Строительное проектирование стальных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Выбор варианта компоновки балочной площадки

1.1 Компоновка балочной площадки нормального типа (вариант 1)

1.2 Компоновка балочной площадки усложненного типа (вариант 2)

1.3 Подбор сечения балок настила первого варианта компоновки

1.4 Подбор сечения балок настила второго варианта компоновки

1.5 Подбор сечения вспомогательных балок второго варианта

1.6 Определение расхода стали по вариантам компоновки площадки

2. Проектирование главной балки рабочей площадки

2.1 Компоновка поперечного сечения главной балки с проверками местной устойчивости полки и стенки в области развития пластических деформаций

2.2 Изменение сечения главной балки по длине

2.3 Проверка прочности стенки главной балки по длине

2.4 Проверка общей устойчивости главной балки

2.5 Проверка местной устойчивости стенки главной балки в упругой области

2.6 Расчет поясных соединений главной балки

2.7 Расчет и конструирование укрупнительного стыка главной балки на высокопрочных болтах с контролируемым усилием натяжения

2.8 Расчет конструирования опорного узла главной балки

2.9 Расчет и конструирование узла сопряжения балки настила

3. Проектирование центрально сжатой колонны

3.1 Подбор сечения стержня колонны с проверками общей и местной устойчивости

3.2 Конструирование и расчет оголовка центрально сжатой колонны

3.3 Конструирование и расчет базы центрально сжатой колонны

Список используемой литературы



1. Выбор варианта компоновки балочной площадки

1.1 Компоновка балочной площадки нормального типа (вариант 1)

Шаг балок настила назначается из условия обеспечения жесткости стального листа настила с заданной толщиной по графикам Лейтеса, в зависимости от нормативной полезной нагрузки на площадку Pн = 16 кН/м² принимаем толщину настила tн = 8 (мм.) или 0,008 (м.).

При предельном прогибе 1/150 получаем предельное отношение:

Для определения окончательного шага вычислим отношение:

1.2 Компоновка балочной площадки усложненного типа (вариант 2)

Для определения шага балок настила вычислим отношение:

Тогда шаг балок настила:



1.3 Подбор сечения балок настила первого варианта компоновки

Определим нормативную погонную равномерно распределенную нагрузку на балку по формуле:

Расчетная нагрузка определяется по формуле:

Где:

Pн - полезная нагрузка;

pст - плотность стали;

tн - толщина настила равная;

yf - коэффициент надежности по нагрузке: для полезной нагрузки yf = 1,2, для собственного веса стальной конструкции yf = 1,05.

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки из условия прочности по нормативным напряжениям:

Где:

С - коэффициент, учитывающий ограниченное развитие пластических деформаций по сечению балки. Для прокатных двутавров С = 1,1;

Ry - расчетное сопротивление стали сжатию, растяжению и изгибу, назначенное по пределу текучести. Определяется по таблице 51 II-23-81*;

Сталь для балок настила выбираем по II-23-81*.

Принимаем марку стали С245 по ГОСТ 27772-88.

Расчетное сопротивление стали С245 составляет Ry = 240, а также МПа = 24 кН/см².

Балку проектируем из прокатного обыкновенного двутавра. Принимаем двутавр №27.

Максимальная поперечная сила на опоре балки определяется по формуле:

Выполним проверку выбранного сечения балки по касательным напряжениям:

Где:

Rs - расчетное сопротивление стали сдвигу принимаемое Rs = 0,58Ry.

Rs = 0,58*24 = 13,92 (кН/см²).

Определяем жесткость балки настила:



Где:

fmax - максимальный прогиб балки от нормативной нагрузки.

Жесткость балки обеспечена.

1.4 Подбор сечения балок настила второго варианта компоновки

Определим нормативную погонную равномерно распределенную нагрузку на балку по формуле:

Расчетная нагрузка на балку настила определяется по формуле:

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки:

Где:



Балку проектируем из прокатного обыкновенного двутавра. Принимаем двутавр №18.

