Проектирование металлической балочной клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Кафедра: "Строительных конструкций и вычислительной механики"

Пояснительная записка к курсовому проекту

Проектирование металлической балочной клетки

Выполнил:

студент гр. ПГС-12зу Попова Я.Н.

Проверил: доцент Зуева И.И.

Пермь 2015

Содержание

1. Компоновка балочной клетки

1.1 Исходные данные

1.2 Маркировка элементов монтажной схемы рабочей площадки

2. Расчет стального настила

2.1 Конструктивный расчет настила

2.2 Расчет сварных швов, прикрепляющих настил к балкам настил

3. Расчет балки настила Б2

3.1 Статический расчет

3.2 Конструктивный расчет

4. Расчет главной балки Г2

4.1 Статический расчет

4.2 Конструктивный расчет

4.3 Проверка подобранного сечения

4.4 Проверка прочности

4.5 Проверка жесткости

5. Изменение сечения главной балки

5.1 Подбор сечения

5.2 Проверка подобранного сечения

5.3 Проверка приведенных напряжений на уровне поясных швов

5.4 Проверка общей устойчивости балки

5.5 Расчет соединения поясов со стенкой

5.6 Проверка местной устойчивости полки балки

5.7 Проверка местной устойчивости стенки балки

6. Расчет поперечных ребер жесткости

7. Сопряжение балок настила с главными балками

7.1 Расчет болтового соединения

7.2 Расчет сварного соединения

7.3 Проверка сечения на срез с учетом ослабления отверстий

8. Расчет опорной части балки

9. Монтажный стык главной балки

10. Расчет центрально-сжатой колонны К4 сплошного сечения

10.1 Подбор сечения колонны

10.2 Сопряжение главной балки с колонной сплошного сечения

10.3 База колонны К4

11. Расчет колонны сквозного сечения

11.1 Подбор сечения колонны

11.2 Расчет планок

11.3 Проверка сечения колонны на участке между планками

11.4 Расчёт оголовка колонны сквозного сечения

11.5 Расчёт башмака для колонны сквозного сечения

Список литературы

балка клетка колонна сварной

1. Компоновка балочной клетки

Балочная клетка одноэтажной рабочей площадки, рекомендуемая к разработке по заданию, соответствует балочной клетке нормального типа. Балочная клетка представляет собой систему пересекающихся несущих балок и балок настила, на которые опирается плоский стальной настил. Сопряжение балок принимается в одном уровне. Ввиду того, что главная балка состоит из двух отправочных элементов равной длины и имеют один монтажный стык, балки настила располагаем симметрично относительно середины пролета.

Монтажная схема балочной клетки размерами по два пролета балок настила и два пролета главных балок с указанием маркировки элементов, основных размеров показана на рис. 1.1. Схема с грузовыми площадями на рассчитываемые элементы показана на рис. 1.1.

1.1 Исходные данные

Ф.И.О	№ п/п	Параметры	Условные обозначения	Ед. изм.	Размер, величина, сталь
1	2	3	4	5	6
1	П	Шаг балок настила	а	м	1,2
2	О	Пролет балок настила	l	м	4,2
3	П	Пролет главных балок	L	м	13,2
4	О	Нормативная постоянная нагрузка	qнпост	кН/м2	13
5	В	Нормативная временная нагрузка	qнвр	кН/м2	16
6	А	Высота этажа	H	м	5
7	Я	Сталь балок настила			C375
8	Н	Сталь колонн			C345
9	А	Сталь поясов главной балки			C255
10	Н	Сталь настила, стенки главной балки			C245
11	И	Тип настила - стальной с относительным прогибом	f/l н		1/150
12	К	Класс бетона фундамента			В10
13	О	Коэффициент надежности по нагрузке (постоянной)	гf пост		1,1
14	Л	Коэффициент надежности по нагрузке (временной)	гff вр		1,3

Монтажная схема балочной клетки с грузовыми площадями на несущие элементы приведена на рис 1.1. В балочной клетке нормального типа нагрузка с настила передается на балки настила, с балок настила на главные балки, с главных балок на колонны.

Рис. 1.1 Монтажная схема балочной клетки с грузовыми площадями на несущие элементы

1.2 Маркировка элементов монтажной схемы рабочей площадки

Маркировка несущих элементов зависит от приходящейся на них нагрузки. Нагрузка, действующая на настил, равномерно распределенная.

Ширина сбора нагрузки на элементы:

Балки настила Б1 -

Балки настила Б2 - a= 1,2 м

Главная балка Г1 -

Главная балка Г2 - l = 4,2 м

Площадь сбора нагрузки на колонны:

К1 -

К2 -

К3 -

К4 -

2. Расчет стального настила

Для стального настила принимаются плоские стальные листы. Сталь настила С245 по ГОСТ 27772-88. Листы привариваются к верхним поясам балок настила (рис 2.1а). Это делает невозможным сближение опор настила при его прогибе под нагрузкой. В настиле возникают растягивающие цепные усилия Н. Приварка защемляет настил, однако в расчетах обычно защемление не учитывается.

Рис. 2.1.

Предельный прогиб . Настил изгибается по цилиндрической поверхности. Для расчета вырезают полосу шириной один метр.

2.1 Конструктивный расчет настила

Требуемая толщина настила из условий прогиба:

Е1I - цилиндрическая жесткость пластинки,

где v = 0,3 - коэффициент Пуассона.

qн - нормативная нагрузка на настил.

Силу Н, на действие которой надо проверить сварные швы, прикрепляющие настил к балкам настила, можно проверить по приближенной формуле:

Определяем толщину настила из условия прогиба. Первоначально примем толщину настила tн = 10мм. Плотность стали гs = 78,5, коэффициент надежности по нагрузке 1,05. Сбор нагрузок на настил выполнен в таблице 2.1.1.

Таблица 2.1.1.

Нагрузка на 1 м² настила.

№	Вид нагрузки	Условное обозначение	Единицы измерения	Нормативная нагрузка	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка
1	Собственный вес настила			0,785	1,05	0,824
2	Постоянная нагрузка	qпост		13	1,1	14,3
3	Временная нагрузка	qвр		16	1,3	20,8
	Итого:			29,785		35,924

Погонная нормативная нагрузка на настил:

Погонная расчетная нагрузка на настил:

Подкрепляем ребрами, идущими перпендикулярно балкам настила. Принимаем толщину настила 8 мм.

Требуемый шаг ребер:

Принимаем:



Рис. 2.1.1. Схема настила с ребрами.

Рис.2.1.2. Расчетное сечение настила подкрепленное ребрами.

Для стали настила С245 по ГОСТ 27772-88, по табл. В.5:

(при tн = 8мм)



Находим геометрические характеристики:

Находим положение центра тяжести относительно оси х1:

Момент инерции сечения настила включенного в работу:

Рис. 2.1.3. Эпюра нормальных напряжений в настиле.

Момент сопротивления:

Проверим принятое сечение:

Максимальный изгибающий момент в настиле:

Растягивающие цепное усилие Н:

Проверка прочности по нормальным напряжениям:

Прочность настила по нормальным напряжениям обеспечена.

Проверка прочности настила по касательным напряжениям и проверка жесткости настила:



Жесткость и прочность настила по касательным напряжениям обеспечена.

2.2 Расчет сварных швов, прикрепляющих настил к балкам настил

Рис. 2.2.1. Расчетная схема настила.

Стальной настил приваривается угловыми сварными швами к верхним поясам балок настила. Швы рассчитываются по двум сечениям:

· По металлу шва

· По металлу границы сплавления



Принимаем механизированную сварку проволокой сплошного сечения.

По табл. Г1 для стали С245 находим сварочную проволоку - СВ-08Г2С.

По табл. Г2 для проволоки СВ-08Г2С находим

По табл. 3

По табл. В5

По табл.39*

По табл. 38

Принимаем максимальное из трех значений катета шва:

3. Расчет балки настила Б2

Балка настила Б2 выполняется из прокатного двутавра. Подберем 3 типа двутавров и выберем из них наиболее экономичный.

1. Двутавр с не параллельными гранями полок по ГОСТ 8239-89.

2. Двутавр с параллельными гранями полок нормального типа Б

по ГОСТ 26020-83.

3. Двутавр с параллельными гранями полок типа Ш по ГОСТ 26020-83.

3.1 Статический расчет

Определяем расчетную схему балки настила пролетом l с равномерно распределенной нагрузкой. Расчет балки настила производится на нагрузку, собранную с соответствующей ширины (рис. 1.2.).

Нормативная нагрузка от собственного веса балки в первом приближении принимаем 0,3-0,5 , принимаю 0,4. Сбор нагрузки выполняется в табличной форме (табл. 3.1.), но предварительно найдем эквивалентную толщину настила tн.

Толщина эквивалентная:



Таблица 3.1.

Нагрузка на балку настила.

№	Вид нагрузки	Условное обозначение	Единицы измерения	Нормативная нагрузка	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка
1	Собственный вес настила			0,712	1,05	0,748
2	Собственный вес балки настила			0,4	1,05	0,42
3	Постоянная нагрузка	qпост		13,0	1,1	14,3
4	Временная нагрузка	qвр		16,0	1,3	20,8
	Итого:			30,112		36,268

Постоянная нормативная нагрузка:

Погонная расчетная нагрузка:

Расчетный, максимальный изгибающий момент:



Расчетная, максимальная поперечная сила:

3.2 Конструктивный расчет

Вариант 1: двутавр с не параллельными гранями полок по ГОСТ 8239-89.

Конструктивный расчет

Подбор сечения балки

Требуемый момент сопротивления с учетом развития пластических деформаций:

По табл. В.5 сталь С375 ГОСТ 27772-88 , при толщине . По табл. Е.1 принимаем для двутавра.

По табл. 1



Проверка сечения

Расчетная погонная нагрузка на балку:

Уточняем момент и поперечную силу:

По табл. Е.1 интерполяцией находим коэффициент сх.

Проверка прочность по нормальным напряжениям:

Уточняем расчетное сопротивление по толщине полки:

Прочность по нормальным напряжениям обеспечена.

Проверка прочности по касательным напряжениям:

Прочность по касательным напряжениям обеспечена.

Проверка жесткости балки (по нормативным нагрузкам).

Уточняем нормативную нагрузку, действующую на балку с учетом фактической массы балки.

Прогиб балки:



Проверка общей устойчивости не требуется, т.к. на верхний сжатый пояс балок настила опирается стальной настил и приваривается непрерывными сварными швами.

Проверка местной устойчивости полки и стенки не требуется, т.к. она обеспечивается из условий проката (ГОСТ 8239-89).

Вариант 2: двутавр с параллельными гранями полок нормального типа по ГОСТ 26020-83.

Конструктивный расчет

Подбор сечения балки

Требуемый момент сопротивления с учетом развития пластических деформаций:

По табл. В.5 сталь С375 ГОСТ 27772-88 , при толщине . По табл. Е.1 принимаем для двутавра.

По табл. 1



3.3.2 Проверка сечения

Расчетная погонная нагрузка на балку:

Уточняем момент и поперечную силу:

По табл. 66 интерполяцией находим коэффициент сх.

Проверка прочность по нормальным напряжениям:

Уточняем расчетное сопротивление по толщине полки:

Прочность по нормальным напряжениям обеспечена.

Проверка прочности по касательным напряжениям:

Прочность по касательным напряжениям обеспечена.

Проверка жесткости балки (по нормативным нагрузкам).

Уточняем нормативную нагрузку, действующую на балку с учетом фактической массы балки.

Прогиб балки:



Проверка общей устойчивости не требуется, т.к. на верхний сжатый пояс балок настила опирается стальной настил и приваривается непрерывными сварными швами.

