Рабочая площадка промышленного здания

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЕДЕНИЕ

Курсовая работа на тему "Рабочая площадка промышленного здания" состоит из следующих разделов:

Выбор рациональной схемы балочной клетки.

Конструирование и расчет главной балки.

Конструирование и расчет центрально сжатой колонны.

Графическое оформление проекта.

Выбор рациональной схемы балочной клетки производится путем проработки и сравнения нескольких (в курсовой работе - трех) вариантов. Рассматриваются два варианта нормального типа балочной клетки с различным шагом балок настила и один вариант усложненного типа. Подбираются толщина настила, двутавры балок настила и второстепенных балок, после чего варианты сравниваются по материалоемкости на 1 м²площади и для дальнейшей проработки выбирается наименее материалоемкое решение.

Конструирование и расчет главной балки включает компоновку сечения, изменение сечения балки по длине, проверку прочности, общей и местной устойчивости элементов. После чего конструируются и рассчитываются основные узлы балки.

Расчет центрально сжатой колонны сводится к подбору сечения стержня, конструированию и расчету оголовка и базы колонны.

Графическое оформление проекта выполняется на 2 листах формата А1, где отражаются основные элементы сооружения, узлы и сопряжения конструкций.

При выполнении курсовых проектов по металлическим конструкциям следует руководствоваться рекомендуемой литературой.

При выполнении расчетов размерность усилий принимается кН, кНм, напряжений - кН/см², геометрических характеристик - см, см², см³, см⁴.

Задание на курсовые проекты выдается преподавателем и является обязательным. Самостоятельное изменение заданий студентом не допускается.

Коэффициенты для расчета сварных соединений _wf и _wz принимаются равными 1 и в дальнейшем при написании формул опускаются. Коэффициент надежности по назначению для промышленных зданий принимается _n= 0,95, коэффициент условия работы конструкций, кроме оговоренных случаев, принимается равным_c = 1.

Все размеры элементов принимаются в соответствии с сортаментом.

1. ГОСТ 19903-74^*. Прокат листовой горячекатаный. Сортамент.

2. ГОСТ 26020-83. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент.

3. ГОСТ 82-70*. Прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный. Сортамент.

4. ГОСТ 8239-89. Двутавры стальные горячекатаные. Сортамент.

5. ГОСТ 8509-93. Уголки стальные горячекатаные равнополочные. Сортамент.

1. Конструирование и расчет балочной клетки

1.1 Задание на курсовую работу

Шифр задания - Н122112

Исходные данные:

Размер рабочей площадки - 3Ах3В.

Шаг колонн в продольном направлении А=16 м.

Шаг колонн в поперечном направлении В=6,5 м.

Строительная высота h_стр=2,05 м.

Отметка верха настила H_ВН=6 м.

Временная равномерно распределенная нагрузка на площадку p^н=20 кН/м².

Материал настила и балок настила - сталь С245.

Материал главной балки - сталь С235.

Материал колонны - сталь С235.

Бетон фундамента класса - В15.

1.2 Проектирование балочной клетки

Выбираем два варианта балочной клетки нормального типа и один вариант усложненного типа. При определении шага балок настила a_i необходимо иметь в виду следующее: количество балок должно быть четным и расстояние между ними должно быть в пределах от 0,6 до 1,5 м. При определении шага второстепенных балок а_вб их количество также должно быть четным, а расстояние между ними принимается в пределах от 2 до 3,5 м.

Принимаем:

1 вариант - а₁=1 м, n₁=16 балок.

2 вариант - а₂=0,8 м, n₂=20 балок.

3 вариант - а₃=1,3 м, а_вб=2 м, n₃=6 балок, n_вб=8 балок.

В усложненном типе балочной клетки нечетное количество балок настила допускается.

Расчет ведем по вариантам (рисунок 1).



Рисунок 1 - Схемы балочных клеток

а, б - нормального типа, в - усложненного типа

1.2.1 Вариант 1

План балочной клетки с раскладкой балок приведен на рисунке 1, а. Рекомендуется предварительно задавать толщину настила в следующих пределах в зависимости от нормативной нагрузки:

t_н = 6 мм при p^н 10 кН/м²;

t_н = 8...10 мм при 10 p^н 20 кН/м²;

t_н = 12...14 мм при p^н 20 кН/м².

Рисунок 2 - Конструкция и расчетная схема настила

Для нагрузки p^н = 20 кН/м² принимаем t_н = 10 мм по сортаменту [5] на толстолистовую сталь. Настил приваривается к балкам настила, что делает невозможным сближение опор при его прогибе (рисунок 2). Таким образом, расчетной схемой настила будет балка на двух шарнирно-неподвижных опорах, вследствие чего возникнет растягивающее настил усилие Н.

При нагрузке менее 50 кН/м² прочность настила обеспечена и его рассчитывают на жесткость. Предельное соотношение пролета настила к его толщине из условия жесткости определяем из выражения А.Л. Телояна:

где - a / t_н предельное соотношение пролета настила к его толщине из условия жесткости; Е₁ - цилиндрическая жесткость настила;

= 0,3 - коэффициент Пуассона для стали; n₀ = 120 - величина, обратная предельному относительному прогибу настила a_i / f_u = 120 по [3]; q^н - нормативная равномерно распределенная погонная нагрузка на 1 см ширины настила.