Характеристики двутавра №18:

Wx = 143 см³;

Jx = 1290 см⁴;

Sx = 81,4 см³;

b = 90 мм.;

h = 180 мм.;

d = 5,1 мм.;

t = 8,1 мм.;

p = 18,4 кг/м.

Максимальная поперечная сила на опоре балки определяется по формуле:

Выполним проверку выбранного сечения балки по касательным напряжениям:

Определяем жесткость балки настила:



Жесткость обеспечена.

1.5 Подбор сечения вспомогательных балок второго варианта

Определим нормативную погонную равномерно распределенную нагрузку на балку по формуле:

Расчетная нагрузка на балку определяется по формуле:

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки из условия прочности по нормальным напряжениям:

Балку проектируем из прокатного обыкновенного двутавра. Принимаем двутавр №50.

Характеристики двутавра №50:

Wx = 1570 см³;

t = 8,1 мм.;

Jx = 39290 см⁴;

p = 18,4 кг/м.

Sx = 905 см³;

b = 170 мм.;

h = 500 мм.;

d = 9,5 мм.

Максимальная поперечная сила на опоре балки определяется по формуле:

Выполним проверку выбранного сечения балки по касательным напряжениям:

Определяем жесткость балки настила:

Жесткость обеспечена.

Проверка общей устойчивости вспомогательной балки.

Граничное отношение устойчивости балки, определяют:



Где:

b и t - соответственно ширина и толщина сжатого пояса;

h - расстояние (высота) между осями поясных листов.

Т. к., отношение:

Тогда:

То в формуле следует принимать:

Т. к., расчет вспомогательной балки выполняется с учетом пластических деформаций, то уменьшаем граничные условия:

Фактическое отношение:

Условие:



Выполняется, т. е., 5,3<5,4.

1.6 Определение расхода стали по вариантам компоновки площадки

Расход стали на компоновку нормального типа (первый вариант):

Расход стали на балочную площадку усложненного типа (второй вариант):

Т. к., G1<G2, то к разработке принимаем первый вариант компоновки.



2. Проектирование главной балки рабочей площадки

2.1 Компоновка поперечного сечения главной балки с проверками местной устойчивости полки и стенки в области развития пластических деформаций

Определяем нормативную нагрузку на главную балку по формуле:

Расчетная нагрузка на балку определяется по формуле:

Принимаем марку стали С255 по ГОСТ 27772-88. Требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки:

Где:

С - коэффициент, учитывающий ограниченное развитие пластических деформаций по сечению балки. Предварительно берем С = 1,1.

Что дает максимальный изгибающий момент. Максимальная поперечная сила на опоре балки определяется по формуле:



Назначим высоту поперечного сечения главной балки из условия:

Где:

hmin назначается из условия жесткости балки, а hопт назначается из условия минимального расхода стали.

Сечение балки компонуем из трех листов. Пояса выполняют из широкополосной универсальной стали, а стенку - из толстолистовой стали.

Назначим высоту стенки балки, руководствуясь выборкой из ГОСТ 19903-74.

Назначаем ширину листа 1500 (мм.).

Окончательная высота стенки с учетом строжки продольных кромок получается:

hw = bпол - 10 = 1490 (мм.)

Толщина стенки главной балки tw назначается из условий:

1. Условие работы на срез в опорной зоне:



2. Условие отсутствия продольных ребер жесткости:

Принимаем толщину стенки tw = 10 мм. Толщину полок предварительно назначим tf, 0 = 20 мм. Начальная высота сечения:

Определим требуемую площадь поперечного сечения поясов балки по требуемому моменту инерции:

Ширина поясов балки должна удовлетворять следующим условиям:



Что не удовлетворяет условию.

Тогда:

Следовательно, принимаем толщину полки tf = 22 (мм.):

Тогда:

Проверим условие:

Что удовлетворяет условию.

Из условия обеспечения местной устойчивости полки, балки рассчитываемой с учетом ограниченного развития пластических деформаций:

Где:

Ry - расчетное сопротивление стали. Ry = 23 кН/см².



