Разработка схемы балочной клетки

Пояснительная записка

К курсовому проекту

РАБОЧАЯ ПЛОЩАДКА ПРОМЫШЛЕННОГО ЗДАНИЯ

По предмету Металлические конструкции

Студент:

Группы:

Преподаватель:

Санкт-Петербург

Изм.

Лист

Проверил

Подп.

Дата

Лист

2017/1-СУЗС-4/КП1-КМ

Выполнил

Проверил

Пояснительная записка

Изм.

Листов

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение
1.	Исходные данные
2.	Разработка схемы балочной клетки
3.	Сбор нагрузок на 1 м² настила
4.	Расчет балки настила
	4.1. Расчетная схема
	4.2. Сбор нагрузок
	4.3. Статический расчет
	4.4. Выбор материала
	4.5. Подбор сечения
	4.6. Геометрические характеристики сечения
	4.7. Проверка принятого сечения
5.	Расчет главной балки Б1
	5.1. Расчетная схема
	5.2. Сбор нагрузок
	5.3. Статический расчет
	5.4. Выбор материала
	5.5. Подбор основного сечения
	5.6. Назначение размеров измененного сечения. Таблица геометрических характеристик
	5.7. Определение места изменения сечения
	5.8. Проверка принятых сечений
	5.8.1. Проверка по первой группе предельных состояний
	5.8.2. Проверка по второй группе предельных состояний по деформативности при нормальных условиях эксплуатации
	5.9. Проверка местной устойчивости
	5.9.1. Проверка местной устойчивости
	5.9.2. Проверка местной устойчивости стенки
	5.10. Расчет поясных швов
	5.11. Расчет опорных ребер
	5.11.1. Конструкция ребер на опорах «1» и «2»
	5.11.2. Определение размеров опорных ребер из условия прочности на смятие
	5.11.3. Расчет опорных ребер на устойчивость в плоскости, перпендикулярной стенке

	5.11.4. Расчет сварного шва, соединяющего опорное ребро по оси «2» со стенкой
	5.12. Расчет монтажного стыка на высокопрочных болтах
	5.12.1. Общие указания
	5.12.2. Предварительная разработка конструкции
	5.12.3. Определение места стыка
	5.12.4. Расчет стыка стенки
	5.12.5. Расчет стыка пояса
	5.13. Подбор сечения с учетом развития пластических деформаций
6.	Конструкции и расчет прикрепления балки настила к главной балке
7.	Расчет колонны К1
	7.1. Расчетная схема, определение нагрузки, статический расчет
	7.2. Подбор сечения и проверка устойчивости колонны
	7.2.1. Определение сечения ветвей
	7.2.2. Проверка устойчивости колонны относительно материальной оси Х-Х
	7.2.3. Установление расстояния между ветвями
	7.2.4. Проверка устойчивости колонны относительно свободной оси Y-Y
	7.3. Расчет соединительных планок
	7.3.1. Установление размеров планок
	7.3.2. Определение усилий в планках
	7.3.3. Проверка прочности приварки планок
	7.4. Расчет базы
	7.4.1. Определение размеров плиты в плане
	7.4.2. Определение толщины в плане
	7.4.3. Расчет траверсы
	7.4.4. Расчет дополнительного ребра
	7.5. Расчет оголовка
	Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Современные производства размещаются как в многоэтажных, так и в одноэтажных зданиях, схемы и конструкции которых достаточно многообразны.

Ограждающие конструкции, защищающие помещение от влияния внешней среды, пути внутрицехового транспорта, различные площадки, лестницы, трубопроводы и другое технологическое оборудование крепятся к каркасу здания.

Каркас, т.е. комплекс несущих конструкций, воспринимающий и передающий на фундаменты нагрузки от массы ограждающих конструкций, технологического оборудования, атмосферные нагрузки и воздействия, нагрузки от внутрицехового транспорта, температурные технологические воздействия, может быть из железобетона, стали или смешанным. Выбор материала каркаса является важной технико-экономической задачей.

Металлические конструкции обладают следующими достоинствами, в сравнении с железобетонными:

· Надежность;

· Легкость;

· Индустриальность;

· Непроницаемость.

Понятие «Металлические конструкции» включает в себя их конструктивную форму, технологию изготовления и способы монтажа. Уровень развития металлических конструкций определяется потребностями в них экономики и возможностями технической базы.

Исходные данные

Разработка схемы балочной клетки

Исходя из принципа концентрации материала располагаем главные балки (балки, опирающиеся на колонны) в направлении большего пролета.

В реальном проектировании шаг балок настила определяется экономическим расчетом (с учетом стоимости железобетонного настила).

