Конструирование и расчет узлов металлической сварочной конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Способы изготовления и монтажа конструкций рабочей площадки

Стальной листовой настил поступает на монтаж в виде отдельных листов или листов с подкрепляющими ребрами, удобных для транспортирования.

Вспомогательные балки изготавливаются из прокатных двутавров. Главные балки сварные, составного сечения из листового проката. Присоединение поясов к стенке производится автоматической сваркой под слоем флюса. Соединение стальных элементов выполняются полуавтоматической сваркой в среде СО₂. Монтажные стыки главных балок выполняются сварными. Колонны(стойки) сплошные, сварные. Присоединение полок к стенке в сплошных колоннах выполняется автоматической сваркой. Конструктивное оформление всех элементов рабочей площадки осуществляется полуавтоматической сваркой в среде СО₂. Монтажные соединения вспомогательных балок с главными выполняются на сварке. Расчетные сопротивление болтовых соединений на срез, растяжение и смятие соединяемых элементов назначаются в зависимости от классов прочности. Крепление колонны к фундаментам осуществляется на анкерных болтах, выбранных конструктивно, диаметром 20 мм из стали ВСт 3сп 2-1 по ГОСТ 535-88.

2. Назначение стали для конструкций и материалов для сварки

Стали для конструкций рабочей площадки выбираются на основе вариантного проектирования и технико-экономического анализа вариантов с учетом таблицы 50* СНиП II-23-81*. В курсовой работе сравнение вариантов по выбору стали не производим.

Для сварных конструкций 3 группы, работающих при статической нагрузке (колонны, стойки, настил, связи) при расчетной температуре и эксплуатации конструкций выше или равной -30°С климатического района II₅ (г. Курск), можно принять сталь С 235 по ГОСТ 27772-88.

Для сварных конструкций 2 группы, работающих при статической нагрузке (балки перекрытий), можно принять сталь С 245 или С 255 по ГОСТ 27772-88.

Нормативные и расчетные сопротивления проката принимают в зависимости от стали, вида и толщины проката по таблице 51* приложения 1 СНиП II-23-81*.

Для сварных соединений деталей и элементов конструкций необходимо выбрать материалы для сварки по таблице 55* приложения 2 СНиП II-23-81*. Расчетные сопротивления сварных соединений определяются по таблице 3 и 56 приложения 2 СНиП II-23-81*.

Результаты выбора стали и сварочных материалов представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 - Стали для конструкций рабочей площадки

Наименование конструкции	Сталь	ГОСТ	Вид проката, мм	Толщина проката	Нормативное сопротивление, МПа	Расчетное сопротивление, МПа
Балки: сварные	С 255	27772-88	лист	4-20 20-40	245 235	240 230
Балки: прокатные	С 245	27772-88	фасон	2-20	245	240
Колонны: прокатные	С 235	27772-88	фасон	2-20	235	240
Настил	С 235	27772-88	лист	2-20	235	230
Связи	С 235	27772-88	лист фасон	2-20 2-20	235 235	230 230

Таблица 2 - Материалы для сварки стали С 235 и С 245

Вид сварки	Сварные швы	Материалы для сварки
Автоматическая под слоем флюса	Поясные швы сварных балок и колонн	Флюс АМ-60 по ГОСТ 9087-81*. Сварочная проволока по Св-08А ГОСТ 2246-70*
Полуавтоматическая в СО2	Сварка элементов конструкции	Углекислый газ по ГОСТ 8050-85 сварочная проволока Св-08Г 2С по ГОСТ 2246-70*
Ручная	Прихватки при сборке конструкции, монтажная сварка	Электроды типа Э 42А по ГОСТ 9467-75

3. Расчет настила

Настилы балочных клеток бывают весьма разнообразными в зависимости от назначения и конструктивного решения перекрытия. В качестве несущего настила чаще всего применяют плоские стальные листы или настил из сборных железобетонных плит.

