В соответствии с табл. 55 СНиП II-23-81^* принимаем электроды типа Э42. Расчетное сопротивление металла шва R _wf = 180 МПа.

_{f wf} R _wf = 0,7 1 180 = 126 МПа

2. Расчет по металлу границы сплавления.

коэффициент глубины провара шва _z = 1,0 (табл.34 СНиП II-23-81^*)

Расход стали на 1 м² площади балочной клетки покрытия по главным балкам:

по первому варианту - m₁ = 118,94 кг/м²

по второму варианту - m_1I = 77,2 кг/м²

Вывод: по расходу стали более экономичен второй вариант. Поэтому к дальнейшему проектированию принимаем второй вариант усложненной балочной клетки. Тип сопряжение вспомогательной и главной балок определится после расчета высоты главной балки.

2.2 Проектирование составной сварной главной балки

Разрезная балка загружена сосредоточенными нагрузками. Нагрузки на балку передаются в местах опирания на нее вспомогательных балок. Сосредоточенные силы подсчитываются по грузовой площади:

А_гр = L_в L_бн = 7 2,5 = 17,5 м²

Таблица 5 - Сбор нагрузки на главную балку

Коэффициент

2.2.1 Подбор сечения главной балки

Сечение составной сварной балки состоит из трех листов: вертикального - стенки и двух горизонтальных - полок (рис. 9).

Расчетный изгибающий момент

М_max = 9(G+P)L_бн - 4,5(G+P)L_бн = 4,5(G+P)L_бн = 4,5272,5252,5 = 3065,91 кНм

Для принятой толщины листов полок t_f ? 20 мм расчетное сопротивление стали С375 равно R_у =345 МПа. Коэффициент условия работы _с =1. В первом приближении с₁ = 1,1.

2.2.3 Проверка прогиба главной балки

условие жесткости балки удовлетворяется.

2.2.4 Определение типа сопряжения вспомогательной и главной балок

Суммарная высота элементов перекрытия: настила, балки настила, вспомогательной и главной балок

h= t_Н + h_бн + h_в + h_г = 6 + 100 + 392 + 1276 = 1774 мм

Ранее была найдена наибольшая строительная высота перекрытия h_c,max = =1,8 м. Принимаем пониженное сопряжение вспомогательной и главной балок.

2.2.5 Изменение сечения главной балки

С целью экономии материала уменьшаем сечение приопорного участка балки за счет уменьшения ширины поясов на участке балки от опоры до сечения, расположенного на расстоянии равном 1/6 пролета балки: 17,5/6 = 2,92 м. Ширина пояса балки b`_f должна соответствовать ширине листа универсальной стали по сортаменту и быть не менее

b`<sub>f</sub> 180мм, b`_f 0,1h; b`_f 0,5 b_f ,

т.е., 0,1h=127,6 мм; 0,5 b_f = 0,5360 = 180 мм.

По сортаменту принимаем b`_f = 200 мм.

Геометрические характеристики сечения балки на приопорных участках:

- площадь сечения

А = 2А_f + А_W = 2201,8+1,0124 = 196 см²

момент инерции

- момент сопротивления

- статический момент полки относительно оси Х-Х

S_Х = t_f b_f(0,5h_W + 0,5t_f) = 1,8 20 0,5(124+1,8) = 2264,4 см³

- статический момент полусечения относительно оси Х-Х

S_Х = S_f +0,125 t_W h²_W = 2264,4+0.125124²1 = 4186,4 см³

Расчетные усилия в месте изменения сечения:

- Изгибающий момент

М= R_а 2,92 - (G+Р)(2,92-1,25)=3(G+Р) 2,92-1,67(G+Р) = 7,09 (G+Р) = 7,09 271= 1923,0 кН

- Перерезывающая сила

Q = Q_max - (G+P)= 813,69 - 271,23 = 542,46 кН

Проверка напряжений:

а) в месте изменения сечения

- максимальные нормальные напряжения

- касательные напряжения в стенке под полкой

< R_Sc

R_Sc = 0,58 315 1= 182,7 МПа

- приведенные напряжения под полкой

1,15 R _c = 1,15 345 = 396,75 МПа

_red < 1,15 R _c

2.2.6 Расчет поясных сварных швов

Полки составных сварных балок соединяют со стенкой на заводе автоматической сваркой. Сдвигающая сила на единицу длины

,

Для стали С375 по табл. 55^* СНиП II-23-81^* принимаем сварочную проволоку Св-10НМА для выполнения сварки под флюсом АН-348-А.

Определим требуемую высоту катета К_f поясного шва "в лодочку".

1. Расчет по металлу шва.

Коэффициент глубины провара шва _f =1,1 (СНиП II-23-81^*, табл.34)

Коэффициент условия работы _wf = 1 (СНиП II-23-81^*, пп. 11.2)

Расчетное сопротивление металла R _wf =240 МПа

_{f wf} R _wf = 1,1 1240 = 264 МПа

2. Расчет по металлу границы сплавления.