Собственный вес настила:

где _ст = 78,5 кН/м³ - объемный вес стали.

Общая нагрузка на настил с учетом полезной нагрузки:

Нагрузка на 1 погонный сантиметр:

При заданном пролете настила а₁ = 1 м определяем его требуемую толщину:

По сортаменту [5] принимаем t_н1 = 7 мм. Растягивающее усилие Н в настиле определяем по формуле:

где _f = 1,2 - коэффициент надежности по нагрузке для временной нагрузки; f_u / l = 1/120 - предельный относительный прогиб настила.

Назначаем параметры сварных швов крепления настила к балкам настила. Принимаем автоматическую сварку под флюсом сварочной проволокой СВ-08А, флюс АН-348-А по таблице 55^* [1], диаметр проволоки 3 мм, положение шва - нижнее, предварительно принимаем катет шва k_f = 4 мм по минимально возможному значению (таблица 38^* [1]). Значения расчетных сопротивлений (таблицы 56, 51* [1]):

где R_un = 37 кН/см² - по таблице 51^* [1] для проката С245 толщиной 2…20 мм. Значения коэффициентов проплавления шва _f = 1,1, _z = 1,15 (таблица 34^*[1]). Определяем наиболее опасное сечение шва:

Таким образом, расчет ведем по металлу границы сплавления. Требуемый катет шва на один сантиметр ширины настила:



В соответствии с таблицей 38^* [1] оставляем катет шва k_f = 4 мм.

Подбираем сечение балки настила. Расчетная схема балки настила представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Расчетная схема балки настила

Определяем нормативную и расчетную погонную нагрузку на балку:

где 1,02 - коэффициент, учитывающий собственный вес балки настила; _f1 = 1,2, _f2 = 1,05 - коэффициенты надежности по нагрузке соответственно для временной нагрузки и нагрузки от собственного веса металлических конструкций. Расчетные значения изгибающего момента и перерезывающей силы:



Так как балка сплошного сечения и на нее действует статическая нагрузка, расчет ведем с учетом развития пластических деформаций, причем для прокатных двутавров принимаем c₁ = 1,1. Требуемый момент сопротивления двутавра:

где R_у = 24 кН/см² - по таблице 51^*[1] для фасонного проката С245 толщиной 2…20 мм; _с = 1 - коэффициент условия работы балки (в дальнейшем при написании формул опускается).

По сортаменту [6] ближайший больший момент сопротивления W_х = 597 см³ имеет двутавр №33, вес одного погонного метра двутавра g^н _с.в. = 0,422 кН/м, J_х = 9840 см⁴ .

Проверяем прочность балки:

Прочность балки обеспечена. Прогиб конструкции:

где f_u - предельно допустимый прогиб балки настила, определяется по [3]: при пролете 6,5 м f_u = l/201 (интерполяцией).

Условие выполняется. Жесткость балки обеспечена. Вес настила и балок настила на 1 м² площади сооружения:

1.2.2 Вариант 2

По формуле А.Л. Телояна из 1 варианта отношение будет таким же

где n₀ = 120 - для пролета 0,8 м по [3].

При заданном шаге балок настила а₂ = 0,8 м определяем требуемую толщину настила:

По сортаменту [5] принимаем t_н2 = 6 мм. Расчетная схема настила аналогична варианту 1. Распор настила:

Параметры сварки принимаем по варианту 1. Требуемый катет шва:



В соответствии с таблицей 38^* [1] принимаем катет шва k_fmin = 4 мм.

Аналогично варианту 1 рассчитываем балку настила. Нагрузки на балку:

Расчетные усилия в балке:

Определяем требуемый момент сопротивления:

Принимаем по [6] двутавр №30, W_х = 472 см³ , J_х = 7080 см⁴ , g^н_с.в = 0,365 кН/м. Напряжения:

,

Прочность балки обеспечена. Прогиб конструкции:

Прочность и жесткость балки обеспечены.

Вес настила и балок настила на 1 м² площади:

1.2.3 Вариант 3

По формуле А.Л. Телояна из 1 варианта:

где n₀ = 124 - для пролета 1,3 м по [3] интерполяцией.

При заданном шаге балок настила а₃ = 1,3 м определяем требуемую толщину настила:

По сортаменту [5] принимаем t_н3 = 9 мм. Расчетная схема настила аналогична варианту 1. Распор настила:

Параметры сварки принимаем по варианту 1. Предварительно k_{f min} = 4 мм по таблице 38^* [1]. Требуемый катет шва:

В соответствии с таблицей 38^* [1] оставляем k_fmin = 4 мм.

Аналогично варианту 1 рассчитываем балку настила. Нагрузки на балку:

Расчетная схема балки настила приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Расчетная схема балки настила по 3 варианту

Расчетные усилия в балке:

Определяем требуемый момент сопротивления:

Принимаем по [6] двутавр №14, W_х = 81,7 см³ , J_х = 572 см⁴, g^н_с.в = 0,137 кН/м. Напряжения и прогиб:

,



где f_u - предельно допустимый прогиб балки настила, определяется по [3]: при пролете 2 м f_u = l/135 (интерполяцией).