Настил опирается на вспомогательные балки (балки настила) и крепится к ним на монтажной сварке (рис. 3).

Рис. 3

Расчетный пролет настила l (шаг балок) определяется по формуле:

, (3.1)

где t_н - толщина настила (толщина настила задается в соответствии с сортаментом толстолистовую сталь ГОСТ 19903-74);

g - временная равномерно-распределенная нагрузка, кПа;

- предельный относительный прогиб, табл. 19 СНиП II-23-81^*;

, (3.2)

Определяем размеры настила:

.

В соответствии с ГОСТ 1993-74 с изм. принимаем толщину настила . Силу Н, на действие которой надо проверить сварные шву, прикрепляющие настил и поддерживающие его конструкцию, можно определить по приближенной формуле:

, (3.3)

где n - коэффициент перегрузки для действующей нагрузки (n=1,2).

.

Расчетный катет углового шва, прикрепляющего настил к балке, определяем по формуле: металлическое сварка нагрузка балка

(3.4)

где в_r - коэффициент глубины проплавления (в_r =0,7);

R_wf - расчетное сопротивление срезу металла шва по табл. 56 СНиП II-23-81*; (R_wf =180МПа).

.

Катет шва должен удовлетворять требованиям табл. 38* СНиП II-23-81*. Принимаем K_f=4мм.

Расход стали в кг на 1м ² настила определяется по формуле:

, (3.5)

где t_н - толщина настила, м;

с - плотность стали = 7850 кг/м³.

.

4. Расчет вспомогательной балки (балки настила)

На вспомогательную балку передается временная нагрузка и масса настила. Расчетная схема балки представлена на рис. 4.

Полная нормативная нагрузка на вспомогательную балку:

(4.1)

;

Полная расчетная нагрузка на балку:

(4.2)

где г_р=1,2, г_g=1,05 - коэффициенты надежности по нагрузке принимаемые по СНиП 2.01.07-85;

l - ширина грузовой площади (шаг вспомогательных балок).

.

Определяем максимальный момент сопротивления балки с учетом пластичной работы стали. Найдем расчетный изгибающий момент (длина балки настила = 6м).

(4.3)

.

Требуемый момент сопротивления балки определяем по формуле:

, (4.4)

где R - расчетное сопротивление стали по изгибу;

г - коэффициент условий работы конструкции;

первоначально принимаем с ₁=с=1,1.

,

Принимаем двутавр №33 по ГОСТ 8239-72 с изм., имеющий: I=9840 см⁴; W=597 см³; вес g=42.2 кг/м, ширину полки b=140 см. проверяем прогиб по формуле:

, (4.5)

так как W=597 см³ > W_нт.тр.=542,73 см³:

.

Принятое сечение балки удовлетворяет условиям прогиба.

Проверку касательных напряжений в прокатных балках при отсутствии ослабления опорных сечений обычно не производят, так как она легко удовлетворяется из-за относительно большой толщины стенок балки.

Общую устойчивость балок настила проверять не надо, так как их сжатые пояса надежно закреплены в горизонтальном направлении приваренным к ним настилом.

Удельный расход стали (балки настила + настил) в кг на 1 м² балочной площадки:

, (4.6)

.

5. Расчет главной балки

Главная балка воспринимает нагрузку от вспомогательных балок. Нагрузку можно считать равномерно-распределенной, так как число опирающихся по длине балки вспомогательных балок 10 (рисунок 5.)

Нормативная равномерно-распределенная нагрузка на главную балку:

, (5.1)

где g_о - масса вспомогательных балок и настила, приходящаяся на 1 м ² рабочей площадки;

1,02 - коэффициент, учитывающий собственную массу главной балки;

В - ширина грузовой площади (шаг главных балок).

.

Расчетная нагрузка на главную балку:

(5.2)

где г_р =1,2, г_g=1,05 - коэффициенты надежности по нагрузке.

.

Определяем максимальный расчетный изгибающий момент в середине пролета:

(5.3).

Определяем поперечную силу на опоре:

, (5.4).

Главную балку рассчитываем без учета развития пластических деформаций. Определяем требуемый момент сопротивления балки.

, (5.5).

Определяем оптимальную высоту балки, предварительно задав ее высоту:

h?(1/10)l?0,8 м и рассчитав толщину стенки t_ст=7+3·800/1000=9,4мм. Принимаем толщину стенки 9 мм.

, (5.6)

Минимальную высоту определяем по формуле:

;

.

(5.7)

Сравнивая полученные высоты, принимаем высоту балки, близкую к оптимальной h=80 см.

Проверяем принятую толщину стенки:

по эмпирической формуле:

, (5.8)

из условия работы стенки на касательные напряжения на опоре по формуле:

, (5.9)

где R_s=0,58·R_un=0,58·25,5=14,79 кН/см².

Чтобы не принимать продольных ребер жесткости, по формуле:

, (5.10)

6. Расчет центрально-сжатой стойки

Длина стойки определяется по формуле:

l=H-t_н-h+0,5, (6.1)

где H=6,9 м=690 см; t_н=8 мм=0,8 см;

h=330 мм=33 см - высота вспомогательной балки; 0,5 м=50 см;

l=690-0,8-33+50=706,2 см.

Расчетная длина стойки определяется по формуле:

L_о= lм=1·706,2=706,2 см, (6.2)

где м=1

Расчетная нагрузка на стойку:

N=Fб, (6.3)

где б=1,05 - коэффициент учитывающий массу стойки

F=2Q=2·487,96=975,9 кН;

N=975,9·1,05=1024,7 кН.

Рисунок 6. Сечение колонны: а) расчетная схема колонны; б) сечение колонны

Принимаем двутавровое сечение стержня колонны сваренным из трех листов.

Требуемая площадь сечения определяется по формуле:

А_тр=N/(цR), (6.4)

где N=1024,7 кН; R=230 МПа=23 кН/см ²;

задаемся гибкостью л=100 и находим соответствующее значение ц=0,556.

А_тр=1024,7/(0,556·23)=107,4 см ² (6.5)

радиус инерции определяется по формуле:

i_тр=l_о/б=706,2/100=7,06 см (6.6)

i_тр=0,24b_тр; b_тр= i_тр/0,24 (для двутавра);

b_тр= 7,06/0,24=29,4 см

Принимаем b_f=28 см, t_f=1,2 см, h_w=28 см, t_w=0,7 см.

A=2 b_f t_f+ (h_w-2t_f)tw=2·28·1,2+(28-2,4)·0,7=85,12 см ² (6.7)

Проверяем напряжение по подобранному сечению:

I_y=(2·1,2·28³)/12=4390 см ⁴; (6.8)

i_y=v4390/85,12=7,18 см; (6.9)

л=706,2/7,18=98,3; (6.10)

ц=0,569; (6.11)

у=N/цA=1024,7/(0,569·85,12)=21,17 кН/см ² ‹ 23 кН/см ².

Подобранное сечение удовлетворяет требованиям общей устойчивости. Проверяем местную устойчивость стенки по формуле:

л=98,3v23/21000=3,26;

h_о/t_w=25,6/1,2=21,3 ‹ (0,36 +0,8(3,26)²)v21000/23=236. Стенка устойчива.

Проверяем местную устойчивость полки:

b_о/ t_f=15,1/1,2=12,58‹ (0,36+0,1·3,26)v21000/23=20,73.

Расчеты показали, что стенка и полка удовлетворяют требованиям устойчивости.

7. Конструирование и расчет узлов балочных клеток

Конструирование узла опирания вспомогательных балок на главные. Расчет сопряжения балок, изображенных на рисунке 7, состоит в проверке опорного участка прокатной балки на устойчивость по формуле:

у=F/цA ? R_yг_c, (7.1)

где А - площадь опорной части стенки балки.

Рисунок 7. Поэтажное сопряжение балок

А=(b+k)·t_w=(15+0,6)·0,6=9,36 см ²; (7.2)

F=Q=60,25 кН - опорная реакция балки;

R_y=24 кН/см ²; г_c=1;

ц - коэффициент продольного изгиба, определяется по гибкости

б=h/(0,3t_w)=33/(0,3·0,6)=157; (7.3)

ц=0,276

у=60,25/0,276·9,36=23,32 кН/см ² < R_y=24 кН/см² - условие выполнено, значит опорный участок вспомогательной балки устойчив.

Конструирование узла опирания главных балок на колонны:

1) Размеры опорного ребра определяются из условия работы его на смятие по площади опирания.

b_p=180 мм-18 см;

t_p=1,2Q_г.б./(R_pb_pг_c), (7.4)

где Q_г.б.=487,96 кН;

R_p=25,3кН/см ²; г_c=1;

t_p=1,2·487,9_./(25,3·18·1)=1,3 см=13 мм > 12 мм,

Принимаем t_p=14 мм.

Рисунок 8. Опирание главной балки на колонну сбоку

2). Катет шва Ш 1 определяется по формулам:

а) K_{fш 1}=Q_г.б./(2в_f·R_wf·г_wf·г_c·h_w),

где Q _г.б.=654,05 кН; г_wf=1; г_c=1; h_w=96 см;

в_f=0,7; R_wf=18 кН/см²;

K_{fш 1}=654,05·10_./(2·0,7·18·1·1·96)=2,7 мм;

б). K_{fш 1}=Q_г.б./(2в_f·R_wz·г_wf·г_c·h_w),

где Q_г.б.=654,05 кН; г_wf=1; г_c=1; h_w=96 см;

в_f=1; R_wz=0,45·R_un=0,45·36=16,2 кН/см²;

K_{fш 1}=654,05·10_./(2·1·16,2·1·1·96)=2,1 мм;

принимаем K_{fш 1}=6 мм

3). Определяем длину опорного столика колонны из условия прикрепления его сварными швами по формуле:

а). h_o.c.=2Q_г.б./(3в_f·R_wf·г_c·k_f)+1 см ? 85в_f·k_f;

где в_f=0,7; R_wf=18 кН/см²; г_c=1;

k_f=9 мм= 0,9 см;

h_o.c.=2·654,05/(3·0,7·18·1·0,9)+1 см =39,45 см ? 85·0,7·0,9=53,55;

б). h_o.c.=2Q_г.б./(3в_f·R_wz·г_c·k_f)+1 см ? 85в_f·k_f;

где в_f=1; R_wz=16,2 кН/см²; г_c=1;

k_f=9 мм= 0,9 см;

h_o.c.=2·654,05/(3·1·16,2·1·0,9)+1 см =30,9 см ? 85·0,7·0,9=53,55;

принимаем h_o.c.=40 см.

Конструирование узла опирания центрально-сжатой колонны на фундамент (база колонны). На рисунке 9 показана шарнирная база сплошной колонны

1). Находим размеры плиты:

b_пл. ? b_f+2t_тр.+2c₁=280+2·20+2·50=420 мм, где c₁=50 мм =5 см;

l_пл. ? h_k+2c₂=280+2·90=460 мм, где c₂=90 мм =9 см;

Принимаем b_пл. =420 мм = 42 см.

l_пл. =460 мм = 46 см.

А_пл. = b_пл.· l_пл. =42·46=1932 см².

q_ф.=N_k/А_пл. = 1024,7/1932 = 0,53 кН/см²;

принимаем q_ф.=0,75 кН/см²; (В 12,5).

Рисунок 9. Шарнирная база сплошной колонны

2). Определим толщину плиты.

1 участок - консольный:

M₁=q_фc²₁/2=0,75·5²/2=9,375 кН·см;

2 участок - пластина, опертая на 3 стороны

b_f/c₂=28/9=3,11 > 2, значит

M₂=q_фc²₂/2=0,75·9²/2=30,38 кН·см;

3 участок - пластина, опертая на 4 стороны

h_k/ [(b_f-t)/2]=28/ [(28-1,2)/2]=2,09; в=0,127;

M₃=в·q_ф· [(b_f-t)/2]²= 0,127·0,75· [(28-1,2)/2]²=17,1 кН·см;

M_max= M₂=30,38 кН·см;

Толщина плиты определяется по формуле:

t_пл.=v6M_max/(R_yг_c)=v6·30,38/(23·1)=2,82 см.

принимаем t_пл.=30 мм = 3,0 см

3). Определяем высоту траверсы по формуле:

h_тр.=N_k/(4в_f·R_wf·г_c·k_f)+1 см ? 85в_f·k_f;

где в_f=0,7; R_wf=18 кН/см²; г_c=1;

k_f=8 мм= 0,8 см;

h_тр.=1024,7/(4·0,7·18·1·0,8)+1=27,62 см ? 85·0,7·0,8=47,6 см;

h_тр.=N_k/(4в_f·R_wz·г_c·k_f)+1 см ? 85в_f·k_f;

где в_f=1; R_wz=16,2 кН/см²; г_c=1;

k_f=8 мм= 0,8 см;

h_тр.=1024,7/(4·1·16,2·1·0,8)+1=20,77см ? 85·0,7·0,8=47,6 см;

принимаем h_тр.=28 см;

так как h_тр.=28 см > 0,5 h_k=0,5·31=15,5 см, то проверку на изгиб не выполняем

4). Определяем катет сварного шва по формуле:

K_{fш 2}=N_k/(в_i·R_wi·г_wi·l_{ш 2}),

где г_wz=г_wf=1;

l_{ш 2}=490·2+90·4+310·2=1960 мм = 196 см;

K_{fш 2}=N_k/(в_z·R_wz·г_wz·l_{ш 2}),

где в_z=1; R_wz=16,2 кН/см²;

K_{fш 2}=1373,5/(1·16,2·1·196)=0,43 см = 4,3 мм;

K_{fш 2}=N_k/(в_f·R_wf·г_wf·l_{ш 2}),

где в _f=0.7; R_wf=18 кН/см²;

K_{fш 2}=1373,5/(0,7·18·1·196)=0,56 см = 5,6 мм;

принимаем K_{fш 2}= 7 мм.

8. Монтажный стык главной балки

Монтажный стык главной балки выполняется сварным. Он необходим, так как размеры балки не позволяют перевезти и смонтировать ее целиком. Балку делят на отправочные элементы.

Рисунок 10. Монтажный стык главной балки

Чтобы уменьшить сварочные напряжения, сначала сваривают поперечные стыковые швы стенки 1 (рис. 10), затем поясов 2, имеющие наибольшую поперечную усадку. Оставленные участки поясных швов длиной 500 мм дают возможность поясным листам несколько вытянуться при усадке швов 2.

Последним заваривают угловые швы 3, имеющие небольшую продольную усадку.

Лист 1. Схемы, разрезы, монтажный стык балки Б 1, узлы 1-3, ведомость элементов.

Лист 2. Схема укрупнительной сборки главной балки, Б 1, б 1, К 1.



Список используемой литературы

1. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов/ Е.И. Беленя и др.; Под общ. ред. Е.И. Беленя. - М.: Стройиздат, 1986. - 560 с.

2. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции /Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 2011.

3. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия /Госстроя СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 2011.

4. Белик А.З., Белик В.М. Пособие по конструированию и расчету узлов стальных конструкций. - Тула: Тульский политехн. ин-т, 1988. - 44 с.

Размещено на Allbest.ru