Проектирование сварных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Металлические конструкции благодаря своим высоким технико-экономическим качествам применяют во всех отраслях промышленности, широкое использование в строительстве металлических конструкций позволяет проектировать сборные элементы зданий и сооружений сравнительно малой массы, организовать поточное производство на заводах и поточно-блочный монтаж их на строительной площадке, ускоряя ввод объектов в эксплуатацию.

Задача конструктора состоит в том, чтобы при соблюдении технологических и иных требований к объекту проектирования создать конструктивную схему с подбором параметров элементов и узловых соединений, обеспечивающую простой и надёжный путь для передачи силовых потоков. При этом каждый конструктивный элемент, конструкция и сооружение в целом должны удовлетворять комплексу условий: прочности, устойчивости, жёсткости, долговечности, ремонтопригодности и многим другим. В сочетании с экономическими ограничениями названные условия трудно реализуемы. Сложность проектирования состоит в том, что база знаний и нормативная база о силовом сопротивлении конструкции построена не на принципах их синтеза, а на принципах поверочных расчётов элементов с фиксированными геометрическими параметрами и идеализированными схемами работы, свойствами материала, условиями нагружения.



ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Рисунок 1 - Расчётная схема

Вариант - 1671.

Город строительства - Новосибирск.

Температура самой холодной пятидневки - 42є C.

Таблица 1 - Исходные данные.

L1, м	L3, м	hстр., м	Отметка верха перекрытия, м	Нормативная нагрузка, кПа
				Постоянная	Временная
18	5	1,8	8,5	1,0	21



1. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И ОЦЕНКА СВАРИВАЕМОСТИ

Стали для строительных конструкций выбираем в зависимости от степени ответственности конструкции, условий эксплуатации и климатического района строительства по табл. 50 [1].

Для настила, балки настила и колонны выбираем сталь из 3 группы, для главной балки - из 2 группы.

По ГОСТу 16350-80 выбираем климатический район строительства для города Новосибирск - II4.

Таблица 1.1 - Применяемые стали

Элемент конструкции	№ группы	Сталь	Ryn, МПа	Run, МПа	Ry, МПа	Ru, МПа
Главная балка	2	С345	305 (31)	460 (47)	300 (30,5)	450 (46)
Колонна	3	С255	245 (25)	380 (38)	240 (24,5)	370 (37)
Балка настила	3	С255	255 (26)	380 (39)	250 (25,5)	370 (38)
Настил	3	С255	245 (25)	380 (39)	240 (24,5)	370 (38)

Химический состав сталей С345 и С255 приведены в таблице 1.2 и 1.3 соответственно.

Таблица 1.2 - Химический состав стали С345

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu
до 0,15	до 0,8	1,3-1,7	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,3	до 0,012	до 0,3

Определим эквивалентное содержание углерода для стали С345 и С255. Для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса выполняются по формуле Сефериана (1.1).

балка узел колонна сечение

(1.1)



При сварка может быть выполнена без подогрева до сварки и в процессе сварки, а также без последующей термообработки.

В эту группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин необходимо предварительно нагревать, а также подвергать последующей термообработке.

Однако содержание элементов взято по максимуму, во всех справочниках говорится о свариваемости без ограничений для стали С345 поэтому сварку главных балок выполняем без подогрева до сварки и в процессе сварки, а также без последующей термообработки.

Таблица 1.3 - Химический состав стали С255

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu
до 0,22	0,15-0,3	до 0,65	до 0,3	до 0,05	до 0,04	до 0,3	до 0,012	до 0,3

Свариваемость без ограничений.

Химический состав сварочной проволоки Св 08Г2С приведён в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Химический состав проволоки Св 08Г2С

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
до 0,1	0,7-0,95	1,8-2,1	до 0,25	до 0,025	до 0,03	до 0,2	до 0,25

Склонность к образованию горячих трещин определим по формуле:

. (1.2)



Т.к. HCS=1,23<4, склонности к образованию горячих трещин нет.



2. РАСЧЁТ ПЛОСКОГО НАСТИЛА

Рисунок 2.1 - Расчётная схема плоского настила

При расчёте плоского настила, он рассматривается как гибкая пластина, изгибаемая по цилиндрической поверхности, шарнирно закреплённая к не смещаемым опорам.

При нагрузках, не превышающих , и предельном относительном прогибе определяющим фактором при расчёте является жёсткость, поэтом расчёт ведут на нормативную нагрузку.

Расчёт настила ведётся для двух вариантов. В каждом из вариантов отличные от другого варианта значения 1) пролёта балок настила; 2) толщина настила; 3) размеры поперечного сечения балки. После расчёта обоих вариантов, принимается наиболее лёгкая конструкция (настил и балки настила).

Толщину листа настила можно определить по приближённой формуле (2.1).



, (2.1)

где lн - шаг балок настила;

tн - толщина настила;

- заданное отношение пролёта настила к его предельному прогибу (табл. 3, [3]);

E1 - модуль упругости при отсутствии поперечной деформации;

, (2.2)

v - коэффициент Пуассона (для стали v=0,3);

qn - нормативное значение нагрузки.