Коэффициент глубины провара шва _z =1,15 (СНиП II-23-81^*, табл.34)

Коэффициент условия работы _wz = 1 (СНиП II-23-81^*, пп. 11.2)

Расчетное сопротивление металла

R _wz =0,45 R _un = 0,45 490 = 220,5 МПа

_{z wz} R _wz = 1,1 1220,5 = 253,6 МПа

Сравнивания полученные величины, находим

( _w R _w)_min = 253,6 МПа

Высота катета поясного шва должна быть не менее

k_f ? 0,8 мм

По толщине наиболее толстого из свариваемых элементов (t_f = 18 мм) по табл. 38 СНиП II-23-81^*, принимаем k_f = 7 мм.

2.2.7 Проверка на устойчивость сжатой полки

Устойчивость полки будет обеспечена, если отношение свеса полки b_ef к ее толщине t_f не превышает предельного значения:

,

где расчетная ширина свеса полки b_ef равна:

Т.к. 9,72 ‹ 12,8, устойчивость поясного листа обеспечена.

2.2.8 Проверка устойчивости стенки балки

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

Расстояние между поперечными ребрами при условной гибкости стенки , не должно превышать 2h_w . Условная гибкость стенки определяется по формуле

.

При _w 3,5 необходима проверка устойчивости стенки с установкой ребер жесткости с шагом не более

2h_w = 2124 = 248 см.

Т.к. сопряжение балок выполняется в пониженном уровне, установку поперечных ребер предусматриваем с шагом 2,0 м.

Ширина ребер должна быть не менее

Принимаем b_h = 100 мм.

Толщина ребра

Принимаем t_S = 8 мм.

Проверка устойчивости стенки балки во втором отсеке в месте изменения сечения:

- Критические нормальные напряжения

;

По табл. 21, 22 СНиП II-23-81^* определяем при = и = , с_cr = 35,5

Принимаем сопряжение балки с колонной шарнирным, с опиранием на колонну сверху. Опорное ребро жесткости крепится сварными швами к стенке балки. Нижний торец опорного ребра балки остроган для непосредственной передачи давления на колонну.

Толщина опорного ребра определяется из расчета на смятие его торца

,

где N = R_A = 817,58 кН - опорная реакция;

R_P = R_un/_m = 490/1,025 = 478 МПа - расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности; b = b_f = 20 см - ширина опорного ребра.

Принимаем толщину опорного ребра t = 10 мм, а опорный выступ а = 14 мм <1,5t = 1,510 = 15 мм.

Проверка ребра на устойчивость:

- Площадь расчетного сечения ребра:

,

где

.

- Радиус инерции сечения ребра

- Гибкость ребра

.

- Условная гибкость

.

- Коэффициент продольного изгиба при _Х = 1,136

.

- Проверка опорного ребра на устойчивость:

- Расчет катета сварных швов крепления ребра к стенке балки:

По толщине более толстого из свариваемых элементов принимаем катет шва K_f = 5 мм.

2.2.10 Расчет болтового соединения

Сопряжение вспомогательной балки с главной выполняется поэтажно.

При пяти грузах в пролете опорная реакция вспомогательной балки равна

R_A = 3,5 (G+P) = 3,533,248 = 116,4 кН

Принимаем болты нормальной точности (класс В), класс по прочности - 4,6, диаметром 20 мм. Расчетное сопротивление срезу болтов для принятого класса прочности R_bs = 150 Мпа.

Расчетные усилия, которые может выдержать один болт:

а) на срез

N_bs = R_bsbAn_s,

где R_bs = 150 МПа,

_b = 0,9 - коэффициент условия работы,

n_s = 1 - число срезов болта.

А = d²/4 = 3,14²2,0²/4 = 3,14 см² - расчетная площадь сечения болта

N_bs = 150 10³ 0,9 3,14 10^-4 = 42,39 кН.

б) на смятие

N_b = R_{bр b} d t_min,

где _b = 0,9;

R_bр = 690 МПа - расчетное сопротивление на смятие для стали при R_UM = 490 МПа

t_min = 10 мм - толщина стенки балки и ребра.

N_b = 690 10³ 0,9 20 10^-3 10 10^-3 = 124,2 кН.

Сравнивая результаты, принимаем меньшее N_bs,min = 42,39 кН.

Требуемое количество болтов в соединении

Принимаем 3 болта диаметром 20 мм, диаметр отверстия D=22 мм.

Проверка касательных напряжений в стенке вспомогательной балки с учетом ослабления отверстиями диаметром 22 мм под болты, а также с учетом ослабления сечения балки из-за вырезки полки в стыке, выполняется по формуле:

где Q_max = R_A = 93,68 кН

h_W = h - 2t_f = 39,2 - 21,05 = 37,1

 = b/(b-d) = 146/(146 - 22) = 1,18

коэффициент ослабления сечения

Проверка удовлетворяется.

