Расчет и конструирование балочной клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова

Кафедра ПГС

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ №1

по металлическим конструкциям

«Расчет и конструирование балочной клетки»

Выполнил:

студент группы С-44

Щербакова З.С.

Проверил:

Дрокин А.В.

Белгород

2010

Оглавление

Введение

1. Расчет и конструирование рабочей площадки

1.1 Проектирование настила балочной клетки

1.2 Расчет балки настила

1.3 Определение расхода стали

1.4 Расчет сварных швов настила

2.Расчет и конструирование главной балки

2.1 Подбор сечения главной балки

2.2 Изменение сечения главной балки

2.3 Проверка и обеспечение общей боковой устойчивости балки

2.4 Расчет поясных швов

2.5 Проверка местной устойчивости стенки

2.6 Расчет опорного ребра главной балки

2.7 Расчет болтового соединения

3. Проектирование колонны

3.1 Расчет колонны сплошного сечения

3.2 Расчет оголовка колонны

3.3 Расчет базы колонны

Литература

Введение

балка сталь шов колонна

В конструкцию рабочей площадки входят колонны, балки, настил и связи. Система несущих балок стального покрытия называется балочной клеткой.

Балочные клетки могут быть упрощенного, нормального или усложненного типа. В курсовом проекте балочная клетка запроектирована нормального типа.

Выбор компоновочной схемы балочной клетки, типов ее элементов, конструкции узлов сопряжения зависит при проектировании от технических требований, характера действующих нагрузок, способа изготовления и условий монтажа.

В качестве настилов балочных клеток используется гладкий стальной лист. При расчете определяют толщину листа и шаг балок настила, катет шва, которым настил крепится к балке настила.

Опирание балок настила на главную балку в одном уровне, что уменьшает строительную высоту перекрытия.

Опирание главной балки на колонну может быть: сбоку. При опирании сбоку соединение реализует шарнирное, жесткое или полужесткое закрепление, в зависимости от конструкции узла.

Решения баз колонн отвечают различным расчетным схемам: шарнир в двух плоскостях, шарнир в одной плоскости, жесткое сопряжение. База колонны имеет опорную плиту, листы траверсы. В базе должны быть предусмотрены отверстия для подливки раствора под плиту после выверки колонны, для удобства строповки, для исключения сбора воды в полостях базы при хранении и в процессе эксплуатации.

1. Расчет и конструирование рабочей площадки

1.1 Проектироание настила балочной клетки

Нормативная нагрузка на настил q = q_н+ p_н =6,3кН/м²+14,7 кН/м²= 21 кН/м²

Принимаем сталь Ст 245

Так как нагрузка 21 кН/м² то толщина настила: t_н=10-12мм

По графику С.Д. Леитеса определяем параметр а:

Рассмотрим 2 варианта:

1) t_н¹ = 10 мм

Уточняем пролёт балок настила:

2) t_н² = 12 мм

Уточняем пролёт балок настила:

Принимаем:

1.2 Расчет балки настила

Балку рассчитываем как свободно опертую, загруженную равномерной нагрузкой. Пролет равен шагу главных балок.

Рассмотрим два варианта:

Погонная нагрузка собирается с полосы шириной, равной пролету настила.

1) = 1,07 м, = 10 мм.

Нормативная нагрузка:

(кН/м)

Расчетная нагрузка:



где - коэффициент надежности по нагрузке

2) Погонную нагрузку собираем с полосы шириной, равной пролету настила.

= 1,32 м, = 12мм.

Нормативная нагрузка:

(кН/м)

Расчетная нагрузка:

Статический расчет балки настила

1) Расчетная нагрузка

Балка без консоли:

Балка с консолью:

Принимаем:

2) Расчетная нагрузка

Балка без консоли:

Балка с консолью:



Принимаем:

Подбор сечения балки настила

1) Требуемый момент сопротивления

- коэффициент учитывающий условие работы [1, таб.6]

Принимаем двутавр № 23Б1 ГОСТ 26020-83

(J_х = 2996 см⁴, W_х = 260,5см³, S_x= 147,2 см⁴, t= 9,0мм; m = 25,8кг/м; h= 230мм; b= 110 мм; s= 5,6мм;)

Проверка прочности по нормальным напряжениям:

Проверка прочности по касательным напряжениям:

где - расчетное сопротивление стали сдвигу

Прогиб балки составляет:

