Конструирование и расчет металлических конструкций технологической площадки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра металлических, деревянных и пластмассовых конструкций

Курсовая работа по дисциплине проектирование сварных конструкций

на тему: «Конструирование и расчёт металлических конструкций технологической площадки»

Выполнил: студент гр. ФМ-486

Лосев А.Д.

Проверил: Тиньгаев А. К.

Челябинск, 2011 г.

Содержание

Аннотация

Введение

Исходные данные для проектирования

1. Выбор стали и сварочных материалов

1.1 Выбор стали несущих конструкций

1.2 Выбор сварочных материалов

2. Расчёт стального настила

2.1 Расчёт плоского настила

2.2 Расчёт балки настила по прочности

2.3 Расчёт балки настила по жёсткости

2.4 Расчёт веса настила

3. Расчёт и конструирование главной балки

3.1 Определение расчётных усилий

3.2 Компоновка и подбор сечения балки

3.3 Проверка прочности балки

3.4 Проверка жёсткости и устойчивости балки

3.5 Проверка местной устойчивости элементов балки

3.6 Расчёт поясных швов главной балки

3.7 Конструирование и расчёт укрупнительного стыка балки

3.8 Конструирование и расчёт опорного узла балки

3.9 Конструирование и расчёт сопряжения балки настила с главной балкой

4. Конструирование и расчёт центрально сжатой колонны

4.1 Выбор расчётной схемы

4.2 Компоновка сечения сквозной колонны

4.3 Конструирование и расчёт базы

4.4 Конструирование и расчёт оголовка

Заключение

Литература

Аннотация

балка сечение конструирование стык

Курсовая работа состоит из пояснительной записки и двух листов с чертежами формата А2.

Пояснительная записка имеет следующие разделы:

1) конструктивная схема технологической площадки;

2) выбор стали для несущих конструкций площадки;

3) вариантное проектирование стального настила и балок настила при разном шаге балок по условию минимума затрат материала;

4) статический расчет главной балки, подбор ее сечения, проверка прочности, жесткости, общей устойчивости и местной устойчивости элементов балки;

5) расчет центрально сжатой колонны, подбор сечения, проверка прочности и устойчивости;

6) конструирование и расчет узлов площадки:

а) опирание балки настила на главную балку;

б) опирание настила на балки;

в) опирание главной балки на колонну и колонны на фундамент;

г) монтажный стык балки.

Графическая часть состоит из двух листов формата А2: стадия КМ и стадия КМД.

Введение

Металлические конструкции благодаря своим высоким технико-экономическим качествам применяются во всех отраслях промышленности. Широкое использование в строительстве металлических конструкций позволяет проектировать сборные элементы зданий с 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 надежный путь для передачи силовых потоков. При этом каждый конструктивный элемент, конструкция и сооружение в целом должны удовлетворять комплексу условий: прочности, устойчивости, жесткости, 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 расчетов элементов с фиксированными геометрическими параметрами и идеализированными схемами работы, свойствами материала, условиями нагружения.



Исходные данные для проектирования

Запроектировать технологическую площадку, представленную на рис. 1.

Шифр задания - 3332.

На конструкцию действуют следующие нагрузки:

1) постоянные нагрузки - 0,5 кПа;

2) временные нагрузки - 19 кПа.

Максимальная строительная высота перекрытия - 1,6 м.

Отметка верха перекрытия - 9,5 м.

Место строительства - г. Магадан.

Температура самой холодной пятидневки = -31 °С.

1. Выбор стали и сварочных материалов

1.1 Выбор стали несущих конструкций

Стали для строительных конструкций принимают по табл. 50 (СНиП II-23-81*) в зависимости от степени ответственности конструкций зданий и сооружений, условий их эксплуатации и климатического района строительства.

Место строительства - город Магадан, где температура самой холодной пятидневки Т = -31 °С. Климатический район II₄ (-30 > t ? - 40)

Таблица 1

Элемент конструкции	№ группы	Сталь	Ryn, МПа	Run, МПа	Ry, МПа	Ru, МПа
Колонна	3	С235 ГОСТ 27772-88	225	360	220	350
Главная балка	2	С255 ГОСТ 27772-88	235	370	230	360
Балка настила	3	С235 ГОСТ 27772-88	235	360	230	350
Настил	3	С235 ГОСТ 27772-88	245	380	240	370

1.2 Выбор сварочных материалов

1. Для сварки поясных швов главной балки будем использовать автоматическую сварку под слоем флюса. Марку флюса выбираем из табл. 55.

Для стали С235 используем флюс АН-60. Сварочная проволока Св-08ГА d = 4 мм. в_f = 1,1; в_z = 1,15; г_wf = 1; г_wz = 1; г_c = 1,1 - коэффициенты условия работы.