Расход стали на перекрытие:

2.3 Проектирование колонны сплошного сечения

2.3.1. Расчетная длина колонны и сбор нагрузки

НГБ = ОВН - h_стр

НГБ = 8,4 - 1,774 = 6,626 м

Заглубление фундамента h_ф = 0,7 м.

Геометрическая длина колонны

L = НГБ + h_ф = 7,326 м.

При опирании балок на колонну сверху, колонна рассматривается как шарнирно закрепленная в верхнем конце. Соединение с фундаментом легких колонн в расчете также принимается шарнирным. Поэтому длина колонны определяется при = 1:

Выполним расчет относительно оси Y, пересекающей полки. Гибкость колонны _у = 89,3. Находим _у = 0,50.

Требуемая площадь сечения колонны А_тр = 115,2 см².

Требуемые радиус инерции и ширина полки

Ширина полки находится из соотношения

i_Y 0,24b_f .

b_f = 36 см - принимаем ширину полки, в соответствии с сортаментом прокатной стали.

Высоту стенки h_W назначаем так, чтобы удовлетворялось условие h b_f, h_W = 360 мм. Назначив толщину t_W = 1,2 см, получим площадь сечения стенки: А_W = 43,2 см². Свес полки:

b_ef = 0,5(b_f - t_W) = 0,5(360-12) = 17,4 см.

Предельное значение b_ef = 17,5 см - находится из условия возможности применения автоматической или полуавтоматической сварки. Т.к. величина свеса полки меньше предельной, условие технологичности сварки выполняется.

Геометрические характеристики сечения:

- Площадь сечения:

А = 0,5 (А_тр - А_W) = 115,2 см².

- Момент инерции:

- Радиус инерции:

- Гибкость:

- Приведенная гибкость:

- Коэффициент продольного изгиба:

Включаем в нагрузку вес колонны:

G_к = АL_f = 77 115,2 10^-47,3261,11,05 = 7,5 кН

Полная расчетная нагрузка G_p = 1962,5 кН

Проверка колонны на устойчивость.

Недонапряжение составляет 1,2%.

Проверка предельной гибкости.

_U=180 - 60 =180 - 60 0,987 = 120,78

где

Т.к. _Y = 89,3 < _U = 120,78, проверка гибкости проходит.

2.3.3 Проверка устойчивости полки и стенки колонны

Отношение свеса полки к ее толщине:

Наибольшее отношение при условии выполнения устойчивости полки равно 17,72. Т.к.

,

устойчивость полок обеспечивается.

Проверим устойчивость стенки по условию

.

; ;

_UW = 1,2+0,35 = 1,2+0,35 3,65 = 2,5

Принимаем 2,3.

30 < 56,2 - устойчивость стенки колонны обеспечена.

Т.к.

,

то поперечные ребра жесткости по расчету устанавливать не требуется.

По конструктивным соображениям принимаем на отправочном элементе два парных ребра. Назначим размеры парных ребер: ширина

b_P = h_W/30 + 40 мм = 36/30 + 40 = 41,2.

Принимаем b_P =50 мм.

Толщина t

_P b_P/12 = 50/12 = 4,2 мм.

Принимаем t_P = 6 мм.

В центрально-сжатых колоннах сплошного сечения сдвигающие усилия между стенкой и полкой незначительны. Поэтому сварные швы, соединяющие полки со стенкой, назначаем конструктивно толщиной катета k_f = 6 мм.

2.3.4 Расчет базы колонны

База колонны, состоящая из опорной плиты и траверс, крепится к фундаменту анкерными болтами.

Размеры плиты базы:

- Ширину плиты назначаем по конструктивным соображениям:

В_пл = b_f + 2t + 2c = 360 + 2 10 + 2 50 = 480 мм

- Длина плиты минимальная по конструктивным соображениям:

L_{пл min} = h +2c = 380 + 2 50 = 480 мм.

Учитывая стандартные размеры листов, назначаем L_пл = 480 мм.

Проверим достаточность размеров плиты в плане расчетом из условия смятия бетона под плитой. Класс бетона фундамента В12,5. Расчетное сопротивление бетона смятию при коэффициенте условия работы _в = 1,2:

2.3.5 Расчет оголовка колонны

Оголовок колонны состоит из опорной плиты и подкрепляющих ребер. Опорная плита передает давление от двух главных балок на ребра оголовка и фиксирует проектное положение балок при помощи монтажных болтов. Определяем размеры ребер, задавшись толщиной плиты: t_пл = 20 мм. Требуемая толщина парных ребер из условия работы на смятие:

где N - удвоенная опорная реакция главной балки;

R_P=R_UN/_m = 490/1,025 = 478 МПа - расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности.