и спецификацией (см. § 13).

Размещение графического материала на листах проекта см. между стр. 88—89.

Приступая к графическому оформлению проекта, студент должен внимательно ознакомиться с третьей главой пособия.

Глава первая

КОМПОНОВОЧНАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА

§ 1. КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА ЗДАНИЯ

Металлический каркас современного одноэтажной) промышленного здания представляет собой сложную пространственную систему, скомпонованную из многих взаимосвязанных элементов.

Основой каркаса является  поперечная рама, состоящая обычно из ступенчатых колонн и сквозных ригелей (стропильных ферм). Колонны, как правило, защемлены в фундаментах и в большинстве случаев жестко соединены с ригелями. Для многопролетных рам наряду с жесткими соединениями ригелей с колоннами применяются также и шарнирные соединения.

Сквозной ригель наиболее  часто принимается в виде  односкатной или двускатной  стропильной фермы трапецеидального очертания (рис. 1) с уклоном верхнего пояса (пр,и рулонной кровле) 1/12 или 1/8.

Возможно применение стропильных ферм и другого очертания: треугольных, с параллельными  поясами и др. Подробнее о стропильных фермах см. [1], стр. 358—360, альбом Гипромеза [2] и альбом Проектстальконструкции [3].

Каркас здания состоит из: поперечных рам, промежуточных  стропильных ферм (когда имеются подстропильные фермы),  подстропильных ферм, ферм фонаря, прогонов, связей, подкрановых балок и  элементов стенового каркаса (фахверка).

Подстропильные фермы применяют при шаге колонн В>6 м. Если кровля запроектирована из крупноразмерных плит длиной 12 м,  подстропильные фермы следует применять при В>12 м. О  подстропильных фермах см. [1].

В настоящее время строят промышленные здания как с фонарями, гак и без них. Наибольшее распространение в современном  строительстве получило продольное расположение фонарей, как наиболее  рациональное. Самой простой конструкцией продольного фонаря является система, состоящая из стоек и раскосов (рис. 2).

При небольшой высоте фонаря (до 3,8 м) возможно применение конструкции в виде треугольной фермы со стойками на концах (см. [1], рис. ХIII-21). Фонарь  такого типа проще в монтаже. (Подробнее о фонарях см. [1], стр. 475—480).

Связи — весьма  важный элемент каркаса  промышленного здания. Правильное решение системы связей в большой степени содействует безаварийной эксплуатации сооружения. (Подробнее о назначении и компоновке связей см. § 3 настоящего  учебного пособия и [1], стр. 368 и 481—495).

Подкрановые балки — продольный элемент каркаса здания. Их устанавливают на уступ колонны по оси внутренней ветви нижней  части колонны. Пролет подкрановых балок, как правило, равен шагу  колонн основных рам. Подкрановые балки подробно рассматриваются к главе второй (§ 4) настоящего пособия, а также см. [1].

Конструкция фахверка состоит из стоек и ригелей и предназначена для поддержания стенового ограждения и восприятия ветровой  нагрузки.

Расстояния между стойками фахверка определяются длиной  панелей ограждения и размерами проемов в стенах. При значительной  высоте здания кроме стоек применяются и ригели — горизонтальные  балки, а иногда и ветровые фермы. (Подробнее о фахверках см. [I], стр. 590—599).

На элементы каркаса здания опираются или к ним примыкают  конструкции ограждений. Для кровельных ограждений применяют  железобетонные плиты, алюминиевые, асбестоцементные и другие легкие  настилы и щиты.

Наибольшее распространение в шатрах промышленных зданий получило беспрогонное решение покрытия, при котором  крупноразмерные железобетонные плиты кровли укладывают непосредственно на стропильные фермы.

Исключение прогонов (при применении крупноразмерных плит и щитов) позволило снизить расход стали на каркас здания до 15 кг/м² и резко повысить индустриальность строительства.

Для стеновых ограждений следует применять панели, как  наиболее индустриальный тип ограждения. При разработке конструктивной схемы здания приходится  учитывать ряд различных факторов, в той или иной степени влияющих на нее. Главнейшие из них: назначение сооружения; характер, тип,  грузоподъемность и режим работы кранового оборудования; требования  экономии материалов; требования типизации конструкций; архитектурные требования и др.

Рациональной конструктивной схемой здания может быть лишь та, которая удовлетворяет требованиям эксплуатации, прочности,  жесткости в продольном и поперечном направлениях (особенно при кранах тяжелого режима работы), устойчивости и экономичности. Разработка конструктивной схемы здания должна сопровождаться вычерчиванием эскизов; схематических планов и разрезов здания с  размещением всех элементов каркаса.

§ 2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РАЗМЕРОВ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЯ

1. Разбивка сетки колонн

Первая задача, которую приходится решать при компоновке, — расстановка колонн в плане здания.

Расположение колонн в плане здания должно отвечать  технологическим, конструктивным и экономическим требованиям и должно быть увязано с утвержденными Госстроем СССР «Основными положениями по унификации объемно-планировочных и конструктивных решений промышленных зданий» [4].

Расстояние между осями колонн в поперечном направлении  называется пролетом (обозначается буквой l). Величина пролета  устанавливается кратной укрупненному модулю 6 м, в соответствии с которым рекомендуется применять пролеты размером 24, 30, 36 и 42 м.

Расстояние между осями колонн в продольном направлении,  называемое шагом колонн (обозначается буквой В), рекомендуется  устанавливать также кратным модулю 6 м, принимая шаги размером 6, 12, 18 и т. д.

Для колонн средних рядов в зависимости от технологического  процесса производства величина шага колонн может быть принята  большей, чем для колонн крайних рядов.

Общие размеры здания (длина и ширина) должны быть увязаны с принятыми величинами пролетов и шагов.

при значительных размерах здания по длине в продольных  элементах каркаса возникают нарастающие деформации, вызывающие  дополнительные напряжения в колоннах от изгиба. Изгиб колонн может привести к повреждению ограждений. Во избежание этого необходимо на определенных расстояниях по длине здания устраивать так  называемые температурные швы.

Предельные размеры зданий с металлическим каркасом  устанавливаются по данным табл. 1.

Когда в температурном отсеке имеются две  вертикальные связи по колоннам, расстояние между ними не должно превышать (в осях): в зданиях 50 м; в  открытых эстакадах 30 м. В случае превышения приведенных в табл. 1  предельных величин,  конструкции должны быть  рассчитаны на воздействие  температуры.

Температурные швы принято устраивать на парных колоннах. Все продольные элементы  каркаса в месте температурного шва должны быть разрезаны. Расстояния между геометрическими осями примыкающих к температурному шву колонн и осью температурного шва следует принимать 500 мм. Шаг  колонн у торцевых стен цеха уменьшается на 500 мм (см. [4]). Пример разбивки колонн однопролетного цеха дан на рис. 3.