Проверка местной устойчивости полки и стенки не требуется, т.к. она обеспечивается из условий проката (ГОСТ 26020-83).

Вариант 3: двутавр с параллельными гранями полок широкополочного типа по ГОСТ 26020-83.

Конструктивный расчет. Вариант 3

Подбор сечения балки

Требуемый момент сопротивления с учетом развития пластических деформаций:

По табл. В.5 сталь С375 ГОСТ 27772-88 , при толщине . По табл. Е.1 принимаем для двутавра .

По табл. 1



Проверка сечения.

Расчетная погонная нагрузка на балку:

Уточняем момент и поперечную силу:

По табл. 66 интерполяцией находим коэффициент сх.

Проверка прочность по нормальным напряжениям:

Уточняем расчетное сопротивление по толщине полки:

Прочность по нормальным напряжениям обеспечена.

Проверка прочности по касательным напряжениям:

Прочность по касательным напряжениям обеспечена.

Проверка жесткости балки (по нормативным нагрузкам).

Уточняем нормативную нагрузку, действующую на балку с учетом фактической массы балки.

Прогиб балки:



Проверка общей устойчивости не требуется, т.к. на верхний сжатый пояс балок настила опирается стальной настил и приваривается непрерывными сварными швами.

Проверка местной устойчивости полки и стенки не требуется, т.к. она обеспечивается из условий проката (ГОСТ 26020-83).

Таблица 3.2.1.

Сравнение балок настила.

Условное обозначение	Единицы измерения	Сечение ГОСТ
		I№24 ГОСТ 8239-89	I№23Б1 ГОСТ 26020-83	I№23Ш1 ГОСТ 26020-83
		0,273	0,258	0,362
		289	260,5	377
		3460	2996	4260
		29,82	33,48	23,74
		7,65	7,98	6,91

Наиболее оптимальным вариантом является двутавр I№23Б1 по ГОСТ 26020-83.

4. Расчет главной балки Г2

Главную балку выполняем составного сечения.

4.1 Статический расчет

Расчетная схема определяется типом балочной клетки. Нагрузка с балок настила на главные балки передается в виде сосредоточенных сил (опорных реакций). При равномерном расположении шести и более сил нагрузка может заменятся эквивалентной равномерно распределенной нагрузкой и собирается с ширины l = 5,4м.

Собственный вес главных балок определяется от 1 до 2% от действующей нагрузки (см. табл.4.1.). гс=

Таблица 4.1.

Нагрузка на главную балку.

№	Вид нагрузки	Условное обозначение	Единицы измерения	Нормативная нагрузка	Коэффициент надежности по нагрузке	Расчетная нагрузка
1	Собственный вес настила t экв * гс=9,07*0,0785= 0,712			0,712	1,05	0,748
2	Собственный вес балки настила			0,22	1,05	0,23
3	Постоянная нагрузка	qпост		13,0	1,1	14,3
4	Временная нагрузка	qвр		16,0	1,3	20,8
	Итого:			29,932		36,078
5	Собственный вес главной балки Г2	qсгб		0,599	1,05	0,629
	Всего:	qгб		30,541		36,717

Погонная нормативная нагрузка:

Погонная расчетная нагрузка:

Расчетный, максимальный изгибающий момент:

Расчетная, максимальная поперечная сила:

4.2 Конструктивный расчет

Принимаем балку составного сечения. Балка бистальная. Сталь поясов главной балки С255 по ГОСТ 27772-88, сталь стенки главной балки С245 по ГОСТ 27772-88.

Для бистальных балок, если возникает текучесть на участке стенки то она, не опасна для остальной балки. Расчет учитывает возможность появления пластичности в стенки.

Требуемый момент сопротивления:

По табл. В.5 сталь С255 ГОСТ 27772-88 , для листового проката при толщине . По табл. 1



Принимаю: , с учетом сортамента листового проката.

Из условия экономичности:

Принимаю: , с учетом сортамента листового проката.

m - коэффициент учитывающий бистальную балку.

По табл. В.5 сталь С245 ГОСТ 27772-88 , для листового проката при толщине .

Требуемая площадь одного пояса:



Ширина полки:

По сортаменту листового проката ГОСТ 82-70 принимаем мм

Толщина полки:

см

По сортаменту листового проката ГОСТ 82-70 принимаем мм

Площадь одного пояса:

4.3 Проверка подобранного сечения

Находим момент инерции относительно оси х:

Момент сопротивления относительно оси х:



Статический момент:

4.4 Проверка прочности

Уточняем расчетное сопротивления полки при толщине , по табл. В.5 сталь С255 ГОСТ 27772-88 для листового проката.

Проверяем прочность по нормальные напряжения:

Прочность по нормальным напряжениям обеспечена.

Проверяем прочность по касательным напряжениям:

Прочность по касательным напряжениям обеспечена.

4.5 Проверка жесткости

б=0,8…0,9 - коэффициент учитывающий изменения сечения по длине балки.

Жесткость балки обеспечена.

5. Изменение сечения главной балки

Выполнение изменения в сечении балки за счет ширины поясных швов, рационально выполнять изменение сечения на расстоянии.

Принимаю: .

В измененном сечении находим:

Расчетный, максимальный изгибающий момент:

Расчетная, максимальная поперечная сила:

5.1 Подбор сечения

Ширина пояса:

Площадь пояса:

По сортаменту листового проката ГОСТ 82-70 принимаю:

5.2 Проверка подобранного сечения

Находим момент инерции относительно оси х:

Момент сопротивления относительно оси х:

Статический момент:

Проверка прочности по нормальным напряжениям.

Расчетное сопротивления полки при толщине , по табл. В.5 сталь С255 ГОСТ 27772-88 для листового проката.

Прочность по нормальным напряжениям обеспечена.

Проверка прочности по касательным напряжениям.

Прочность по касательным напряжениям обеспечена.

5.3 Проверка приведенных напряжений на уровне поясных швов

Нормальные напряжения в измененном сечении на уровне поясных швов:

Средние касательные напряжения в стенке:

Выполним стык верхнего пояса прямым швом, а нижнего - косым, равнопрочным основным металлом.