Из условия свариваемости стенки с поясами:

Расчет на устойчивость стенок балок симметричного сечения с учетом развития пластических деформаций, выполним проверку местной устойчивости стенки главной балки в зоне ограниченного развития пластических деформаций по СНиП:

Что не удовлетворяет условию.

Следовательно, нужно увеличить толщину стенки балки tw = 12 (мм.). Тогда:



Подставим полученные значения в формулу:

Принимаем толщину стенки tw = 12 (мм.).

Устойчивость стенки в зоне пластических деформаций обеспечена.

Выполним проверку прочности скомпонованного сечения главной балки по нормальным напряжениям:

Где:

С = 1,095 - уточненный коэффициент по таблице 66 СНиП.

Wx - момент сопротивления с учетом толщины стенки балки tw = 12 (мм.).

Запас прочности:



Запас прочности по нормальным напряжениям выполняется.

2.2 Изменение сечения главной балки по длине

Изменение сечения главной балки выполняется за счет уменьшения ширины поясов в приопорных зонах. Соединения узких частей полок с широкими осуществляется стыковыми сварными швами с физическим контролем их качества. Сварка полуавтоматическая в среде углекислого газа. Стыковой шов выполняется с выводом на планки. Задаемся уменьшенной шириной поясов балок, руководствуясь условиями:

Момент сопротивления уменьшенного сечения равен:

Определим максимальный изгибающий момент, который может быть воспринят уменьшенным сечением балки по сварному шву:



Где:

Rwy - расчетное сопротивление стыкового сварного шва. Принимаем Rwy = Ry.

Mu = 23•12510 = 287730 (кН•см).

Изгибающий момент в произвольном сечении балки на расстоянии Х от опоры определяется по формуле:

Из условия равенства Мx = Мu находим расстояние от опоры до мест изменения сечения балки:

Получаем расстояние от опоры равное 1490 и 310 (см.).

2.3 Проверка прочности стенки главной балки по длине

Для выполнения проверки прочности по приведенным напряжениям необходимо выполнить расстановку поперечных ребер жесткости, подкрепляющих стенку главной балки.

Определим условную гибкость стенки по формуле:

В зоне пластических деформаций поперечные ребра устанавливаются под каждой балкой настила, а в упругой области на расстоянии не более чем 2hw.

Определяем длину зоны развития пластических деформаций в стенке балки:

Проверку прочности выполняем в сечении балки, ближайшей к месту изменения сечения в направлении к опоре.

Так как под ближайшей балкой в указанном направлении отсутствует ребро жесткости.

Тогда проверку прочности выполняем с учетом локальных напряжений по формуле:

Прочность стенки главной балки по приведенным напряжениям обеспечена.



2.4 Проверка общей устойчивости главной балки

Проверим граничные условия, при которых общая устойчивость главной балки обеспечивается геометрией сечения и схемой раскрепления балки. Проверку выполняем для участка между связями в середине пролета (в зоне развития пластических деформаций и в приопорной области).

В середине пролета главной балки:

Уменьшаем граничные условия:

Фактическое отношение:

Для приопорной зоны:

Фактическое отношение:



Общая устойчивость главной балки обеспечена.

2.5 Проверка местной устойчивости стенки главной балки в упругой области

Проверку устойчивости стенки выполняем для отсека (участка стенки между ребрами жесткости) с местом изменения сечения главной балки по длине.

Проверку выполняем для сечений на расстоянии X4 = 2,116 (м.), соответственно X5 = 3,174 (м.). С учетом локальных напряжений.

Проверка выполняется по формуле:

Определим отношения:



Подтверждается.

Далее определим:

Принимаем a = 0,5а.

Тогда:

Определим:

- степень устойчивости стенки;

- степень упругой области.

Для этого рассмотрим сечение X5:



2.6 Расчет поясных соединений главной балки

Соединение поясов главной балки со стенкой выполняем двусторонними угловыми сварными швами автоматической сваркой под флюсом при положении элементов в лодочку.

