Расчет и конструирование основных несущих конструкций стальной балочной площадки

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «СК и СП»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Металлические конструкции»

на тему «Расчет и конструирование основных несущих конструкций стальной балочной площадки»

Екатеринбург

2010

СОДЕРЖАНИЕ

1. РАСЧЕТ НАСТИЛА И ВТОРОСТЕПЕННОЙ БАЛКИ

2. РАСЧЕТ ГЛАВНОЙ БАЛКИ

2.1. Подбор сечения по расчетной нагрузке

2.2. Изменение сечения главной балки по длине

2.3 Местная устойчивость элементов балки

3. РАСЧЕТ МОНТАЖНОГО СТЫКА БАЛКИ

3.1. Сварной стык

4. РАСЧЕТ ОПОРНОЙ ЗОНЫ БАЛКИ

5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КОЛОННЫ СПЛОШНОГО СЕЧЕНИЯ

6. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ОГОЛОВКА КОЛОННЫ

7. РАСЧЕТ СОПРЯЖЕНИЯ ВТОРОСТЕПЕННОЙ БАЛКИ С ГЛАВНОЙ

8. РАСЧЕТ БАЗЫ КОЛОННЫ

9. РАСЧЕТ АНКЕРНЫХ БОЛТОВ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. РАСЧЕТ НАСТИЛА И ВТОРОСТЕПЕННОЙ БАЛКИ

Таблица 1. Сбор нагрузок

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка, gn, кН/смІ	Коэффициент надежности по нагрузке, гf	Расчетная нагрузка gp
I. Постоянная 1) Кирпич на ребро t= 120мм, с = 1.65т/мі 2) Песок t= 3мм, с = 1,8 т/мі 3) Настил t= 23 мм, с = 78,5 т/мі 4)Собственный вес балок покрытия	0,00198 0,000054 0,00018 1,44	1,1 1,1 1,05 1,1	0,002178 0,000594 0,00019 1,58
II. Временная 1) Полезная	0,00224	1,4	0,003136
ВСЕГО:	26.72		55,6Кн/м2

Принимаем второстепенную балку из стали марки С 245 (R_у = 24 кН / смІ) толщина проката до 20 мм по ГОСТ 27772-88*.

Принимаем шаг второстепенных балок а = L / 9 = 11,5/9=1,3 м

По графику при относительном прогибе настила = 93, получаем

1,3 / 93 = 0,0139 м

расчет устойчивость стенка балка

Принимаем толщину настила t_н= 0,023 м = 23 мм

Находим нормативную и расчетную нагрузку настила (с_ст. = 78,5 кН / мі):

= 78,5 х 0,013=1,02 кН / мІ

= 1,05 х 1,02 = 1,07 кН / мІ

Полная нормативная и расчетная нагрузка:

= 2,16+0,48+1,57+4,21++22,3=26,51 кН / мІ

= 2,38+0,63+1,65+4,66+26,76=31,42 кН / мІ

Статический расчет второстепенной балки

Определение погонной нагрузки на балку:

\

= 55,6 х 1,3 х 1 = 72,28 кН / м

(- коэффициент надежности по назначению)

М_max = = = 381,73 кНм

Q_max = = = 234,91 кН

Подбор сечения балки

Определяем требуемый момент сопротивления:

W_тр. = = = 1590,5 смі

где - коэффициент условия работы балок

Принимаем в первом приближении I№ 40Ш1

W_х =1771 смі; I_х = 34360 см⁴; S_х = 976 смі; m_пм = 96,1 кг

Уточнение нагрузки с учетом собственного веса балки

Нагрузка от собственного веса балки:

q_рб = 0,961 кН/м

Расчетная нагрузка с учетом собственного веса балки:

q_р = (72,28+0,961) 1,05=76,90кН/м, где

= 1,05 - коэффициент надежности по материалу

Вычисление усилий с учетом собственного веса балки

М_max = = = 406,13 кНм

Q_max = = = 249,90 кН

Расчет по первой группе предельных состояний

Проверка прочности балки по нормальным напряжениям

у = = =22,90 кН/смІ < = 24 кН/ смІ

(условие выполняется)

Проверка прочности балки по касательным напряжениям

= = 5,07 кН/смІ

4,73< = 0,58= 0,58241 = 13,92 кН/ смІ

(условие выполняется)

Расчет по второй группе предельных состояний

Относительный прогиб:

? = , где

Е= 2,0610⁵ МПа = 2,0610⁵ Н/ммІ - модуль упругости

Нормативная погонная нагрузка

q_п = Мmax=406.13 кН/м

= 0.0025<= =0.005

(условие выполняется, жесткость балки обеспечена)

2. РАСЧЕТ ГЛАВНОЙ БАЛКИ

2.1 Подбор сечения по расчетной нагрузке

Принимаем главную балку из стали С255 (R_у = 24 кН / смІ) толщина проката 20-30 мм по ГОСТ 27772-88*.

