Курсовой проект - Проектирование рабочей площадки производственного здания - файл n1.docx

приобрести
Курсовой проект - Проектирование рабочей площадки производственного здания
скачать (2732.1 kb.)
Доступные файлы (2):
n1.docx664kb.07.06.2011 18:22скачать
n2.dwg

n1.docx

  1   2


СОДЕРЖАНИЕ

  1. Исходные данные ………………………………………………..……………2

  2. Выбор сталей для строительных конструкций …………………………..3

  3. Первый вариант балочной клетки …………………………………………3

    1. Расчет настила ……………………………………………………….……..3

    2. Расчет балки настила ……………..………………………………………..5

  4. Второй вариант балочной клетки…………………………………………..8

    1. Расчет балки настила ………………………………..…………………….8

    2. Расчет вспомогательной балки ………………………………………….10

  5. Расчет железобетонного настила…..………………………………………14

  6. Выбор оптимального варианта балочной клетки ……………….……...16

  7. Расчет главной балки ……………………………………………………….17

    1. Определение усилий ……………………………………………………...17

    2. Компоновка сечения………………………………………………………18

    3. Проверка прочности принятого сечения балки ………………………...21

    4. Изменение сечения балки по длине ……………………………………..23

    5. Проверка общей устойчивости балки …………………………………..25

    6. Проверка местной устойчивости элементов балки …………………….26

      1. Проверка местной устойчивости стенки балки …………..26

    7. Проверка местной устойчивости стенки балки…………………………29

    8. Проверка жесткости главной балки ……………………………………..31

    9. Расчет соединения поясов балки со стенкой ……………………………31

    10. Конструирование и расчет опорной части главной балки ………….33

    11. Проектирование монтажного стыка ………………………………….35

      1. Монтажный стык на сварке …………………………………35

      2. Монтажный стык на высокопрочных болтах ……………..37

  8. Расчет колонны ……………………………………………………..……….41

    1. Подбор сечения сквозной колонны ……………………………………..42

    2. Расчет сквозной колонны с планками…………………………………...44

    3. Конструирование и расчет оголовка колонны ………………………….46

    4. Расчет базы колонны……………………………………………………...48

      1. Определение размеров опорной плиты в плане…………………..48

      2. Определение толщины опорной плиты……….…………………...51

      3. Расчет траверсы……………………………………………………..52

  9. Список литературы………………………………………………………….54



  1. Исходные данные


Шифр заданий: 21;

Размеры площадки в плане – 3L x 4B;

Шаг колонн:

В продольном направлении –16м;

В поперечном направлении – 9м;

Отметки:

Верха габаритного помещения, под рабочей площадкой – +5.900м;

Верха фундамента – -0.400м;

Нормативная полезная нагрузка – 22.8кН/м2;

Характер действия – статическая;

Расчетная температура – -45°;

Тип сечения элементов:

Колонны – сквозные;

Балки настила – прокатные;

Вспомогательные балки – прокатные;

Главные балки – составные сварные с изменением сечения по длине;

Материалы конструкций:

Настила – сталь;

Несущих конструкций и связей – сталь (по СНиП II-23-81*);

Условия изготовления конструкций: на ЗМК общего профиля;

Способы соединения металлических конструкций:

Заводские – сварка;

Монтажные – сварка, болты;

Монтажный стык главной балки запроектировать в середине пролета, разработать два варианта стыка - сварной и на высокопрочных болтах;

Класс бетона фундаментов – В25.


  1. Выбор сталей для строительных конструкций

Согласно заданию для конструкций, возводимых в климатическом районе строительства II2 (расчетная температура t = –45оС) и работающих при статической нагрузке, принята сталь:

  1. Первый вариант балочной клетки

    1. Расчет стального настила

Для расчета стального настила, изгибаемого по цилиндрической поверхности, вырезается полоска единичной ширины, работающая на изгиб от момента Мmax и растяжение от усилия Н, вызванные поперечной равномерно распределенной нагрузкой q.

Цилиндрическая изгибная жесткость настила при отсутствии поперечных деформаций определяется по формуле:



где:

E1 – модуль упругости, МПа;

? – коэффициент Пуассона.

Толщина стального настила определяется методом интерполяции:

tн = 10.4мм

Принимаем толщину стального настила tн = 10мм согласно ГОСТ 19903-74.

Нормативная нагрузка от веса стального листа:



где:

p – объемный вес стального проката, кг/м3.

При нагрузках, не превышающих 50 кН/м2, и предельном относительном прогибепрочность шарнирно закрепленного по краям стального настила всегда будет обеспечена и его рассчитывают только на прогиб.



Рис. 1. Первый вариант балочной клетки


где:

n0 – коэффициент, учитывающий максимальный прогиб.

Принимаем в осях .

Усилия Н, вызванные поперечной равномерно распределенной нагрузкой q на 1см ширины настила, на которое рассчитываются сварные швы, прикрепляющие настил к балкам, определяется по формуле:



где:

p = 1,2 – коэффициент надежности по нагрузке для полезной нагрузки.

Настил крепится к балкам угловыми швами, выполненными ручной сваркой электродами типа Э50 по ГОСТ 9467-75*, имеющими расчетное сопротивление металла швов Rw = 24.04 кН/см2.

Катет углового шва kf определяется по формуле:



где:

– коэффициент, учитывающий глубину проплавления шва для ручной сварки;

wf – коэффициент условий работы шва;

с – коэффициент условий работы конструкции, учитывающий возможные отклонения принятой расчетной модели от реальных условий работы элементов конструкций, соединений, а также изменения свойств материала вследствие влияния температуры, влажности, длительности воздействия, его многократной повторяемости и других факторов, не отражаемых непосредственно в расчетах;

lw = 1,0 см – ширина рассматриваемой пластинки;

– предел прочности металла на срез по металлу шва.

