Проектирование металлических конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Расчет вспомогательной балки

3. Подбор и проверка сечения главной балки

4. Изменение сечения главной балки

5. Расчет соединения поясных листов со стенкой

6. Расчет опорного ребра главной балки

7. Расчет монтажного стыка главной балки

8. Подбор и проверка сечения стержня центрально-сжатых стоек

9. Конструкция и расчет оголовка колонны

10. Конструкция и расчет базы колонны

Библиографический список

Введение

Целью настоящей работы является изучение основных несущих конструкций зданий на примере проектирования рабочей площадки.

Рабочие площадки могут проектироваться в виде отдельных простейших сооружений или в качестве вспомогательных построек в помещениях цехов промышленных зданий. Рабочая площадка состоит из системы балок, называемых балочной клеткой, колонн и связей. В проекте рассмотрим балочную клетку нормального типа, состоящую из главных и вспомогательных балок.

1. Исходные данные

Ниже приведены типовые исходные данные, выдаваемые студентам для выполнения курсового проектирования.

Размеры площадки в плане:

Шаг колонн в продольном направлении: b = 4,1 м.

Шаг колонн в поперечном направлении: l = 12,9 м,

Шаг второстепенных балок: а = 2,15 м.

Постоянная нагрузка (нормативная) на настиле площадки: =24 кПа.

Временная нагрузка (нормативная) на настиле площадки: =25 кПа.

Отметка верха конструкций (верхней грани второстепенной балки): =13м.

Отметка низа конструкций (нижней грани главной балки) по расчету при этажном сопряжении: .

Материал конструкций:

- Сталь С235;

- Бетон В10.

Тип колонн - сплошные с возможностью применения прокатных двутавров.

Тип балок - предусмотреть монтажный стык главной балки на высокопрочных болтах.

2. Расчет вспомогательной балки

На рис.1 показана схема загружения вспомогательной балки (грузовая площадь). При этом пролетом данных балок является шаг главных балок - b, а шириной грузовой площади - параметр а (шаг вспомогательных балок).

Расчетной схемой вспомогательной балки является горизонтальная шарнирная балка, нагруженная равномерно-распределенной нагрузкой :

, (1)

где , - постоянная и временная нормативные нагрузки (принимаются по заданию); , - коэффициенты надежности по нагрузке [2], а - шаг вспомогательных балок.

(кН/м).

Исходя из расчетной схемы максимальный изгибающий момент в балке определяется следующей зависимостью:

(2)

().

Подбор сечения вспомогательной балки производится по требуемому моменту сопротивления:

, (3)

где - коэффициент учета развития пластических деформаций [1, п.5.18, табл.66], на стадии подбора сечения допускается приближенно, принять = 1,1; - расчетное сопротивление стали растяжению по пределу текучести [1, табл.51*]; - коэффициент учета условий работы, в курсовом проекте принимаем равным 1,0; 1,05 - коэффициент, учитывающий увеличение изгибающего момента от действия собственного веса.

= 1,1; =23 ();балка поясной лист оголовка

()

Зная , по сортаменту подбирается балка двутаврового сечения.

Принимаем для вспомогательной балки двутавр №45.

После чего выполняется проверка подобранного сечения.

Первоначально осуществляется определение фактического коэффициента развития пластических деформаций , а также уточнение фактической погонной нагрузки и максимального момента :

, (4)

где - погонная масса вспомогательной балки (принимается по сортаменту); - коэффициент надежности от собственного веса [2], в курсовом проекте принимается равным 1,05.

(кН/м).

(5)

().

Проверка балки по прочности осуществляется согласно следующему условию:

(6)

Примем =1,115, тогда: ;

;

, следовательно, условие по прочности выполняется.

При подборе прокатных профилей рекомендуется, чтобы "запасы прочности" в материале балки (недонапряжения) удовлетворяли следующему условию:

 (7)

Условие "запаса прочности" в материале балки выполняется.

Проверка подобранного сечения вспомогательных балок по второй группе предельных состояний заключаются в проверке возникающих прогибов:

,

где - нормативная физическая нагрузка; Е - модуль упругости стали; J - момент инерции поперечного сечения балки; - предельный относительный прогиб, для вспомогательных балок принимаем равным 1/250.

(кН/м)

(кН/м)

, следовательно, условие выполняется.

3. Подбор и проверка сечения главной балки

Главные балки воспринимают нагрузку, передающуюся на них посредством вспомогательных балок. Исходя из этого, проектирование главных балок начинается с расстановки вспомогательных конструкций. Первая пара балок устанавливается на одинаковом расстоянии а/2 от центра главных балок. Затем симметрично с шагом а в обе стороны устанавливается необходимое число остальных балок.