Назначим минимальный катет шва по СНиП.

Катет шва будет равен Kf = 6 мм. = 0,6 см.

Диаметр сварочной проволоки принимаем d = 3-5 мм.

вf = 1,1;

вz = 1,15.

Выбираем сварочную проволоку по таблице 55 СНиП: сварочную проволоку принимаем Св-08А, тогда нормативные и расчетные сопротивления металла швов сварных соединений с угловыми швами будут равны:

180 МПа = 18 кН/см²;

370 МПа = 37 кН/см²;

Rwz = 0,45;

Rwz = 16,65 кН/см².

Выбираем расчетное сечение углового сварного шва, для этого сравним произведения:

Прочность сварных швов обеспечена.

2.7 Расчет и конструирование укрупнительного стыка главной балки на высокопрочных болтах с контролируемым усилием натяжения

Для удобства транспортировки главной балки на площадку делим ее на 2 отправочные марки.

Расстояние от опоры до оси укрупнительного стыка главной балки X6 = 9 м.

В расчетном сечении действуют следующие усилия:

Укрупнительный стык выполняем на высокопрочных болтах с предварительным диаметром равным 20 мм. Сталь принимаем марки 40 Х селект. Расчетное усилие, которое может быть воспринято одной поверхностью трения под одним высокопрочным болтом определяется по формуле СНиП:

Где:

Rbh - расчетное сопротивление растяжению болта, определяемое по формуле 3 СНиП:

м - коэффициент трения, соединяемых поверхностей.

Так как способ обработки газопламенный без консервации, то м = 0,42.

Контроль усилия растяжению болта выполняем по моменту закручивания.

Натяжение болта следует производить осевым усилием по формуле:

Изгибаемый момент, воспринимаемый стенкой главной балки вместе стыка:

Где:



Изгибающий момент, воспринимаемый поясами главной балки в месте стыка:

Проектируем стык поясов главной балки.

Заменяем изгибающий момент, воспринимаемый поясами парой сил с плечом равным hf Соответствующее продольное усилие в поясах равно:

Стык поясов выполняем с помощью одной верхней накладки шириной bf и двух нижних накладок шириной b1.

Требуемое количество болтов в стыке поясов определим по формуле:

Где:

к - число плоскостей трения под одним высокопрочным болтом, к = 2.

Размещаем болты в стыке. Назначаем ширину нижних накладок:

Учитывая условия максимального расстояния в крайних рядах между центрами болтов и максимального расстояния от центра болта до края элемента - 8d и 4d соответственно окончательно размещаем болты в стыке поясов. Определяем требуемую толщину накладок из условия их равно прочности с поясом.



Проверяем ослабление накладок отверстиями по сечению 1-1:

Так, 9312<9350, что не удовлетворяем условию, а это значит нужно увеличит толщину накладки t1.

Примем t1 = 14 мм.

Тогда:

Т. е., выполняется.

Проверяем ослабление поясов балки четырьмя отверстиями по краю стыка:

Т. е., условие не выполняется, тогда добавляем 2 болта к расчетному количеству.

Проектируем стык стенки.

Предварительно назначаем размер ?2:



Тогда расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов стыка:

Предварительно задаемся шагом горизонтальных рядов болтов:

Уточняем:

Максимальное продольное усилие на стыке стенки:

Где:

к - число вертикальных рядов болтов с одной стороны стыка. к = 2.



Прочность стыка стенки обеспечивается при выполнении условия:

Запас прочности > 15% поэтому увеличиваем шаг а0 = 100 (мм.):

Т. к., считаем аналогично предыдущему случаю:

Запас прочности снова превышает 15%.

Принимаем число вертикальных рядов болтов с одной стороны стыка равным 1, тогда:

Запас прочности составляет 11,5% что меньше 15%. Прочность стыка стенки главной балки обеспечена. Толщину накладок стыка стенок принимаем из условия равной прочности накладок стенки главной балки:

Назначаем геометрические параметры стенки: l2 = 1420 мм.



