Расчет и проектирование центрально-сжатой сварной колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсового проекта является расчет и проектирование центрально-сжатой сварной колонны, которая является одной из наиболее распространенных конструкций в промышленности. Задачей проекта является определение геометрических размеров колонны, выбор материала, оценка прочностных характеристик и анализ полученных результатов.

Сварные конструкции - это конструкции, изготовленные из металлических деталей, соединенных между собой сваркой. Они являются одними из самых популярных и востребованных типов конструкций в промышленности благодаря своей прочности, надежности и долговечности.

Среди преимуществ сварных конструкций можно выделить:

- высокую прочность и устойчивость к деформациям;

- возможность изготовления сложных конструкций;

- возможность производства в больших объемах;

- отсутствие необходимости в дополнительной обработке поверхности.

Существует несколько видов сварки, которые используются в промышленности. Это дуговая сварка, газовая сварка и лазерная сварка. В зависимости от типа сварки выбирается конкретное оборудование и технология изготовления сварных конструкций.

Дуговая сварка - это метод сварки, при котором между свариваемыми деталями создается электрический дуг, который нагревает металл до температуры плавления. При этом на место сварки подается сварочный материал, который плавится и соединяет детали. Дуговая сварка может проводиться различными способами, например, с помощью сварочных аппаратов, электродов, газовых факелов и т.д. Этот метод широко используется в промышленности для сварки металлических конструкций, трубопроводов, автомобильных кузовов и других изделий.



ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание колонны

Современные каркасы промышленных зданий состоят из 3 основных сварных конструкций:

- Сварные колонны.

- Сварные балки.

- Сварные фермы.

Сварные колонны представляют собой металлические элементы конструкций цилиндрической формы с использованием сварочной технологии. Они могут быть изготовлены из различных материалов, таких как сталь, алюминий, медь, никель и другие сплавы.

Сварные колонны имеют различные виды, которые зависят от их конструкции и функционального назначения. К ним относятся:

- Круглые сварные колонны;

- Квадратные сварные колонны;

- Прямоугольные сварные колонны;

- Трубчатые сварные колонны.

Состав сварных колонн может включать в себя не только сварочные швы, но и дополнительные элементы фурнитуры, такие как резьбовые винты, крепления, стержни и т.д. Все это обеспечивает необходимую прочность и устойчивость конструкции сварная конструкция металлическая деталь

Сварные колонны состоят из трех основных элементов:

Оголовок - это верхняя часть сварной колонны, которая примыкает к балке или другому перекрытию. Оголовок часто представляет собой плоский круглый или квадратный элемент, который может быть украшен орнаментами или резьбой.

Стержень колонны - это основная часть колонны, вертикальный элемент сварной конструкции, который обеспечивает поддержку верхней части здания. Стержни могут быть круглыми, квадратными или прямоугольными и могут иметь различные размеры в зависимости от высоты здания и нагрузки.

Стержень колонны считается сквозным, если одна или обе оси симметрии его поперечного сечения не материальны, т.е. не проходят через материал

Такие стержни имеют несколько ветвей.

а) из 2 швеллеров

б) из 4 уголков

База колонны - это нижняя часть колонны, которая служит для передачи нагрузки от колонны на фундамент или на другую опорную конструкцию. Она обычно имеет форму квадрата или прямоугольника и может быть выполнена из различных материалов, таких как бетон, кирпич, камень или сталь. База колонны должна быть достаточно прочной и устойчивой, чтобы обеспечить безопасность всей конструкции.

База колонны состоит из 3 основных элементов:

Опорная плита - часть фундамента здания, которая располагается под стенами и служит для равномерной распределения нагрузки на грунт. Она представляет собой большую железобетонную плиту, которая лежит на земле или на специально подготовленной подушке из щебня и песка. На опорной плите устанавливаются стены здания, а также другие несущие конструкции. Опорная плита является важным элементом фундамента, обеспечивающим его прочность и надежность в эксплуатации.

Траверсы - это горизонтальные элементы, которые соединяют опорную плиту с нижней частью колонны. Обычно в конструкционных решениях используется две траверсы, расположенные друг над другом для обеспечения большей жесткости.

Рёбра жёсткости - элементы конструкции, которые предназначены для увеличения жесткости системы или ее отдельных элементов. Ребра жесткости могут быть выполнены из различных материалов (например, металла, дерева, стеклопластика и т.д.) и иметь разную форму (например, треугольник, круг, прямоугольник и т.д.). Они применяются в различных областях, включая инженерное строительство, автомобильную и авиационную промышленность, машиностроение и другие..