2. При монтаже используем ручную дуговую сварку штучными электродами Э50. R_wf = 180 МПа; R_wz = 0,45·R_un = 171 МПа; в_f = 0,7; в_z = 1; г_wf = = 1; г_wz = 1.

3. Рёбра жёсткости (сталь С375) сваривают механизированной сваркой в среде СО₂. Сварочная проволока Св-08А d = 1,4 мм. в_f = 0,9; в_z = = 1,05; г_wf = 1; г_wz = 1; г_c = 1,1 - коэффициенты условия работы.

2. Расчет стального настила

2.1 Расчёт плоского настила

В данной конструкции настила примем схему, представляющую собой гибкую пластину, шарнирно прикреплённую к несмещаемым опорам (рис. 2), так называемый плоский настил. В такой схеме настил воспринимает наряду с изгибными и осевые растягивающие напряжения, возникающие в результате несмещаемости опор и появления распора.

Коэффициент надёжности по временной нагрузке г_fp = 1,2, коэффициент надёжности по постоянной нагрузке г_fg = 1,05 и коэффициент условия работы г_c = 1,1. Таблица 34.

Методика расчёта плоского стального настила основана на представлении его работы как гибкой пластины, изгибаемой по цилиндрической поверхности.

При нагрузках, не превышающих 50 кН/м², и предельном относительном прогибе [f_u/l] не более 1/150 фактором, определяющим толщину плоского настила является жёсткость, поэтому расчёт ведёт на нормативную нагрузку.

Рис. 2 Расчётная схема плоского настила

Толщину листа настила можно определить по формуле:

, (1)

где l_n - пролёт настила (расстояние между балками настила);

t_n - толщина настила;

d = l_n/f_u = 150 - допустимое отношение пролета настила к его предельному прогибу при 1 < l ? 3 м;

d = l_n/f_u = 120 - допустимое отношение пролета настила к его предельному прогибу при l ? 1 м.

, (2)

где Е₁ - модуль упругости при отсутствии поперечной деформации;

н = 0,3 - коэффициент Пуассона;

Е = 2,05·10⁴ кН/см² - модуль упругости.

.

. (3)

Устанавливаем два варианта шага балок настила - 1,04 и 1,3 м.

Определяем толщину настила для каждого шага балок настила:

, откуда м;

, откуда м.

Назначаем в соответствии с сортаментом следующие толщины настила:

1-й вариант - t_n1 = 8 мм; 2-й вариант - t_n2 = 10 мм.

Размеры настила: ширина 15 м, длина 26 м.

Исходя из этого, находим, что:

1) при l_n = 1,04 м - 25 балок, 24 пролёта;

2) при l_n = 1,3 м - 20 балка, 19 пролётов.

Силу распора Н, на действие которой проверяют сварные швы, присоединяющие настил к балкам, определяют по формуле:

, (4)

1-й вариант: Н = 0,25·1,2·3,14²·(1/150)²·2,26·10⁸·0,0098 = 267,6 кН/м.

2-й вариант: Н = 0,25·1,2·3,14²·(1/150)²·2,26·10⁸·0,0123 = 356,9 кН/м.

Расчётное значение катета углового шва, прикрепляющего настил к балкам, определяют по формулам:

, (5)

, (6)

где R_wf, R_wz - расчётное сопротивление сварных угловых швов по металлу шва и по металлу границы сплавления соответственно, принимаемые по табл. 3;

в_f, в_z - коэффициенты, принимаемые по табл. 34;

г_wf, г_wz - коэффициенты условий работы сварного шва;

l_w - расчётная длина шва;

г_с - коэффициент условия работы.

R_wf = 180 МПа; R_wz = 171 МПа; в_f = 0,7; в_z = 1; г_wf = 1; г_wz = 1; г_с = 1,05.

Устанавливаем два варианта расчётной длины шва - 0,7 и 1 мм.

Принимаемый окончательный катет шва должен быть не более толщины настила.

Катет углового шва k_f, прикрепляющего настил к балкам, выполненного ручной дуговой сваркой, определяем по формулам:

1-вариант:

С учётом требований табл. 38 принимаем k_f1 = 6 мм.

2-й вариант:

С учётом требований табл. 38 принимаем k_f2 = 7 мм.

2.2 Расчёт балки настила по прочности

Каждую балку в перекрытии рассматривают раздельно, несвязанную с другой (разрезная схема). Нагрузка на балку настила передается от настила с участков перекрытия, расположенных на смежных от балки пролетах. Следовательно, ширина грузовой площади для балок настила равна шагу этих балок или пролету настила (рис. 3).