Модуль упругости E1 равняется

Определим толщину настила для двух вариантов - с шагом балок настила lн = 1м и lн = 1,8м.

Вариант 1

lн = 1м - шаг балок настила,

- отношение пролёта настила к его предельному прогибу,

qn = 21+1,0=22 (кН/м2) - нормативное значение нагрузки.

Тогда толщина настила получается равной



,

.

Толщину листа настила принимаем равной 7 мм.

Вариант 2

lн = 1,8м - шаг балок настила,

- отношение пролёта настила к его предельному прогибу,

Тогда толщина настила получается равной

99,73,

.

Толщину листа настила принимаем равной 18,5 мм.



3. РАСЧЁТ БАЛОК НАСТИЛА

Каждую балку в перекрытии рассматривают раздельно, несвязанную с другой балкой (разрезная схема). Нагрузка на балку настила передаётся от настила с участков перекрытия, которые расположены на смежных от балки пролётах. Следовательно, ширина грузовой площади для балок настила равна шагу этих балок или пролёту настила.

Погонная равномерно распределённая расчётная нагрузка на балку с учётом плоского настила находится по формуле

, (3.1)

где lн - шаг балок настила;

pn - нормативная временная нагрузка, pn=21 кПа;

gn - нормативная постоянная нагрузка, gn=1,0 кПа;

G - вес настила,

; (3.2)

с - плотность стали, с=7800 кг/м3;

g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;

t - толщина листов настила;

гfp - коэффициент надёжности по временной нагрузке, гfp=1,20 [2. табл.1];

гfg - коэффициент надёжности по постоянной нагрузке, гfp=1,10 [2. табл.1];

гfp - коэффициент надёжности для веса настила, гG=1,05 [2. табл.1];

Таким образом, получаем два значения расчётной нагрузки для двух вариантов толщины настила.



Вариант 1

lн = 1м - шаг балок настила,

,

Вариант 2

lн = 1,8м - шаг балок настила,

,

Подбор сечения балок настила производят по максимальному изгибающему моменту или по величине предельного прогиба (деформированная схема).

Максимальные расчётные значения изгибающего момента М и поперечной силы Q для разрезной балки находим по следующим формулам.

М=0,125ql2 - изгибающий момент;

Q=0,5ql - поперечная сила;

l =5м - пролёт балки настила.

Вариант 1 (см. рисунок 3.1)

,

,



Рисунок 3.1 - Эпюры внутренних силовых факторов для балки настила

Вариант 2 (см. рисунок 3.2)

,

,

Рисунок 3.2 - Эпюры внутренних силовых факторов для балки настила



Требуемый момент сопротивления при допущении пластических деформаций находится по формуле (3.4)

, (3.4)

где с1 - коэффициент учёта развития пластических деформаций по сечению, с1=1,1;

Ry - расчётное сопротивление стали по пределу текучести, Ry= 250 МПа;

гс - коэффициент учёта условий работы стальной конструкции, гс=1,1.

Подбор сечений прокатных балок (см. рисунок 3.3) по жёсткости идёт на основе требуемой величины предельного относительного прогиба, который определяется по табл. 3 [3].

Требуемый момент инерции найдём по формуле (3.5)

, (3.5)

где qн - погонная равномерное распределённая нормативная нагрузка на балку с учётом веса плоского настила;

, (3.6)

lн - шаг балок настила;

pn - нормативная временная нагрузка, pn=21 кПа;

gn - нормативная постоянная нагрузка, gn=1,0 кПа;

G - вес настила,



Рисунок 3.3 - Двутавр

Вариант 1

Требуемый момент сопротивления равняется:

.

Погонная равномерное распределённая нормативная нагрузка равняется:

.

Требуемый момент инерции равняется:

.

По ГОСТу 26020-83 выбираем двутавр (см.рисунок 3.3) №26Б1

h=258 мм, b=120 мм, S=5,8 мм, t=8,5 мм, Ix=4024 мм4, Wx=312 см3, m=28 кг.

Вариант 2

Требуемый момент сопротивления равняется:

.

Погонная равномерное распределённая нормативная нагрузка равняется:

.

Требуемый момент инерции равняется:

.

По ГОСТу 26020-83 выбираем двутавр (см.рисунок 3.3) №35Б1

h=346 мм, b=155 мм, S=6,2 мм, t=8,5 мм, Ix=10060 мм4, Wx=582,7 см3, m=38,9 кг. Проверка прочности выбранных двутавров осуществляется по формулам:

, (3.7)

, (3.8)

где Ry - расчётное сопротивление стали по пределу текучести;

Rs - расчётное сопротивление стали сдвигу;

гс - коэффициент учёта условий работы стальной конструкции, гс=1,1.



, (3.9)

где Ryn - нормативное сопротивление стали по пределу текучести, Ryn=255МПа;

Rs - расчётное сопротивление стали сдвигу;

гm - коэффициент надёжности по материалу, гm=1,025.

Расчётное сопротивление стали сдвигу равняется:

.