Сварная балка - это конструктивный элемент, изготавливаемый методом сварки из металлических листов или профилей. Такие балки применяются в строительстве сооружений различного назначения, и могут быть использованы как в вертикальном, так и в горизонтальном положении. Сварные балки обладают высокой прочностью, устойчивостью к деформациям и долговечностью, поэтому широко используются в промышленном и гражданском строительстве

Виды сварных балок:

.Гладкие сварные балки. Это простые стальные балки с одними или двумя горизонтальными элементами, соединенными вертикальными стойками. Обычно используются в строительстве таких объектов, как здания, мосты, транспортные сооружения и другие.

Балки с отверстиями. Эти балки имеют вырезы или отверстия в горизонтальных элементах, что позволяет иметь большую прочность и уменьшенный вес. Таким образом, такие балки эффективны при постройке крупных сооружений с большой нагрузкой на конструкцию.

Коробчатые балки. Это балки, состоящие из двух или более плоских элементов, соединенных между собой с помощью сварки или заклепок. Конструкция позволяет получить высокую прочность и жесткость, при этом уменьшая массу конструкции.

Профильные балки. Эта категория сварных балок включает в себя балки с различными формами сечения: H-образные, I-образные, T-образные, уголки и т.д. Такие балки применяются в различных отраслях промышленности, а также при строительстве зданий и сооружений.

Листовые балки. Эти балки имеют особую структуру, состоящую из нескольких слоев металла, соединенных между собой. Такой дизайн обеспечивает высокую прочность и жесткость при уменьшении массы конструкции. Они используются в сооружениях с крупными светами и большими нагрузками, таких как арены, стадионы и здания с промышленным назначением.

Сварные фермы - это металлические конструкции, состоящие из сваренных элементов, которые используются для создания каркаса сооружений и зданий.

Виды сварных ферм:

Поперечные фермы - используются для увеличения прочности строительных конструкций, особенно применяются для крыш;

Продольные фермы - предназначены для перемещения нагрузки вдоль каркаса здания;

Каркасные фермы - представляют собой комплексные конструкции, используемые для создания потолочных перекрытий и других строительных элементов;

Трехмерные фермы - представляют собой сложные трехмерные конструкции, состоящие из множества элементов и используемые, например, в создании известных сооружений

1.2 Технические условия на основной металл

Сталь Ст3пс6 (СТ3пс-6) относится к углеродистым конструкционным сталям с улучшенными механическими свойствами. Она используется для изготовления деталей, работающих в условиях нормальных температур и давлений, таких как шестерни, валики, рессоры, зубчатые колеса, рычаги, шинки и другие детали машин и механизмов.

Основные условия работы стали Ст3пс6 - это нормальные температуры и давления, а также нормальные условия окружающей среды. Это означает, что сталь может успешно использоваться как в закрытых, так и открытых помещениях, при температуре от -40 до +400 градусов Цельсия.

Таблица 1 - Химический состав стали Ст3пс6 ГОСТ 27772-2015

Марка стали	Содержание элементов, %
	C	Mn	Si	Cr	Ni	Cu	P	S
Ст3пс6	0,14%	0,4- 0,7%	0,15- 0,40%	Не более 0,25%	Не более 0,30%	Не более 0,30%	Не более 0,035%	Не более 0,035%

Таблица 2 - Механические свойства стали Ст3пс6 ГОСТ 27772-2015

Марка стали	ГОСТ	Временное Сопротивление разрыву Gв, Н/ммІ	Предел Текучести Gт,Н/мм	Относительное удлинение д,%	Относительное сужение ш ,%
Ст3пс6	27772-2015	370	235	24%	55%



ГЛАВА 2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет центрально-сжатой колонны

При первом варианте расчета колонны подбираем сплошное сечение стержня в виде симметричного двутавра (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема сечения стержня

2.1.1 Определение требуемой площади сечения

Задаемся в первом приближении значением коэффициента

продольного изгиба ц =0,8.

Определяем ориентировочно требуемую площадь сечения

колонны по формуле:

где N - усилие, действующее на колонну, H

ц - коэффициент продольного изгиба, ц = 0,8;

т - коэффициент условий работы, т =1;

R - расчетное сопротивление материала колонны, МПа



Таблица 3 Расчетные сопротивления сталей, МПа

Условное обозначение	Углеродистая сталь	Низколегированная сталь
	Ст 3 Ст 4	Ст 5	14Г2 и 15ГС	10Г2С 10Г2СД 15ХСНД	10ХСНД
			<20мм	>20мм
R	210	230	290	280	280	340

Таким образом, в первом приближении требуется площадь сечения колонны не менее 14583 мм². Однако, данное значение может измениться при более точном расчете, учете дополнительных факторов и выборе оптимальной формы и конструктивного решения колонны.

2.1.2 Определение расчетной длины колонны в зависимости от способа закрепления концов

Расчетная длина колонны определяется по формуле:

?p = ?? · Н (2)

где ?p - расчетная длина колонны, м;

Н - высота колонны, 8 м.

?? - коэффициент расчетной длины

Коэффициент расчетной длины зависит от способа закрепления концов колонны.

Жестко закрепленные концы: ?? = 0.5

Подставляя соответствующий коэффициент расчетной длины в формулу:

?p =0.5·8 = 4 м

для жестко закрепленных концов: ?p= 4000 мм



2.1.3 Определение габаритов сечения

Чтобы быстрее приблизиться к оптимальному сечению, вначале следует пользоваться некоторыми соотношениями в колоннах

Габарит сечения h_х вначале принимают по таблице 4.

Таблица 4

, м	до 12	12-16	более 16
hх, м

Зная ранее расчетную длину колонны, можем определить габарит сечения:

(3)

Габарит сечения h_у определяют по формуле:

(4)

Коэффициент к_х для широкополочного двутавра к_х=0,24.

Принимаем h_у в соответствии с ГОСТ 82-70 на сталь широкополосную, из которой будем изготавливать пояса.

Принимаем h_у = 200 мм

Ширину пояса h_у обычно делают больше h_x , т.е h_y ? h_x



2.1.4 Подбор толщины стенки и пояса

В сварочном двутавре толщину стенки принимают обычно д_ст= 6 -14 мм, а толщину поясов д_п = 8-40 мм, ( сечение экономичнее, когда больше металл

сосредоточено в поясах, поэтому стенка должна быть как можно тоньше). Кроме того, следует стремиться к такому распределению общей площади сечения, чтобы около 75 % приходилось на долю поясов, т.е.

Согласно ГОСТ 83-70 принимаем сечение колонны размерами:

пояс - 2 листа h_у ·д_п , площадью 2·h_у ·д_п =

стенка - 1 лист h_ст·д_ст, площадью h_ст·д_ст =

Площадь колонны F=

Таким образом, площадь сечения колонны составляет 14200 ммІ, что удовлетворяет требованиям распределения площадей и толщин стенки и поясов.

Вычерчиваем эскиз сечения (рисунок 2).

Рисунок 2 - Эскиз сечения

2.1.5 Проверка подобранного сечения

Определяем геометрические характеристики принятого сечения:

(5)

(6)

(7)

Определяем минимальный радиус инерции:

Где r_min - минимальный радиус инерции, мм;

I_min - минимальный момент инерции, наименьшие из значений I_х и I_у, мм⁴;

F - фактическая площадь сечения, мм².

Определяем наибольшую гибкость:

(8)

Наибольшая гибкость не должна превышать предельное значение = 120, т.е. ?120

Находим коэффициент продольного изгиба .

Для стали Ст3пс6 = 0.80

2.1.5.1 Проверка на прочность и устойчивость стержня колонны

Прочность сплошной колонны проверяют по формуле:

(9)

В расчетах допускается как перегруз, так и недогруз до 5 %:

(10)

Местная устойчивость полок двутаврового сечения, зависит, от марки стали, гибкости стержня (с увеличением гибкости реальные напряжения в элементе уменьшается). Она будет обеспечена, если отношение свеса пояса h_yо до его толщины д_п, не превышать значения 14

Для начало найдем h_yо:

Местная устойчивость стенки двутавра будет обеспечена при условии:

(11)

где R - расчетное сопротивление стали, МПа.

Если предельное отношение h_ст/д_ст не может быть выдержано, то стенку колонны можно укрепить продольными ребрами.

Вывод: Местная устойчивость полок и стен колонны выдержано, укреплять продольными ребрами не нужно.

2.2 Расчет и конструирование базы колонны

2.2.1 Определение размеров опорной плиты в плане

Требуемая площадь опорной плиты с учетом веса колонны определяется по формуле:

(12)

где N - расчетное усилие в колонне, Н;

- расчетное сопротивление сжатию (смятию) материала фундамента, для марки бетона M 150 = 7 МПа

Определив требуемую площадь плиты, устанавливаем первоначально ее ширину в_пл , которая зависит от принятой конструкции башмака и условия размещения анкетных болтов. После этого находим длину плиты.