Рис. 3 К определению нагрузки на балку настила

Погонная равномерно распределенная нагрузка на балку:

1) нормативная ;

2) расчётная ,

где l_n - шаг балок настила;

p_n = 19 кН/м - нормативная временная нагрузка;

g_n = 0,5 кН/м - нормативная постоянная нагрузка;

г_fp = 1,2 - коэффициент надёжности по временной нагрузке (табл. 34);

г_fg = 1,05 - коэффициент надёжности по постоянной нагрузке (табл. 34).

Подставляя значения в формулы, получим:

q_n1 = (19+0,5)·1,04 = 20,3 кН/м; - нормативная;

q₁ = (1,2·19+1,05·0,5)·1,04 = 24,23 кН/м; - расчетная;

q_n2 = (19+0,5)·1,3 = 25,35 кН/м; - нормативная;

q₂ = (1,2·19+1,05·0,5)·1,3 = 30,32 кН/м. - расчетная.

Подбор сечения балок настила проводят по максимальному изгибающему моменту:

M = 0,125·q·l²; Q = 0,5·q·l, (7)

где q - погонная равномерно распределенная расчетная нагрузка;

l = 5 м - пролёт балки (рис. 3).

M₁ = 0,125·q₁·l² = 0,125·24,23 ·25 = 75,72 кН·м;

Q₁ = 0,5·q₁·l = 0,5·24,23 ·5 = 60,56 кН;

M₂ = 0,125·q₂·l² = 0,125·30,32 ·25 = 94,75 кН·м;

Q₂ = 0,5·q₂·l = 0,5·30,32 ·5 = 75,80 кН.

Далее определяем требуемый момент сопротивления, по которому и находим из сортамента нужную балку. Сечение балки принимаем двутавровое. Тип балки - двутавр стальной горячекатаный с параллельными гранями полок по ГОСТу 26020-83.

Требуемый момент сопротивления при допущении пластических деформаций определяется по формуле:

, (8)

где с₁ = 1,1 - коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций по сечению;

R_у = 230 МПа - расчетное сопротивление стали по пределу текучести;

г_с = 1,1 - коэффициент условия работы.

W_х1 = M₁/(c₁·R_y·г_c) = 75720/(1,1·230·10⁶·1,1) = 272,1 см³;

балка - № 26Б1 (W = 312,0 см³, I = 4024 см⁴);

W_х2 = M₂/(c₁·R_y·г_c) = 94750/(1,1·230·10⁶·1,1) = 340,5 см³;

балка - № 26Б2 (W = 356,6 см³, I = 4654 см⁴).

В результате получаем 2 варианта балок:

1) l_n = 1040 мм - 25 балок, 24 пролёта;

балка - № 26Б1 (W = 312,0 см³ линейной плотностью 28,0 кг/м);

2) l_n = 1300 мм - 20 балок, 19 пролётов;

балка - № 26Б2 (W = 356,6 см³ линейной плотностью 31,2 кг/м).

2.3 Расчёт балки настила по жёсткости

Подбор сечений прокатных балок по жесткости идет на основе требуемой величины предельного относительного прогиба ([f_u/l] = 1/200), который определяется по табл. 19 (СНиП 2.01.07-85), и предельного момента инерции сечения данной балки.

Балка - № 23Б1, I = 2996 см⁴.

Балка - № 26Б1, I = 4024 см⁴.

Проверка по жёсткости осуществляется по формуле:

, (9)

где q_n - погонная равномерно распределенная нормативная нагрузка;

[f_u/l] = 1/200 - предельный относительный прогиб;

l = 5 м - пролёт балки.

Тогда, по условию (9), получаем следующие значения прогибов:

1) ;

2) .

Жёсткость балок обеспечена.

Таким образом, после проверки балок настила по жесткости получаем два варианта балок:

1) l_n = 1040 мм - 25 балок, 24 пролёта;

балка - № 23Б1 (W = 260,5 см³ линейной плотностью 25,8 кг/м);

2) l_n = 1300 мм - 20 балок, 19 пролётов;

балка - № 26Б1 (W = 312 см³ линейной плотностью 28 кг/м).

Расчет балки настила на общую устойчивость производить не нужно, т.к. настил приваривается к верхнему сжатому поясу. Местная устойчивость гарантирована, т.к. балка - прокатный двутавр.

2.4 Расчёт веса настила

Таблица 2

№ п/п	Балки	Настил	Итого
	№ двутавра	кол-во	длина, м	линейная плотность кг/м	Общий вес балок, кг	толщина, м	площадь, м2	вес, кг	вес, кг
1	23Б1	25	15	25,8	9675	0,009	390	27553	37228
2	26Б1	20	15	28	8400	0,012	390	36738	45138

Примечание: принимаем плотность стали 7850 кг/м³.