Принимаем конструктивно минимальный катет kf,min = 6 мм в зависимости от максимальной толщины соединяемых элементов.

    1. Расчет балки настила

Балки настила проектируем из прокатных двутавров по ГОСТ 26020-83 (сортамент).

Расчетная схема балки представлена на рис. 2.



Рис. 2. Расчетная схема балки настила

Определение нормативной и расчетной нагрузок

Нормативная нагрузка на балку при опирании на нее сплошного стального настила принимается равномерно распределенной:



Расчетная нагрузка:



где g – коэффициент надежности по нагрузке для постоянной нагрузки от стального проката.

Определение усилий и компоновка сечения

Расчетный пролет балки настила l равен шагу колонн В.

Расчетный изгибающий момент в середине пролета балки:



Максимальная поперечная сила у опоры:



Расчет балки на прочность выполняем с учетом развития пластических деформаций (балка 2-го класса в зависимости от напряженно-деформированного состояния).

Требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки в этом случае определяется:



Предварительно принимаем c1 = 1,12.

По сортаменту выбираем ближайший номер двутавра, у которого Wx > Wn,min. Принимаем двутавр №30Ш2, имеющий момент сопротивления Wx = 827 см3; статический момент полусечения Sx = 462 см3; момент инерции сечения Jx = 12200 см4; площадь сечения А = 77.65 см2; ширину пояса bf = 200 мм; толщину пояса t = 13 мм; толщину стенки tw = 8.5 мм; линейную плотность (массу 1 м пог.) 60.96 кг/м.

Уточнение коэффициента с1, М и Q c учетом собственного веса балки настила.

Площадь пояса:



Площадь стенки:



Отношение:



Коэффициент с1 = 1.07 для двутаврового сечения принимается линейной интерполяцией.

Равномерно распределенная нагрузка от собственного веса балки настила длиной 1 м

Нормативная нагрузка:



Расчетная нагрузка:



Изгибающий момент:



Поперечная сила:



Проверка несущей способности балки.

Проверка прочности по нормальным напряжениям в середине балки:



Недонапряжение составляет 2.1%.

Проверка прочности по касательным напряжениям у опоры:



Общую устойчивость балок настила проверять не надо, поскольку их сжатые пояса надежно закреплены в горизонтальном направлении приваренным к ним стальным сплошным настилом.

Проверка местной устойчивости поясов и стенки прокатных балок не требуется, так как она обеспечивается относительно большими их толщинами, принятыми из условий технологии проката.

Проверка жесткости.

Прогибы, определяемые от нормативных нагрузок, не должны превышать их предельных значений, установленных нормами проектирования. Для однопролетной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, проверка прогиба производится по формуле:



Где при пролете l = 9м.

Принятое сечение не удовлетворяет условиям прочности и жесткости. В этом случае необходимо изменить сечение, приняв по сортаменту следующий номер двутавра №35Ш3 (Wx = 1458 см3; Jx = 25140 см4) и вновь проверить прочность и жесткость балки.





Недонапряжение составляет 40.6%.

Определяем вес балки настила на 1 м2 рабочей площадки, необходимый для дальнейших расчетов, деля линейную плотность балки на шаг балок настила а1 = 1 м:



  1. Второй вариант балочной клетки

Тип балочной клетки – усложненный (рис. 3).

Настил – стальной.

Балки настила с шагом а1 = 1.0 м.

Вспомогательные балки с шагом а2 = 2 м.



Рис. 3. Второй вариант балочной клетки

    1. Расчет балки настила

Толщина настила при шаге а1 = 1.0 м принимается по первому варианту (tн = 11 мм).

Расчетная схема балки настила представлена на рис. 4.



Рис. 4. Расчетная схема балки настила
Пролет балки настила l = а1 = 1 м.

Нормативная и расчетная нагрузки на балку настила при шаге а1= 1.0 м принимаются по первому варианту:



Расчетный изгибающий момент в середине пролета балки:



Максимальная поперечная сила у опоры:



Требуемый момент сопротивления:



Предварительно принимаем c1 = 1,12.

По сортаменту выбираем ближайший номер двутавра, у которого Wx > Wn,min. Принимаем двутавр №10, имеющий момент сопротивления Wx = 39.7 см3; статический момент полусечения Sx = 23 см3; момент инерции сечения Jx = 198 см4; площадь сечения А = 12 см2; ширину пояса bf = 55 мм; толщину пояса t = 7.2 мм; толщину стенки tw = 4.5 мм; линейную плотность (массу 1 м пог.) 9.46 кг/м.

Уточнение коэффициента с1, M и Q с учетом собственного веса балки настила.

Площадь пояса




Площадь стенки



Отношение



Определяем коэффициент с1 = 1,08.

Равномерно распределенная нагрузка от собственного веса балки настила длиной 1 м

Нормативная нагрузка на балку настила:


Расчетная нагрузка:


Изгибающий момент:


Поперечная сила:


Проверка несущей способности балки.

Проверка прочности по нормальным напряжениям в середине балки:



Проверка прочности по касательным напряжениям у опоры:


Общую устойчивость балок настила проверять не надо, поскольку их сжатые пояса надежно закреплены в горизонтальном направлении приваренным к ним стальным сплошным настилом.

Проверка жесткости.

Прогибы, определяемые от нормативных нагрузок, не должны превышать их предельных значений, установленных нормами проектирования. Для однопролетной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, проверка прогиба производится по формуле:


Где при пролете l = 2м.

Принятое сечение удовлетворяет условиям жесткости.

Определяем вес балки настила на 1м2 рабочей площадки:



    1. Расчет вспомогательной балки

Расчетная схема вспомогательной балки представлена на рис. 5.

Пролет вспомогательной балки l = 9 м.

Нагрузка на вспомогательную балку передается от балок настила в виде сосредоточенных сил, равных двум опорным реакциям этих балок. При частом расположении балок настила (шаг а1 l/5) сосредоточенная нагрузка заменяется равномерно распределенной, собираемой с соответствующей грузовой площади.

Проверяем: (а1 = 1.0 м) = (l/5 = 9 / 5 = 1.8 м). Принимаем нагрузку в виде равномерно распределенной.

Нормативная нагрузка на вспомогательную балку




Расчетная нагрузка:


Расчетный изгибающий момент:



Максимальная поперечная сила у опоры:



Требуемый момент сопротивления:





Рис. 5. Расчетная схема вспомогательной балки (2-й вариант)

По сортаменту выбираем ближайший номер двутавра, у которого Wx > Wn,min. Принимаем двутавр №35Ш3, имеющий момент сопротивления Wx = 1458 см3; статический момент полусечения Sx = 813 см3; момент инерции сечения Jx = 25140 см4; площадь сечения А = 116.3 см2; ширину пояса bf = 250 мм; толщину пояса t = 16 мм; толщину стенки tw = 10.5 мм; радиус внутреннего закругления R = 20 мм; линейную плотность (массу 1 м пог.) 91.3 кг/м.

Уточнение коэффициента с1, M и Q с учетом собственного веса балки настила.

Площадь пояса:




Площадь стенки:



Отношение:



Определяем коэффициент с1 = 1.04.

Равномерно распределенная нагрузка от собственного веса балки настила длиной 1 м

Нормативная нагрузка на балку настила:


Расчетная нагрузка:


Изгибающий момент:


Поперечная сила:


Проверка несущей способности балки.

Проверка прочности по нормальным напряжениям в середине балки:



Проверка прочности по касательным напряжениям у опоры:


В местах приложения локальной нагрузки к верхнему поясу (рис. 8), а также в опорных сечениях балки, не укрепленных ребрами жесткости, стенку следует дополнительно проверить на местное напряжение ?loc:

где

tf – расстояние от наружной грани полки до начала внутреннего закругления стенки;

где

lef условная длина распределения сосредоточенной нагрузки на стенку вспомогательной балки;

где

F– расчетное значение сосредоточенной силы, равное двум реакциям от балок настила;





Общую устойчивость балок настила проверять не надо, поскольку их сжатые пояса надежно закреплены в горизонтальном направлении приваренным к ним стальным сплошным настилом.


Рис. 6. Схема распределения сосредоточенной нагрузки

на стенку прокатной балки

Проверка жесткости.

Прогибы, определяемые от нормативных нагрузок, не должны превышать их предельных значений, установленных нормами проектирования. Для однопролетной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, проверка прогиба производится по формуле:


Где при пролете l = 9м.

Принятое сечение не удовлетворяет условиям прочности и жесткости. В этом случае необходимо изменить сечение, приняв по сортаменту следующий номер двутавра №50Ш1 (Wx = 2518 см3; Jx = 60930 см4) и вновь проверить прочность и жесткость балки.



Проверка прочности по нормальным напряжениям в середине балки:



Недонапряжение составляет 23.5%.

Определяем вес вспомогательной балки на 1м2 рабочей площадки:





  1. Расчет железобетонного настила

Расчетный пролет плиты принимаем lпл = а1 = 2 м.

При нормативной полезной нагрузке pn = 22.8 кН/м2 принимаем толщину плиты tпл = 12 см. Нормативная нагрузка от веса железобетонной плиты (при плотности железобетона ):



    1. Расчет балки настила

Расчетная схема балки настила представлена на рис. 7. Пролет балки настила l = B = 9 м.



Рис. 7. Расчетная схема балки настила (3-й вариант)

Определяем нормативную и расчетную нагрузки.

Нормативная нагрузка на балку принимается равномерно распределенной:



Расчетная нагрузка:



где g = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке для постоянной нагрузки от железобетонных плит.

Расчетный изгибающий момент:


Максимальная поперечная сила:



Требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки при работе с учетом упругопластических деформаций:



По сортаменту выбираем ближайший номер двутавра, у которого Wx > Wn,min. Принимаем двутавр №40Ш1, имеющий момент сопротивления Wx = 1771 см3; статический момент полусечения Sx = 976 см3; момент инерции сечения Jx = 34360 см4; площадь сечения А = 122.4 см2; ширину пояса bf = 300 мм; толщину пояса t = 14 мм; толщину стенки tw = 9.5 мм; радиус внутреннего закругления R = 22 мм; линейную плотность (массу 1 м пог.) 78.5 кг/м.

Уточнение коэффициента с1, M и Q с учетом собственного веса балки настила.

Площадь пояса:




Площадь стенки:



Отношение:



Определяем коэффициент с1 = 1.02.

Равномерно распределенная нагрузка от собственного веса балки настила длиной 1 м

Нормативная нагрузка на балку настила:


Расчетная нагрузка:


Изгибающий момент:


Поперечная сила:


Проверка несущей способности балки.

Проверка прочности по нормальным напряжениям в середине балки:



Проверка прочности по касательным напряжениям у опоры:


Общую устойчивость балок настила проверять не надо, поскольку их сжатые пояса надежно закреплены в горизонтальном направлении приваренным к ним железобетонным настилом.

Проверка жесткости.

Прогибы, определяемые от нормативных нагрузок, не должны превышать их предельных значений, установленных нормами проектирования. Для однопролетной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, проверка прогиба производится по формуле:


Где при пролете l = 9м.

Принятое сечение не удовлетворяет условиям прочности и жесткости. В этом случае необходимо изменить сечение, приняв по сортаменту следующий номер двутавра №50Ш1 (Wx = 2518 см3; Jx = 60930 см4) и вновь проверить прочность и жесткость балки.



Определяем вес балки настила на 1м2 рабочей площадки:



  1. Выбор оптимального варианта балочной клетки

Сравнение вариантов балочной клетки

Наименование элемента

Расход стали,

кг/м2

Расход железобетона,

м32

Количество

балок,

шт.