Ширина плиты:

(13)

где h_y - ширина сечения стержня колонны

Принимаем траверсы толщиной с выпуском на них плиты на расстояние

Окончательно размеры в_пл и принимаем в соответствии с сортаментом (ГОСТ 82-70).

После этого находим длину плиты.

(14)

Толщину плиты определяем исходя из условия ее работы на изгиб. Для этого вначале определяем реактивный отпор фундамента.

(15)

Максимальный момент определяется по формуле:

(16)

где - коэффициент, принимаемый в зависимости от отношения сторон



Рисунок 3 - Схема базы колонны

Требуемая толщина опорной плиты

(17)

Толщину опорной плиты принимают в пределах 16ч40 мм согласно ГОСТ 82-70.

Принимаем

2.2.2 Расчет и конструирование траверсы базы

Определяем необходимую высоту траверсы h_тр при четырех сварных швах.

Задаёмся катетом шва к = t_тр.= 10 мм

(18)

Высоту траверсы h_тр принимаем согласно сортаменту ГОСТ 82-70.

h_тр = 600 мм.

Производим проверку прочности траверсы на изгиб и срез по формулам

(19)

и

(20)

где и ; (21),(22)

q_mp - нагрузка на единицу длины одного листа траверсы;

(23)

R_ср - расчётное сопротивление сталей срезу, Мпа R_ср= 130 Мпа

Вывод: траверса отвечает требованием прочности на изгиб и срез.

2.3 Расчет и конструирование оголовка колонны

Толщина опорной плиты назначается конструктивно в пределах 16- 30мм.

Рисунок 5 Схема конструкции оголовка:

1-опорная плита; 2-опорное ребро оголовка; 3-поперечное ребро

Для определения ширины и длины верхней плиты оголовка вычерчиваем в масштабе сечения размерами h_х и h_у , задаемся конструктивно

Рисунок 4 - Схема для определения размеров плиты оголовка

Далее определяем необходимую толщину ребра t_os , исходя из условий прочности на сжатие.

(24)

где V - опорная реакция одной балки, т.к. колонна работает на центральное сжатие под действием давления, оказываемого опирающимися балками, тоесть .

Определяем высоту ребра

(25)



Проверяем ребра на срез.

Сконструированные ребра отвечают требованием прочности на срезе. Расчет выполнен верно.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате расчетов были определены геометрические размеры колонны, выбран подходящий материал, оценены ее прочностные характеристики и произведен анализ полученных результатов.

Проектирование сварных конструкций требует тщательного расчета и анализа, чтобы обеспечить не только надежность и прочность, но и экономичность проекта. В курсовом проекте были использованы методы геометрического и силового анализа, технической механики, теории упругости, термодинамики и технологии сварки.

Таким образом, можно сделать вывод, что проектирование центрально-сжатой сварной колонны является важной задачей в инженерной практике и требует хорошей технической подготовки и опыта.

?_p = 4000 мм

h_х = 356 мм

h_у = 200 мм

h_ст = 300 мм

F = 14200 мм²

д_п = 28 мм

д_ст = 10 мм

h_yо = 95 мм

в_пл = 320 мм

?_пл = 1100 мм

д_пл = 40 мм

h_mp = 600 мм

t_os = 40 мм

h_os = 273 мм



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ГОСТ 1050-2013 Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия.

2. ГОСТ 3.1103-2011 Межгосударственный стандарт. Единая система технологической документации (ЭСТД). Основные надписи. Общие положения

3. ГОСТ 2.106-96 Межгосударственный стандарт. Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Текстовые документы

4.Будур А. И., Белогуров В. Д. стальные конструкции. Справочник конструктора. К.: "Сталь", 2004. - 210 С.

5.Ермолаев Г. В. прочность сварных соединений: учебник. - Николаев: НУК, 2007 - - 220 С.

6.Клименко Ф. Е., Барабаш В. М. металлические конструкции: учебник. - Львов: Мир. 2004 - - 280 С.

7. А. А. Нилов, В. А. Пермяков, А. В. Шимановский, С. И. Билык, Л. И. Лавриненко, И. Д. Белов, В. А. Владимирский. Металлические конструкции. - К.: издательство "Сталь", 2010. - 869 с.и. Металлические конструкции. - К.: издательство "Сталь", 2010. - 869 с.

Размещено на Allbest.ru