Прочность и Жесткость балки обеспечены.

Подсчитываем нагрузку на второстепенную балку. Так как балок настила в пролете более 4-х, то заменяем сосредоточенные силы от них равномерно распределенной нагрузкой и расчетную схему принимаем по рисунку 3:

Изгибающий момент и перерезывающая сила в балке:

Требуемый момент сопротивления:

Принимаем по [6] двутавр №45, W_х = 1231 см³ , J_х = 27696 см⁴ , g^н_с.в. = 0,665 кН/м.

Напряжения и прогиб:

Прочность и жесткость балки обеспечены. Расход стали:

Составляем таблицу с основными показателями балочных клеток по вариантам (таблица 2).

Таблица 2 - Основные показатели балочных клеток

Показатель	Номер варианта
	1	2	3
Шаг балок настила (м)	1	0,8	1,3
Шаг второстепенной балки (м)			2
Толщина настила (мм)	7	6	9
№ двутавра балки настила	33	30	14
№ двутавра второстепенной балки			45
Расход стали (кН/м2 )	0,97	0,93	1,14

На основе сравнения вариантов по материалоемкости для дальнейшей разработки принимаем 2 вариант балочной клетки.

2. Проектирование главной балки

Требуется запроектировать составную сварную балку пролетом 16 м. Сечение балки - симметричный сварной двутавр. Предусматривается изменение сечения главной балки и укрупнительный стык в середине пролета.

2.1 Конструирование и расчет главной балки

2.1.1 Нагрузки на главную балку

Грузовая площадь и расчетная схема главной балки представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - План раскладки и расчетная схема главной балки

Подсчитываем нагрузку на главную балку:



Максимальные изгибающий момент и перерезывающая сила в главной балке: проектирование балка колонна конструирование

Рисунок 6 - Сечение главной балки

Требуемый момент сопротивления с учетом развития пластических деформаций:

где с₁ - коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций, предварительно принимаем с₁ = 1,1. R_у = 22 кН/см² - по таблице 51^* [1] для листового проката С235 толщиной 20…40 мм.

Следующим этапом является компоновка сечения балки, которое принимаем составным из 3-х листов: стенки и двух поясов (рисунок 6). Их соединение осуществляется парными сварными поясными швами.

2.1.2 Определение высоты главной балки

а) Оптимальная высота балки, определяемая из условия наименьшей материалоемкости, вычисляется по формуле К.К. Муханова:

где _w - гибкость стенки, принимается предварительно в пределах 120...150.

б) Минимальная высота главной балки определяется из условия ее жесткости (наименьшая рекомендуемая высота):

где l / f_u = 228 - интерполируемая величина, обратная предельному прогибу главной балки при ее пролете 16 м по [3].

в) Высота главной балки, определяемая из условия ограничения строительной высоты перекрытия при поэтажной схеме сопряжения балок (рисунок 7, а):



г) Высота главной балки, определяемая из условия ограничения строительной высоты перекрытия при схеме сопряжения балок в одном уровне (рисунок 7, б):

а) б)

Рисунок 7 - Схемы сопряжения балок настила с главной балкой:

а - поэтажная; б - в одном уровне

Представим результаты вычислений в табличной форме (таблица 3).

Таблица 3 - Высота главной балки (см)

hопт	hmin	h1	h2
167	75	174,4	204,4

Высота балки должна быть близкой к оптимальной (h h_опт), больше или равна минимальной (h h_min), а также меньше одной из высот h₁ или h₂, вычисленных из условий сопряжения балок. Кроме того, стенку балки следует принимать в соответствии с шириной прокатных листов. Принимаем по [5] высоту стенки h_w = 1600 мм. Назначаем толщину поясных листов t_f = 30 мм, тогда высота балки:

Так как высота балки меньше высоты h₁, принимаем поэтажную схему сопряжения балок.

2.1.3 Определение толщины стенки

Толщина стенки вычисляется исходя из трех условий:

Прочности стенки на срез в опорном сечении по формуле:

Местной устойчивости (без укрепления продольными ребрами жесткости) по формуле:

Опыта проектирования:

Толщина стенки должна быть: t_w t_w1; t_w t_w2; t_w t_w3. Принимаем по сортаменту [5] толщину стенки t_w = 12 мм.

2.1.4 Определение размеров поясов главной балки

Вычисляем требуемый момент инерции сечения:

Момент инерции стенки:

Требуемый момент инерции поясов:

Требуемая площадь одной полки:

где h₀ = h - t_f = 163 см - расстояние между центрами тяжести поясов.

Принимаем в соответствии с сортаментом [7] поясной лист сечением 340х30 мм. Площадь пояса А_f = 102 см² > A_{f тр} = 98,9 см². Проверяем местную устойчивость пояса в соответствии с таблицей 30 [1]. Для сечений с неокаймленным поясом при учете развития пластических деформаций:

где b_ef - свес пояса:

Определяем значение:

.

Условия выполняются. Таким образом, местная устойчивость пояса обеспечена. Принятое сечение показано на рисунке 6.

Определяем геометрические характеристики сечения (рисунок 6):

Определяем соотношение площади пояса к площади стенки:

и по таблице 66 [1] для двутаврового сечения принимаем с₁ = 1,12. Нормальные напряжения в балке:



Прочность обеспечена. Недонапряжение составляет:

.