Шаг балок настила – 2,5 м

Рис. 1. Схема балочной клетки

3. Сбор нагрузок на 1м² настила

Сбор нагрузок выполнен в таблице 1.

Нагрузка на 1 м² настила

Таблица 1

Вид нагрузки Нормативная нагрузка g^н, т/м² Коэффициент надежности по нагрузке Расчетная нагрузка , т/м²

1. Постоянная

Собственный вес цементной стяжки: толщина - t= 0,025 м; плотность - γ = 2,2 т/м³ 1,3 0,071

Собственный вес железобетонной плиты: толщина - t= 0,1 м; плотность - γ = 2,4 т/м³ 1,1 0,264

2. Временная

Полезная 1,2 2,640

Итого:

Примечания:

1. Коэффициенты надежности по нагрузке (коэффициенты перегрузки) принимаются по табл. 1 [2].

2. Коэффициент надежности по назначению принят равным 1,0 (в соответствии с исходными данными).

4. Расчет балки настила Б1

4.1. Расчетная схема

Расчетная схема балки Б1 с эпюрами внутренних усилий

Рис. 2. Расчетная схема балки Б1 с эпюрами внутренних усилий

4.2. Сбор нагрузок

Грузовая площадь балки настила Б1 показана на рис. 2. Нагрузка на 1 погонный метр балки:

а) нормативная ,

где нагрузка от собственного веса 1 погонного метра балки принята ориентировочно 0,1 т/м.п.;

б) расчетная ,

где – коэффициент надежности по нагрузке [2,4].

4.3. Статический расчет

Максимальный расчетный изгибающий момент (в середине пролета):

Максимальный нормативный изгибающий момент:

Максимальная расчетная поперечная сила (на опоре):

4.4. Выбор материала

По таблице 50 [1] для балок перекрытий, работающих при статических нагрузках при отсутствии сварных соединений (группа 3) в условиях климатического района II выбираем сталь С245 (ГОСТ 27772-88).

По таблице 51 [1] для стали С245при :

· расчетное сопротивление по пределу текучести при растяжении, сжатии и изгибе ;

· расчетное сопротивление стали сдвигу

4.5. Подбор сечения

В соответствии с формулой (39) [1] требуемый момент сопротивления

где – коэффициент условий работы по таблице 6 [1];

– коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций и определяемый по пункту 5.18 [1].

В данном случае в месте действия и в непосредственной близости от него ; тогда в соответствии с формулой (42) [1] .

Принимаем ориентировочно тогда с использованием линейной интерполяции .

Критерием выбора двутавра является соответствие условию . Наиболее рационально применять тонкостенные высокие "нормальные" двутавры с параллельными гранями полок.

Принимаем I 45Б1 (нормальный) с параллельными гранями полок по СТО АСЧМ 20-93 с моментом сопротивления .

4.6. Геометрические характеристики сечения

;

Линейный вес составляет

Высота стенки

Расчетная высота стенки

Условная гибкость стенки

где

Геометрические характеристики сечения представлены на рис. 3.

Рис. 3. Сечение балки Б1 I 45Б1

4.7. Проверка принятого сечения

1. Проверка прочности (I группа предельных состояний) осуществляется по пункту 5.18 [1].

В пролете: условное нормальное напряжение при упругой работе балки ().

Определить можно с помощью линейной интерполяции по табл. Е1 [1]

Недонапряжение: .

Примечания:

1. Разница между фактическим весом 1 м балки (66,2 кг) и его значением, принятым предварительно (100 кг) составляет всего 0,97% от полной нагрузки q на балку: ,поэтому уточнения величины q не производим.

2. Если недонапряжение составляет более 5%, следует проверить номер двутавра с меньшей площадью сечения.

3. Если недонапряжение больше величины , балка работает в упругой стадии.

Так как недонапряжение составляет больше 5%, то проверяем двутавр, 40Б2.

Высота стенки

Двутавра 40Б2 недостаточно. Следовательно, двутавр 41Б1 является оптимальным.

Недонапряжение меньше величины . Балка Б1 работает в упругопластической стадии и фактическая величина относительной высоты упругого ядра находится по формуле:

где фактический коэффициент учета упругопластических деформаций

На опоре при этажном сопряжении:

при сопряжении в одном уровне:

Здесь: (табл. 6 [1]), ;

0,8 – коэффициент, учитывающий ослабление болтами при сопряжении балок настила и главной балки в одном уровне.

Так как , местную устойчивость стенки можно не проверять.

Общая устойчивость (I группа предельных состояний) обеспечена настилом (при наличии соответствующих конструктивных элементов, связывающих настил с балкой).