Проверка прочности по касательным напряжениям для измененного сечения на опоре.

5.4 Проверка общей устойчивости балки

Проверяем общую устойчивость измененного сечения балки:

Так как = 0,171 < = 0,539, то общая устойчивость главной балки в уменьшенном сечении обеспечена.

5.5 Расчет соединения поясов со стенкой

Расчет сварного шва соединяющего пояс со стенкой производим на действие сдвигающей силы Т.

Сдвигающая сила на 1 см длины балки:

Поясные швы выполняются двусторонними, автоматической сваркой в лодочку.

Сварочная проволока СВ-08А

· По металлу шва

По металлу границы сплавления

По табл. Г.2 для проволоки СВ-08А находим

По табл. В.5

По табл. 36

По табл. 35

Принимаем минимально допустимый катет поясных сварных швов:

5.6 Проверка местной устойчивости полки балки

Определяем условную гибкость свеса пояса и сравниваем ее с предельной гибкостью, принимаемой по [1, п. 8.5. 18]

=18,5 см;

Для бистального сечения:

кН/см2

где - значение = 0,180 из [1, табл. 18] при ; при условной гибкости стенки

если , то

, кН/см²;

= 24 кН/см²: = = 0,5.

0,286< 0,5 - местная устойчивость полки обеспечена.

5.7 Проверка местной устойчивости стенки балки

Условная гибкость стенки:

= 4,847

кН/см для стали С245 при =10 мм;

см; =1см.

; =4,847 > 2,2 , местная устойчивость стенки не обеспечена и требуется стенку главной балки укреплять поперечными ребрами жесткости.

Шаг ребер: м; при ;

Расстояние между ребрами не должно превышать

=2*110=220см<3м.

м > м,

поэтому принимаем шаг ребер равным шагу балок настила м.

Так как ребра совпадают с балками настила, то в этом месте местные напряжения смятия будут равны нулю.

Для 1- 6 отсеков ; , поэтому требуется проверка местной устойчивости стенки, которая проверяется по формуле:

Проверку местной устойчивости стенки балки смотри в табл. 5.7.1.

Таблица 5.7.1.

Проверка местной устойчивости стенки главной балки

N п/п	Характеристика сечения	Отсеки
		1	2	3	4	5	6
1	Место проверки местной устойчивости	0,6	1,8	3,0	4,2	5,4	6,6
2	Расчётный момент	582,92	1582,20	2359,43	2914,59	3247,68	3358,72
3	Расчётная поперечная сила	925,27	740,21	555,16	370,11	185,05	0
4	Момент сопротивления	10759,59	10759,59	15134,55	15134,55	15134,55	15134,55
5		6,52	5,21	3,91	2,61	1,30	0
6		4,85	4,85	4,85	4,85	4,85	4,85
7	б, табл.18	0,1445	0,1519	0,1588	0,1658	0,1727	-
8		0,755	0,755	0,755	0,755	0,755	0,755
9		0,475	0,374	0,281	0,187	0,093	-
10		0,523	0,624	0,558	0,618	0,660	0,675
11		0,0014	0,0036	0,0053	0,0065	0,0072	0,0092
12	Примечания: местная устойчивость	обеспеч.	обеспеч.	обеспеч.	обеспеч.	обеспеч.	обеспеч.

6. Расчет поперечных ребер жесткости

Назначаем сталь поперечных ребер жесткости С245. Ширина поперечного ребра определяется по формуле:

br + 25 мм = + 25 = 72,33 мм.

Принимаем ширину ребра br = 100 мм (кратной 5 мм).

Толщина поперечного ребра назначается из условия

ts 2 · br · = 2 · 100 · = =6,83 мм.

По сортаменту листового проката принимаем ts = 10 мм.

На концах ребер жесткости для пропуска поясных швов и уменьшения концентрации сварочных напряжений устраиваются скосы размером 40х60 мм. Поперечные ребра привариваются ручной сваркой к стенке и полке балки сплошными швами минимальных катетов, назначаемых по [1, табл. 38] для тавровых соединений с двусторонними угловыми швами.

Для швов крепления ребер жесткости к полкам при толщине более толстого из свариваемых элементов tf = 22 мм минимальный катет шва равен kf = 5 мм, для швов крепления ребер жесткости к стенке балки при толщине более толстого из свариваемых элементов ts = tw = 10 мм минимальный катета шва равен kf = 4 мм.

Проверим несущую способность ребра на смятие:

; ; ;

кН/см по табл. 51; =1,025 по табл. 2 для ГОСТ 27772-88;

;

7. Сопряжение балок настила с главными балками

Сопряжение балок настила с главными балками принимается в одном уровне, через поперечные ребра жесткости.

К балкам настила приваривается накладка с заводскими швами, а к поперечному ребру жесткости главной балки накладка крепится болтами нормальной точности.

Примем толщину накладки: .

7.1 Расчет болтового соединения

Определяем необходимое количество болтов. Болты рассчитывают на срез и на смятие. Принимаем болты нормальной точности: М20, dб=20мм, dотв=22мм, кл.-5.6.

Сталь накладки С285 по ГОСТ 27772-88.

Определяем несущую способность болта:

по табл. Г.5 , по табл. 41 , по табл. Г.9 ,

Несущая способность в соединении на смятие:

по табл. В.5 , по табл. Г.6 .

1,2 - коэффициент, учитывающий возможную неравномерность вовлечения болтов в работу.

Принимаю:

Размещаем болты на накладке, предварительно определив ее наибольшие размеры.

По табл. 40 минимальные расстояния между болтами:

Принимаю:

Принимаю длину накладки:

7.2 Расчет сварного соединения

Угловые швы, прикрепляющие балку настила, рассчитываются на опорную реакцию и момент.

Зададим высоту катета шва:

мм - толщина стенки балки настила (двутавр I23Б1)

Принимаю:

Проверяем сварные швы по двум сечениям:

· По металлу шва:



Примем ручную сварку. Сварные швы выполняются покрытыми электродами для стали С255 - Э46 по табл. Г.1.

По табл. 39 , по табл. Г.2 ,

· По металлу границы сплавления:

=37 кН/см² по табл. В.5 для стали С255

7.3 Проверка сечения на срез с учетом ослабления отверстий

Проверяем накладку на срез с учетом ослабления отверстий.

Прочность накладки обеспечена.

8. Расчет опорной части балки

Балка на колонну сквозного сечения опирается сверху, а к колонне сплошного сечения сбоку.

Конец балки в месте операния укрепляются опорным ребром. Размеры опорных ребер определяются из расчета на смятие торца ребра.

- расчетное сопротивление на смятие торцовой поверхности

Принимаем ширину опорного ребра равной ширине балки в измененном сечении.



Принимаем =16 мм

Проверяем ребро на смятие:

Проверяем устойчивость опорной части балки:

по табл. 72

Устойчивость опорной части обеспечена.

Рассчитываются угловые сварные швы, прикрепляющие ребро к стенке балки. Сварка полуавтоматическая в среде углекислого газа Св-08Г2С.

По табл. Г.2 , по табл. 39 , по табл. В.5 при t=2…20 мм.

Высота катета шва:

а) по металлу шва:

б) по металлу границы сплавления:

по табл. 38 при t =16мм. Принимаю:

9. Монтажный стык главной балки

Расчетные усилия в середине пролета главной балки

Мmax = 3358,72 кНм, Q = 0.

Принимаем высокопрочные болты М20 из стали 40Х. Способ обработки соединяемых поверхностей - газопламенный без консервации, способ регулирования натяжения болтов - по углу поворота гайки.

Максимальный изгибающий момент в главной балке распределяется между поясами и стенкой балки пропорционально их жестокостям.

Стык поясов. Изгибающий момент, воспринимаемый поясами, определяем по формуле:

= =2635,32 кНм,

где =1107848,92 см - момент инерции сечения главных балок;

 см - момент инерции стенки;

Момент инерции поясов:

=869241,59 см

Расчетное усилие в поясе:

кН

Необходимое количество болтов на полунакладке:

.

Расчетное усилие , которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом

,

где кН/см- расчётное сопротивление высокопрочного болта;

кН/см- временное сопротивление по табл. Г.8 для болтов мм из стали 40Х;

см - площадь сечения болта нетто по табл. Г.9;

- коэффициент трения при обработке поверхности газопламенным способом двух поверхностей без консервации по табл. 42;

- коэффициент, принимаемый по табл. 42, при контроле натяжения болтов - по углу поворота гайки .

кН.

Необходимое количество болтов на полунакладке:

шт.,

где - количество плоскостей трения соединяемых элементов.

- коэффициент условия работы фрикционного соединения при , принимаемый по п. 14.3.4.

Принимаем 12 болтов. Полученное количество болтов ставим по каждую сторону от центра стыка, т.е. на каждой полунакладке.

По табл. 40 определяем минимальные расстояния:

между центрами болтов аmin,1 = 2,5dотв = 2,5 · 22 = 55 мм;

от центра болта до края элемента аmin,2 = 1,3dотв = 1,3 · 22 = 28,5 мм.

Принимаем аmin,1 = 55 мм, аmin,2 = 30 мм.

Пояс балки перекрываем тремя накладками сечениями 380х12 1-я накладка и 170х12 2-я и 3-я накладка, общей площадью сечения

УАн = 38 · 1,2 + 2 · 17 · 1,2 = 86,4 см² < Аf = 38 · 2,2 = 83,6 см².

Проверяем ослабление нижнего растянутого пояса отверстиями под болты dотв = 22 мм. По краю стыка пояс ослаблен четырьмя отверстиями:

Аn f = 38 · 2,2 - 4 · 2,2 · 2,2 = 64,24 см² > 0,85Аf = 0,85 · 83,6 = 71,06 см².

Так как Аn f < 0,85Аf , то ослабление пояса нужно учитывать.

Ас= 1,18 · 64,24=75,8 см² > 71,06 см²

Проверяем ослабление накладок в середине стыка четырьмя отверстиями:

Аn накл = 86,4 - 4 · 2 · 1,2 · 2,2 = 65,28 см² < 0,85Аf = 71,06 см².

Так как Аn накл < 0,85Аf , то увеличиваем толщину накладок. Принимаем накладки толщиной 14 мм:

Аn накл = 1,4 · (38 + 2 · 17) - 4 · 2 · 1,4 · 2,2 = 76,16 см² > 0,85Аf = 71,06 см².

Так как выполняется условие Аn накл > 0,85Аf , то принимаем окончательно толщину накладок 14 мм.

Стык стенки. Момент, действующий на стенку, определяем по формуле

Мw = =723,39 кНм.

Стенку перекрываем двумя вертикальными накладками толщиной 8 мм.

Принимаем расстояние между крайними по высоте рядами болтов мм, предварительно назначив расстояние от крайних болтов до внутренней грани полки 100 мм.

Коэффициент стыка

.

где m = 2 - количество вертикальных рядов болтов на полунакладке; к1 = 2 - количество поверхностей трения.

По табл. 7.9 находим количество болтов в одном вертикальном ряду К = 10 при б = 2,04 > 1,89.

В соответствии с требованиями табл. 40 назначаем шаг болтов на стенке а = 140 мм, тогда расстояние между крайними рядами болтов равно аmax = 9 · 140 = 1260 мм.

Проверяем стык стенки:

кН < =78,6 ·2 = 157,2 кН,

где см²

Прочность стыка обеспечена.

Стенку перекрываем двумя вертикальными накладками сечением 1320х240х8 мм.

Усилие натяжения болта Р = Rbh · Аbn = 77· 2,45 = 188,65кН.

10. Расчет центрально-сжатой колонны К4 сплошного сечения

	Сталь колонны по ГОСТ 27772-88 С345 Н=5м - отметка верха этажа, верхняя точка - настила. Расчетная нагрузка на колонну: Геометрические длины колонн: - в плоскости колонны: - из плоскости колонны:

10.1 Подбор сечения колонны

Исходя из условия общей устойчивости, находим требуемую площадь:

По табл. В.5 для толщины

Для подбора сечения колонны задаемся гибкостью

Условная гибкость колонны:



По табл. Д.5 в зависимости от находим

Принимаем сечение:

Гибкости:



Определяем условную гибкость:

По табл. Д.1 для

Проверка общей устойчивости колонны:

Гибкость колонны не превышает предельного значения по табл. 32

Проверка местной устойчивости:

Местная устойчивость полки:

Определяем условную гибкость свеса пояса и сравниваем ее с предельной гибкостью, принимаемой по п. 7.3.8

Условная гибкость свеса пояса

=

= ;

где свес полки

см;

= - предельная условная гибкость свеса пояса, по табл. 10;

при этом условная гибкость удовлетворяет требованиям п. 7.3. 8, т.е.

.

Местная устойчивость полки обеспечена.

Местная устойчивость стенки:

Условная гибкость стенки

; < =1,86;

поэтому

Местная устойчивость стенки обеспечена.

В соответствии с п. 7.3. 3 при < =1,86 стенку не требуются укреплять поперечными ребрами жесткости.

10.2 Сопряжение главной балки с колонной сплошного сечения

Балки к колонне сплошного сечения К4 примыкают сбоку. Сопряжение балок с колонной - гибкое. Балки опираются на опорные столики и фиксируются к колонне на болтах. Болты устанавливают конструктивно. Реакция балки передается через опорное ребро балки на опорный столик колонны. Столик приваривается к полке колонны по трем сторонам.

Принимаем = 30 мм.

Определяем суммарную длину швов, прикрепляющих опорный столик к колонне:

а) по металлу шва

см;

где 1,3 - коэффициент, учитывающий возможную непараллельность торцов опорного ребра балки и столика из-за неточности изготовления.

Сварка ручная покрытыми электродами, для стали С345 по табл. Г.1 принимаем электроды Э50, кН/см по табл. Г.2.

кН; ; - по табл. 39;

мм по табл. 38 ;

см. Принимаем мм.

Требуемая длина швов:

а) по металлу шва

см = 76 см;

б) по металлу границы сплавления:

; кН/см; кН/см;

см.

Высота опорного столика:

см.

Принимаем ширину опорного столика мм; мм; мм.

Конструктивный расчет болтового соединения колонны и главной балки:

Примем болты нормальной точности, dб=20мм, dотв=23мм.

Определяем расстояния между болтами:

Принимаю n = 5шт.

10.3 База колонны К4

Площадь опорной плиты базы определяются из условия смятия бетона фундамента под плитой

Апл N / Rb,loc,

где Rb,loc - расчетное сопротивление бетона смятию, определяемое по формуле Rb,loc = Rb · г , здесь Rb - расчетное сопротивление бетона сжатию (призменная прочность), принимаемое по табл. 13

г = - коэффициент, учитывающий местное сжатие бетона, принимаемый в первом приближении г = 1,2 … 1,4;

Аф - площадь верхнего обреза фундамента.

Класс бетона фундамента В10.

Задавшись коэффициентом г = 1,4, определяем расчетное сопротивление бетона смятию

Rb,loc = Rb · г = 0,6 · 1,4 = 0,84 кН/см²,

где Rb = 0,6 кН/см² - призменная прочность бетона класса В10 табл. 13.

Требуемая площадь опорной плиты:

см; см.

Принимаем мм.

Назначаем размеры фундамента:

Вф = Lф = 500 + 300 = 800 мм.

Площадь опорной плиты и верхнего обреза фундамента:

Апл = В · L = 50 · 50 = 2500 см2; Аф = Вф · Lф = 80 · 80 = 6400 см².

Уточняем коэффициент, учитывающий местное сжатие бетона, и расчетное сопротивление бетона смятию:

г = = = 1,37;

Rb,loc = Rb · г = 0,84 · 1,37 = 1,15 кН/см².

Проверяем давление в бетоне фундамента:

кН/см < Rb,loc = 1,15 кН/см².

Определяем толщину плиты приближённым методом:

Находим момент в плите по кромке колонны, рассматривая трапециевидный участок плиты как консоль.

М = Атрап · q · с,

где Атрап - площадь сечения трапеции

см

с - расстояние от центра тяжести трапеции до кромки колонны

см.

кНсм.

Требуемая толщина опорной плиты:

3,59 см,

Rу = 28 кН/см² - расчетное сопротивление стали по пределу текучести табл. В.5 при tпл = 40…80 мм.

Принимаем толщину опорной плиты tпл = 40 мм (см. прил. 4).

При необходимо проверить подобранные размеры плиты более точным методом, учитывающим пространственный изгиб плиты. Для этого квадратную плиту и прямоугольное сечение колонны заменяем равновеликими по площади кругами:

Апл = В · L = 50 · 50 = 2500 см2; rпл = = 28,22 см;

см; см.

В каждой точке такой плиты можно определить моменты, действующие в радиальном и тангенсальном направлениях:

Мr = kr · N кНсм; Мt = kt · N кНсм,

где kr , kt - коэффициенты, зависящие от отношения радиусов контура колонны и плиты rкол / rпл = 16,47 / 31,04 = 0,531, определяемые по табл. 8.6:

=0,029; =0,049.

кНсм; кНсм.

Нормальные напряжения в опорной плите:

кН/см

кН/см > кН/см,

поэтому увеличиваем толщину плиты до мм,

кН/см;

кН/см < кН/см.

Касательные напряжения определяем из условия продавливания:

ф = кН/см.

Прочность плиты проверяем по приведенным напряжениям:

упр==

Так как прочность плиты обеспечена, то окончательно принимаем tпл = 50 мм.