В силу ограниченности сортамента проката (W_тр ) главная балка выполняется составного сечения (сварной симметричный двутавр).

= = =0,74 кН/м

Для учета собственного веса главной балки равномерно распределенную нагрузку увеличиваем на 2%:

= 1,02(26,72+0,74)6,5=181.93 кН/м

= L = 55.6 кН /мІ 6,5 = 361.40 кН/м

Вариант № 1. Шарнирное сопряжение балок с колоннами

Статический расчет главной балки

М_max = = = 6834.5 кНм

Q_max = = = 2222.61 кН

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения из условия прочности по нормальным напряжениям

W_тр. = = = 28477.0 смі

где - коэффициент условия работы балок

Определение высоты сечения балки h

Высоту балки в первом приближении принимаем

L/10: h= 12300 = 1230 мм

а) определяем оптимальную высоту балки

= k

где - толщина стенки, k - коэффициент, принимаемый для сварных балок

= 11,5……9,2 мм = 10 мм

= 10 (h / 1000) = 10 (1230/1000) = 12.3 мм

Принимаем толщину стенки равной = 13 мм.

= 1,15= 170.20 см

б) из условия жесткости определяем минимальную высоту балки

= = = 0,58 м=58 см,

где =- предельный относительный прогиб главной балки

Принимаю по ГОСТ 103 - 76 оптимальную высоту балки h=h= 130 см

Проверим принятую толщину стенки = 13 мм на срез от Q_max = 2222.61 кН.

? = = 1.9 см

= 0,58/ = 0,5823,5/ 1,025=13,3 кН/ смІ

= 1,025 - коэффициент надежности по материалу

= 12 мм > 10 мм

в) находим требуемую площадь поперечного сечения пояса

Принимаем толщину поясов = 3 см

= h - 2= 130-23=124 см

А= - = - = 98,14 смІ

Определяем ширину пояса b

b? = = 32,71 см

Принимаем b= 34 см

Принимаем t= 3 см, что удовлетворяет условию = = 2,5 < 3

Вычисление геометрических характеристик скомпонованного сечения главной балки

I_x = + 2 = = 1013394,4 см

W_х = =

Проверка прочности главной балки по нормальным напряжениям

у = = кН / смІ < 23 кН / смІ условие выполняется

Проверка прочности главной балки по касательным напряжениям

S_x = () = 8783,4

= = = 0,63<1 (

условие выполняется)

Вариант № 2. Рамное сопряжение балок с колоннами. Статический расчет главной балки

= = = 2337,6 кНм

= = = 1168,8 кНм

Q_max = = = 1168,8 кН

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения из условия прочности по нормальным напряжениям

W_тр. = = = 10163,5 смі

Определение высоты сечения балки h

Высоту балки принимаем в первом приближении L /10:

h = 12000 = 1200 мм

а) определяем оптимальную высоту балки

= k

где - толщина стенки, k - коэффициент, принимаемый для сварных балок

= 11,5……9,2 мм = 10 мм

= 10 (h / 1000) = 10 (1200/1000) = 10,6 мм

Принимаем толщину стенки равной = 12 мм.

= 1,15= 106 см

б) из условия жесткости определяем минимальную высоту балки

= = = 0,936 м=94 см,

где =- предельный относительный прогиб главной балки

Принимаю по ГОСТ 103 - 76 оптимальную высоту балки h=h= 110 см

Проверим принятую толщину стенки = 12 мм на срез от Q_max = 1168,8 кН.

? = = 1,22 см

= 0,58/ = 0,5823,5/ 1,05=13 кН/ смІ

= 1,05 - коэффициент надежности по материалу

= 12 мм < 12,2 мм условие не выполняется!

Принимаем толщину стенки = 14 мм

Проверим принятую толщину стенки = 14 мм на срез от Q_max = 1168,8 кН.