Таким образом, принимаем настил с наименьшим весом, а именно по первому варианту:

l_n = 1040 мм - 25 балок, 24 пролёта;

балка - № 23Б1 (W = 260,5 см³ линейной плотностью 25,8 кг/м);

толщина настила - 9 мм.

3. Расчет и конструирование главной балки

3.1 Определение расчётных усилий

Расчётная схема главной балки и эпюры внутренних силовых факторов представлены на рис. 4.

Для главной балки принимаем материал 2-й группы ответственности.

Пролёт балки - 26 м. Тип сечения - симметричный сварной двутавр из листового проката. Сталь С255 ГОСТ 27772-88, R_yn = 235 МПа, R_un = 370 МПа, R_y = 230 МПа, R_u = 360 МПа. Предельный прогиб балки f_u = l/150.

При расчёте усилий, если а < 2 м (пролёт балок настила), сосредоточенная нагрузка от балок рассматривается как распределённая постоянная расчётная нагрузка и рассчитывается по формуле:

, (10)

где g_n = 0,45 кН/м² - нормативная постоянная нагрузка;

г_fg = 1,05 - коэффициент надёжности по постоянной нагрузке;

l = 5 м - пролёт балки настила.

А временная - рассматривается как распределённая временная расчётная нагрузка и рассчитывается по формуле:

, (11)

где p_n = 16 кН/м² - нормативная временная нагрузка;

г_fp = 1,2 - коэффициент надёжности по временной нагрузке.

При расчёте изгибающих моментов в межопорной части изгибающие моменты находятся как сумма моментов, возникающих в этой части, от распределённых постоянной и временной расчётных нагрузок. В консольной части - только от распределённой постоянной расчётной нагрузки. Это делается для того, чтобы не учитывать уменьшение момента при нагружении консоли временной нагрузкой.

Но при расчёте поперечных сил силы рассчитываются как внутренние силовые факторы, возникающие от действия тех же сил, но по всей длине балки. Таким образом, нагрузка на всю балку равна (рис. 4):

. (12)

3.2 Компоновка и подбор сечения балки

Проектирование составных балок выполняют в два этапа: на первом - компонуют и подбирают сечение, на втором - проверяют прочность и устойчивость балки в целом 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.

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

, (13)

где k - коэффициент, равный для сварных балок 1,15…1,2, принимаем k = 1,18;

t_w - толщина стенки, её принимаем предварительно по эмпирической формуле:

t_w = 7+0,003·h, (14)

где h = (1/8…1/15)·l₁, l₁ = 19 м - расстояние между опорами;

h = 1/10·19 = 1,9 м t_w = 7+0,003·1900 = 12,7 мм = 1,27 см.

Принимаем t_w = 1,4 см.

W_d = M_max/R_y·г_c - требуемы момент сопротивления сечения балки,

где M_max = 3836,04 кН·м - максимальный изгибающий момент;

R_y = 230 МПа - расчётное сопротивление стали по пределу текучести;

г_с = 1,1 - коэффициент условия работы.

.

Таким образом, находим высоту стенки: .

2. Минимальная, из условия обеспечения жёсткости, высота балки для двухконсольной схемы:

, (15)

где R_y = 230 МПа - расчётное сопротивление стали по пределу текучести;

г_с = 1,1 - коэффициент условия работы;

l₁ = 19 м - расстояние между опорами;

[l/f_u] = 250 - предельный прогиб (по табл. 19, СНиП 2.01.07-85);

p_n = 16 кН/м² - нормативная временная нагрузка;

g_n = 0,45 кН/м² - нормативная постоянная нагрузка;

г_fp = 1,2 - коэффициент надёжности по временной нагрузке (табл. 34);

г_fg = 1,05 - коэффициент надёжности по постоянной нагрузке (табл. 34).

.

Данное значение минимальной высоты сечения меньше оптимального значения и отличается на 14,7%, а также не превышает заданную строительную высоту h_стр = 1,6 м.

Исходя из этого, принимаем высоту балки h = 120 см.

3. После установления высоты балки определяют минимальную толщину стенки из условия её работы на срез:

, (16)

где k = 1,2 - при наличии консольных участков и при включении в работу только стенки без учёта поясов;

Q_max = 934,42 кН - максимальное значение поперечной силы;

h_w - высота стенки, принимаем: h_w = h - (0,04…0,05) = 1,15 м;

R_s = 0,58·R_y = 0,58·230 = 133,4 МПа - расч. сопротивление стали на срез;

.

t_w = 14 мм > t_w.min = 6,6 мм (условие выполняется).

Принимаем толщину стенки - 14 мм.

Местная устойчивость стенки без дополнительного ее укрепления ребрами жесткости будет обеспечена, если:

, (17)

(условие выполняется).

Установив размеры стенки, определяем требуемую площадь сечения поясов:

, (18)

где - расстояние между центрами тяжести полок.

Момент сопротивления полок находим по следующим формулам:

;

;

момент инерции стенки:

;

момент сопротивления поясов:

;

необходимая площадь поясов:

.

Рис. 5 Сечение главной балки

По полученной площади назначаем ширину b_f и толщину t_f пояса с учётом требований для сжатых поясов:

.

Принимаем b_f = 44 см.

Для сжатых поясов их размеры должны удовлетворять условию, определяемому по таб. 30 (СНиП II-23-81*):

, где , тогда .

> 7,3 - условие выполняется.

Кроме того, должны выполняться следующие условия:

- условие выполняется;

, b_f - лежит в этих пределах;

, - условия выполняются.

Окончательно принимаем следующие размеры поясов:

t_f = 2,5 см; b_f = 44 см; A_f = 106 см².

3.3. Проверка прочности балки

Проверку прочности проводим в соответствии положениями п. 5.12., 5.13., 5.14., 5.18 (СНиП II-23-81*). Проверяем балку в середине пролета в сечении действия максимального момента. Определяем геометрические характеристики:

Момент инерции сечения:

. (19)

Статический момент полусечения принятого сечения балки:

. (20)

Момент сопротивления:

. (21)

Проверка прочности:

;

,

где г_с = 1,1 - коэффициент условия работы;

M_max = 3836,04 кН/м - максимальный изгибающий момент, действующий на балку;

Q_max = 934,42 кН - максимальная поперечная сила, действующая на балку.

Проверяем прочность стенки балки на совместное действие касательных и нормальных напряжений. Согласно п. 5.14* (СНиП II-23-81*), для стенок балок, рассчитываемых по предыдущей формуле, должно выполняться условие:

, (22)

где у_х и ф_ху - нормальное и касательное напряжения в месте стыка балок, в крайней части стенки (на уровне поясных швов):

; (23)

;(24)

. (25)

Условия прочности выполняются.

3.4 Проверка жёсткости и устойчивости балки

Проверку прогиба балки делать не нужно, так как принятая высота сечения больше минимальной.

Проверку устойчивости балки проводим в соответствии с положением п. 5.15 и по табл. 8* (СНиП II-23-81*). Проверку устойчивости проводить нет необходимости, так как отношение расчетной длины l_ef к ширине сжатого пояса b не превышает значений, определенных в табл. 8*. Нагрузка приложена к верхнему поясу, получаем:

и ; (26)

, (27)

где h₀ = 117,5 см - расстояние между осями поясных швов;

b = 44 см, t = 2,5 см - ширина и толщина сжатого пояса;

l_ef = 104 см - расчётная длина балки - расстояние между балками настила;

- условие выполняется;

- условие выполняется.

Таким образом:

.

Условие выполняется, устойчивость обеспечена.

3.5 Проверка местной устойчивости элементов балки

В целях обеспечения местной устойчивости стенку балки необходимо укреплять поперечными рёбрами жёсткости в соответствии с требованиями п. 7.3 (СНиП II-23-81*).

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 табл. 30 (СНиП II-23-81*).

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.

, (28)

где - условная гибкость стенки;

t_w = 1,4 см - толщина стенки;

h_ef = h_w = 115 см - расстояние между поясами;

- условие выполняется.

Следовательно, расчёт на устойчивость стенки балки не требуется.

3.6 Расчёт поясных швов главной балки

Рис. 6 К расчёту 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:

; (29)

, (30)

где г_wf = 1; г_wz = 1; г_c = 1,1 - коэффициенты условия работы;

в_f = 1,1; в_z = 1,15 - коэффициенты, принимаемы по табл. 34* (СНиП II-23-81*) при сварке элементов из стали с пределом текучести до 540 МПа;

I = 936779,1 см⁴ - осевой момент инерции сечения балки;

Q = 934,42 кН - поперечная сила, действующая на балку;

- статический момент брутто пояса;

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

, (31)

где R_wun = 440 МПа - нормативное сопротивление металла шва для сварочной проволоки, для автоматической и полуавтоматической сварки (по ГОСТ 2246-70, СНиП II-23-81*, табл. 3 и 4*);

г_wm = 1,35 - коэффициент надёжности по металлу (по табл. 3).

.

R_wz - 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 5 мм. Так как по расчету получилось меньше, то принимаем минимально допустимую величину - 5 мм.

3.7 Конструирование и расчет 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 величины изгибающего момента M и поперечной силы Q в месте стыка. В месте стыка M = 3763,34 кН·м, Q = 98,36 кН.

Стык осуществляем высокопрочными болтами (СНиП II-23-81*, табл. 61*), d = 20 мм, из стали 40Х «селект», имеющей R_bun = 1100 МПа - наименьшее временное сопротивление. Обработка поверхности - газопламенная. Тогда несущая способность болта, имеющего две плоскости трения, находится по формуле (СНиП II-23-81*, п. 11.13*):

, (32)

где R_bh = 0,7· R_bun = 0,7·1100 = 770 МПа - расчётное сопротивление болта растяжению (СНиП II-23-81*, формула 3);

A_bn = 2,45 см² - площадь сечения болта (СНиП II-23-81*, табл. 62*);

г_b = 1 - коэффициент условия работы болтового соединения;

г_h = 1,12 - коэффициент надёжности (СНиП II-23-81*, табл. 36*);

м = 0,42 - коэффициент трения (СНиП II-23-81*, 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.

1. Стык поясов.

Каждый пояс балки перекрываем тремя накладками сечениями:

1-я - 360х440х16 мм;

2-я и 3-я - 360х150х16 мм.

Общая площадь сечения накладок определяется по формуле:

.

Тогда момент, действующий на пояс равен:

, (33)

где - момент инерции поясов сечения в месте стыка:

; (34)

- момент инерции всего сечения: .

Тогда: .

Тогда усилие в поясе находится по формуле:

. (35)

Количество болтов для прикрепления накладок:

. (36)

Принимаю 22 болта на одну полунакладку. Болты ставятся на минимальном расстоянии друг от друга (2,5…3)·d = 2,5·20 = 50 мм - чтобы уменьшить размеры накладок. Так же по п. 12.19 (СНиП II-23-81*) расстояние от центра болта до края элемента равно 2·d = 2·20 = 40 мм.

2. Стык стенки.

Стенку балки перекрываем двумя накладками сечением 260х1110х10 мм. Причем их суммарная площадь сечения должна быть не меньше площади сечения стенки: .

Момент, действующий на пояс равен:

, (37)

где - момент инерции стенки сечения в месте стыка:

; (38)

- момент инерции всего сечения: .

Тогда: .

Принимаем расстояние между крайними по высоте рядами болтов:

.

Находим по следующей формуле коэффициент стыка:

, (39)

где m - количество вертикальных рядов болтов на одной половине накладки (из-за конструктивных соображений не меньше двух), принимаем m=3.

Тогда: Из табл. 7.8 (учебник «Металлические конструкции» под ред. Е. И. Беленя) находим что, количество рядов болтов по горизонтали k = 10 и б = 2,04. То есть, принимаем 10 рядов. Отсюда шаг болтов равен 111 мм. Тогда a_max = 9·111 = 999 мм.

Стык стенки проверяем на действие изгибающего момента:

, (40)

где .

Тогда: .

Условие выполняется, прочность болтового соединения стенки обеспечена.

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

, (41)

Проверку прочности ведем для крайних по вертикали болтов ряда

, (42)

Условие прочности выполняется.

Проверяем ослабление растянутого пояса отверстиями под болты d₀ = = 22 мм (на 2 мм больше диаметра болта).

Пояс ослаблен двумя отверстиями по краю стыка:

. (43)

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, так же двумя отверстиями:

. (44)

Согласно п. 11.14 (СНиП II-23-81*):

. Условие выполняется.

3.8 Конструирование и расчет опорного узла балки

Рис. 10 Опорный узел балки

Сопряжение главной балки с колонной.

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

, (45)

где R_p - расчётное сопротивление смятию торцевой поверхности;

R_p = R_un/г_m = 370/1,025 = 379,25 МПа - для стали С255;

F = 1278,68 кН - опорная реакция балки.

.

Принимаю ребро 200x16 мм, тогда . Проверяем опорную стойку балки на устойчивость относительно оси Z. Определяем ширину участка стенки, включённого в работу опорной стойки:

, (46)

где t_w = 1,6 см - толщина стенки.

Тогда: .

Определяем площадь сечения участка стенки, включённого в работу:

. (47)

Определяем момент инерции этого сечения:

. (48)

Радиус инерции:

. (49)

Гибкость:

. (50)

По значению гибкости л, исходя из таблицы 72 (СНиП II-23-81*), определяем коэффициент ц продольного изгиба центрально-сжатого элемента. ц = 0,883. Тогда определяем устойчивость, исходя из формулы:

, (51)

где F = 1278,68 кН - опорная реакция балки.

Тогда: . Устойчивость заданного ребра обеспечена.