Сварные швы, прикрепляющие колонну с фрезерованным торцом к опорной плите, рассчитываем на усилие, составляющее 15% от общего давления. Сварка ручная электродами Э50 табл. Г.1.

Проверяем прочность сварного шва:

- по металлу шва:

;

- по металлу границы сплавления:

,

где вf = 0,7, вz = 1 - коэффициенты глубины проплавления табл. 39;

kf,min = 10 мм - катет шва, принимаемый по табл. 38 при tпл = 50 мм;

Rwf = 21,5 кН/см² - расчетное сопротивление углового шва по металлу шва, определяемое по табл. Г.2 для электродов Э50;

Rwz = 0,45 · Run = 0,45 · 45 = 20,25 кН/см² - расчетное сопротивление углового шва по металлу границы сплавления;

Run = 45 кН/см² - нормативное временное сопротивление, определяемое по табл. В.5 для стали С345 при tпл = 50 мм; ;

У lw - расчетная длина сварного шва:

см

кН/см.

кН/см.

Фундаментные болты принимаем конструктивно d = 30 мм из стали 09Г2С по ГОСТ 19281-73*, диаметр отверстий для болтов dотв = 45 мм.

11. Расчет колонны сквозного сечения

Сечение колонны проектируем из двух ветвей: швеллеров (или двутавров); ветви соединяются между собой при помощи планок (см. рис.13.1).

Расчетные длины колонны: м; м. Усилие в колонне

кН. Сталь С345 по ГОСТ 27772-88.

11.1 Подбор сечения колонны

Выполним расчёт колонны относительно материальной оси х.

Из условия общей устойчивости определяем требуемую площадь:

.

Задаемся гибкостью в первом приближении:

Принимаем ; для стали С345 по табл. В.5 определяем расчетное сопротивление по пределу текучести кН/см, принимая в первом приближении толщину полки ветви колонны мм.

Условная гибкость колонны:

.

По условной гибкости находим коэффициент устойчивости при центральном сжатии = 0,884 по табл. Д.1 для типа сечения b

Исходя из условия общей устойчивости, определяем требуемую площадь сечения колонны:

см

По сортаменту ГОСТ 8240 - 89 принимаем 2 швеллера 30П.

Определяем геометрические характеристики сечения:

см; см; см; см; см;

см;мм; см; см; см.

Проверяем сечение:

Гибкость относительно материальной оси х:

.

Уточняем кН/см по табл. В.5 при мм для С345. Определяем условную гибкость

.

По условной гибкости находим коэффициент устойчивости при центральном сжатии 0,969 по табл. Д.1 для типа сечения b.

Проверяем общую устойчивость стержня колонны относительно оси х:

кН/см< < кН/см

- общая устойчивость сквозной колонны относительно материальной оси х обеспечена.

Расчёт относительно оси y - свободной оси заключается в определении расстояния между ветвями из условия равноустойчивости .

Гибкость относительно свободной оси:

- для колонн с планками по табл. 8;

Отсюда

.

Задаемся гибкостью ветви

Принимаем ;

Расстояние между ветвями:

см; по табл. 8.1

Принимаем

; см; мм;

Проверяем сечение относительно свободной оси:

Ширина соединительных планок

мм,

принимаем см; мм; мм, принимаем 490 мм.

Приведенная гибкость определяем по табл. 8:

,

где .

Расстояние между центрами планок

см.

Момент инерции сечения планки относительно собственной оси x - x

см.

Момент инерции ветви см.

Момент инерции сечения колонны относительно свободной оси у - у

=12782,82 см;

радиус инерции

см;

гибкость относительно оси у - у

.

Гибкость ветви

.

Приведённая гибкость

; 22,36

Условная приведенная гибкость

;

- коэффициент устойчивости при центральном сжатии для , тип сечения b по табл. Д.1.

Проверка общей устойчивости колонны сквозного сечения относительно свободной оси:

кН/см < кН/см

- общая устойчивость колонны обеспечена.

11.2 Расчет планок

см; см; мм; см.

Условная поперечная сила - по табл. 8.2

 кН

Поперечная сила, приходящаяся на планку одной грани:

кН

Изгибающий момент в месте прикрепления планки:

кНсм

Поперечная сила в месте прикрепления планки:

кН

Сталь планки принимаем С345.

Проверяем сечение планки:

кН/см < кН/см.

кН/см < кН/см

кН/см < кН/см.

Крепление планки к ветвям осуществляется угловыми сварными швами.

Принимаем ручную сварку, по табл. Г.1 принимаем электроды Э50; по табл. Г.2 кН/см; , по табл. 39; мм по табл. 38, мм; мм мм.

Принимаем мм

Проверяем сварные швы:

по металлу шва:

;

см;

кН/см;

кН/см.

Суммарное напряжение в шве:

кН/см< 21,5 кН/см

по металлу границы сплавления:

кН/см; кН/см;

кН/см > кН/см

поэтому проверку швов по металлу границы сплавления можно не выполнять.

В соответствии с требованиями п. 15.3.5 ширину концевых планок в сквозной колонне принимают равной

см,

принимаем мм.

11.3 Проверка сечения колонны на участке между планками

Расчётная длина ветви см, - расстояние между планками;

м

Гибкость относительно оси х

Гибкость относительно оси у

,

условная гибкость

< 1,4

Максимальная гибкость ;

условная гибкость:

;

Проверяем общую устойчивость ветви на участке между планками:

кН/см < кН/см

- общая устойчивость ветви обеспечена.

11.4 Расчёт оголовка колонны сквозного сечения

На колонну сквозного сечения главные балки опираются сверху, такое сопряжение - свободное. Оголовок сквозной колонны состоит из опорной плиты и ребер.

Толщину плиты принимаем конструктивно мм. Вертикальное ребро приваривается к плите и к стенке колонны.

Сварку принимаем ручную электродом Э50, кН/см;

 кН/см.