Недонапряжение не превышает 5%, что свидетельствует о рационально подобранном сечении. Проверку жесткости балки проводить не требуется, так как принятая высота h = 166 см больше минимальной h_min = 75 см.

2.1.5 Проверка местной устойчивости стенки в зоне развития пластических деформаций

В соответствии с п. 7.5 [1] необходимо проверить устойчивость стенки в зоне развития пластических деформаций. Должно выполняться условие:

где коэффициент определяется по формуле:

где .

Условие не выполняется. Увеличиваем размеры пояса в середине пролета до b_fЧt_f = 360Ч30 мм. Тогда:

Условие выполняется. Проверяем местную устойчивость сжатого пояса при его ширине 360 мм:

Определяем значение:

.

Условия выполняются.

2.1.6 Изменение сечения главной балки

Так как сечение составной балки подобрано по максимальному моменту, то в местах снижения моментов у опор сечение можно уменьшить. Изменение сечения балки рационально проводить при пролетах не менее 10 м, при этом, как правило, изменяют ширину поясов.

При равномерно распределенной нагрузке для составных балок место изменения сечения принимают на расстоянии примерно 1/6l от опоры (рис. 8).



Рисунок 8 - Изменение сечения главной балки

Определяем место изменения сечения:

Расчетные усилия в месте изменения сечения вычисляем по формулам:

Подбираем сечение исходя из прочности стыкового шва на растяжение при отсутствии физического контроля качества шва, при этом расчетное сопротивление шва равно R_wy = 0,85R_y. Требуемый момент сопротивления сечения:

Требуемый момент инерции сечения:

Требуемый момент инерции поясов:



Требуемая площадь пояса:

Требуемая ширина пояса при его толщине t_f = 3 см составляет:

По сортаменту [7] принимаем b_f1 = 22 см. Проверяем условия:

Проверяем местную устойчивость пояса в зоне упругих деформаций по формуле:

Местная устойчивость пояса обеспечена. Определяем геометрические характеристики сечения (рисунок 9):



Рисунок 9 - Уменьшенное сечение главной балки

Нормальные напряжения в стыковом шве равны:

Недонапряжение:

Прочность сечения обеспечена.

2.1.7 Проверка принятого сечения балки

Проверяем стенку на срез по максимальным касательным напряжениям:

где S₁ - статический момент половины опорного сечения относительно нейтральной оси:

Поскольку изменение сечения осуществляется вблизи опор, в месте фактического перехода от более мощного сечения к облегченному в стенке развиваются не только значительные нормальные, но и касательные напряжения. Поэтому необходима проверка приведенных напряжений при их совместном действии в месте изменения сечений и под ближайшей балкой настила на расстоянии х₂ = 2 м (рисунок 10).



Рисунок 10 - К определению приведенных напряжений в стенке главной балки

Проверку проводим в точках Б сечения (рисунок 10) в месте соединения стенки с полкой по формуле:

Определяем статический момент пояса относительно нейтральной оси:

Предварительно вычисляем местные напряжения в стенке главной балки (рисунок 11):

Рисунок 11 - Местные напряжения в стенке главной балки



где l_ef - расчетная длина действия местных напряжений:

,

F = 61,7 кН - опорная реакция балки настила по 2 варианту.

а) Проверка приведенных напряжений в месте изменения сечения

Расчетные усилия для этого сечения (х₁ = 2,7 м) определены ранее в разделе изменения сечения балки: М₁ = 2819 кНм, Q₁ = 832 кН. Напряжения в уровне низа полки (точка Б на рисунке 10):

Так как в этом сечении местные напряжения отсутствуют, формула определения приведенных напряжений преобразуется в следующую:

где 1,15 - коэффициент по п. 5.14* [1].

Прочность стенки в месте изменения сечения обеспечена.

б) Проверка приведенных напряжений под балкой настила

Определяем расчетные усилия в сечении х₂ = 2 м:



Напряжения в точке Б:

Приведенные напряжения:

Прочность балки в сечении х₂ обеспечена.

2.1.8 Проверка общей устойчивости балки

В соответствии с п. 5.16^* [1] устойчивость балок проверять не требуется, если выполняются следующие условия:

1) Нагрузка передается через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный, что соответствует схеме сопряжения балок в одном уровне;

2) При отношении расчетной длины балки из плоскости l_ef к ширине сжатого пояса b_f , не превышающих значений, определяемых по таблице 8^* [1].

За расчетную длину балки из плоскости принимается расстояние между элементами, препятствующими деформациям сжатого пояса из плоскости. Такими элементами в нашем случае являются балки настила, установленные по верхнему поясу через 0,8 м, следовательно, l_ef = 80 см.

Соотношение по таблице 8*[1] равно

Проверяем это условие в двух сечениях:

а) в области развития пластических деформаций

Определяем коэффициент , который вводится при расчете балки с учетом развития пластических деформаций:

.

где с₁ = с = 1,12 по пункту 5.18 [1], определено ранее.

Проверяем условие:

Условие выполняется.

б) в области упругих деформаций по уменьшенному сечению:

где = 1 - в области упругих деформаций.

Оба условия выполняются, следовательно, общая устойчивость балки по расчету обеспечена.