Проверка жёсткости осуществляется по формуле (3.10).

. (3.10)

Вариант 1

Проверка прочности:

;

;

Оба условия выполняются, следовательно, прочность обеспечена.

Проверка жёсткости:

.



Условие выполняются, следовательно, прочность обеспечена.

Вариант 2

Проверка прочности:

;

;

Оба условия выполняются, следовательно, прочность обеспечена.

Проверка жёсткости:

.

Условие выполняются, следовательно, прочность обеспечена.

Из двух возможных вариантов балки настила и листа настила выбираем наиболее экономичный. «Экономичным» считаем наиболее лёгкий вариант настила с балками настила.

Вариант 1

lн =1м - шаг балок настила;

tн =7 мм - толщина листа настила;

m= 28 кг/м - погонная масса.

Определим общую массу настила и балок настила:

mобщ=mн+mб (3.11)

.

где г - плотность стали, г=7800 кг/м3.



.

.

Вариант 2

lн =1,8м - шаг балок настила; tн =18,5 мм - толщина листа настила;

m= 38,9 кг/м - погонная масса. Определим общую массу настила и балок настила:

.

где г - плотность стали, г=7800 кг/м3.

.

.

Так как общая масса в первом варианте меньше чем во втором, то при дальнейшем проектировании будем использовать первый вариант компоновки балки настила и настила. Силу распора, на действие которой проверяют сварные швы, присоединяющие настил к балкам определяют по следующей формуле:

(3.12)

.

Сварку балок настила с настилом осуществляют ручной дуговой сваркой электродом Э46А d=1,4 мм. Расчётные значения катетов шва, прикрепляющего настил к балкам, определяем по формулам (3.13) и (3.14):



Катет по металлу шва:

, (3.13)

Катет по металлу границы сплавления:

, (3.14)

где вf=0,7; вz=1,0

Rwf - расчётное сопротивление срезу по металлу шва,

;

Rwz- расчётное сопротивление срезу по границе сплавления,

;

гwf и гwz - коэффициенты условия работы сварного соединения, гwf = гwz =1

lw - расчётная длина шва, lw=5-0,01=4,99 м

;

;

С учётом требований таблицы 38[1] принимаем катет kf =5 мм.



4. РАСЧЁТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ГЛАВНОЙ БАЛКИ

4.1 Определение расчётных усилий и назначение расчётной схемы

Расчётная схема главной балки и эпюры внутренних силовых факторов представлены на рисунке 4.1.

Нагрузка на главную балку передаётся от балок настила в виде сосредоточенных сил. При достаточно частом расположении балок настила (больше пяти в пролёте) сосредоточенные силы, без существенного снижения точности, можно заменить эквивалентной равномерно распределённой нагрузкой.

, (4.1)

где F - опорная реакция балки настила

; (4.2)

qn - погонная равномерно распределённая расчётная нагрузка на балку настила, qn=26863,46

Gbn - вес балки настила, Gbn=mgl3 ;

m= 28 кг/м - погонная масса балки настила;

g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2;

l3 - пролёт балок настила, l3=5 м;

гG - коэффициент надёжности для веса балки настила, гG=1,05.

.



lн - шаг балок настила, lн=1 м;

.

Расчётные значения изгибающего момента и поперечной силы следует определять с учётом собственного веса главной балки умножением значений эпюр на коэффициент б=1,02…1,05. Принимаем б=1,04.

Тогда (см. рисунок 4.1)

Расчётное значение изгибающего момента равняется:

;

Расчётное значение изгибающего момента равняется:

;

Рисунок 4.1 - Эпюры внутренних силовых факторов главной балки



4.2 Компоновка и подбор сечений главной балки

Рисунок 4.2 - Параметры главной балки

Проектирование составных балок выполняют в два этапа: на первом компонуют и подбирают сечение, на втором - проверяют прочность и устойчивость балки в цело и её элементов, а также проверяют жёсткость балки.

Компоновку сечения начинают с установления высоты балки - основного размера, от которого зависят все остальные размеры сечения, масса балки и её жёсткость.

Оптимальная, из условия прочности и минимума расхода стали, высота балки равняется:

, (4.3)

где k - коэффициент, принимаемый для сварных балок постоянного сечения. Принимаем k = 1,2 ;

Wd - требуемый момент сопротивления сечения балки,



; (4.4)

Mmax - максимальное значение изгибающего момента с учётом собственного веса главной балки, Mmax =5731,8 кНм;

Ry - расчётное сопротивление стали по пределу текучести, Ry = 350 МПа

гс - коэффициент условия работы, гс =1,1.

Требуемый момент сопротивления сечения балки равняется:

;

Толщину стенки предварительно определяем по эмпирической формуле (4.4)

, (4.5)

где h=(1/8…1/15)l,

1450 (мм).

Толщина стенки получается равной:

,

Принимаем толщину стенки tw=12 мм.

Тогда оптимальная высота балки hopt равняется:



.

Минимальная из условия обеспечения жёсткости, высота балки для безконсольной схемы должна быть:

. (4.6)

.