Расход стали,

кг/м2

Количество

балок,

шт.




Настил стальной

1-й вариант

2-й вариант

Настил

86.3





86.3



Балки настила

91.3



192

9

864

Вспомогательные балки







69.32

108

Суммарный расход стали

1177.6





164.62






Настил железобетонный

Настил



0.12



Балки настила

54



9

Суммарный расход стали












Для балочных клеток с применением стального настила первый вариант предпочтительнее второго по количеству монтажных единиц.

Принимаем к дальнейшей разработке первый вариант балочной клетки:

– тип – нормальный;

– настил – сталь толщиной tн = 10 мм;

– балки настила – стальные с шагом а1 = 1 м.

  1. Расчет главной балки

Применяют сечение главной балки двутавровое симметричное, сваренное из трех металлопрокатных листов, так как прокатные балки из-за ограниченности размеров профиля не могут удовлетворить требования по несущей способности и жесткости (большие пролеты и значительные нагрузки на балку).

    1. Определение усилий

Расчетная схема главной балки представлена на рис. 14.

Пролет главной балки l равен наибольшему расстоянию между колоннами L= 16 м. Расстояние между главными балками b равно шагу колонн В = 9 м.

При частом расположении балок настила (а1 = 1 м) < (l/5 = 16/5 = 3,2 м) сосредоточенную нагрузку, передаваемую на главную балку от балок настила, заменяют равномерно распределенной нагрузкой, собираемой с соответствующей грузовой площади.



Рис. 7. Расчетная схема главной балки

Нормативная нагрузка:



Расчетная нагрузка:



Расчетный изгибающий момент в середине пролета:


Нормативный изгибающий момент:



Расчетная поперечная сила в опорном сечении:


где = 1.04 – коэффициент, учитывающий собственный вес главной балки (предварительно принимается = 1.02...1.05).

    1. Компоновка сечения

Балку рассчитываем в упругой стадии работы (рис. 8).

Из условия прочности требуемый момент сопротивления балки:





Рис. 8. Сечение главной балки и эпюры распределения

напряжений ? и ? по сечению

Назначаем высоту сечения балки h, которая определяется максимально допустимым прогибом балки, экономическими соображениями и строительными габаритами площадки.

Наименьшая рекомендуемая высота балки hmin определяется жесткостью балки – ее предельным прогибом fu (второе предельное состояние). Условие жесткости при равномерно распределенной нагрузке по длине балки



где qn – суммарная погонная нормативная нагрузка на балку.

Минимальная высота балки:



где fu = 6.4 см – предельный прогиб главной балки пролетом l = 16 м.

Высоту разрезной главной балки принимают в пределах (1/10…1/13)l =

= (1.2…1.6 м). Предварительно принимаем высоту балки h = 1.4 м.

Оптимальная высота балки по металлоемкости:



где tw – толщина стенки балки, определяемая по эмпирической зависимости tw = 7 + 3h/1000 = 7 + 3 · 1400 / 1000 = 11.8 мм.

Предварительно принимаем tw = 12 мм.

Допускается отклонение оптимальной высоты балки в меньшую или большую сторону на 10…15%, так как это мало отражается на весе балки.

Максимально возможная высота балки определяется строительной высотой перекрытия H (разницей в отметках верха настила рабочей площадки и верха габарита помещения, расположенного под площадкой) и зависит от сопряжения балок между собой по высоте.

При поэтажном сопряжении балки, непосредственно поддерживающие настил, укладывают на главные или вспомогательные балки сверху. Это наиболее простой и удобный в монтажном отношении способ сопряжения балок, но он требует большой строительной высоты. Чтобы увеличить высоту главной балки, необходимо применять сопряжение балок в одном уровне, при котором верхние полки балок настила и главных балок располагаются на одной отметке.

Строительная высота балки

hстр = L/10 + 40 – (tн + hбн + ?) = 160 + 40 – (1.1 + 34.5 + 9.4) = 155 см,

где ? = fu + (30 …100 мм) = 6.4 + 3.0 = 9.4 см – размер, учитывающий предельный прогиб балки fu = 6.4 см и выступающие части, расположенные ниже нижнего пояса балки (стыковые накладки, болты, элементы связей и т.п.).

Назначаем стенку высотой hw = 1400 мм и толщиной tw = 12 мм.

Толщиной поясов задаются в пределах от 10 до 40 мм, но не менее толщины стенки tw и не более 3tw = 36 мм (в поясных швах при приварке толстых поясных листов к тонкой стенке развиваются значительные усадочные растягивающие напряжения). Приняв предварительно толщину поясов tf = 30 мм, назначаем высоту балки h = 1460 мм.

Определяем требуемую толщину стенки из условия прочности на срез в опорном сечении:



что больше предварительно принятой толщины tw = 12 мм, где k = 1,5 – для разрезных балок, опирающихся на колонну с помощью опорного ребра, приваренного к торцу балки. Считается, что в опорном сечении балки на касательные напряжения от поперечной силы работает только стенка.

Принимаем tw = 14 мм.

Проверяем необходимость постановки продольных ребер жесткости для исключения образования волн выпучивания в верхней сжатой части стенки от нормальных напряжений.

Условная гибкость стенки:



Оставляем без изменений принятую толщину стенки tw = 14 мм, так как она удовлетворяет условиям прочности на действие касательных напряжений

и не требует укрепления ее продольным ребром жесткости.

Размеры горизонтальных поясных листов находим, исходя из необходимой несущей способности балки. Вычисляем требуемый момент инерции сечения балки:



Находим момент инерции стенки балки:



Момент инерции, приходящийся на поясные листы:



Момент инерции поясных листов балки относительно ее нейтральной оси х-х (пренебрегая моментом инерции поясов относительно собственной оси 1-1 ввиду его малости) можно расписать:



где Af – площадь сечения одного пояса;

hf = htf = 146 – 30 = 143 см – расстояние между центрами тяжести поясов.