2.1.9 Проверка местной устойчивости сжатого пояса и стенки

Устойчивость сжатого пояса была проверена при подборе сечения поясов.

Устойчивость стенки балки проводим в соответствии с п.п. 7.1...7.13 [1]. Определяем условную гибкость стенки:

.

Устойчивость стенки балки не следует проверять, если ее гибкость не превышает значений:

2,5 - при наличии местного напряжения в балках с двусторонними поясными швами (поэтажная схема сопряжения):

3,5 - при отсутствии местного напряжения в балках с двусторонними поясными швами (схема сопряжения в одном уровне).

Так как гибкость стенки более 2,5 необходимо проверять стенку на местную устойчивость. В соответствии с п. 7.10 [1], так как , устанавливаем поперечные ребра жесткости. Их размеры определяются по формуле

- для одностороннего ребра (поэтажная схема сопряжения):

принимаем b_h = 120 мм. Толщина ребра определяется, как:

Окончательно толщину ребра принимаем t_s = 8 мм.

Расставляем поперечные ребра жесткости и проверяем местную устойчивость стенки.

В связи с тем, что в зоне пластических деформаций местные напряжения не допускаются, ребра жесткости в этой зоне ставим под каждой балкой настила (рисунок 12,а).

Рисунок 12 - Расстановка поперечных ребер жесткости в главной балке

Длина зоны развития пластических деформаций:

Для остальной части балки в соответствии с пунктом 7.10 [1] ребра жесткости ставятся на расстоянии не более 2h_w = 3,2 м. Удобно ставить ребра под балками настила. За расчетные отсеки принимаем отсек 1, в котором изменяется сечение балки. Расчетные сечения принимаем следующие: х₁ - в месте изменения сечения; х₂ - под ближайшей балкой настила и оно находится на расстоянии h_w/2 от правого края.

а) Сечение х₁ = 2,7 м. Усилия в сечении были определены ранее

М₁ = 2819 кНм, Q₁ = 832 кН

Вычисляем напряжения в стенке балки в месте сопряжения стенки с поясом:



Так как в этом сечении _loc = 0, то по п. 7.4^* [1] устойчивость стенки проверяем по формуле:

.

Определяем коэффициент :

,

где = 0,8 - при поэтажной схеме сопряжения по таблице 22 [1]. Определяем критические нормальные и касательные напряжения:

где с_сr = 32,8 по таблице 21 [1]; = а / h_w = 280/160 = 1,75 - отношение большей стороны расчетного отсека к меньшей.

Проверяем местную устойчивость:

.

Местная устойчивость стенки в сечении х₁ обеспечена.

б) Сечение x₂ = 2 м. Усилия в сечении были определены ранее

М₂ = 2198 кНм, Q₂ = 942 кН

Напряжения в сечении:

где _loc - местные напряжения, определены ранее.

В соответствии с п. 7.6^* [1] местная устойчивость проверяется по формуле:

.

Проверяем условие по п. 7.6^*,б и п. 7.6^*,в [1]:

,

где 0,592 - по таблице 24 [1].

Расчет ведем по п. 7.6^*,б [1]. Определяем критические напряжения:

где с₂ = 70,0 - по таблице 25 [1].



где с₁ = 42,4 - по таблице 23 [1];

гибкость стенки по формуле (80) [1]:

определено ранее.

Проверяем местную устойчивость стенки:

Местная устойчивость стенки в сечении х₂ обеспечена.

2.1.10 Расчет поясных соединений (сварных швов)

При поперечном изгибе пояса составной балки стремятся сдвинуться относительно стенки (рисунок 13).

Рисунок 13 - К расчету поясных сварных швов

Сила сдвига Т определяется по формуле:



где S_f1 - статический момент пояса в опорном сечении; J₁ -момент инерции опорного сечения.

Усилие Т воспринимается сварными швами. Назначаем параметры сварки: сварка автоматическая под флюсом марки АН-348-А, сварочная проволока марки СВ-08А (таблица 55^* [1]), расчетное сопротивление металла шва R_wf = 18,0 кН/см² (таблица 56 [1]), металла границы сплавления R_wz = 0,45R_un = 0,4536 = 16,2 кН/см² (R_un = 36 кН/см² по таблице 51^* [1] для С235 толщиной 20…40 мм), диаметр сварочной проволоки 5 мм, положение шва - в лодочку (таблица 34^* [1]). Назначаем предварительно катет шва минимальным k_f = 7 мм (таблица 38^*[1]). По таблице 34^*[1] определяем коэффициенты проплавления шва:

Определяем расчетное сопротивление шва:

Таким образом, расчет ведем по металлу границы сплавления. Определяем требуемый катет шва:

где n_w - количество поясных сварных швов. В соответствии с требованиями таблицы 38^* [1] оставляем катет шва k_{f min} = 7 мм.

2.1.11 Конструирование и расчет опорной части балки

Принимаем конструкцию опорной части балки по рисунку 14.