Рассчитываем двусторонние сварные швы при соединении ребра к стенке. Выбираем в·R_w·г_w - min из в_f·R_wf·г_wf и в_z·R_wz·г_wz.

Сварка автоматическая «в лодочку»,

где г_wf = 1; г_wz = 1; г_c = 1,1 - коэффициенты условия работы;

в_f = 1,1; в_z = 1,15 - коэффициенты, принимаемы по табл. 34* (СНиП II-23-81*) при сварке элементов из стали с пределом текучести до 540 МПа;

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

,

где R_wun = 410 МПа - нормативное сопротивление металла шва для сварочной проволоки, для автоматической и полуавтоматической сварки (по ГОСТ 2246-70, СНиП II-23-81*, табл. 3 и 4*);

г_wm = 1,35 - коэффициент надёжности по металлу (по табл. 3).

.

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

.

Получаем: МПа; МПа.

Теперь по следующей формуле определяем необходимый катет сварного шва:

, (52)

Сварка автоматическая «в лодочку»:

F = 1278,68 кН - опорная реакция балки;

(в·R_w·г_w)_min = 183,7 МПа;

l_w = 4·(h_w - 0,01) = 4·(1,15 - 0,01) = 4,56 м.

Тогда: .

По табл. 38 (СНиП II-23-81*) катет сварного шва при автоматической сварке должен быть не менее 6 мм. Так как по расчету получилось меньше, то принимаем минимально допустимую величину - 6 мм.

3.9 Расчет и конструирование сопряжения балки настила с главной балкой

Рис. 8 Опирание балки настила на главную балку

Примем вид сопряжения балок - поэтажное опирание.

Проверку прочности проводим по формуле:

, (53)

где F = 51 кН - опорная реакция балки настила;

b = 15 см - длина передачи давления на балку настила;

k = 2,8 см - расстояние от наружной грани полки до начала внутреннего закругления;

t_w = 0,65 см - толщина стенки прокатного двутавра.

.

Проверку устойчивости проводим по формуле:

, (54)

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

= h/(0,29·t_w) = 349/(0,29·6,5) = 185,14; ц = 0,239;

l_ef - условная длина распределения опорного давления:

l_ef = b + 0,5·h_w = 150 + 0,5·349 = 324,5 мм.

.

4. Конструирование и расчет центрально-сжатой колонны

4.1 Выбор расчётной схемы

Для колонны балочных клеток принимаем колонну, жестко закрепленную на фундаменте и с шарнирным опиранием балок. Сечение колонны принимаем сквозным, состоящим из двух швеллеров.

4.2 Компоновка сечения сквозной колонны

Материал колонны - сталь С345 (расчетное сопротивление R_у = 220 МПа). Длина колонны l = 7,561 м (h_верх + 0,5 - h_факт = 8,5 + 0,5 - 1,439 = 7,561 м). Колонна жестко защемлена в фундаменте, опирание балок - шарнирное.

Расчетное усилие, действующее на колонну, равно опорной реакции главной балки (с учетом собственного веса) - 1334 кН.

Рис. 10 Сечение сквозной колонны

Для определения требуемой площади сечения колонны принимаем гибкость колонны л = 80 (для колонн с нагрузкой до 2500 кН). По табл. 72 (СНиП II-23-81*) находим значение ц = 0,734. Коэффициент условия работы колонны г_с = 1,1. Определяем требуемую площадь:

. (65)

.

По сортаменту прокатных профилей (ГОСТ 8240-89) находим подходящее сечение (№ 30П) со следующими геометрическими характеристиками:

A_b = 40,5 см² - площадь сечения;

линейная плотность - 31,8 кг/м;

h = 30 см; b = 10 см; s = 0,65 см; t = 1,1 см;

J_x = 5810 см⁴; W_x = 387 см³; J_y = 327 см⁴; W_у = 43,6 см³; z₀ = 2,52 см.

Проверяем устойчивость колонны относительно материальных осей х и y.

Радиусы инерции:

.

Расчет будем производить по наименьшему радиусу инерции, т.е. по i_y.

Гибкость колонны: ,

где - расчётная длина колонны;

м = 0,7 - коэффициент, учитывающий способ закрепления колонны.

Тогда

- условие выполняется.

4.3 Конструирование и расчёт базы

Конструкцию базы принимаю для колонны закрытого сечения из двух швеллеров с жестким типом закрепления.

Материал базы - сталь С375. Фундамент проектируем из бетона В7,5, следовательно, R_b = 4,5 МПа (СНиП 2.03.01-84). Для бетона класса ниже В25 . Принимаем предварительно R_b.loc = 1,5·R_b = 1,5·4,5 = 6,75 МПа и находим A_pl.