2.8 Расчет конструирования опорного узла главной балки

Опорный узел главной балки проектируем для варианта ножевого опирания через торцевую диафрагму.

Ширину опорной диафрагмы принимаем равной bf1 = 250 мм.

Толщину диафрагмы определяем из условия исключения смятия торца:

Где:

Rp - определяем по СНиП.

Из конструктивных соображений минимальная толщина диафрагмы td = 16 мм., или Rp = 33,6 кН/см².

Проверяем устойчивость условной опорной стойки, в состав которой включается торцевая диафрагма и участок стенки шириной S:

Момент инерции поперечного сечения условной стойки относительно оси z определяем по формуле:

Площадь:



Определим радиус инерции относительно оси z:

Гибкость:

Тогда коэффициент будет 0,941.

Устойчивость условной стойки проверяем по формуле:

Устойчивость условной опорной стойки обеспечена.

Проверим прочность двусторонних угловых сварных швов, с помощью которых торцевая диафрагма присоединяется к стенке главной балки. Сварка полуавтоматическая, положение элементов при сварке нижнее. Принимаем сварочную проволоку св-08Г2С.

Определим максимальную длину сварного шва, в пределах которой применима гипотеза о равномерности распределения напряжений.

Где:

вf = 0,9;

вz = 1,05.

Проверку сварных швов осуществляем по формуле:



Для выбора расчетного сварного шва сравним произведения:

Прочность сварных швов обеспечена.

2.9 Расчет и конструирование узла сопряжения балки настила

Узел сопряжения проектируем для этажного сопряжения балок. Величину минимальной площадки опирания amin определяем:

Фактическая величина опирания:

Проверяем устойчивость участка стенки балки настила шириной:



И высотой стенки:

Радиус инерции определяется по формуле:

Устойчивость участка стенки балки настила обеспечена.



3. Проектирование центрально сжатой колонны

3.1 Подбор сечения стержня колонны с проверками общей и местной устойчивости

Центрально сжатую колонну проектируем из прокатного сечения, выполненного из двух прокатных швеллеров широкополосной универсальной стали.

Соединительную решетку выполняем раскосной из одиночных прокатных уголков.

Соединение колонны с фундаментом шарнирное.

Сталь для колонны выбираем по третьей группе таблицы 50 СНиП. Принимаем сталь С245. Р22асчетное сопротивление Ry = 24кН/см².

Геометрическая длина колонны определяется по формуле:

Расчетная длина стержня колонны:

Требуемая площадь поперечного сечения колонны определяется из условия устойчивости центрально-сжатого элемента:

Требуемый радиус инерции сечения относительно оси x:



Принимаем швеллер №40 с характеристиками:

A = 61,5 (см²);

ix = 15,7 (см.);

Ix = 15220 (см⁴);

Wx = 761 (см³);

Sx = 444 (см³).

Выполняем проверку устойчивости стержня относительно материальной оси х:

Что не удовлетворяет условию, т. е., устойчивость не обеспечивается. Тогда принимаем сталь марки С345. Задаемся начальной гибкостью:

Устойчивость стержня относительно материальной оси обеспечена. Окончательно принимаем швеллер 40 стали С345. Выполняем расчет стержня относительно свободной оси y:

Для определения размера b воспользуемся соотношениями:



Выполним размещение соединительной решетки в стержне колонны:

Подбираем сечение раскоса как центрально - сжатого элемента из условия обеспечения его устойчивости:

Проверка устойчивости стержня колонны относительно свободной оси выполняется по формуле:

Где:

Аd1 - площадь одного уголка;

А - полная площадь сечения колонны.



Тогда ц = 0,604.

Устойчивость стержня колонны относительно свободной оси обеспечена.

3.2 Конструирование и расчет оголовка центрально сжатой колонны

Конструирование оголовка проектируем для ножевого варианта опирания главной балки на опорный столик, приваренный к стенке.

Присоединение столика осуществляется двумя фланговыми и одним лобовым швом.

Высоту опорного столика принимаем из условия двух фланговых сварных швов:

Сварка полуавтоматическая в среде углекислого газа. Положение нижнее. Минимальный катет сварного шва принимаем kf = 7 (мм.):

вf = 0,9;

вz = 1,05.

Сравним произведения:



Увеличим катет шва:

вf = 0,9;

вz = 1,05.

3.3 Конструирование и расчет базы центрально сжатой колонны

Базу центрально - сжатой колонны проектируем по шарнирному варианту. Конструкция базы разрабатывается с траверсами и консольными ребрами. Бетон фундамента класса B 7,5.

Размер плиты базы колонны в плане определим из условия исключения смятия бетона под плитой:

Где:

Rb = 0,45.

Bpl - согласовывается с шириной полосы или назначается конструктивно. Назначим Bpl = 40 + 10 + 400 + 10 + 40 = 500 (мм.).

Окончательный размер Bpl примем 600 (мм.). Тогда определим Lpl:

Толщину опорной плиты базы определяем из условия прочности по нормальным напряжениям при работе на изгиб отдельных участков плиты с различными условиями опирания. Равномерно - распределенное давление под плитой базы определим по формуле:



В плите выделяют следующие характерные участки:

1 - опирание по четырем сторонам (кантам);

2 - опирание по трем сторонам;

3 - консольный участок.

Изгибающий момент полоски единичной ширины на участке 1:

Определим толщину плиты:

Где:

гс - коэффициент условий работы, равный 1,2;

Мmax - максимальный момент.

tpl - принимаем 32 мм.

Определяем высоту траверсы из условия обеспечения прочности четырех вертикальных сварных швов:

Полученная высота траверсы должна удовлетворять условиям:

hтр > 200 мм.

hтр > 0,6•h мм.

Катет сварного шва примем kf = 7 (мм.), или 0,7 (см.).

Сравним произведения:

Где:

вf = 0,9;

вz = 1,05.

Rwf = 21,5 кН/см²;

Rwz = 0,45 Run;

Rwz = 20,7 кН/см²;

гwf = 1;

гwz = 1.

0,9 * 21,5 * 1 = 19,35.

1,05 * 20,7 * 1 = 21,7.

19 < 21,7, тогда принимаем расчетную формулу вида (расчетное сечение сварного шва по металлу шва):

Это значит, что условие выполняется, тогда окончательную высоту траверсы принимаем hтр = 430 (мм.).

Проверка прочности траверс на срез выполняется по формуле:



Т. к., данную формулу получили, анализируя расчетную схему консольного участка траверсы.

Проверка прочности на изгиб определяется по формуле:

Проверку прочности горизонтальных сварных швов, присоединяющих траверсы к опорной плите базы, выполняем по условию:

Для обеспечения крутильной жесткости стержня колонны устанавливаются поперечные диафрагмы из толстолистовой стали, толщиной 10 ч 12 мм.

Количество диафрагм по длине стержня не менее двух, расстояние между ними не более четырех метров. В сквозных колоннах место наложения диафрагм согласовывается с узлами соединительной решетки.



Список используемой литературы

1. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов / Е.И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Ведеников и др., под общ. ред. Е.И. Беленя. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 560 с., ил.

2. Металлические конструкции: учебник для вузов / под ред. Ю.И. Кудишина. - 10-е изд., стер. - М.: Академия, 2007. - 688 с.: ил. - Высшее профессиональное образование.

3. Примеры расчета металлических конструкций: учеб. пособие для строит. техникумов / А.П. Мандриков, И.М. Лялин. - М.: Стройиздат, 1982. - 312 с.: ил. - Библиогр.: с. 270. сварка фундамент строительный

4. Автоматизированное проектирование балочной площадки: учеб. пособие / С.Б. Колоколов, О.В. Никулина, М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования "Оренбург. гос. ун-т". - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 119 с.

5. СНиП II-23-81* Нормы проектирования стальных конструкций.

Размещено на Allbest.ru