Находим требуемую площадь одного пояса:



Ширина пояса:



По сортаменту принимаем пояса из горячекатаного широкополочного универсального проката сечением 600Ч30 мм. Необходимо проверить местную устойчивость сжатого пояса, для чего отношение свеса пояса = (600 – 14) / 2 = 293 мм к его толщине tf должно быть не более предельного.

Проверяем:



Условие выполняется.

    1. Проверка прочности принятого сечения балки

По назначенным размерам вычисляем фактические геометрические характеристики сечения балки:

– момент инерции:



– момент сопротивления:



– статический момент половины сечения относительно нейтральной оси:



– площадь сечения:



По найденной площади A и плотности стального проката ? = 7850 кг/м3 определяем вес 1 м пог. балки:



где k = 1,1 – конструктивный коэффициент, учитывающий увеличение веса балки за счет ребер жесткости, накладок и т.п.

Уточняем расчетные значения изгибающего момента M и поперечной силы Q с учетом собственного веса главной балки, для этого определяем:

– нормативную нагрузку:



– расчетную нагрузку:



– расчетный изгибающий момент:



– нормативный изгибающий момент:



– поперечную силу:



Проверка прочности балки по нормальным напряжениям:



Недонапряжение в балке составляет 0.1%, что допустимо в составном сечении согласно СНиП.

Проверка прочности балки на срез по касательным напряжениям:



При наличии местных напряжений ?loc, возникающих в местах приложения сосредоточенной нагрузки к верхнему поясу при поэтажном сопряжении балок (рис. 9) (балки настила попадают между поперечными ребрами жесткости, укрепляющими стенку от потери устойчивости), необходима проверка прочности стенки на местные сминающие напряжения по формуле

где

lef условная длина распределения сосредоточенной нагрузки на стенку главной балки;

где

F– расчетное значение сосредоточенной силы, равное двум реакциям от балок настила;





Прочность балки обеспечена.



Рис. 9. Схема распределения сосредоточенной нагрузки

на стенку сварной балки при поэтажном сопряжении балок


    1. Изменение сечения балки по длине

Сечение составной балки, подобранное по максимальному изгибающему моменту в середине пролета, можно уменьшить в местах снижения моментов. Наибольший эффект дает симметричное изменение сечения на расстоянии x = l/6 от опор. Наиболее простым является изменение сечения за счет уменьшения ширины пояса (рис. 10).

Стыкуем сжатый и растянутый пояса прямым сварным швом с выводом концов шва на технологические подкладки с применением полуавтоматической сварки без использования физических способов контроля качества швов. Расчетное сопротивление таких сварных соединений при растяжении принимается пониженным:



Рис. 10. Изменение сечения балки по длине

Для снижения концентрации напряжений при сварке встык элементов разной ширины на элементе большей ширины делаем скосы с уклоном 1:5.

Определяем расчетный момент и перерезывающую силу на расстоянии от опоры:





Определяем требуемые:

– момент сопротивления измененного сечения, исходя из прочности сварного стыкового шва, работающего на растяжение:



– момент инерции измененного сечения:



– момент инерции пояса:



– площадь пояса:



– ширину пояса:



По сортаменту принимаем измененный пояс из универсальной стали сечением 38030 мм, с площадью

Вычисляем геометрические характеристики измененного сечения балки:

– момент инерции:



– момент сопротивления:



– статический момент пояса относительно оси х-х:



Производим проверку прочности балки в месте изменения ее сечения в краевом участке стенки на уровне поясных швов (рис. 11) на наиболее неблагоприятное совместное действие нормальных и касательных напряжений, для чего определяем:

– нормальное напряжение:



– касательное напряжение:



Проверяем прочность стенки балки по формуле:



где 1,15 – коэффициент, учитывающий локальное развитие пластических деформаций в стенке балки.



Рис. 11. К проверке прочности балки в месте изменения сечения

При наличии местной нагрузки Fb и отсутствия поперечного ребра жесткости в рассматриваемом сечении проверка прочности стенки производится с учетом локальных напряжений ?loc по формуле:



    1. Проверка общей устойчивости балки

Общая устойчивость балки считается обеспеченной при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный, а также, если соблюдается условие: отношение расчетной длины участка балки lef между связями, препятствующими поперечным смещениям сжатого пояса балки, к его ширине bf не превышает критическое значение, определяемое по формуле:



где lef = 1 м – расстояние между точками закрепления сжатого пояса от поперечных смещений, равное шагу балок настила a1.

Проверяем:

– в середине пролета балки:



– в измененном сечении балки:



Общая устойчивость балки обеспечена.

В случае невыполнения условий, необходимо проверить устойчивость балки по формуле

    1. Проверка местной устойчивости элементов балки

Проверка местной устойчивости сжатого пояса не требуется, так как она была обеспечена надлежащим назначением отношения свеса пояса к толщине.

      1. Проверка местной устойчивости стенки балки

Под действием нормальных и касательных напряжений стенка балки может потерять местную устойчивость, т.е. может произойти ее местное выпучивание. Это произойдет в том случае, если действующие в балке отдельные виды напряжений или их совместное воздействие превысят критические напряжения потери устойчивости. Устойчивость стенки обычно обеспечивают не за счет увеличения ее толщины, что привело бы к повышенному перерасходу материала из-за большого размера стенки, а за счет укрепления ее ребрами жесткости.

Определяем условную гибкость стенки:



следовательно, поперечные ребра жесткости необходимы (рис. 12). Расстояние между основными поперечными ребрами a не должно превышать 2hw при w > 3,2 и 2,5 hw при w  3,2. Для балок 1-го класса допускается превышать указанные выше расстояния между ребрами до значения 3hw при условии передачи нагрузки через сплошной жесткий настил или при значении гибкости сжатого пояса балки ?b = lef /bf, не превышающем ее предельного значения ?ub, и при обязательном обеспечении местной устойчивости элементов балки.