2) Требуемый момент сопротивления

Принимаем двутавр №26Б1 ГОСТ 26020-83

(J_х = 4024 см⁴, W_х = 312,0 см³, S_x=176,6 см⁴, t=8,5 мм; m = 28,0 кг/м; h=258мм; b=120 мм; s=5,8мм;)

Проверка прочности по нормальным напряжениям:

Проверка прочности по касательным напряжениям:



Прогиб балки:

1.3 Определение расхода стали

1) Определяем вес 1 м² настила

Вес 1 м² балок настила

g - линейная плотность балок настила

а - шаг балок настила

Общий расход:

+=

2) Определяем вес 1 м² настила

Вес 1 м² балок настила

g - линейная плотность балок настила

а - шаг балок настила

Общий расход:

+=

Толщина настила принята по 1 варианту (t_н=10мм) на основании технико-экономического сравнения 1-го и 2-го вариантов. Шаг балок настила l_н=1,07м

1.4 Расчет сварных швов настила

В качестве сварочных электродов применяем Э42А ()

Сталь свариваемых деталей - С-245 (;)

Определяем силу растягивающую настил (в полосе 1 м)

где - коэффициент надежности по нагрузке

-предельный относительный прогиб

t_H- толщина настила

Модуль упругости

; где



Угловой шов, прикрепляющий настил к балкам, может разрушаться по металлу шва или по границе сплавления. Определяем условие для нашего случая:

- по металлу шва

- по границе сплавления

- расчетное сопротивление металла шва [1, таб.56]

- расчетное сопротивление границы сплавления [1, таб.3]

- коэффициент учитывающий глубину проплавления [1, таб.34]

-коэффициенты условия работы сварного шва

Расчет ведем по металлу шва:

Расчет ведем по границе сплавления:



Катет шва принимаем по [1, таб.38] при толщине более толстого из свариваемых элементов t_н¹ = 10 мм.

2. Расчет и конструирование главной балки

Главная балка - сварной двутавр

Материал: полки - Ст285 R_у=260МПа

стенки - Ст245 R_у=240МПа

Т.к. по длине главной балки сосредоточено более 5 нагрузок с равным шагом, то в расчете заменим их эквивалентной равномерно распределенной нагрузкой.

1-стенка

2-полка

Расчетная полная нагрузка на балку:

2.1 Подбор сечения главной балки

Сечение составной сварной балки состоит из трех листов:

вертикального - стенки и двух горизонтальных - полок.



Расчетный изгибающий момент

Максимальная поперечная сила:

Находим требуемый момент сопротивления:



Определим ориентировочную высоту сечения балки и толщину стенки:

Оптимальная высота балки:

где =1,15 - 1,2 - для сварных двутавров.

Минимальную высоту сечения:

Принимаем высоту сечения балки h = 110 см.

Толщину полок принимаем равной

Отсюда высота стенки будет равна

Проверяем принятую толщину стенки:

- из условия работы стенки на срез

Где

- чтобы не применять продольных ребер

Стенка с толщиной =11мм удовлетворяет всем условиям.

Поясные листы:

Определим размеры полки исходя из требуемого момента сопротивления:

Момент инерции стенки балки:

Момент инерции приходящийся на поясные листы:

Требуемая площадь горизонтальных листов

Ширина пояса:

Принимаем пояса: 300х30мм

Размер свеса полки:

Проверим выполнение требований местной устойчивости сжатого пояса:



4,82см<14,07см

Устойчивость обеспечена.

Уточняем площади листов:

По приложению 5, табл. 66 принимаем с=1,09

Проверка прочности главной балки

Определим действующие напряжения в сечении:

Прочность обеспечена.



2.2 Изменение сечения главной балки

Сечение изменяем уменьшением ширины поясов на расстоянии 1/6L от опоры.

Изгибающий момент главной балки в месте изменения сечения:

Поперечная сила в месте изменения сечения:

Требуемый момент сопротивления и момент инерции:

Требуемый момент инерции поясов:

J_f=J_тр^1/6-J_w=333740-103112,53=230627,47 см⁴

Требуемая площадь сечения поясов:



Ширина полки:

Примем ширину полки после сброса сечения 18 см

Тогда в месте изменения сечения:

Действующие нормальные напряжения:

Прочность обеспечена.

Действующие касательные напряжения:

Статический момент полусечения балки:



Устойчивость обеспечена:

Напряжения в месте изменения балки

Прочность балки обеспечена.