1. Швы, прикрепляющие ребро оголовка к плите, должны выдерживать полное давление на оголовок.

Высота катета шва по металлу шва:

см.

Высота катета по металлу границы сплавления:

см.

По расчетам высота катета шва мм требуется очень большая, поэтому верхний торец колонны фрезеруем, а высоту катета шва принимаем конструктивно мм.

2. Высота ребра оголовка определяется требуемой длиной швов, передающих нагрузку на стержень колонны

;

см,

принимаем мм

см;

кН/см < кН/см,

поэтому расчёт по металлу шва определяющий.

см = 37,65+1 = 38,65 39 см;

3. Толщину ребра оголовка определим из условия сопротивления на смятие под полным опорным давлением

; кН/см;

где - расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности;

кН/см - нормативное временное сопротивление стали С345 при мм табл. В.5;

=1,025 - коэффициент надежности по материалу табл. 3;

см - ширина передачи давления;

см;

см. Принимаем мм.

Уточняем . При мм кН/см.

4. Проверяем ребро на срез:

; кН/см;

кН/см < кН/см.

Размеры плиты оголовка принимаем конструктивно, в зависимости от размеров колонны и условия размещения угловых сварных швов 370х350х20.

Вертикальные ребра снизу обрамляют горизонтальными ребрами, чтобы придать жесткость ребрам, поддерживающим опорную плиту, и укрепить от потери устойчивости в местах передачи сосредоточенных нагрузок.

Опорная плита оголовка передает давление от вышележащих конструкций на ребра оголовка и служит для скрепления балок с колонной монтажными болтами Ш 20 мм, фиксирующими проектное положение балок. Крепление главных балок друг к другу выполняется болтами нормальной точности Ш 20 мм.

11.5 Расчёт башмака для колонны сквозного сечения

Для колонны сквозного сечения принимаем базу с распределительным устройством.



Требуемая площадь опорной плиты:

.

Усилие в колонне кН. Расчётное сопротивление бетона фундамента смятию

.

Призменная прочность бетона кН/см по табл. 13, класс бетона фундамента В10.

Принимаем ; Rb,loc = Rb · г = 0,6 · 1,4 = 0,84 кН/см².

Площадь плиты:

см.

Принимаем толщину траверсы мм; свес мм, тогда ширина плиты

см;

длина плиты

см.

Принимаем см.

Назначаем размеры фундамента:

Вф = 560 + 300 = 860 мм. Lф = 500 + 300 = 800 мм.

Площадь опорной плиты и верхнего обреза фундамента:

Апл = В · L = 56 · 50 = 2800 см²; Аф = Вф · Lф = 86 · 80 = 6880 см².

Уточняем коэффициент, учитывающий местное сжатие бетона, и расчетное сопротивление бетона смятию:

г = = = 1,35

Rb,loc = Rb · г = 0,6 · 1,35 = 0,81 кН/см²

Давление под подошвой фундамента:

кН/см < кН/см

Траверсы делят плиту на ряд участков:

В соответствии с п. 8.6.2 определяем моменты на отдельных участках плиты:

1 участок - плита опирается на 4 канта

; см - большая сторона пластинки;

при - по табл. Е.2 , ;

кНсм;

кНсм.

2 участок - плита опирается на 3 канта

; мм; мм - свободная сторона пластинки,

при - по табл. Е.2 таких значений нет, поэтому плита рассчитывается как консоль:

кНсм.

3 участок - плита рассчитывается как консоль

кНсм.

Максимальный момент кНсм.

Толщина плиты ; по табл. 1, п. 9.а для плит из стали с кН/см толщиной до 40 мм;

при мм, кН/см при мм;

Rу = 30 кН/см² - расчетное сопротивление стали по пределу текучести 1, табл. В.5 при tпл = 20…40 мм.

см.

По сортаменту принимаем мм по ГОСТ 82 - 70.

2. Определяем высоту траверсы из условия размещения вертикальных сварных швов:

по металлу шва:

см;

по металлу границы сплавления:

+ 1 см;

n =4 - количество вертикальных швов.

Сварка ручная, тип электрода Э50 по табл. Г.1 для С345;

кН/см по табл. Г.2 для Э50;

; кН/см по табл. В. 5 при мм;

кН/см;

; по табл. 39; см;

мм по табл. 38 при мм. Принимаем мм.

кН/см; кН/см

19,35 кН/см< 21,15 кН/см определяющий расчет по металлу шва.

=38,57 см =39см;

см < 0,85·см.

Проверка траверсы.

кН/см;

Опорная реакция

кН.

Опорный момент

кНсм.

Момент сопротивления траверсы:

см

Нормальные напряжения

кН/см

Касательные напряжения

кН/см.

Приведенные напряжения:

кН/см

< кН/см

Проверяем сечение траверсы в середине пролета:

кНсм

Нормальные напряжения:

кН/см< кН/см,

прочность траверсы обеспечена.

Принимаем 4 фундаментных болта Ш 30 мм, диаметр отверстия 45 мм, болты из стали 09Г2С по ГОСТ 19281-73. Конструктивно принимаем катет швов для крепления траверсы к опорной плите мм.

Список литературы

Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ [Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева и др.]; под ред. Ю.И. Кудишина. - 9-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский центр "Академия", 2007.

Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций: Учеб. пособие для строит. вузов / В.В. Горев, Б.Ю.Уваров, В.В. Филиппов и др.; Под ред. В.В. Горева. - М.: Высш. шк., 1997.

СП 20. 13330. 2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. / Министерство регионального развития РФ. - М.: 2011.

СП 16. 13330. 2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. / Министерство регионального развития РФ. - М.: 2011.

Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Общая часть. (Справочник проектировщика) / Под общ. ред. В.В. Кузнецова (проектстальконструкция им. Н.П. Мельникова) - М.: изд-во АВС, 1998.

СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции/ Госстрой России.- М.: ГУП НИИЖБ Госстроя России, 2004.

Размещено на Allbest.ru