Расстояние между ребрами назначаем . При шаге а = 2 м поперечное ребро жесткости попадает на монтажный стык в середине пролета балки, поэтому первое и последующие за ним ребра смещаем к опоре на расстояние а/2 = 1 м.

Ширина выступающей части парного ребра должна быть не менее:



для одностороннего – br = hw / 24 + 40 = 1400 / 24 + 40 = 98 мм.

Толщина ребра:




Рис. 12. Схема балки, укрепленной поперечными ребрами жесткости

Принимаем ребро жесткости из двух стальных полос 757 мм по ГОСТ 103–76*. Ребра жесткости привариваются к стенке непрерывными угловыми швами минимальной толщины. Торцы ребер должны иметь скосы с размерами не менее 4040 мм для снижения концентрации сварочных напряжений в зоне пересечения сварных швов и пропуска поясных швов балки.

Поперечное ребро жесткости, расположенное в месте приложения сосредоточенной нагрузки Fb = 257.94 кН к верхнему поясу балки проверяют расчетом на устойчивость: двустороннее ребро – как центрально-сжатую стойку, одностороннее – как стойку, сжатую с эксцентриситетом, равным расстоянию от срединной плоскости стенки до центра тяжести расчетного сечения стойки. При этом в расчетное сечение стойки включают сечение ребра жесткости и устойчивые полосы стенки шириной:



с каждой стороны ребра, а расчетную длину принимают равной высоте стенки hw = 1400 мм (рис. 13).

Расчетная площадь стойки при двустороннем ребре:



Момент инерции сечения стойки:





Рис. 13. Расчетное сечение условной стойки

Радиус инерции:



Гибкость стойки:



Условная гибкость:



Производим проверку устойчивости стойки:



где ? = 0.645 – коэффициент устойчивости при центральном сжатии, принимаемый для типа кривой устойчивости ״b״.

Условие выполняется.

Устойчивость стенок балок не требуется проверять, если условная гибкость стенки w не превышает значений:

3,5 – для балок с двухсторонними поясными швами при отсутствии местной нагрузки на пояс балки;

3,2 – для таких же балок с односторонними поясными швами;

2,5 – для балок с двухсторонними поясными швами при наличии местной нагрузки на пояс.

Так как следовательно, требуется проверка стенки на местную устойчивость.

Расчет на устойчивость стенки балки симметричного сечения, укрепленной только поперечными основными ребрами жесткости, при условной гибкости стенки выполняется по формуле:



где ?,и ? loc – действующие нормальные, касательные и локальные напряжения в месте соединения стенки с поясом от средних значений M, Q и Fb в пределах отсека; если длина отсека больше его расчетной высоты (a > hw), то M и Q определяются для наиболее напряженного участка отсека с длиной, равной высоте отсека hw; если в пределах отсека M и Q меняют знак, то их средние значения следует вычислять на участке отсека с одним знаком;

?сr , ? loc,сr, ?сr – критические напряжения.

Проверку местной устойчивости стенки производят в наиболее нагруженных отсеках: первом от опоры; среднем и, при наличии изменения сечения балки по длине, в отсеке с измененным сечением.

    1. Проверка местной устойчивости стенки балки

Проверка местной устойчивости стенки при наличии местных напряжений на расстоянии х = 2 м от опоры.

При принятом шаге поперечных ребер жесткости а = 2 м отношение

Расчетные усилия:





Первая проверка. Локальное напряжение от сосредоточенной нагрузки loc = 5.94 кН/см2.

Нормальное напряжение отсеке с изменением сечения:



Среднее касательное напряжение:



Значение критического нормального напряжения



где cсr = 33.39 – коэффициент, учитывающего степень упругого защемления стенки в поясах.



Значение критического локального напряжения:



где при вычислении коэффициентов с1 и с2 при a/hw = 1.43 > 1.33 вместо а принимаем а1 = 0,67hw = 0,67 ∙ 140 = 93.8 см, следовательно, a1/hw = 93.8 / 140 = 0,67;

? = 1,04lef /hw = 1,04 ∙ 31 / 140 = 0,23 (здесь lef = b + 2tf = 25 + 2∙3 = 31 см – условная длина распределения сосредоточенной нагрузки);

с1 = 21.58 – коэффициент, определяемый в зависимости от a1/hw = 0.67 и ? = =0.23;

с2 = 1.64 – коэффициент, определяемый в зависимости от a1/hw = 0.67 и ? = =2.14.

Критическое касательное напряжение определяется по формуле:



где – отношение большей стороны отсека a или hw к меньшей d;





здесь d = hw = 1.4 м < a = 2 м.

Проверяем местную устойчивость стенки:



Стенка устойчива.

Вторая проверка. Значение критического нормального напряжения:



где ccr = 54.18 – коэффициент, определяемый в зависимости от .

Значение критического локального напряжения:



где с1 = 14.6 – коэффициент, определяемый в зависимости от a1/hw = 1.43 и ? = 0,16;

с2 = 1.64 – коэффициент, определяемый по в зависимости от a/hw = 1.43 и ? = 2.14.

Значение критического касательного напряжения ?cr = 16.02 кН/см2.

Проверяем местную устойчивость стенки:



Стенка устойчива.

В балках большой высоты (h > 2 м) с тонкой стенкой при условной гибкости w > 5,5 для обеспечения ее устойчивости рационально, помимо поперечных ребер жесткости, ставить продольные ребра, опирающиеся на поперечные и располагаемые на расстоянии (0,2…0,3)hw от сжатой кромки отсека. Наличие продольного ребра разбивает стенку по высоте на верхнюю и нижнюю пластинки, устойчивость которых проверяется раздельно по СНиП.