Рисунок 14 - Опорная часть главной балки

Определяем размеры сечения опорного ребра из условия смятия его торца. Требуемая площадь ребра:

где R_р = 32,7 кН/см² по таблице 52^* [1], при С235 с толщиной проката 2…20 мм значение R_u = 35 кН/см². Принимаем ширину опорного ребра равной ширине пояса b_h = b_f1 = 22 см. Отсюда требуемая толщина ребра:

Принимаем по сортаменту [7] t_h = 18 мм. Определяем напряжение смятия:



Определяем гибкость ребра относительно оси Z (рисунок 14). В работу ребра включается часть стенки балки длиной

Вычисляем геометрические характеристики заштрихованного сечения относительно оси Z:

Условная гибкость ребра относительно оси Z:

где h_h - высота ребра с учетом выступающей части а, которая вычисляется по формуле:

Окончательно принимаем а = 2 см.

Проверяем местную устойчивость опорного ребра. Величина свеса:



По таблице 29^* [1] для неокаймленного тавра предельное соотношение не должно превышать:

Условие выполняется, следовательно, местная устойчивость опорного ребра балки обеспечена.

Проверяем общую устойчивость опорного сечения относительно оси Z. Гибкость:

По таблице 72 [1] интерполяцией _z = 0,921 и общая устойчивость:

Общая устойчивость ребра обеспечена.

Проверяем шов, крепящий ребро к стенке балки (шов 1, рисунок 14). Количество швов - 2, параметры сварки: сварка полуавтоматическая в среде углекислого газа, сварочная проволока марки СВ-08Г2С (таблица 55^* [1]), расчетное сопротивление металла шва R_wf = 21,5 кН/см² , металла границы сплавления R_wz = 0,45R_un = 16,2 кН/см², диаметр сварочной проволоки 2 мм, положение шва - нижнее (таблица 34^* [1]). Назначаем катет шва k_f = 8 мм. По таблице 34^*[1] определяем коэффициенты проплавления шва:



Расчетные сопротивления:

Расчет ведем по металлу границы сплавления. Длину шва назначаем максимально допустимой:

Напряжения в швах:

Прочность швов обеспечена.

2.1.12 Конструирование и расчет укрупнительного стыка балки

Конструируем стык на высокопрочных болтах с накладками. Конструкция стыка показана на рисунке 16. Каждый пояс перекрываем тремя накладками: одна размером 360Ч20Ч640 мм, и две накладки размером 160Ч20Ч640 мм, стенку перекрываем парными накладками размером 1500Ч600Ч10 мм. Принимаем высокопрочные болты из стали марки 40Х "Селект" диаметром 24 мм, временное сопротивление болта растяжению R_bun = 110 кН/см² (таблица 61^* [1]), площадь болта нетто А_bn = 3,52 см² (таблица 62^* [1]). Диаметры отверстий под болты принимаем 27 мм.



Рисунок 16 - Укрупнительный стык главной балки

Определяем несущую способность одного болта на одну поверхность трения:

где R_bh = 0,7R_bun = 77 кН/см² - расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта; _b - коэффициент условия работы болта (принимается: 0,8 - при количестве болтов n < 5; 0,9 - при 5 n < 10; 1,0 - при n 10, предварительно принимаем _b = 1,0); А_bn = 3,52 см² - площадь болта нетто; = 0,42 - по таблице 36^*[1]при газопламенной обработке поверхностей без консервации при способе регулирования натяжения болтов по моменту; _h = 1,12 - по таб. 36^*[1] для разности диаметров болта и отверстия = 3 мм.

Определяем усилие, действующее в поясе:

где

Необходимое количество болтов для соединения поясов

где k = 2 - количество поверхностей трения соединяемых элементов. Окончательно принимаем n = 12 болтов с каждой стороны стыка. Располагаем болты в 4 ряда (рисунок 16, 2-2) с учетом того, что расстояние между центрами болтов не должно быть менее 2,5d_b (= 60 мм) и не более 8d_b (= 192 мм).

Момент, воспринимаемый стенкой:

Усилие, приходящееся на один болт, не должно превышать несущей способности болта.

где m = 2 - количество вертикальных рядов болтов с каждой стороны стыка; a_max = 1,4 м - расстояние между крайними болтами в ряду, k = 2 - количество плоскостей трения, a_i.- расстояние между симметрично расположенными относительно нейтральной оси болтами (рисунок 16), Уа_i² - определяется как:

Прочность стыка обеспечена.

3. Конструирование и расчет центрально сжатОЙ колоннЫ

3.1 Выбор типа сечения стержня колонны

Тип сечения стержня колонны выбирают в зависимости от действующей нагрузки. Колонны сквозного сечения из двух двутавров или швеллеров принимаются, как правило, при нагрузках N < 6000 кН, а при больших нагрузках - колонны сплошного сечения в виде прокатных или сварных двутавров.

3.2 Проектирование сквозной центрально сжатой колонны

3.2.1 Конструирование и расчет стержня колонны

Расчетная схема колонны проведена на рисунке 17, а. Определяем фактическую длину колонны, учитывая, что база заглублена ниже отметки уровня пола на 600...800 мм (рисунок 17, б):

где H_вн - отметка верха настила; t_н = 6 мм - толщина настила; h = 1660 мм - высота главной балки; a = 20 мм - выступающая часть опорного ребра главной балки.