Примем предварительные размеры фундамента 700Ч800 мм и плиты 450Ч500 мм.

Тогда:

, (74)

Где:

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

A_f - площадь фундамента, на который опирается плита;

A_pl - площадь плиты;

R_b - расчетное сопротивление бетона сжатию, принимаемая по СНиП 2.03.01-84.

Находим требуемую площадь базы:

. (75)

Принятая площадь плиты удовлетворяет требуемой. Принимаем размеры плиты -- ширина B = 45 см. Тогда длина плиты L = 50 см.

Размеры фундамента 70Ч80 см.

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

Приближенный расчёт выполняем по балочной схеме и рассматриваем балку с поперечным сечением b·t_p, где b - ширина плиты у кромки колонны. Изгибающий момент в месте сопряжения плиты с колонной равен:

для участка 3 -

;

для участка 4 -

;

для участка 2 - при a₁/b₁ > 2 по формуле:

.

Рисунок 11

Коэффициент принимаем по табл. 6.8, 6.9 (учебник «Металлические конструкции» под ред. Е. И. Беленя).

По наибольшему моменту определяем требуемую толщину плиты:

. (78)

Принимаем толщину плиты t_pl = 36 мм.

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

. (79)

Выбираем в·R_w·г_w - min из в_f·R_wf·г_wf и в_z·R_wz·г_wz.

Полуавтоматическая сварка проволокой Св-08Г2С d = 1,4 мм, тогда:

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

k_f = 5 мм (по табл. 38, СНиП II-23-81*) - требуемый катет шва

(t_max = 5,1 мм - толщина стенки колонны);

г_wf = 1; г_wz = 1; г_c = 1,1 - коэффициенты условия работы;

в_f, в_z - коэффициенты, принимаемы по табл. 34* (СНиП II-23-81*) при сварке элементов из стали с пределом текучести до 540 МПа; так как сварка полуавтоматическая и d = 1,4 мм, то в_f = 0,7, в_z = 1;

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

,

где R_wun = 440 МПа - нормативное сопротивление металла шва для сварочной проволоки, для автоматической и полуавтоматической сварки (ГОСТ 2246-70, СНиП II-23-81*, табл. 3 и 4*);

г_wm = 1,35 - коэффициент надёжности по металлу (по табл. 3).

.

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

.

Получаем: в_f·R_wf·г_wf = 0,7·180·1 = 126 МПа; в_z·R_wz·г_wz = 1·171·1 = 171 МПа.

N = 1334 МПа - опорная реакция;

(в·R_w·г_w)_min = 126 МПа.

По СНиП II-23-81* находим, что катет шва должен быть не менее 4 мм.

Поэтому k_f = 5 мм.

. Принимаем h_d = 48 см.

4.4 Конструирование и расчёт оголовка

На колонну сверху свободно опираются балки. Для передачи усилия на стержень колонны между ветвями колонны предусматриваем ребро, поддерживающее плиту и передающее нагрузку на ветви колонны. Ширина опорных ребер балок 180 мм. На колонну действует продольная сила, равная опорной реакции балки N = 1334 кН. Торец колонны фрезерован. Толщину плиты оголовка принимаем равной 25 мм.

Плита поддерживается ребрами, приваренными к стенке колонны. Толщину ребер определяем из условия смятия:

, (80)

где l_r - длина сминаемой поверхности, равная ширине опорного ребра балки плюс две толщины плиты оголовка;

R_p - расчётное сопротивление смятию торцевой поверхности.

Принимаем толщину ребер t_r = 14 мм. Задаемся катетом шва k_f = 5 мм.

Сварка - полуавтоматическая в среде углекислого газа, материал - сталь С375. Сварку производим проволокой Св-08Г2С. Расчетное сопротивление металла шва R_wf = 180 МПа. Расчетное сопротивление по металлу границы сплавления R_wz = 171 МПа. Коэффициенты _f = 0,9, _z = 1,05.

.

Расчетным сечением является сечение по металлу шва.

Определяем высоту ребра по требуемой длине шва:

. (81)

Длину ребра принимаем равной 42 см.

Литература

1. Металлические конструкции / Под общей редакцией Е. И. Белени. М.: Стройиздат. 1986. 560 с.

2. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций: Учебное пособие для вузов / Под редакцией В. В. Горева. М.: Высшая школа, 1997. 527 с.

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

4. А. Д. Дедух. Альбом чертежей металлических конструкций. Част I. Общие требования к оформлению чертежей металлических конструкций. Часть II. Чертежи элементов металлических конструкций балочных клеток. Челябинск, 1993.

5. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. М., 1986.

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

Размещено на Allbest.ru