Проверка деформативности при нормальных условиях эксплуатации (II группа предельных состояний):

где определяется по таблице Е.1 [3].

5. Расчет главной балки Б2

5.1. Расчетная схема

Расчетная схема балки Б2 с эпюрами внутренних усилий представлена (на рис.6). Учитывая малую величину распределенной нагрузки от собственного веса балки, принимаем упрощенную расчетную схему по (рис.6).

e [3201]" strokecolor="white [3212]" strokeweight=".5pt">

Рис. 6. Расчетная схема балки Б2 с эпюрами внутренних усилий

5.2. Сбор нагрузок

,
где коэффициент 1,02 учитывает собственный вес главной балки.

5.3. Статический расчет

При симметричной нагрузке (в нашем случае)

Проверим величину . Считаем нагрузку распределенной, тогда погонная нагрузка на балку

где 1,04 – коэффициент, учитывающий собственный вес главной балки и балок настила.

что близко к более точному значению и свидетельствует об отсутствии грубых ошибок при его вычислении.

Эпюры Q и M даны на рис. 6.

5.4. Выбор материала

По таблице 50 [1] для сварных балок перекрытий, работающих при статических нагрузках (группа 2) в условиях климатического района II₂ выбираем сталь С245 (ГОСТ 27772-88).

Ориентировочно принимаем, что толщина полки

По таблице 51 (с. 60 [1]) для стали С245при расчетное сопротивление материала пояса по пределу текучести .

5.5. Подбор основного сечения

В начале, в учебных целях расчет производим без учета пластических деформаций.

1. Требуемый момент сопротивления сечения:

Задаемся гибкостью стенки

Рекомендуется предварительно принимать =120-140.

2. Оптимальная высота балки, при которой площадь сечения будет минимальной,

В нашем случае, для балки переменного сечения оптимальная высота (при которой объем балки будет минимальным)

.

Минимальная высота балки (при которой балка отвечает требованиям жесткости при полном использовании прочностных свойств материала):

где определяется интерполяцией по табл. Е1 [1] и равно 1/245 для пролета балки L=11,4 м;

(см. п. 4.2)

Максимальная высота (при которой отметка низа балки d_δ=d_δ_min) при этажном сопряжении главных балок и балок настила:

Рис. 7. Сопряжение балок Б1 и Б2

, где максимальная строительная высота перекрытия:

Если h_опт,следует принять этажное сопряжение.

У нас , следовательно принимаем этажное сопряжение.

Принимаем ; при этом

Высота стенки

Принимаем кратно модулю 5 см.

3. Толщина стенки с учетом принятой гибкости:

По условиям коррозионной стойкости .

По условию прочности в опорном сечении при работе на сдвиг:

где .

Принимаем стенку из прокатной широкополосной универсальной стали (ГОСТ 82-70*), если , или из толстолистовой стали (ГОСТ 199-74*), если , так, чтобы это значение удовлетворяло всем вышеуказанным требованиям.
По сортаменту из этих стандартов t = 6,7,8,9,10,11,12,14….мм

Окончательно принимаем стенку из толстолистовой стали толщиной (ближайший размер по сортаменту к величине , найденной из условия сохранения предварительно принятой гибкости, при выполнении условий коррозионной стойкости и прочности).

Таким образом сечение стенки:

4. Требуемая площадь пояса из условия прочности

Приравнивая = 0 из-за его малой величины и выражая из формулы получим

Сечение пояса принимаем по (ГОСТ 82-70*). Приведем ряд значений "b" и "t" по сортаменту из этого стандарта:

b=180,190,200,210,220,240,250,260,280,300,320,340,360,380,400,420,450,480,500,530,560…. мм;
t=10,11,12,14,16,18,20,22,25,28,30,32,40….мм.

Необходимо соблюдать следующие требования:

1) ;

2) При изменении сечения по ширине (см. рис. 8, а); при изменении сечения по толщине (см. рис. 8, б)

3) По условию местной устойчивости при изменении сечения по ширине ; при изменении сечения по толщине

4) .

5) Величина должна соответствовать предварительно выбранному диапазону толщин (см. п. 5.4). В случае невыполнения последнего условия следует заново определить и уточнить подбор сечения балки.

Принимаем изменение сечения пояса по ширине. Назначаем , тогда

Принимаем . Ближайший больший размер по сортаменту из ГОСТ

При этом удовлетворяются все вышеуказанные условия:

·

·

·

·

· соответствует диапазону .

При назначении размеров и рекомендуется рассмотреть несколько вариантов и выбрать такой вариант, при котором величина минимальна.