а) б)

Рисунок 17 - Расчетная схема колонны (а); к определению расчетной длины колонны при схеме сопряжения в одном уровне (б)

Принимаем шарнирное сопряжение колонны с фундаментом и с главной балкой. Расчетная длина колонны в обеих плоскостях при шарнирном опирании стержня в верхнем и опорном узле равна:

Расчетная нагрузка на колонну:

где q^p - расчетная нагрузка на главную балку (кН/м); 1,01 - коэффициент, учитывающий собственный вес колонны; L - пролет главной балки.

Задаемся гибкостью = 40 и по таблице 72 [1] для стали С235 при R_y = 23 кН/см² толщина фасонного проката 2…20 мм, определяем = 0,897. Определяем требуемую площадь сечения:

где _с = 1 и в дальнейшем при написании формул опускается.

Рисунок 18 - Сечение сквозной колонны

Принимаем по [6] сечение из двух двутавров №36 (рисунок 18). Геометрические характеристики сечения двутавра: A_дв= 61,9 см², J_{x дв} = 13380 см⁴, i_{x дв} = 14,7 см, J_{y дв} = 516 см⁴, i_{y дв} = 2,89 см.

Проверяем сечение относительно материальной оси (ось Х). Гибкость колонны:

По таблице 72 [1] _х = 0,916. Устойчивость колонны относительно материальной оси:

Недонапряжение составляет:

Из условия равноустойчивости колонны относительно обеих осей (Х и У) принимаем _х = _ef . Для двухветвевых стержней необходимо учитывать повышенную гибкость относительно свободной оси (ось У) за счет деформативности решетки. Задаемся гибкостью ветви ₁ = 25 (рекомендуется 20…40) и определяем требуемую гибкость относительно оси У:

после чего вычисляем требуемый радиус инерции:

.

По таблице 3 [8] определяем коэффициент _y = 0,52 и вычисляем требуемую ширину сечения:

Принимаем b = 42 см. Зазор b₁ между полками двутавров не должен быть менее 15,0 см из условия окраски внутренних поверхностей колонны. Проверяем условие:

где b_п = 14,5 см - ширина полки двутавра №36.

Проверяем сечение относительно оси У. Требуемая длина ветви:

Принимаем окончательно длину ветви l₁ = 72 см. Уточняем ее гибкость:

Сечение планки рекомендуется h_s = 0,5b...0,75b = 0,5*42…0,75*42 = 21…31,5 см. Принимаем h_s = 25 см. Толщина рекомендуется t_s = (1/10...1/25)h_s = (1/10...1/25)250 = 25…10 мм. Принимаем t_s = 10 мм.

Момент инерции планки:

Длину планки принимаем на 6…8 см больше величины зазора:

Определяем момент инерции сечения колонны относительно оси У:

Определяем соотношение погонной жесткости планки к погонной жесткости ветви:

В соответствии с таблицей 7 [1] при таком соотношении приведенная гибкость определяется по формуле:

где _y - гибкость стержня относительно свободной оси:

Вычисляем по приведенной гибкости коэффициент _у = 0,919 по таблице 72 [1] и проверяем устойчивость стержня относительно свободной оси:

Устойчивость стержня относительно свободной оси обеспечена.

3.2.2 Расчет планок сквозной колонны

Расчет планок выполняем на условную перерезывающую силу Q_fic , которая вычисляется согласно п. 5.8^* [1] по формуле:



Условная поперечная сила распределяется поровну между планками и их расчет сводится к расчету элементов безраскосных ферм (рисунок 19).

Рисунок 19 - К расчету планок сквозной колонны

Планки рассчитываются на следующие нагрузки:

а) на силу среза планки F_S , определяемую по формуле:

б) на момент в планке M_S



Рисунок 20 - К расчету сварных швов планки

Планка приваривается к полкам двутавров угловыми швами (рисунок 20). Задаемся параметрами сварки: сварка полуавтоматическая в среде углекислого газа, положение шва - нижнее, диаметр сварочной проволоки 2 мм. Сварочная проволока марки СВ-08Г2С (таблица 55* [1]), расчетное сопротивление металла шва R_wf = 21,5 кН/см² (таблица 56 [1]), расчетное сопротивление металла границы сплавлении

где R_un = 36 кН/см² - для С235 толщиной листового проката 2…20 мм таблица 51* [1].

Задаемся катетом шва k_f = 8 мм, тогда коэффициенты проплавления шва по таблице 34* [1] равны _f = 0,9, _z = 1,05. Сравниваем расчетные сопротивления шва с учетом этих коэффициентов:

следовательно, расчет ведем по металлу границы сплавления. Расчетная длина шва при высоте планки h_s = 25 см равна:



Определяем напряжения в шве от силы F_S:

и от момента M_S:

где момент сопротивления шва:

Суммарные напряжения в шве:

Условие выполняется. Прочность шва обеспечена.

3.3 Конструирование и расчет оголовка колонны

Конструкция оголовка сквозной колонны представлена на рисунке 21. Вертикальная нагрузка N = 2537 кН.



Рисунок 21 - Оголовок сквозной колонны

Назначаем конструктивно толщину опорной плиты t_пл = 20 мм (рекомендуется 20...25 мм), размером в плане на 3...5 см больше габарита сечения колонны, равного:

тогда размер плиты принимаем b_пл = 60 см, l_пл = 40 см.