В курсовом проекте примем, что число вспомогательных балок обеспечивает равномерное распределение нагрузки на главные балки. Тогда погонная равномерно распределенная нагрузка на главную балку будет определяться следующей зависимостью:

, (9)

где - число вспомогательных балок в пролете; l - пролет главных балок.

(кН/м).

Исходя из шарнирной расчетной схемы, максимальный изгибающий момент в главной балке будет составлять:

(). (10)

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения главной балки определяется следующей зависимостью:

(11)

=1,1; (сталь С235).

Подбор поперечного сечения главной балки начинается с определения высоты стенки.

Минимальная высота стенки из условия жесткости определяется следующей зависимостью:

, (12)

где - предельный относительный прогиб главных балок.



Оптимальная высота главной балки из условия нагруженности вычисляется по следующей эмпирической формуле:

, (13)

где k - эмпирический конструктивный коэффициент, для сварных балок принимается равным 1,2.

Окончательно высота стенки балки принимается исходя из выполнения следующих условий:

(14)

Принимаем высоту стенки 1600 мм (согласно ГОСТ 19903-74).

Долее определим толщину сечения стенки.

Минимальная толщина стенки из условия работы на срез определяется следующей зависимостью:

, (15)

где - максимальная поперечная сила, - расчетное сопротивление стали срезу.

Минимальная толщина стенки из условия обеспечения местной устойчивости стенки (не постановки продольных ребер жесткости) определяется согласно следующей формуле:

(16)

Оптимальную толщину стенки вычисляют по следующей эмпирической зависимости:

, (17)

где , - размеры, мм. Окончательно толщина стенки определяется из выполнения следующих условий:

(18)

Окончательно принимаем толщину стенки . Минимальная толщина поясных листов определяется из условия обеспеченности местной устойчивости:

 (19)

где - расчетная ширина веса поясного листа.

Оптимальная толщина поясного листа, исходя из загруженности балки, вычисляется согласно следующей формуле:

, (20)

где d - расстояние от центра поперечного сечения до центра сечения поясного листа, на данной стадии можно принять равным

; - требуемый момент инерции.



Окончательно толщина поясного листа принимается исходя из выполнения следующих условий:

(21)

Принимаем поперечное сечение поясов балки равным .

Проверка подобранного поперечного сечения

Предварительно определим его фактические геометрические характеристики. Данные вычисления рекомендуется производить в табличной форме (табл.1).

Таблица 1. Вычисление фактических геометрических характеристик поперечного сечения главной балки.

Сечение	Площадь сечения	Момент инерции сечения	Погонная масса
Стенка
Поясные листы
Сечение в целом



После чего уточняется фактическое значение коэффициента пластических деформаций , а также фактическая погонная нагрузка и максимальный изгибающий момент:

(22)

(23)

Условие проверки прочности поперечного сечения главной балки записывается в следующем виде:

(24)



- условие прочности поперечного сечения балки выполняется.

Сечение главной балки считается подобранным, если выполняется данное условие, если "запасы прочности" в материале не превышают 5 %:

(25)

- условие запаса прочности в материале выполняется.

4. Изменение сечения главной балки

Подбор поперечного сечения главной балки производился по максимальному изгибающему моменту. Но вблизи от опор значения моментов существенно меньше максимальных. Исходя из этого для экономии металла целесообразно выполнять изменение сечения главной балки.

В балках при равномерно распределенной нагрузке наивыгоднейшее положение места изменения поперечного сечения из условия наименьшей массы балки находится на расстоянии 1/5 - 1/6 пролета от опоры.

В курсовом проекте изменение поперечного сечения главной балки будем производить путем уменьшения ширины поясов.

Подбор сечения главной балки в месте изменения сечения выполняется по изгибающему моменту, действующему в данном сечении.

Первоначально осуществляется определение действующих в месте изменения сечения поперечной силы и изгибающего момента:

(26)

(27)

где х - расстояние от опорного сечения до места изменения сечения;

- опорная реакция главной балки.

Затем вычисляется требуемая ширина поясного листа в месте изменения сечения :

; (28)

, (29)

где h - высота поперечного сечения балки.



(30)

Окончательно значение принимается по сортаменту универсального листового проката по ГОСТ 82-70.

Примем =200 мм.

Проверка поперечного сечения

Ввиду того, что в месте изменения сечения кроме изгибающего момента действует еще и поперечная сила (рис.3), то проверка сечения по прочности осуществляется согласно следующей формуле:

, (31)

где - возникающие в месте изменения сечения нормальные и касательные напряжения.



- условие прочности для измененного сечения выполняется.

5. Расчет соединения поясных листов со стенкой

Поясные швы примем двусторонними, сварка автоматическая, выполняется в положении в лодочку сварочной проволокой Св-08ГА.

Тогда для данных условий расчетные коэффициенты будут равны:

Расчетные приведенные сопротивления сварного шва:

Расчетные усилия, приходящиеся на единицу длинны шва:

(32)

Расчетный минимальный катет шва равен:

(33)

Конструктивные требования:

Окончательно принимаем .

6. Проверка местной устойчивости элементов составной балки

Определим приведенную гибкость стенки:

(34)

Так как , то достаточна установка поперечных ребер жесткости только под вспомогательными балками.

Определение размеров поперечных ребер жесткости:

, принимаем ;

, принимаем .

Так как , то за расчетный отсек принимаем участок стенки длиной , расположенный у поперечного ребра ближнего к опорному сечению.

 (35), (36)

Определение расчетных усилий в расчетной зоне стенки балки:

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

Определение напряжений в отсеке:

(43)

(44)

Определим :

(45)

Определим приведенную гибкость стенки:

(так как пластинка квадратная);

(46)

(47)

(48)

(49)

Проверка местной устойчивости стенки:

(50)

- проверка местной устойчивости стенки выполняется.

7. Расчет опорного ребра главной балки

Опорное ребро главной балки служит для передачи опорной реакции балки на нижерасположенные конструкции (колонны). Ширина опорного ребра принимается равной ширине поясного листа вблизи опоры. Толщина опорного ребра определяется из расчета на смятие:

, (51)

где - опорная реакция главной балки; - расчетное сопротивление стали смятию.

Принимаем .

При назначении длины листа опорного ребра следует обеспечить условие непревышения выступающей нижней части ребра его полутора толщинам ().

Примем .

Также необходимо проверить участок стенки над опорой на устойчивость. При этом в расчетное сечение следует включить наряду с опорным ребром участок стенки длинной (рис.4).

 (52)

(53)

(54)

(55)

(56)

, (57)

где - табличный коэффициент продольного изгиба, принимаемый в зависимости от и .

- условие прочности выполняется.

8. Расчет монтажного стыка главной балки

Монтажный стык служит для объединения отправочных заводских марок в монтажный элемент. В курсовом проекте главная балка разбивается на две отправочных марки с устройством монтажного стыка в середине пролета. Монтажный стык балки состоит из двух отдельных частей: стыка поясов и стыка стенки. Стык каждого пояса проектируется из трех листов: одного на наружной поверхности и двух на внутренней, а стык стенки - из двух симметричных листов. При назначении сечений накладок стыков необходимо обеспечивать, чтобы площадь поперечного сечения накладок в направлении передачи усилия была не меньше плошади поперечного сечения основной конструкции.

Предварительно определяем, какая часть изгибающего момента, действующего в месте устройства стыка, воспринимается стенкой, и какая поясом. Условно примем, что данное распределение происходит пропорционально значениям моментов инерции:

(58)

(59)

Первоначально проектируем стык поясов главной балки:

(60)

Для монтажного стыка примем: болты диаметром 20 мм; марка стали болтов ЗОХЗМФ; обработка поверхностей дробеструйная без консервации; статическая работа соединения с мм.

Для данных условий:



Тогда требуемое число болтов в стыке равно:

(61)

(62)

Окончательно принимаем .

Проектируем стык стенки.

Исходные условия для высокопрочных болтов принимаем такими же, что и для стыка пояса:

Из выражения (59) имеем .

При проектировании стыка стенки главной балки первоначально определяем число горизонтальных рядов болтов. Вначале принимаем расстояние между болтами в пределах от 2.5d до 8d. Затем симметрично от середины стенки расставляем пары болтов. При этом вследствие нецелесообразности в середине стенки болт не устанавливается.

Расстояние между центрами болтов горизонтальных рядов примем равным 140 мм. Тогда в стыке стенки будут находиться шесть пар болтов.

(63)

Момент, действующий в стыке стенки, будет уравновешиваться суммой внутренних пар усилий, действующих на болты (рис.5). Тогда из условия непревышения максимального усилия действующего на болт предельному допускаемому усилию число вертикальных рядов стыка стенки выражается следующей зависимостью:

, (64)

где - число вертикальных рядов болтов; п - число пар болтов в стыке; , - максимальное и i-е расстояние между центрами пар болтов.

Требуемое число вертикальных рядов в стыке стенки:

(ряда).

Окончательно принимаем m=2 ряда.

9. Подбор и проверка сечения стержня центрально-сжатых стоек

Колонны в рабочих площадках служат для передачи нагрузки от балочных несущих конструкций на фундамент. В настоящем курсовом проекте будем рассматривать центрально-сжатые сплошные колонны.

Задаемся гибкостью , тогда .

Исходя из компоновки балочной конструкции продольная сила, действующая на колонну, будет равны двум опорным реакциям главной балки:

, (65)

где - заглубление фундамента колонны, рекомендуется принимать в пределах 0,4 - 0,6 м.

Расчетной схемой колонны является шарнирный стержень, центрально нагруженный силой N. Тогда расчетная длина колонны будет равна

, (66)

где - коэффициент закрепления концов стержня (для шарнирного стержня =1).

Исходя из компоновки балочной конструкции продольная сила, действующая на колонну, будет равны двум опорным реакциям главной балки:

(67)

Определяем требуемые геометрические параметры поперечного сечения:

Подбор сечения колонны начинается с предварительного задания гибкости стержня. Рекомендуется принимать в пределах 70 - 80. Затем в зависимости от принятого значения находится коэффициент продольного изгиба , а также вычисляется требуемая площадь поперечного сечения по следующей формуле:

(68)

Поперечное сечение колонны в курсовом проекте принимаем двутаврового вида. Определение габаритных размеров поперечного сечения производим по предварительно вычисленному требуемому радиусу инерции , а также эмпирическим коэффициентам формы сечения (для двутаврового симметричного сплошного сечения: = 0,43, = 0,24):

(69)

(70)

(71)

Подбор поперечного сечения из прокатного профиля.

По сортаменту (ГОСТ 26020-83) принимаем двутавр 40К3 со следующими основными параметрами:

Проверка сечения:

. (72)

- условие прочности выполняется. (73)

(74)

-условие гибкости выполняется. (75)

Сечение колонны подобрано.

10. Конструкция и расчет оголовка колонны

Опорную плиту назначаем со следующими размерами: толщина плиты =30 мм; размеры в плане 455x455 мм. Длина смятия:

. (76)

Ширину ребра назначаем из условия обеспечения участка смятия:

. (77)

Окончательно принимаем .

Толщину опорного ребра находим из условия смятия:

. (78)

Окончательно принимаем .

Для сварных швов принимаем: сварка автоматическая, выполняется сварочной проволокой Св-08Г2С, катет сварных швов .

Тогда для данных условий расчетные коэффициенты будут равны:

(для стали С235).

.

Расчетные приведенные сопротивления сварного шва:

(79)

(80)

(81)

Определение длины опорных ребер:

(82)

Окончательно принимаем .

Проверка опорного ребра на срез:

(83)

Условие выполняется.

11. Конструкция и расчет базы колонны

Запроектируем базу колонны для варианта составного сечения. Расчет опорной плиты базы колонны.

Исходя из конструктивных решений, назначаем размеры свесов опорной плиты и толщину траверсы.

Проверка напряжений под опорной плитой. Для бетона класса В10 R_b= 7 МПа = 0,70 кН/см².

(84)

Условие выполняется.

Исходя из принятого конструктивного решения, в опорной плите имеются три различных участка. Вычислим максимальные изгибающие моменты на участках.

Участок №1.

Участок №1 представляет собой пластинку, опертую на 4-е канта с размерами: а = 20,5 см и Ъ = 42 см.

Отношение сторон: .

Тогда

Участок №2.

Представляет собой пластинку, опертую на 3-й канта с размерами: а = 42 см (свободная сторона), b = 11 см (закрепленная сторона).

Отношение сторон:

.

Тогда

Участок №3.

Представляет собой консоль со свесом 7,5 см.

Таким образом максимальный изгибающий момент в опорной плите равен .

Вычислим требуемую толщину опорной плиты:

(85)

Окончательно принимаем t_on = 35 мм. Расчет траверсы. Определение высоты траверсы производится аналогично расчету длины опорного ребра оголовка колонны.

Библиографический список

Методические указания к выполнению курсового проекта по металлическим конструкциям №428. Воронеж. Типография ВГАСУ, 2007.

СНиП 11-23-81* Стальные конструкции. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.

СНиП 2.01.07 85* Нагрузки и воздействия. - М.: ГУП ЦПП, 2003

СНиП 2.03.01-94* Бетонные и железобетонные конструкции. -М.: ЦИТП Госстоя СССР, 1989.

Сокращенный сортамент металлопроката для применения в строительных стальных конструкциях /Госстой СССР, постановление №110 от 18 декабря 1990 г.

ГОСТ 19903-74* Прокат листовой горячекатаный. Сортамент. - М.: Изд-во стандартов, 2003.

ГОСТ 82-70* Прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный. Сортамент. - М.: Изд-во стандартов, 2003.

ГОСТ 8239-89 Двутавры стальные горячекатаные. Сортамент. - М.: Изд-во стандартов, 2003.

ГОСТ 26020-83 Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент. -- М.: Изд-во стандартов, 2003.

Размещено на Allbest.ru