Окончательное значение высоты главной балки должна быть близкой к (допустимое отступление - (5…10)% в меньшую сторону). Принимаем высоту hГБ=145 см.

hстр=hГБ+ hБН + tН =145+25,8+0,7=171,5 (см)< hстр =180(см).

После установления высоты балки определяем минимальную толщину стенки из условия её работы на срез и сравниваем с ранее назначенной.

, (4.7)

где k=1,5 - при включении в работу только стенки, без учёта поясов;

- высота стенки в первом приближении,

;

RS - расчётное сопротивление стали по пределу текучести,



;, (4.8)

Ryn - нормативное сопротивление стали по пределу текучести Ryn=355;

- коэффициент надёжности по материалу, .

Расчётное сопротивление стали сдвигу равняется:

.

Минимальная толщина стенки равняется:

.

Окончательную толщину стенку принимаем tw=12 мм

Назначая толщину стенки, необходимо учитывать, что местная устойчивость стенки без дополнительного её укрепления продольными рёбрами жёсткости будет обеспечена, если

, (4.9)

- условие выпол-няется.

Установив размеры стенки, определим требуемую площадь сечения, поясов (4.10)

, (4.10)



где - расстояние между центрами тяжести полок,

.

- момент инерции поясов, ;

- момент инерции стенки, ;

- момент инерции балки, ;

.

Тогда требуемая площадь сечения поясов равняется:

.

По полученной площади назначают ширину bf и толщину tf пояса с учётом требований для сжатых поясов (табл. 30 [1]). Для растянутых поясов ширина пояса не должна быть более 30 толщин пояса из условия равномерного распределения напряжений по ширине пояса.

Толщину пояса принимаем равной: .

Ширина пояса равняется:

.

Примем ширину пояса .

Ширина пояса должна удовлетворять следующим условиям:



- условие выполняется,

- лежит в этих пределах,

Размеры сжатых поясов должны удовлетворять условию:

, (4.11)

где - половина ширины сечения пояса, ;

tf - толщина пояса, tf = 2,5 см;

Ry - расчётное сопротивление стали по пределу текучести, Ry = 300 МПа;

Е - модуль упругости.

Тогда условие (4.11) примет вид:

.

- условие выполняется.

Окончательно принимаем размеры главной балки (см. рисунок 4.2):

h0 = 1425 мм, hw = 1400 мм, h = 1450 мм, tf =25мм, tw =12мм, bf =400мм,

4.2.1 Изменение сечения балки по длине

При равномерной нагрузке наивыгоднейшее по расходу стали место изменения сечения поясов на расстоянии x=l/6=18/6=3 м от опоры.

Определяем расчётный момент и перерезывающую силу в сечении



M1=qx(l-x)/2=141527,65*3(18-3)/2=3184,4 кН/м=318440 кН/см;

Q1=q(l/2-x)= 141527,65*(18/2-3)=849,1 кН.

Определяем требуемый момент сопротивления и момент инерции изменённого сечения исходя из прочности сварного стыкового шва, работающего на растяжение:

W1= M1/Rwy=318440/33=9649,7 см3;

I1= W1h/2=9649,7*145/2=699603,25 см4.

Определяем требуемый момент инерции поясов:

Iw=274400 см4;

If1=I1 - Iw=699603,25-274400=425203,25 см4

Требуемая площадь сечения поясов Af1=2If1/h0=2*425203,25/142,52=41,9 см2.

Принимаем пояс 200x25=50 см2.

Принятый пояс должен удовлетворять рекомендациям bf1>h/10, b1>180, b1>b/2.

bf1=200>145, b1=200>180, b1=200>400/2 - Условия выполняются.

Определяем момент инерции и момент сопротивления уменьшения сечения:

I1= Iw+2bf1tf(hef/2)2=274400+2*20*2,5*(142,5/2)2=782056,25 см4;

W1=2I1/h=2*782056,25/145=10787 см3;

д =M1/W1=318440/10787=29,52 <



4.3 Проверка прочности балки

Прочность балки проверим в середине пролёта (в месте действия максимального момента).

, (4.12)

, (4.13)

где M - максимальный изгибающий момент, Mmax =5731,8 кНм;

- момент сопротивления, вычисляется по формуле (4.16);

Ry - расчётное сопротивление стали по пределу текучести, Ry = 300 МПа;

- коэффициент условия работы, .

Q - максимальная поперечная сила, Q=1271,7 кН;

S - статический момент полусечения, вычисляется по формуле (4.15);

tw - толщина стенки, tw=1,2 см;

- момент инерции сечения, см4;

Rs - расчётное сопротивление стали сдвигу, .

Определим геометрические характеристики балки:

Момент инерции сечения:

, (4.14)

(см4).

Статический момент полусечения:

, (4.15)



- площадь сечения пояса, (см2);

(см3).

Момент сопротивления:

, (4.16)

(см3).

.

- условие выполняется.

.

82,7 МПа МПа - условие выполняется.

Оба условия обеспечены, следовательно, прочность обеспечена.

(МПа)

- условие выполняется.

4.4 Проверка общей устойчивости и жёсткости балки

Проверку изгиба балки делать не нужно, т.к. принятая высота сечения больше минимальной.

Проверку устойчивости балки проводим в соответствии с положением п. 5.15 и по табл. 8* [2]. Проверку устойчивости проводить нет необходимости, так как отношение расчетной длины lef к ширине сжатого пояса b не превышает значений, определенных в табл. 8*. Нагрузка приложена к верхнему поясу, получаем:

, (4.18)

где h0 = 142,5 см - расстояние между осями поясных швов;

b = 40 см, t = 2,5 см - ширина и толщина сжатого пояса;

lef = 100 см - расчётная длина балки - расстояние между балками настила;

Таким образом:

.

Условие выполняется, устойчивость обеспечена.

4.5 Проверка местной устойчивости элементов балки

В целях обеспечения местной устойчивости стенку балки необходимо укреплять поперечными рёбрами жёсткости в соответствии с требованиями [1 п. 7.3].

Для пропуска поясных швов и сокращения длины швов, перпендикулярных осевым напряжениям в стенке балки, в рёбрах срезают углы, примыкающие к стенке. Швы, крепящие ребро, выполняют минимальной толщины, либо принимают по расчёту из условия среза на действие опорной реакции балки настила (при сопряжении балок в одном уровне).

Проверку местной устойчивости пояса производить не нужно, так как при компоновке сечения выполнены требования [1 табл. 30].

Устойчивость стенки балки, укреплённой поперечными рёбрами жёсткости, не требуется проверять, если при выполнении условия (33) [СНиП II-23-81*] условная гибкость стенки не превышает 3,5 - при отсутствии местного напряжения, и 2,5 - при наличии местного напряжения.

; (4.19)

где - условная гибкость стенки;

tw = 1,2 см - толщина стенки;

hef = hw = 140 см - расстояние между поясами;

- условие не выполняется.

Следовательно, требуется расчёт на устойчивость стенки балки.

Рёбра жёсткости устанавливаем через 2 м от опорных рёбер.

Определяем размер рёбер жёсткости по выражениям (4.20) и (4.21):

; (4.20)

; (4.21)



Подставляя численные значения величин, получаем следующие результаты:

, принимаем 87 мм и , принимаем 7 мм.

Проверка местной устойчивости осуществляется в соответствии с нормами [1 п. 7.4*] по формулам:

; (4.22)

где - нормальные напряжения в середине отсека;

- касательные напряжения в середине отсека;

- критические нормальные напряжения в середине отсека, определяе-мые по формуле (4.23);

- напряжения смятия стенки под грузом;

- критическое местное напряжения, определяемые по формуле (4.25);

- критические касательные напряжения в середине отсека, определяе-мые по формуле (4.26);

; (4.23)

Коэффициент сcr следует принимать для сварных балок - по табл. 21 [1] в зависимости от значения коэффициента д:

; (4.24)



где bf и tf - соответственно ширина и толщина сжатого пояса балки;

в=? - коэффициент, принимаемый по табл.22 [1], следовательно сcr =35,5.

(4.25)

; (4.26)

Проверяем местную устойчивость в 1 и 9 отсеках:

1 отсек

;

условие выполняется, местная устойчивость в 1-ом отсеке обеспечена

9 отсек



;

В расчёте 9 отсека касательные напряжения поэтому в расчёт их не берём;

;

условие выполняется, местная устойчивость в 6-ом отсеке обеспечена.

4.6 Расчёт поясных швов главной балки

Рисунок 4.3 - Схема поясных швов главной балки

При соединении поясов со стенкой двусторонними сварными швами автоматической сваркой «в лодочку» и при наличии поперечных рёбер жёсткости в местах опирания балок настила минимальный катет шва определяется по формулам: 4.27, 4.28.

По металлу шва:

; (4.27)

По границе сплавления:

, (4.28)

где гwf = 1; гwz = 1; гc = 1,1 - коэффициенты условия работы;

вf = 1,1; вz = 1,15 - коэффициенты, принимаемы по табл. 34* [2] при сварке элементов из стали с пределом текучести до 540 МПа;

I = см4 - осевой момент инерции сечения балки;

Q = 1271,7 кН - поперечная сила, действующая на балку;

статический момент брутто пояса;

Rwf - расчетное сопротивление сварных соединений для углового шва при работе на срез по металлу шва:

, (4.29)

где Rwun = 450 МПа - нормативное сопротивление металла шва для сварочной проволоки Св-08Г2С, для автоматической и полуавтоматической сварки (по ГОСТ 2246-70, табл. 3 и 4* [2]);

гwm = 1,35 - коэффициент надёжности по металлу.



.

Rwz - расчетное сопротивление сварных соединений для углового шва при работе на срез по металлу границы сплавления:

.

Тогда:

По табл. 38* (СНиП II-23-81*) катет сварного шва при автоматической сварке должен быть не менее 7 мм. Так как по расчету получилось меньше, то принимаем минимально допустимую величину - 7 мм.

4.7 Конструирование и расчёт укрупнительного стыка балки

Укрупнительные (монтажные) стыки балок проектируют сварными или на высокопрочных болтах. Рассчитаем стык на высокопрочных болтах.

Расчет стыка на высокопрочных болтах начинают с определения места укрупнительного стыка.

Расчёт проведём для двух вариантов:

Вариант 1: Балка делится на части 6,5 м и 11,5 м.

Расчет стыка на высокопрочных болтах начинают с определения величины изгибающего момента M и поперечной силы Q в месте стыка. В месте стыка M = 2989,7 кН·м, Q = 353,9 кН.

Стык осуществляем высокопрочными болтами [1. табл. 61*], d = 24мм, из стали 40Х «селект», имеющей Rbun = 1100 МПа - наименьшее временное сопротивление. Обработка поверхности - газопламенная. Тогда несущая способность болта, имеющего две плоскости трения, находится по формуле [1. п. 11.13*]:

, (4.29)

где Rbh = 0,7· Rbun = 0,7·1100 = 770 МПа - расчётное сопротивление болта растяжению;

Abn = 3,52 см2 - площадь сечения болта [1, табл. 62*];

гb = 0,9- коэффициент условия работы болтового соединения[1. табл 35];

гh = 1,12 - коэффициент надёжности [1, табл. 36*];

м = 0,42 - коэффициент трения при газопламенной обработке [1, табл. 36];

k = 2 - количество плоскостей трения.

.

При конструировании такого типа стыка расчет каждого элемента сварной балки ведут раздельно, распределяя изгибающий момент между поясами и стенкой пропорционально их жесткости.

Стык поясов.

Момент, действующий на пояс равен:

, (4.30)



где - момент инерции поясов сечения в месте стыка:

;(34)

- момент инерции всего сечения: .

Тогда: .

Тогда усилие в поясе находится по формуле:

. (4.31)

Количество болтов для прикрепления накладок:

. (4.32)

Принимаю 10 болтов на одну полунакладку.

Стык стенки.

Момент, действующий на пояс равен:

, (4.33)

где - момент инерции стенки сечения в месте стыка:

;



- момент инерции всего сечения: .

Тогда: .

Принимаем расстояние между крайними по высоте рядами болтов:

.

Находим по следующей формуле коэффициент стыка:

, (4.34)

где m - количество вертикальных рядов болтов на одной половине накладки (из конструктивных соображений не меньше двух), принимаем m=2.

Тогда: Из таблицы 7.9 [4] находим что, количество рядов болтов по горизонтали k = 6 и б = 1,4. То есть, принимаем 6 рядов. Отсюда шаг болтов равен 250 мм. Тогда amax =5·250 = 1250 мм.

Стык стенки проверяем на действие изгибающего момента:

, (4.35)

где .

Тогда: .

Условие выполняется, прочность болтового соединения стенки обеспечена.

Кроме изгибающего момента в стыке действует поперечная сила, которую условно принимают распределенной на болты стенки

, (4.36)

Проверку прочности ведем для крайних по вертикали болтов ряда

, (4.37)

Условие прочности выполняется.

Вариант 2: Балка делится на части 9,5 м и 8,5 м.

В месте стыка M = 5112,2 кН·м, Q = 70,65 кН.

Стык поясов.

Тогда: .

.

Количество болтов для прикрепления накладок:

.

Принимаю 16 болтов на одну полунакладку.

Стык стенки.

.



принимаем m=2.

Тогда: Из таблицы 7.9 [4] находим что, количество рядов болтов по горизонтали k = 12 и б = 2,36. То есть, принимаем 12 рядов. Отсюда шаг болтов равен 208 мм. Тогда amax = 11·113 = 1243 мм.

Стык стенки проверяем на действие изгибающего момента:

,

где .

Тогда: .

Условие выполняется, прочность болтового соединения стенки обеспечена.

Принимаем вариант 1:

Рисунок 4.4 - Эпюры внутренних силовых факторов для расчёта укрупнительного стыка главной балки



Болты ставятся на минимальном расстоянии друг от друга (2,5…3)·d = 2,5·24 = 60 мм - чтобы уменьшить размеры накладок. Так же по п. 12.19 [1] расстояние от центра болта до края элемента равно 2·d = 2·24 = 48 мм.

Каждый пояс балки перекрываем тремя накладками сечениями:

1-я - 460х400х15 мм;

2-я и 3-я - 460х160х15 мм

Общая площадь сечения накладок определяется по формуле:

.

Стенку балки перекрываем двумя накладками сечением 340х1350х8 мм. Причем их суммарная площадь сечения должна быть не меньше площади сечения стенки: .

Проверяем ослабление растянутого пояса отверстиями под болты d0=26 мм (на 2 мм больше диаметра болта).

Пояс ослаблен двумя отверстиями по краю стыка:

. (4.38)

Согласно п. 11.14 (СНиП II-23-81*):

.

Условие выполняется, ослабление пояса отверстиями незначительно. Прочность стыка элементов осуществляется за счёт сил трения.

Проверяем ослабление накладок в середине стыка, четырьмя отверстиями:



. (4.39)

Согласно п. 11.14 (СНиП II-23-81*):

. Условие выполняется.

4.8 Конструирование и расчёт опорного узла балки

Рисунок 4.5 - Опорный узел балки

Сопряжение главной балки с колонной.

Размеры опорных ребер определяют из условия прочности поперечного сечения на смятие по формуле:

; (4.40)

где Rp - расчётное сопротивление смятию торцевой поверхности;

Rp = Run/гm = 460/1,025 = 448,8 МПа - для стали С345;

F = 1271,7 кН - опорная реакция балки.



.

Принимаю ребро 200x14 мм, тогда . Проверяем опорную стойку балки на устойчивость относительно оси Z. Определяем ширину участка стенки, включённого в работу опорной стойки:

; (4.41)

где tw = 1,2 см - толщина стенки.

Тогда: .

Примем

Определяем площадь сечения участка стенки, включённого в работу:

. (4.42)

Определяем момент инерции этого сечения:

. (4.43)

Радиус инерции:

. (4.44)

Гибкость:

. (4.45)



По значению гибкости л, исходя из таблицы приложения 8 [4], определяем коэффициент ц продольного изгиба центрально-сжатого элемента. ц = 0,905. Тогда определяем устойчивость, исходя из формулы:

; (4.46)

где F = 1271,7 кН - опорная реакция балки.

Тогда: . Устойчивость заданного ребра обеспечена.

Используем механизированную сварку проволокой Св-08Г2С диаметром d=1,6 мм. Находим соответствующие коэффициенты по табл. 34* [1]: вf = 0,9; вz = 1,05.

Rwf - расчетное сопротивление сварных соединений для углового шва при работе на срез по металлу шва:

; (4.47)

где Rwun = 490 МПа - нормативное сопротивление металла шва для сварочной проволоки, для автоматической и полуавтоматической сварки по ГОСТ 2246-70 [1, табл. 3 и 4*];

гwm = 1,25 - коэффициент надёжности по металлу [2. по табл. 3].

.



Rwz - расчетное сопротивление сварных соединений для углового шва при работе на срез по металлу границы сплавления:

.

Расчётная длина шва:

Катет по металлу шва:

Катет по металлу границы сплавления:

С учётом требований таблицы 38 [1] катет сварного шва при автоматической сварке должен быть не менее 6 мм. Принимаем катет 6 мм.



5. РАСЧЁТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СОПРЯЖЕНИЯ БАЛКИ НАСТИЛА

Рис. 5.1 - Опирание балки настила на главную балку

Примем вид сопряжения балок - поэтажное опирание.

Проверку прочности проводим по формуле:

, (5.1)

где F = 67,158 кН - опорная реакция балки настила;

b=180 мм - длина передачи давления на балку настила;

k=t+r=8,5+12=20,5 см - расстояние от наружной грани полки до начала внутреннего закругления;

tw = 0,58 см - толщина стенки прокатного двутавра.

.



Проверку устойчивости проводим по формуле:

, (5.2)

где ц - принимаем как для центрально сжатой стойки по гибкости:

= h/(0,29·tw) = 258/(0,29·5,8) = 155,17; ц = 0,200;

lef - условная длина распределения опорного давления:

lef = b + 0,5·hw = 180 + 0,5·258 = 309 мм.

.

Крепление балок настила к главным балкам осуществляем с помощью четырёх высокопрочных болтов диаметром 18 мм.



6. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ ЦЕНТРАЛЬНО СЖАТОЙ КОЛОННЫ

6.1 Выбор расчётной схемы

Выбираем расчётную схему колонны вида: жёсткой фундаментной заделки и шарнирного прикрепления балок (рисунок 6.1)

Рисунок 6.1 - Расчётная схема колонны

Колонна жестко защемлена в фундаменте, опирание балок - шарнирное.

Стержень колонны выполним из двутавра.

6.2 Компоновка сечения сплошной колонны

Для определения в первом приближении требуемой площади сечения принимаем гибкость колонны л = 80 и находим коэффициент продольного изгиба ц.

ц = 0,7215



Определяем требуемую площадь:

, (6.1)

где N - нагрузка действующая на колонну, включая вес главной балки,

N=Nof+Gow/2,

Nof=1271,7 кН;

Gow - вес главной балки,

,

ц - коэффициент продольного изгиба, ц = 0,905 ;

Rу - расчётное сопротивление по пределу текучести, Rу = 240 МПа

см2

Определим требуемый радиус инерции

где lef - расчётная длина колонны, lef=µl=0,7(8,5+0,5-1,715)=5,1 м.

Определим требуемый радиус инерции:



По таблице 8.1 [4] b=6,375/0,24=26,5 см

По сортаменту прокатных профилей (ГОСТ 26020-83) находим подходящее сечение (№ 26К1) со следующими геометрическими характерис-тиками:

Ab = 83,08 см2 - площадь сечения;

линейная плотность - 65,2 кг/м;

h = 255 мм; b = 260 мм; tw = 8 мм; tf = 12 см;

Jx = 10300 см4; ix = 11,14 см; Jy = 3517 см4; iу = 6,52см.

Определим максимальную гибкость колонны

;

Подбираем коэффициент продольного изгиба ц = 0,714.

Выполним проверку колонны на устойчивость по формуле (6.2).

(6.2)

Запас >5%

Корректируем сечение:

Принимаем сечение пояса 260х10 мм, сечение стенки 240х8.



Площадь сечения Ab = 70,8 см2

Jx = 8672,7 см4; ix = 11,07 см; Jy = 2930,3 см4; iу = 6,43 см

ц = 0,706.

Запас

Проверяем устойчивость стенки колонны

- условие выполняется.

Проверяем устойчивость пояса колонны

- условие выполняется.

6.3 Конструирование и расчёт базы

Конструкцию базы принимаю для колонны сплошного сечения из тавра с жестким типом закрепления.

Материал базы - сталь С255. Фундамент проектируем из бетона В7,5, следовательно, Rb = 4,5 МПа (СНиП 2.03.01-84). Для бетона класса ниже В25 . Принимаем предварительно Rb.loc = 1,5·Rb = 1,5·4,5 = 6,75 МПа и находим Apl.

Определим требуемую площадь опорной плиты по формуле (6.3)

, (6.3)

где N - расчётное усилие с учётом веса колонны, .

Тогда см2

Примем предварительные размеры фундамента 700Ч700 мм и плиты 450Ч450 мм.

Тогда:

, (6.4)

Где Rb.loc - расчетное сопротивление бетона при местном сжатии (смятии);

Af - площадь фундамента, на который опирается плита;

Apl - площадь плиты;

Rb - расчетное сопротивление бетона сжатию, принимаемая по [1].

Принятая площадь плиты удовлетворяет требуемой. Принимаем размеры плиты - ширина 45x45 см. Размеры фундамента 70Ч70 см.

Определяем толщину плиты. Плита работает на изгиб от равномерно распределенной нагрузки (реактивного давления фундамента), равной:

Выделим характерные участки плиты (см. рисунок 6.2):

Рисунок 6.2 - База колонны

опёртые на 4 канта;

опёртый на 3 канта;

консольный.

1-ый участок:

=0,1 табл. 6.8, 6.9 [4].

;



2-ой участок:

b1/a1 =0,365

;

3-ий участок:

По наибольшему изгибающему моменту определяем требуемую толщину плиты:

. (6.5)

Принимаем толщину плиты tpl = 23 мм.

Высоту траверсы определяем исходя из требуемой длины сварного шва для полной передачи усилия со стержня колонны на траверсу:

. (6.6)

где (в·Rw·гw) min минимальное значение из вf·Rwf·гwf или вz·Rwz·гwz.

nw = 4 - количество швов, так как две траверсы, по два шва на каждую;

kf = 5 мм (по табл. 38, [1]) - требуемый катет шва

гwf = 1; гwz = 1; гc = 1,1 - коэффициенты условия работы;

вf, вz - коэффициенты, принимаемы по табл. 34* [1] при сварке элементов из стали с пределом текучести до 540 МПа; так как сварка полуавтоматическая и d = 1,4 мм, то вf = 0,7, вz = 1;

Rwf - расчетное сопротивление сварных соединений для углового шва при работе на срез по металлу шва:

,

Rwz - расчетное сопротивление сварных соединений для углового шва при работе на срез по металлу границы сплавления:

.

Получаем: вf·Rwf·гwf = 0,7·215,6·1 = 150,9 МПа; вz·Rwz·гwz = 1·166,5·1 = 207 МПа.

N = 1300 кН - опорная реакция;

(в·Rw·гw)min = 15,1 кН/см2.

. Принимаем hd = 400 мм.

6.4 Конструирование и расчёт оголовка

На колонну действует продольная сила N=1295,8 кН. Торец колонны фрезерован. Толщину плиты оголовка принимаем равной 25 мм.

Плита поддерживается ребрами, прива-ренными к стенке колонны. Толщину ребер определяем из условия смятия:

, (6.7)

где Rp - расчётное сопротивление смятию торцевой поверхности: Rp=380/1,025=370,7 МПа = 37 кН/см2

Усилие N передаётся на колонну на длине lсм=bp0+2tf=20+2x2,5=25 см

Толщина рёбер tp=Aсм/lсм=35/25=1,4 см

Принимаем толщину ребер tr=15 мм. Задаемся катетом шва kf = 8 мм, количество швов nw=4.

Определяем высоту ребра по требуемой длине шва:

. (6.8)

Длину ребра принима-ем равной 250 мм.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП II-23-81*Стальные конструкции. - М., 1986.

2. СНип 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия - М., 1986.

3. И.В. Сидоров Стальные конструкции технологической площадки: Учебное пособие. - Челябинск: ЧГТУ, 1995. - 31 с.

4. Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений / [Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева и др.]; под редакцией Кудишина. - 9 - е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия»,2007. - 688 с.

Размещено на Allbest.ru