2.3 Проверка и обеспечение общей и боковой устойчивости балки

Проверяем устойчивость балки:

M - максимальный изгибающий момент

W - момент сопротивления сжатого пояса

ц_b - коэффициент снижения расчетного сопротивления стали при проверке боковой устойчивости



- коэффициент [1, таб.77]

Моменты инерции относительно осей х и у:

т.к. то

принимаем

Требуемый момент сопротивления:

Поверяем устойчивость балки:

Устойчивость балки обеспечена.

2.4 Расчет поясных швов

Полки составных сварных балок соединяют со стенкой на заводе автоматической сваркой.

Сдвигающая сила на единицу длины

Для полуавтоматической сварки, для стали С285 по [1, таб.55] принимаем сварочную проволоку Св-08А для выполнения сварки под флюсом АН-348-А.

1. Расчет по металлу шва.

_f =0,9 - коэффициент глубины провара шва [1, таб.34]

_wf = 1 - коэффициент условия работы [1, п.п. 11,2]

Расчетное сопротивление металла R _wf =180 МПа

2. Расчет по металлу границы сплавления.

_z =1,05 - коэффициент глубины провара шва [1, таб.34]

_wz = 1 - коэффициент условия работы [1, п.п. 11,2]

Расчетное сопротивление металла R _wz =0,45 R _un = 0,45 380 = 171 МПа

Высота катета поясного шва должна быть не более 1.2 t_min=13,2мм

По толщине наиболее толстого из свариваемых элементов (t_f = 30 мм) по [1, таб.38], принимаем k_f = 7 мм.

2.5 Проверка местной устойчивости стенки

Для обеспечения устойчивости стенки вдоль пролета балки к стенке привариваются поперечные двусторонние ребра жесткости.

Условная гибкость стенки определяется по формуле

.

При _w 3,2 необходима проверка устойчивости стенки с установкой ребер жесткости. Ребра располагаются в местах опирания балок настила.

Расстояние между ребрами жесткости не превышает:

2h_w = 2104см = 208 см.

Зона развития пластических деформаций:

Ширина ребер



Принимаем b_р = 80 мм.

Толщина ребра

Принимаем t_р = 6 мм.

Находим значения и под рёбрами жесткости

Проверка прочности по нормальным напряжениям:

Проверка прочности по касательным напряжениям:



Критические касательные напряжения

Условная гибкость стенки:

Критические нормальные напряжения:

;

принимаем по [1, таб.21]

 принимаем по [1, таб.22]

Проверка устойчивости стенки:

.

.

2.6 Расчет опорного ребра главной балки

Принимаем сопряжение балки с колонной шарнирным, с опиранием на колонну сбоку. Опорное ребро жесткости крепится сварными швами к стенке.

Принимаем сталь опорного ребра: Ст 285 R_y=260МПа

Опорная реакции главной балки: R_гб=850,48кН

Выступающая часть торцевого ребра:

а=30мм

- по площади смятия

Принимаем ребро сечением: 20х180мм

Требуемая площадь опорного ребра:

Ширина участка стенки, включённой в работу



Принимаем ребро 2х18 см

Устойчивость опорной части балки:

Момент инерции:

Радиус инерции сечения:

Гибкость стенки:

, по таблице 72 СНиП



Устойчивость ребра обеспечена.

Для полуавтоматической сварки, для стали С285 по [1, таб.55] принимаем сварочную проволоку Св-08Г для выполнения сварки под флюсом АН-348-А.

Определяем расчетное сечение:

- по металлу шва

- по границе сплавления

Расчет ведем по металлу шва:

_f =0,9 - коэффициент глубины провара шва [1, таб.34]

_wf = 1 - коэффициент условия работы [1, п.п. 11,2]

Расчетное сопротивление металла R _wf =180 МПа

Принимаем =7мм

Длина рабочей части сварного шва:

53,55<104 см

Прочность сварного шва обеспечена.



2.7 Расчет болтового соединения

Принимаем болты класса В5.8

Диаметр болтов 16

а) Проверяем болтовое соединение на срез:

Расчетное сопротивление одного болта равно:

где кН/см² - расчетное сопротивление срезу [1, таб.58]

- коэффициент условия работы болта в соединении [1, таб.35]

- площадь сечения болта где нет резьбы [1, таб.62]

- число плоскостей среза

б) Проверяем болтовое соединение на смятие

Расчетное сопротивление соединяемых деталей на смятие:

где =5,6 мм - наименьшая суммарная толщина элементов сминаемых в одном направлении

кН/см² - расчетное сопротивление смятию [1, таб.59]

Определяем требуемое количество болтов:

где -коэффициент надежности по нагрузке;

Принимаем 2 болта.