? = = 1,22 см

= 0,58/ = 0,5823,5/ 1,05=13 кН/ смІ

= 1,05 - коэффициент надежности по материалу

= 14 мм > 12,2 мм условие выполняется

в) находим требуемую площадь поперечного сечения пояса

Принимаем толщину поясов = 2,5 см

= h - 2= 130-22,5=105 см

А= - = - = 72,3 смІ

Определяем ширину пояса b

b? = = 28,92 см

Тогда = 2,41 см

Принимаем t= 2,5 см, что удовлетворяет условию = = 1,8 < 3

Вычисление геометрических характеристик скомпонованного сечения главной балки

I_x = + 2 = = 568493,37 см

W_х = =

Проверка прочности главной балки по нормальным напряжениям

у = = кН / смІ < R_y= 23 кН / смІ

условие выполняется

Проверка прочности главной балки по касательным напряжениям

S_x = () = 5961 смі

= = = 0,67 < 1

условие выполняется

2.2 Изменение сечения главной балки по длине

В целях экономии металла и уменьшения общего веса несущих элементов балочной клетки сечение балки меняем за счет изменения ширины полки при сохранении ее толщины на расстоянии L/6 = 2м:

= = = 1948 кНм

Q₁ = = = 779,2 кН

Определение требуемого момента сопротивления измененного сечения главной балки

= = = 8469,6 смі

А₁= - = - = 39,4 смІ

b? = = 13,1 см

Принимаем пояса из стали 140мм. Вычисление геометрических характеристик измененного сечения главной балки

I_1x = + 2 = = 529434,4 см

W_1х = =

S_1x = () = 6497,4 смі

Проверка измененного сечения балки

По нормальным напряжениям:

у₁ = ?

у₁ = = кН / смІ > R_y= 23 кН / смІ

условие не выполняется

Принимаем пояса из стали ГОСТ 103-76 размером 18030 мм

I_2x = + 2 = = 626226,4 см

W_2х = =

S_2x = () = 5735,4 смі

Проверка измененного сечения балки

По нормальным напряжениям:

у₂ = ?

у₂ = = кН / смІ ? R_y= 23 кН / смІ

условие выполняется

Проверка прочности главной балки по касательным напряжениям

?

= 0,58/ = 0,5823,5/ 1,05=13 кН/ смІ

? = = = 5,9 кН/смІ < 13 кН/смІ

(условие выполняется)

Проверка прочности главной балки по приведенным напряжениям в месте изменения сечения

у _пр = ? 1,15

у ² = = кН/смІ

кН/смІ

где смі

у _пр = = 19,7 кН/смІ

19,7 кН/смІ ? 1,1523 = 26,45 кН/смІ

условие выполняется

Расчет поясных швов

Угловые швы - двусторонние, выполняются автоматической сваркой в заводских условиях.

Сварочный материал - проволока Св - 08А

?

? ,

где =1 - коэффициент работы шва согласно п.п.11.2* ,

= 1,1 согласно таблице 36

=1,15 согласно таблице 36

? ; = = кН/смІ

Определяем погонное сдвигающее пояс усилие, приходящееся на 1 см длины швов.

= 6,4 кН/см -

статический момент пояса относительно нейтральной оси.

смі

Принимаем шов = 5 мм

= 5 мм < 1,212 = 14,4 мм

Согласно таблице 35 [1] принимаем = 5 мм

кН/смІ < 18 кН/смІ условие выполняется

кН/смІ < 18 кН/смІ условие выполняется

2.3 Местная устойчивость элементов балки

Проверка устойчивости полки на сжатие

Принимаем, что свес не окаймленный и расчет производим в пределах упругих деформаций (по п. 7.24 [2])

? 0,5 , где

- ширина сжатого пояса полки

- толщина свеса

= 23 кН/смІ - расчетное сопротивление стали

Е = 2,0610⁵ МПа - модуль упругости стали

= = см

? 0,5

8,2 ? 14,97 - местная устойчивость полки на сжатие обеспечена

Проверка устойчивости стенки

Устойчивость стенки балки требуется проверять при выполнении условия (п. 7.3 [2] )

= = =3,4 > 3,2

нужны поперечные ребра жесткости

где - условная гибкость стенки

Расчет на устойчивость стенки балки симметричного сечения, укрепленной только поперечными основными ребрами жесткости, следует выполнять по формуле:



? , где - коэффициент условия работы

а= l = 12=2,76 м

Определяем устойчивость балки на расстоянии х =

= = = 3116,8 кНм

Q₁ = = = 389,6 кН

, где d - наименьшая из сторон отсека стенки h_ef или а

(т.к. по таблице 12[1], следовательно по таблице 11[1]

, где: ? отношение большей стороны отсека к меньшей,

d = 124 - меньшая из сторон пластинки (h_ef =124 см, d= 276 см )

<1

3. РАСЧЕТ МОНТАЖНОГО СТЫКА БАЛКИ

Сварной стык. Стык стенки выполняется посередине главной балки, где М = 3116,8 кНм, Q=0 кН.