Давление от главных балок передается на стержень колонны через ребро, приваренное к стенкам двутавров четырьмя угловыми швами (швы 1). Определяем длину участка смятия ребра оголовка:

где b_f1 = 22 см - ширина опорного ребра главной балки.

Из условия смятия определяем требуемую толщину ребра:

где R_р = 32,7 кН/см² по таб.52^*[1], при С235 с толщиной проката 20…40 мм значение R_u = 35 кН/см². Принимаем толщину ребра по [7] t_h = 30 мм.

Проверяем шов 1, крепящий ребро оголовка к стенкам двутавров. Параметры сварки принимаем такие же, как при расчете планок стержня колонны. При толщине стенки двутавра 7,5 мм катет шва не должен превышать k_f 1,2t = 1,27,5 = 9 мм. Принимаем k_f = 8 мм, требуемая длина шва:

Условие выполняется. Высота ребра должна быть не менее:

Принимаем по сортаменту [7] l_h = 48 см.

Проверяем ребро оголовка на срез:

где R_y = 22 кН/м² - для С235 с толщиной листового проката 20…40 мм. Прочность ребра оголовка на срез обеспечена. Проверяем прочность шва 2, крепящего опорную плиту к ребру оголовка. Длина одного шва:

Расчетная длина шва меньше фактической на 1 см



Определяем требуемый катет шва

Принимаем катет шва k_f = 19 мм.

3.4 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ БАЗЫ СКВОЗНОЙ КОЛОННЫ

Конструируем базу с траверсами, сопряжение колонны с фундаментом - шарнирное (рисунок 22).

Рисунок 22 - База сквозной колонны

Определяем размеры опорной плиты L_пл и В_пл из конструктивных соображений, то есть из условия размещения стержня колонны на плите. Принимаем предварительно свесы плиты минимально допустимыми с = 40 мм, толщину траверсы t_тр = 14 мм. Размеры плиты:



где b_дв = 145 мм - ширина полки двутавра №36.

Принимаем по сортаменту [7] B_пл = 480 мм, тогда С₂ = 46 мм. L_пл = 650 мм, тогда С₁ = 42,5 мм.

Проверяем напряжение в бетоне фундамента:

где R_b = 0,85 кН/см² - прочность бетона В15 на сжатие [4].

Прочность бетона обеспечена.

Определяем изгибающие моменты в плите.

Участок 1 , опирается на 4 канта. Размеры участка: а₁ = 360 мм,

Соотношение сторон участка:

Отсюда коэффициент = 0,055 (таблица 4 [8]). Тогда изгибающий момент:

Участок 2, опирается на 3 канта. Размеры расчетного участка: а₂ = 111,25 мм, b₂ = 360 мм. Соотношение:

следовательно, данный участок в соответствии с таблицей 5 [8] рассчитываем как консольный. Изгибающий момент в плите:

Участок 3 консольный, вылет консоли с₂ = 4,6 см. Изгибающий момент в плите:

Подбираем толщину опорной плиты по максимальному моменту:

Принимаем по сортаменту [7] t_пл = 40 мм.

Определяем необходимую длину шва 1, крепящего траверсу к стержню колонны. Параметры сварки принимаем такие же, как при расчете оголовка: сварка полуавтоматическая в среде углекислого газа, положение шва - нижнее, диаметр сварочной проволоки 2 мм. Сварочная проволока марки СВ-08Г2С (таблица 55* [1]), расчетное сопротивление металла шва R_wf = 21,5 кН/см² (таблица 56 [1]), расчетное сопротивление металла границы сплавлении

где R_un = 36 кН/см² - для С235 толщиной листового проката 2…20 мм таблица 51* [1].

Принимаем k_f = 8 мм таким же и требуемая длина шва будет такой же:

Требуемая высота траверсы:

Принимаем высоту траверсы по сортаменту [7] h_тр = 48 см.

Определяем необходимый катет шва 2, крепящего траверсы к опорной плите. Суммарная длина шва 2:

Требуемый катет шва:

Так как k_f > 8 мм, по таблице 34* [1] уточняем коэффициенты проплавления шва _f = 0,8, _z = 1. Тогда:

Требуемый катет шва:

Принимаем катет шва k_f = 12 мм.

ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП II-23-81^*. Стальные конструкции [Текст] / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 96 с.

2. Металлические конструкции. Общий курс [Текст] / Под ред. Е.И. Беленя. - М.: Стройиздат, 1985. - 560 с.

3. СНиП 2.01.07-85^*. Нагрузки и воздействия [Текст]. - М.: Минстрой РФ, 2003.- 43 с.

4. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции [Текст] / Госстрой СССР. - М.: 1989. - 86 с.

5. ГОСТ 19903-74*. Прокат листовой горячекатаный. Сортамент.

6. ГОСТ 8239-89. Двутавры стальные горячекатаные. Сортамент.

7. ГОСТ 82-70*. Прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный. Сортамент.

8. Турков А.В. Рабочая площадка промышленного здания [Текст] / А.В. Турков. - метод. указ. - Орел: ОрелГТУ, 2008. - 88 с.

9. СП 16.13330.2011. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. Стальные конструкции.

10. СП 63.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции.

11. СП 20.13330.2011. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия.

Размещено на Allbest.ru