Окончательные размеры основного сечения:

Стенка –

Пояс –

5. Геометрические характеристики основного сечения:

; ;

где принимается для материала пояса.

Момент инерции стенки:

Момент инерции поясов:

где .

Момент инерции основного сечения:

Момент сопротивления основного сечения:

5.6. Назначение размеров измененного сечения.

Таблица геометрических характеристик.

В нашем случае ширина измененного сечения:

Принимаем (см. выборку из ГОСТ 82-70* в п.5.5). Окончательные размеры измененного сечения:

Стенка -

Пояс - .

Геометрические характеристики измененного сечения:

; ;

Статический момент пояса:

Статический момент половины сечения:

Момент инерции измененного сечения

Момент сопротивления основного сечения

Таблица 2

Сечение										,
Основное				3,95	–	–	201,4*10³	769*10³	970,4*10³	14440,5
Измененное	48,4	239,8	3199,2	5523,0	422,9*10³	624,3*10³	9290,2

а) б)

Рис. 8. Сечение балки Б2: а – основное; б- измененное

5.7. Определение места изменения сечения

Предельный изгибающий момент для измененного сечения в месте стыкового шва:

где - расчетное сопротивление сварного стыкового шва сжатию, растяжению, изгибу по пределу текучести.

Используем полуавтоматическую сварку и физические методы контроля качества шва, тогда = =2350 кг/см² (см. табл. 3[1]).

При отсутствии физических методов контроля качества шва = .

По эпюре изгибающих моментов (см. рис. 7) определяем, что сечения с изгибающим моментом равным , находятся в “II” и “V” отсеках (за отсек принимается участок балки между сосредоточенными силами).

Найдем положение этих сечений относительно опор А и В (). Уравнение изгибающего момента для IIотсека:

Аналогично находится величина (см. рис. 7). В нашем случае, при симметричной нагрузке на балку

Убедимся, что эти сечения отстоят от ближайших ребер (границ отсеков) не меньше чем на

5.8. Проверки принятых сечений

5.8.1. По первой группе предельных состояний

Рис. 9. Эпюры напряжений в сечениях балки:

а – нормальные напряжения в середине пролета; б – касательные на опоре; в – нормальные и касательные в месте изменения сечения

1. Проверка прочности основного сечения по нормальным напряжениям в месте действия максимального момента (рис. 9,а):

2. Проверка прочности измененного сечения по касательным напряжениям на опоре (рис. 9,б):

Проверка прочности измененного сечения по приведенным напряжениям в месте изменения сечения (рис. 9,в) согласно п. 5.14 [1]:

Здесь σ и τ определяются соответственно по в месте изменения сечения.

Коэффициент 1,15 учитывает развитие пластических деформаций:

3. Проверка общей устойчивости балки.

Проверяем условие (37) пункта 5.16 [1] для участка главной балки между балками настила:

где

(см. рис. 10),

расчетное сопротивление для материала пояса.

5.8.2. По второй группе предельных состояний по деформативности при нормальных условиях эксплуатации

где 0,9 – коэффициент, учитывающий уменьшение жесткости балки вследствие перемены сечения;

5.9. Проверки местной устойчивости

5.9.1. Проверка местной устойчивости пояса

По пункту 7.24 [1] местная устойчивость обеспечена, если:

где - величина неокаймленного свеса, равная

Устойчивость пояса обеспечена.

5.9.2. Проверка местной устойчивости стенки

a) Расстановка ребер жесткости. Предусматриваем парные поперечные (вертикальные) ребра в местах опирания балок настила и на опорах (см. рис. 10).

Рис. 10. Схема расстановки ребер жесткости по длине балки

Согласно п. 8.5.9 [1], при расстояние между ребрами жесткости не должно превышать , а при не превышать

В нашем случае при

b) Определение размеров промежуточных ребер.

Требуемая ширина для парного ребра: (см. рис. 11).

Принимаем

Требуемая толщина ребра:

Тогда

При этажном сопряжении размеры ребра принимаются:

Рис. 11. Ребро жесткости

c) Проверка местной устойчивости стенки.

Проверка местной устойчивости требуется при и выполняется по формуле:

По таблице 6 [1]

где – среднее значение поперечной силы на расчетной длине отсека . При расчетная длина (в пределах наиболее напряженного отсека), при .

В случае, когда балка меняет сечение в пределах проверяемого отсека максимальное нормальное сжимающее напряжение в стенке: (или ), где – средняя величина момента в пределах расчетной длины отсека. В случае, когда балка меняет сечение в пределах для упрощения расчета и в запас, можно считать, что , где – момент в месте изменения сечения.