    1. Проверка жесткости главной балки

При равномерно распределенной нагрузке на балку проверка производиться по формуле:



где ? = 1,03 – коэффициент, учитывающий увеличение прогиба балки за счет уменьшения ее жесткости у опор, вызванного изменением сечения балки по длине.

    1. Расчет соединения поясов балки со стенкой

Соединение поясов составной балки со стенкой осуществляется в сварных балках поясными швами, обеспечивающими совместную работу поясов и стенки и предотвращающими при изгибе балки их взаимный сдвиг. Кроме работы на сдвиг при наличии местной нагрузки, действующей на пояс от балок настила в месте, не укрепленном поперечным ребром жесткости, поясные швы испытывают дополнительно срез от местного вертикального давления (рис. 14).

Соединение выполняется автоматической сваркой угловыми непрерывными швами одинаковой толщины по всей длине балки.

Расчет сварного шва производится на усилие, приходящееся на 1 см длины балки, и длина шва соответственно принимается в расчет равной 1 см.

Сравниваем:



Поясные швы при рассчитываются по металлу границы сплавления по формуле:



где – усилие на единицу длины шва от поперечной силы на опоре Qmax, сдвигающее пояс относительно стенки;



Рис. 14. К расчету поясных соединений

= 8151 см3, J1 = 1485726 см4 – статический момент пояса и момент инерции относительно нейтральной оси сечения балки на опоре;

– давление от сосредоточенной силы Fb на единицу длины шва;

– при расчете по металлу шва;

?z = 1,15 – при расчете по металлу границы сплавления;

?wf и wz – коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I1, I2, II2 и II3, для которых ?wf = 0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением и wz = 0,85 – для всех сталей;

– расчетное сопротивление сварного соединения при расчете по металлу шва, принимаемое в зависимости от марки сварочной проволоки, которую выбирают для автоматической сварки стали принятого класса;

– расчетное сопротивление сварного соединения при расчете по границе сплавления;

– нормативное сопротивление основного металла.

Определяем требуемый катет сварного шва:



где n = 1 при одностороннем шве, n = 2 при двустороннем.

При толщине более толстого из свариваемых элементов tf = 30 мм конструктивно принимаем минимальный катет шва для автоматической сварки kf,min = 7 мм.
Конструирование и расчет опорной части главной балки

Передача нагрузки от главной балки, установленной сверху на колонну, осуществляется через торцевое опорное ребро. Торец ребра рассчитывается на смятие, для чего он строгается. Выступающая часть а не должна быть больше 1,5tr и обычно принимается 15…20 мм.

Расчет ребра производится на усилие Fb, равное опорной реакции балки:



Определяем площадь смятия торца ребра:



Где – расчетное сопротивление стали смятию торцевой поверхности.

Принимая ширину ребра равной ширине пояса балки у опоры br = bf1 = 380 мм, определяем толщину ребра:



По конструктивным соображениям рекомендуется размеры опорного ребра принимать: ;

Толщина опорного ребра должна быть не менее

где br,ef = br/2 = 380 / 2 = 190 мм – ширина выступающей части:





Принимаем ребро из листа 24022 мм с площадью Ar = 52.8 см2.

Опорная часть главной балки из своей плоскости (относительно оси z-z) проверяется на устойчивость как условная центрально-сжатая стойка с расчетной длиной, равной высоте стенки . Расчет на устойчивость стойки сплошного сечения при центральном сжатии выполняют по формуле:



где ? – коэффициент устойчивости при центральном сжатии (продольного

изгиба), принимаемый в зависимости от условной гибкости для типа кривой устойчивости "с". Тип кривой устойчивости зависит от формы сечений и толщины металлопроката. При < 0,4 коэффициент ? принимают равным единице.


Рис. 15. К расчету опорной части балки

Расчетное сечение условной стойки включает в себя площадь опорного ребра Ar и площадь устойчивого участка стенки, примыкающего к ребру, шириной:



Площадь стойки:



Момент инерции:



Радиус инерции:



Гибкость:



Условная гибкость:



Производим проверку:



где ? = 0.902 – коэффициент устойчивости для кривой устойчивости типа «c» при = 0.98.

Опорная часть балки устойчива.

Прикрепление опорного ребра к стенке балки осуществляем механизированной сваркой в среде углекислого газа проволокой Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70* для сварки стали класса С345:

Сравниваем:



Следовательно, сварные швы рассчитываем по металлу границы сплавления.

Условие прочности сварных угловых швов, работающих на срез:



откуда определяем катет шва:



Принимаем шов с kf = 8 мм, что больше kf,min = 6 мм.

Проверяем максимальную длину расчетной части шва:

укладывается в конструктивную длину шва, равную высоте стенки.

Ребро привариваем к стенке по всей высоте непрерывными швами.

Главные балки скрепляются на опоре между собой через прокладку толщиной, равной конструктивному зазору, и с колонной монтажными болтами диаметром 16…20 мм, фиксирующими проектное положение балок. Болты взаимного сопряжения балок размещаются в их нижних зонах, что позволяет считать его шарнирным, так как допускается некоторый поворот опорного сечения балок за счет податливости болтового соединения.

    1. Проектирование монтажного стыка главной балки

По условиям перевозки (ограничение массы и габаритов) балка расчленяется по возможности на одинаковые отправочные элементы (марки). В разрезной балке монтажный стык выполняется в одном сечении (универсальный стык) и чаще располагается в середине пролета, где Mmax и соответственно максимальные нормальные напряжения ? близки к расчетному сопротивлению основного металла Ry .

      1. Монтажный стык на сварке

Стык элементов балки осуществляется стыковыми швами (рис. 26). Расчетные сопротивления сварных соединений для любого вида сварки принимаются (см. табл. 6): при сжатии соединения независимо от методов контроля качества швов Rwy = Ry; при растяжении и изгибе с физическим контролем качества швов Rwy = Ry и Rwy = 0,85Ry, если физические методы контроля не используются.