Момент инерции стенки

Изгибающий момент у стенки

Момент инерции полок

Изгибающий момент, приходящийся на полку

Расчетное усилие в поясах

Расчетная длина шва

Задаем что больше []= 5 мм по таблице 35 [1]

[]<<1,2; 1,2= 1,212=14,4 мм

5?10?14,4

см²

Расчет сварного шва крепления накладки к стенке балки односторонним швом полуавтоматической сваркой проволокой Св - 08 ГА.

кН/ см² > кН/ см²,

расчет ведем по металлу границы сплавления.

кН/ см²

Стык поясов:

; см²

Задаем что больше []= 9 мм по таблице 35 [1]

[]<<1,2; 1,2= 1,230=36 мм

9?19?36

мм =161 см

4. РАСЧЕТ ОПОРНОЙ ЗОНЫ БАЛКИ

Главная балка примыкает к колонне сбоку. Нагрузка передается через опорные торцевые ребра на специальные опорные столики колонн.

Расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности R_un для С245 = 370 Н/мм² согласно таблице В.5 [1], тогда принимаем:

R_p = 352 Н/мм² = 35,2 кН/см² по таблице В.7 [1]

см²

Проверка на устойчивость опорной зоны балки

Ширина участка стенки, включенного в работу опорной стойки:

см²

см⁴

кН/см² по таблице 72 [2] ц = 0,9225

кН/см² < = 23 кН/см² условие выполняется



Расчет сварного шва крепления опорного ребра к стенке балки двусторонними швами полуавтоматической сваркой проволокой Св - 08ГА.

коэффициенты расчета углового шва по металлу границы сплавления и по металлу шва (по таблице 5.3 [3] );

расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу границы сплавления (по Приложению 4 [3] );

расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва (по табл. 5.1 [3] );

<

Принимаем шов мм > мм приведенного в таблице 5.4 [3]

и мм < мм ? мм

Длина рабочей части шва:

см < см

Ребро привариваем к стенке по всей высоте сплошными швами.

5. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КОЛОННЫ СПЛОШНОГО СЕЧЕНИЯ

Принимаем колонны из стали С245 (= 24 кн/см²) по ГОСТ 27772-88.

h = м - полная высота колонны

м - расчетная длина колонны

Где расчетная длина колонны (согл. табл.28 [1]).

Расчетная нагрузка на колонну с учетом собственного веса условно принятым

2 кн/м:

кН

[] = 120 ? предельная гибкость колонны

= 60….100

Принимаем в первом приближении и соответствующее ей значение = 0,754 по таблице Ж.3 []

см²

Требуемый радиус инерции:

см

; см; см

Принимаем b_f = 45 см

Принимаем мм

Принимаем мм

Площадь подобранного сечения:

см²

Проверка подобранного сечения по нормальным напряжениям:

=24302 см⁴

см

0,785

<

Проверка подобранного сечения на местную устойчивость

Устойчивость стенок центрально-сжатых элементов считают обеспеченной, если условная гибкость стенки

?

определяемой по формулам таблицы 8[1] не превышает значений предельной условной гибкости:

Устойчивость стенки по таблице 8 формула 24 [1]:

=

=1,3 + 0,15²

=1,9

1,88 < 1,9 условие выполняется, устойчивость стенки обеспечена

Устойчивость свеса пояса по таблице 9 формула 31 [1]:

Устойчивость поясных листов и полок центрально-сжатых элементов сплошного сечения считают обеспеченной, если условная гибкость свеса пояса (полки)

= ( )

не превышает значений предельной условной гибкости свеса пояса (полки) определяемых по формуле 31 таблицы 9 [1]:

= ( ) = 0,4

< 0,8

=0,36 + 0,10= 0,36 + 0,100,8 = 0,44

0,4 < 0,44 условие выполняется, устойчивость свеса полки обеспечена

Устойчивость колонны обеспечена

6. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ОГОЛОВКА КОЛОННЫ

Принимаем толщину опорного столика t_c = 35 мм

Ширина b_c = b_p+40 мм = 180+40 = 220 мм

Принимаем приварку опорного столика к стенке двутавра ручной сваркой с катетом шва k_f = 10 мм, что равно k_fmin приведенного в таблице 35 [1]:

k_f = 10 мм > 1,2t_min = 1,210 = 16,8 мм - выполняется

l_f = 245 -1=89 см

B_fR_wf = 0,720 = 14 кН/см² < B_zR_wz = 116,5 = 16,5 кН/см²

Проверяем по металлу шва:

? 1

условие выполняется

Определяем усилие в верхней накладке:

Момент инерции стенки:

см⁴

Часть момента воспринимается стенкой:

Момент, приходящийся на полку:

M_f = 2337,6 -561=1776,6

M_f =

Принимаем сечение накладки из листа 22035 мм

Проверяем накладку по нормальным напряжениям:

кН/см² < 24 кН/см²

Расчет сварного шва крепления накладки угловыми швами полуавтоматической сваркой проволокой Св - 08ГА

B_fR_wf = 0,722=15,4 кН/см² < B_zR_wz = 1,0516,5 = 17,3 кН/см²

Расчет ведем по металлу границы сплавления

9 ? 9? 1,230 = 36 мм

мм = 92 +1 = 93 см

7. РАСЧЕТ СОПРЯЖЕНИЯ ВТОРОСТЕПЕННОЙ БАЛКИ С ГЛАВНОЙ

Опирание второстепенных балок на главные производится в одном уровне с целью уменьшения строительной высоты. Сопряжение балок осуществляется с помощью поперечных ребер жесткости на сварке.

l_w = l₀ - 10 мм = 390-10 = 380 мм

Оставляем 10 мм на непровар.

Принимаем для стали С245 сварку электродами Э42 по таблице Г.1 [1]

По таблице Г.2 [1] мПа, мПа

По таблице 4 [1]

R_wz = 0,45 R_wz = 0,45410 = 184 мПа

R_wz B_f = 180,7 = 12,6 кН/см²

R_wz B_f = 18,45 1=18,45 кН/см²

k_f = см

По таблице 35 [1] принимаем минимальный катет шва k_f = 5 мм.

8. РАСЧЕТ БАЗЫ КОЛОННЫ

1. Определение размеров опорной плиты в плане

Принимаем бетон марки В15 с расчетным сопротивлением на осевое сжатие R_b = 0,85 кН/см².

Определяем площадь опорной плиты:

см²

кН/см²

Принимаем: ; a = 1

670 мм, тогда:

см < b = 532 мм

Принимаем L = 670 мм

Принимаем плиту с размерами в плане 670670 мм. Размеры верхнего обреза фундамента устанавливаем на 10 см больше размеров опорной плиты.

Проверим справедливость назначения

Перерасчет плиты не требуется.

2. Определение толщины опорной плиты

Среднее напряжение в фундаменте

кНсм

Прочность бетона фундамента обеспечена

На консольных участках :

кНсм

На участках, опертых по трем сторонам:

мм - длина закрепленной стороны;

мм - длина свободной стороны

; = 0,06

кНсм

На участках, опертых по четырем сторонам:

см - длинная сторона;

см - длина свободной стороны

; = 0,1

кНсм

см

Принимаем толщину плиты мм

3. Расчет траверсы

Толщину траверсы приняли мм. Высоту определяем из условия размещения сварных швов, выполненные ручной сваркой.

R_wf B_f = 0,720 = 14 кН/см² < B_zR_wz = 116,5 = 16,5 кН/см²

Проверяем по металлу шва.

Прикрепляем четырьмя сварными швами с катетом швов мм, что больше мм.

<1,2=1,210 = 12 мм

см

Принимаем мм

Нагрузка на 1 погонный см одного листа траверсы:

кН/см

Изгибающий момент в месте приварки траверсы к колонне и поперечная сила:

кНсм

кН

Проверка на прочность траверсы по нормальным и касательным напряжениям:

смі

кН/смІ

кН/смІ

=4,9 кН/смІ < 1,15кН/смІ

Условие выполняется

4. Расчет швов, прикрепляющих траверсы к опорной плите:

> 0,89 см

Принимаем = 10 мм.

9. РАСЧЕТ АНКЕРНЫХ БОЛТОВ

кН/смІ

кН/смІ

Z = 545,9 кН

где б - расстояние от центра тяжести сжатой части эпюры напряжений до геометрической оси колонны;

у - расстояние от центра тяжести сжатой части эпюры напряжений до сои анкерных болтов в растянутой зоне.

Требуемая площадь болтов:

смІ

Принимаем болты из стали 09Г2С диаметром 36 мм смІ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. СП 53-102-2004 Свод правил по проектированию и строительству. Общие правила проектирования стальных конструкций.2005.

2. СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» / Минстрой России.-М.: Стройиздат,1986.560 с.

3. Беленя Е.И. Металлические конструкции / Е.И. Беленя и др. - М.:Стройиздат, 1986. - 560с.

4. Х. Ягофаров, А.Х. Ягофаров Металлические конструкции. Проектирование узлов главной балки: Методические указания. - Екатеринбург, 2008. - 19 с.

Размещено на www.allbest.ru