Диаметр отверстия - мм

Расстояние между центрами болтов:

мм, принимаем 80 мм.

Расстояние от центра болта до края элемента:

-вдоль мм, принимаем 45 мм;

-поперек мм; принимаем 40 мм.

3. Проектирование колонны

3.1 Расчет колонны сплошного сечения

Нагрузка на колонну:

Расчетная схема колонны:

= 1,0

Принимаем сталь Ст 285 R_y =260 МПа

Расчетные длины колонн:

расстояние между точками закрепления

при N=1700,96 кН

Подбор сечения колонны:

Заданное сечение колонны - прокатный двутавр

Задаемся гибкостью принимаем по [1, таб.72]

Требуемая площадь сечения колонны:

Требуемый радиус инерции:

По сортаменту подбираем прокатный двутавр колонного типа 23К2

h=230мм;

b=240мм;

s=8мм;

t=12мм;

Линейная плотность: 59,5 кг/м;

Площадь поперечного сечения: ;

Радиус инерции:

Уточним гибкость:

;

принимаем по [1, таб.72]

Проверяем устойчивость всей колонны:

Устойчивость колонны обеспечена.

Недонапряжение:

3.2 Расчет оголовка колонны

Опирание главной балки на колонну сбоку. Вертикальная реакция передается через опорное ребро балки на столик, приваренный к полкам колонны

Расчетное сопротивление ребра на смятие С285 кН/см²

Ширина опорного столика задается конструктивно

Нагрузка действующая на столик:

Для полуавтоматической сварки, для стали С285 по [1, таб.55] принимаем сварочную проволоку Св-08А для выполнения сварки под флюсом АН-348-А.

Определяем расчетное сечение:

- по металлу шва

- по границе сплавления

Расчет ведем по металлу шва:

_f =0,9 - коэффициент глубины провара шва [1, таб.34]

_wf = 1 - коэффициент условия работы [1, п.п. 11,2]

Расчетное сопротивление металла R _wf =180 МПа

Принимаем =0,9 мм

Длина шва должна быть не менее:



Принимаем длину швов 26 см.

3.3 Расчет базы колонны

Базу колонны изготавливаем из Ст 285 кН/см²

Расчетная нагрузка на базу колонны:

Бетон фундамента: В15

- расчетное сопротивление тяжелого бетона осевому сжатию.

Принимаем

Требуемая площадь плиты:

Назначаем размеры плиты: 36х47 см

Принимаем размеры верхнего обреза фундамента 700х600см

Уточним расчетное сопротивление смятию и проверим прочность бетона фундамента:

Расчетное сопротивление бетона смятию:



Прочность бетона фундамента обеспечена.

Расчет толщины плиты:

Так как опорная плита является листовой конструкцией, изгибающие моменты на каждом участке плиты находим от погонной нагрузки:

Участок 1-консольный. Вылет консоли с=5,3см

Участок 2-опертый на 4 канта. Отношение большей стороны к меньшей b/a=26,9/14,5=1,86

Участок 3-опертый на 3 канта. Отношение закрепленной стороны к свободной

b₁/a₁=12/24=0,5. Плита рассчитывается как консоль

Требуемая толщина плиты:



принимаем стальной лист толщиной 2 см.

Расчет траверсы.

Траверсы привариваем к колонне электродами типа Э42

Принимаем сталь Ст 285 кН/см²

Требуемый катет швов крепления траверсы к плите:

- по металлу шва

- по границе сплавления

Принимаем

Принимаем толщину траверсы:

Высота траверсы:

Принимаем h_тр=35см

Прочность траверсы на изгиб и срез:

· погонная нагрузка на 1 лист траверсы:

Изгибающий момент и поперечная сила в траверсе в месте прикрепления ее к колонне:



Прочность траверсы на изгиб и срез:

Прочность траверсы на срез обеспечена.

Расчет сварных швов, прикрепляющих траверсу к плите.

Требуемый катет швов:

Литература

СНиП II-23-81^*.Стальные конструкции/Госстрой России. - М.:ЦИТП Госстроя России, 1998 -96 с.

Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов/Под общ. ред. Е.И. Беленя. - М.: Стройиздат, 1985 - 560 с.

Ведеников. Металлические конструкции (1998)

СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия (Дополнения. Разд.10. прогибы и перемещения)/ Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.

Мельников = Стальные конструкции. Справочник (1976)

Размещено на Allbest.ru