На монтаже применение физических способов контроля затруднено, поэтому расчет растянутого стыкового соединения производится по его пониженному расчетному сопротивлению. Сжатый верхний пояс и стенка соединяются прямым швом, растянутый пояс – косым швом для увеличения длины шва, так как действительное напряжение в поясе ? превышает Rwy. Для обеспечения равнопрочности сварного стыка и основного сечения нижнего пояса достаточен скос с наклоном реза 2:1.



Рис. 16. Монтажный стык главной балки на сварке

Монтажный стык выполняется ручной сваркой. Для сварки монтажного стыка применяют электроды с индексом А (Э50А), обеспечивающие повышенную пластичность наплавленного металла.

Для обеспечения качественного соединения при ручной сварке элементов толщиной более 8…10 мм производится V-образная разделка кромок, начало и конец шва выводятся на специальные технологические планки.

Для уменьшения сварочных напряжений соблюдается определенный порядок сварки (на рис. 16 показан цифрами): сначала свариваются поперечными стыковыми швами, имеющими наибольшую усадку, стенка и пояса, последними завариваются угловыми швами, имеющими небольшую продольную усадку, участки длиной по 500 мм, оставленные незаверенными на заводе,. Незаваренные участки позволяют поясным листам несколько вытянуться при усадке поперечных швов в процессе сварки. Это также дает возможность при монтаже совместить торцы свариваемых элементов отправочных марок, имеющих отклонение в размерах в пределах технологических допусков.

      1. Монтажный стык на высокопрочных болтах

Монтажные стыки на высокопрочных болтах выполняются с накладками (по три на каждом поясе и по две на стенке (рис. 17).



Рис. 17. Монтажный стык главной балки на высокопрочных болтах

Усилие с одного элемента на другой передается за счет сил трения, возникающих между соприкасающимися плоскостями, стянутыми высокопрочными болтами. Площади сечения накладок должны быть не меньше площади сечения перекрываемого ими элемента.

Принимаем болты db = 30 мм. Диаметр отверстия d под болт делается на 2…3 мм больше db. Назначаем отверстие d = 32 мм.

Минимальное расстояние между центрами болтов (шаг болтов) в расчетных соединениях определяется условиями прочности основного металла и принимается в любом направлении равным amin = 2.5d = 2.5 · 32 = 80 мм.

Принимаем а = 80 мм.

Максимальное расстояние между болтами определяется устойчивостью сжатых частей элементов в промежутках между болтами (в крайних рядах при отсутствии окаймляющих уголков amax ? 12tmin = 12 · 14 = 168 мм, где tmin – толщина наиболее тонкого наружного элемента) и обеспечением плотности соединения:

Минимальное расстояние от центра болта до края элемента для высокопрочных болтов в любом направлении усилия:

сmin ? 1,3d = 1,3 · 32 = 41.6 мм.

Принимаем с = 45 мм. Ширина верхней накладки пояса принимается равной ширине пояса балки bnf = bf = 600 мм.

Ширина каждой нижней накладки пояса определяется:

b?nf = [bf – (tw + 2kf + 2?)] / 2 = [600 – (14 + 2 ∙ 7 + 2 ∙ 10)] / 2 = 276 мм,

где ? = 10…15 мм – конструктивный зазор.

Толщина каждой накладки пояса:

tnf = tf / 2 + 2 = 30 / 2 + 2 = 17 мм.

Принимаем верхнюю накладку из листа 60018 мм с площадью сечения Аnf = 108 см2 и две нижних накладки из листа 26018 мм с площадью сечения А? nf = 46.8 см2.

Суммарная площадь накладок:

Аn = Аnf + 2А? nf = 108 + 2 ∙ 46.8 = 201.6 см2 > Аf = 180 см2.

Горизонтальные болты располагаем в 4 ряда на одной полунакладке.

Определяем длину двух вертикальных накладок:

lnw = hw – 2(tnf + ?) = 1400 – 2 (18 + 10) = 1344 мм.

Ширина вертикальных накладок:

bnw = 2а + ? + 4c = 2 · 100 + 10 + 4 · 50 = 410 мм,

где ? = 10 мм – зазор между элементами.

Толщину одной вертикальной накладки tnw принимаем равной толщине стенки tw за вычетом 2 мм (tnw = 12 мм).

Максимальное расстояние между крайними горизонтальными рядами болтов (с учетом расстояния до края элемента с = 50 мм)

а1= 1344 – 2 ∙ 50 = 1244 мм.

Стык осуществляем высокопрочными болтами db = 30 мм из стали 30Х3МФ, имеющей наименьшее временное сопротивление:

Rbun = 1200 МПа = 120 кН/см2.

Способ регулирования натяжения высокопрочных болтов принимаем по M (моменту закручивания). Расчетное усилие Qbh, которое может быть воспринято каждой поверхностью трения соединяемых элементов, стянутых одним высокопрочным болтом, определяется по формуле:



где – расчетное сопротивление растяжению высокопрочного болта;

Abn = 5.6 см2 – площадь сечения нетто болта db = 30 мм;

– коэффициент трения, принимаемый в зависимости от обработки поверхностей по табл. 27 (принят газопламенный способ обработки поверхностей);

– коэффициент надежности, принимаемый при статической нагрузке и разности номинальных диаметров отверстий и болтов с использованием регулирования натяжения болтов по М при газопламенном способе обработки поверхностей;

b – коэффициент условий работы соединения, зависящий от количества болтов n, необходимых для восприятия расчетного усилия.

Момент инерции стенки:



Момент инерции поясов:



Изгибающий момент, приходящийся на стенку:



Изгибающий момент, приходящийся на пояса:


  1   2


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации