Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Алтайский Государственный ТехническийУниверситет им. И.И. Ползунова».
Факультет Заочный
Кафедра Строительных конструкций
Курсовой проект
По дисциплине «Металлические конструкции, включая сварку»
Тема «Стальные конструкции рабочей площадки»
Содержание
1. Исходныеданные для проектирования
2. Расчетнаячасть
Списоклитературы
1. Исходныеданные для проектирования
Размер рабочей площадки в плане: 9х24 м.
Сетка колонн: 4,5х12 м.
Технологическая нагрузка (равномерно распределенная): 12,5 />.
Отметка верха настила: 9,6 м.
Класс бетона фундаментов: В12,5.
Район строительства: Тюмень.
2. Расчетнаячасть
Город Тюмень относится к климатическому району I2 по т. 50* СНиП II-23-81* «Стальныеконструкции» подбираем марку стали С345 для настила по ГОСТ 27772-88.
Расчет настила.
/>
/>
Рис.1 Схема опирания настила на балки настила
Соотношение между шириной и толщиной настила можно определить изследующего неравенства:
/>
где /> — длина пролета
/>-толщина настила
/>
/> — цилиндрическая жесткостьнастила.
/> — модуль упругости стали />
/> — коэффициент Пуассона /> — для стали.
/>
/>
Исходя из условий на проектирование, толщина настила принимается10 мм.
Таким образом />.
Так как число и шаг настилов должно быть целым числом, топринимаем />.
Определим величину распора:
/>
/> — коэффициент надежности понагрузке />
/>
/>
Подберем катет сварного шва по формулам:
/>
/> по таблице 34 СНиП «Стальныеконструкции»
/>-длина сварного шва.
/>-
R — временное сопротивление стали электродам.
Для электродов марки Э42 />
/>
/> принимаем катет сварного шва 4 мм.
Расчет балкинастила
/>
Рис 2. Схема расположения основной ячейки
Для балок настила в климатическом районе I2 принимается стальмарки С345 с расчетным сопротивлением /> для толщины от 4 до 10 мм. Набалку действует технологическая нагрузка и собственный вес стального настила.Суммарная нагрузка, действующая на одну балку настила распределена, на площадис габаритами />, /> — длина балки настила, /> — шаг балокнастила. Принимая плотность стали /> , величину технологическойнагрузки />,а также найденную нами ранее толщину листа настила найдем величину расчетнойлинейнораспределенной нагрузки.
/>
Рис 3. Расчетная схема балки настила
Нормативная нагрузка на балку:
/>
где /> — нормативная нагрузка на балку
/> — технологическая нагрузка.
/> — плотность стали.
/>-толщина настила
/> -шаг балок настила.
/>
Расчетная нагрузка на балку:
/>
где /> — расчетная нагрузка на балку.
/> — коэффициент надежности понагрузке.
/> — коэффициент надежности понагрузке для веса стальных конструкций.
/>
Максимальные нормальные напряжения, возникающие в балке настила,не должны превышать расчетного сопротивления стали по пределу текучести с учетомкоэффициента по условию работы.
/>
/>
где /> — расчетное сопротивление стали попределу текучести />.
/> — коэффициент условий работы.
/> — максимальный изгибающий момент.
/> — момент сопротивления сечениябалки относительно оси Х.
Максимальный изгибающий момент в балке настила:
/>
/>
/>
По таблице сортаментов двутавров ( ГОСТ 8239-72 «Двутавры стальныегорячекатаные. Сортамент» ) принимаем ближайший больший по моментусопротивления двутавр.
Наиболее подходит двутавр с номером профиля №20 />
Рассчитаем прогиб балки настила.
/> />
/>
Принятые характеристики балки настила удовлетворяют условияпрогиба.
Расчет главной балки.
Сбор нагрузок и формирование расчетной схемы
/>
Рис 4. Определение грузовой площади
Выбираем балку в середине так как она наиболее нагружена. Грузоваяплощадь с которой собираются все нагрузки и прикладываются как сосредоточеннаясила F, показана на рис 4.
Нормативное значение сосредоточенной силы
/>
Где /> — полезная технологическаянагрузка />
/> (/>объем настила, соответствующийего площади в плане 1 /> />/>плотность стали />
/>
/>-вес балки настила, равныйпроизведению веса 1м.п. двутавра номер 20 на длину балки настила; />
/>
/>
Расчетное значение сосредоточенной силы:
/>
/> — коэффициент надежности понагрузке для равномерно распределенных нагрузок = 1,2
/> — коэффициент надежности понагрузке для веса стальных конструкций = 1,05.
/> — коэффициент надежности поответственности = 0,95.
/>
так каксосредоточенных нагрузок более 8 допускается заменить нагрузку эквивалентнойравномернораспределенной
/>
/>
/>
Построим эпюры изгибающих моментов и поперечных сил.
/>
/>
/>
Определяем сечение главной балки.
Марка стали принимается С345 с расчетным сопротивлением />.
/>
/>-максимальный изгибающий момент.
/> — требуемый момент сопротивления.
/>
Компановка сечения начнем с назначения высоты, так как высота- этопараметр от которого зависят все остальные размеры.
Назначение высоты балки.
Высота балки назначается исходя из анализа трех значений /> — оптимальнаявысота балки, которая обеспечивает наименьшую площадь сечения, а следовательно,и наименьший расход стали.
Оптимальная высота
/>
/> — толщина стенки, вычисляется поэмпирической формуле
/>
Вычисляется
/>
Где /> — коэффициент, принимаемый длясоставных сварных балок 1,15-1,2.
Определяем минимальную высоту.
/>
Принимаем высоту балки равной 84 см.
Строительная высота перекрытия не задана.
Назначаем толщину стенки.
Из условия прочности стенки в опорных сечениях ее толщина должнаудовлетворять условию:
/>
/> — высота стенки балки,приближенно
/>см.
/>расчетное сопротивление сталисдвигу
/>
/>-предел текучести стали.=/>
/> — коэффициент надежности поматериалу />
/>
/>
/>
Принимаем 6мм кратно 2.
Для обеспечения местной устойчивости толщина стенки должнаудовлетворять условию:
/>
Исходя из условий назначаем 8мм.
Назначение размеров поясов.
/>
Принимаем 22 см .
Необходимая ширина пояса.
Определим требуемую площадь каждого пояса составной балки:
/>
/>
где Afтр – требуемая площадь сечения каждогопояса, см2.
Определяемвеличину свеса пояса.
/>
/>
Уточняем высоту стенки.
/>
Определяем геометрическиехарактеристики главной балки:
/>
/>
/>
Выполняемпроверку прочности по нормальным напряжениям:
/> /> МПа
Обеспечениеустойчивости верхнего сжатого пояса.
/> />
Местнаяустойчивость обеспечена.
Изменениесечения балки по длине.
Сечение составной балки, подобранное по максимальному изгибающемумоменту, можно уменьшить в местах снижения моментов.
Ширина пояса измененного сечения /> назначается исходя из расчета и сучетом конструктивных требований:
/>
/>
/>
Определяем место изменения сечения.
/> см.
На расстоянии 2 м от опоры сосредоточенных сил нет.
Вычисляем изгибающий момент и поперечную силу в сечении:
/>
/>
Определим требуемый момент сопротивления измененного сечения:
/>
Требуемая площадь пояса:
/>
ширина пояса
/> см.
Исходя из вышеуказанных условий, принимаем />
Вычисляем геометрические характеристики принятого сечения:
/>
/>
/>
Выполняем проверку прочности стыкового сварного шва.
/> />
/>МПа.
Проверка выполнена.
Выполняемпроверку прочности по касательным напряжениям в приопорном сечении.
Вычисление напряжений производится по формуле Журавского.
/>
/>-статический момент полусечения
/>
/>
Условие выполняется.
Выполняемпроверку на прочность по приведенным напряжениям в стенке в месте изменениясечения.
/> (301,5 МПа)
/> />
/>
/>
/>
/>
Проверка выполняется, сталь работает упруго.
Проверяемдеформативность балки.
Проверяем балку по прогибам /> в середине пролета не долженпревышать нормируемого значения />, определяемого по СНиП «Нагрузкии воздействия.
/> />
/>
/>
Таким образом максимальный прогиб не превышает нормируемогозначения, жесткость балки обеспечена.
Обеспечениеобщей устойчивости балки.
Устойчивость балки обеспечена если выполняется условие:
/>
/>-расчетная длина балки в расчетахна общую устойчивость. В данном случае это расстояние между балками настила,которые закрепляют главную балку от перемещений из ее плоскости.
/>
Условие выполняется.
Обеспечениеобщей устойчивости стенки балки.
Стенку укрепляют ребрами, расположенными перпендикулярно ееплоскости, тем самым увеличивая ее жесткость. Их установка обязательна еслиусловная гибкость стенки /> больше значения 3,2.
/>
Максимальное расстояние между ребрами не должно превышать 160 см.
Для удобства и обеспечения дополнительной жесткости, устанавливаемребра под сосредоточенной нагрузкой.
Так как поперечные ребра устанавливаются под сосредоточеннойнагрузкой можно исключить локальные напряжения.
/>
Проверка на устойчивость стенки балки в пределах отсека при />, выполняетсяпо формуле:
/>d £ 0,8 1,0 2,0 4,0 6,0 10,0 ³ 30
ccr 30,0 31,5 33,3 34,6 34,6 35,1 35,5
Где значение /> определяется в зависимости отгеометрических параметров отсека./>
Определение нормальных и касательных напряжений.
Отсек 1.
/>
/>
/>
/>
/> />
/>-меньшая из сторон отсека.
/> определяется в зависимости от />
/>т
аким образом />
/>
/>
/>
Среднее касательное напряжение в стенке.
/>
Критические касательные напряжения в стенке определяются:
/>
/> — отношение большей стороны отсекак меньшей.
/>
Проверяем условие устойчивости:
/>, что меньше чем />
Неравенство выполняется следовательно устойчивость стенки в отсекеобеспечена.
Отсек 4
/>
Определение нормальных и касательных напряжений.
X=360см.
/>
/>
/>
/>
/> />
d- меньшаяиз сторон отсека.
/> определяется в зависимости от />
/> />
/>
/>
/>
Среднее касательное напряжение в стенке.
/>
Критические касательные напряжения в стенке определяются:
/>
/> — отношение большей стороны отсекак меньшей.
/>
/>
что меньше чем 0,9 следовательно устойчивость в отсеке обеспечена.
Определяем размеры ребра:
Ширина выступающей части ребра:
/>
принимаем 70 мм. Толщина ребра:
/>
принимаем 6 мм в соответствии с сортаментом прокатной стали.
Проектированиеопорной части балки.
Примем опирание балки на колонну сверху через опорное ребро,привариваемое к торцу.
Вычисляем требуемую площадь опорного ребра:
/>
/>опорная реакция балки. /> — расчетноесопротивление смятию торцевой поверхности при наличии пригонки.(СНиП «Стальныеконструкции».
/>
Назначаем ширину ребра /> равной ширине поясов />
Тогда /> Принимаем равной 10 мм всоответствии с сортаментом прокатной стали. Выступающая вниз часть ребра недолжна превышать />. />.проверяем местную устойчивостьребра:
/> />
Местная устойчивость ребра обеспечена.
Проверяем устойчивость опорной стойки из плоскости стенки балки:
/>
/>
/>
/>
/>
/>
По таблицу 72 СНиП «Стальные конструкции» определяем />
Устойчивость обеспечена.
Назначаемкатет двухсторонних угловых сварных швов крепления опорного ребра к стенке.
Принимаем полуавтоматическую сварку в нижнем положении сварочнойпроволокой Св-08Г2С в среде />.
Для данной проволоки:
/> /> /> />
/>
Требуемый катет швов:
По металлу шва:
/>
По металлу границы сплавления:
/>
По расчетному требованию катет составляет 3мм.
По конструктивным требованиям т.38 СНиП минимальный катет 5мм.Окончательно принимаем 5мм.
Сварные швы, крепящие ребро к поясам, принимаем конструктивноминимальными 6мм.
Расчетпоясных сварных швов.
Поясные сварные швы препятствуют взаимному сдвигу поясов приизгибе балки и обеспечивают их совместную работу.
Сдвигающие усилие на единицу длины:
/>
/>-статический момент поясаотносительно нейтральной оси балки.
Так как отсутствуют сосредоточенные нагрузки через пояс балки вместе не укрепленном ребром жесткости, то поясные швы не испытывают дополнительногоместного давления.
Поясные швы выполняют непрерывными по всей длине балки постоянногокатета, который назначается по расчету в наиболее напряженном единичном отрезкедлины. Их предпочтительнее выполнять автоматической сваркой в положении «влодочку». Они могут быть односторонними или двухсторонними.
/>
/>/>
Принимаем автоматическую сварку сварочной проволокой СВ-1НМА подфлюсом АН-47 в положении «в лодочку».
/> /> /> />
/>
По металлу шва.
/>/>
/>
По таблице 38 СНиП минимальный катет сварного шва 7 мм.Поэтомупринимаем 7мм.
Расчет укрупнительного стыка главной балки.
В стыках на высокопрочных болтах каждый пояс перекрывается тремянакладками, а стенка двумя. Площадь сечения которых должна быть не менееплощади перекрываемых элементов. Применяются высокопрочные болты с контролемусилия натяжения. В таких соединениях передача усилия осуществляется за счетсил трения, которые возникают по поверхности соприкосновения от сильногоприжатия деталей друг к другу. Для стыка принимаем высокопрочные болты 20мм.
/> />
Коэффициент трения />
/>/>
/>
Несущая способность одного болта с учетом двух плоскостей трения.
/>кН.
/>
/>
/>
/>
Принимаем по 8 болтов с каждой стороны стыка и размещаем их всоответствии с конструктивными требованиями.
/>
Пояс ослаблен четырьмя отверстиями:
/> />
Следовательно, расчет ведем по условной площади пояса:
/>
/>МПа
Прочность поясов в месте укрупнительного стыка обеспечена.Принимаем толщины поясных накладок 10 мм. Тогда площадь наиболее напряженногосечения накладок, ближайшего к середине балки, с учетом ослабления четырьмяотверстиями:
/>
Следовательно, расчет ведем по условной площади накладок
/>
/>МПа
Прочность обеспечена.
Принимаем накладки толщиной 10 мм.
Момент воспринимаемый стенкой:
/>
Принимаем расстояние между крайними по высоте рядами болтов:
/>
Принимаем два вертикальных ряда (m=2) c каждой стороны стыка ишесть горизонтальных рядов с шагом 720/5=144мм. В сечении балки, гдевыполняется стык Q=0, максимальное усилие в наиболее нагруженном болте:
/>
/>
Прочность стыка стенки обеспечена.
/>
Расчет колонны.
В качестве материала для колонны используется материал сталь С345с расчетным сопротивлением />, рассчитываемая колонна являетсясквозной, составного сечения из двух швеллеров.
/>
Расчетная схема колонны представляет собойбалку на шарнирных опорах.
Расчетнаясхема колонны.
Определимрасчетную нагрузку на колонну:
/>
Геометрическая и расчетная длина колонны будут различные в разныхнаправлениях.
Определим геометрическую длину колонны.
/>
определим расчетную длину колонны:
/>
/>
Предварительно зададимся гибкостью колонны в зависимости отнагрузки./>
Определяем коэффициент продольного изгиба в зависимости отгибкости и расчетного сопротивления стали (т. 72 СНиП) />
Подбираем сечение стержня, рассчитывая его относительно оси х.
Определяем требуемую площадь сечения:
/>
Определяем требуемый радиус инерции:
/>
Учитывая полученные результаты принимаемдва швеллера №22
№
Профиля h, мм
А,/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/> 22 220 26,7 8,89 2110 21 2,37 151 8,2 0,54 0,95
С учетом выбранного швеллера гибкость относительно оси х:
/>
Коэффициент продольного изгиба />
Проверяем устойчивость относительно оси х:
/>
Недонапряжение составляет: />
Расчет относительно свободной оси:
Определяем расстояние между ветвями колонны из условияравноустойчивости в двух плоскостях: />. Принимаем гибкость ветви />, а затемопределяем требуемую гибкость относительно свободной оси у-у.
/>
В соответствии с типом принятого сечениярасстояние между ветвями />
Определяется из выражения />
Полученной гибкости соответствует радиус инерции:
/>
Определяем расстояние между ветвями:
/>
Полученное расстояние должно быть не менее двойной ширины полокшвеллеров плюс зазор необходимый для оправки внутренних поверхностей стержня:
/>
Принимаем расстояние между ветвями 300 мм.
Зазор между ветвями
/>
Проверим сечение относительно свободной оси:
/>
Радиус инерции сечения относительно свободной оси:
/>
Гибкость стержня относительно свободной оси:
/>
Приведенная гибкость колонны:
/>
/>
Устойчивость колонны относительно свободной оси:
/>
Недонапряжение составляет />
Окончательно принимаем: /> />
Расчетпланок
Устанавливаем размеры планки. Планки заводим на ветви на 50 мм.
Ширина планки: /> принимаем 24 см.
Высота планки: />
Толщина планки: />
Расстояние между планками: />см.
Расчетная длина между планками: />
Определяем расчетные усилия, действующие на одну планку:
Условная поперечная сила в колонне:
/>
Поперечная сила и изгибающий момент, действующие на планку однойграни:
/>
/>/>
/>
Принимаем приварку планок к полкам двутавров угловыми швами />. Так какпрочность угловых швов будет меньше прочности планки, то достаточно выполнитьпроверку прочности сварных швов. Присоединение планок осуществляется ручнойсваркой электродами Э42.
Площадь и момент сопротивления сварного шва:
/>
/>
Напряжение в шве от момента и поперечной силы:
/>
/>
Равнодействующее напряжение:
/>
Прочность конструкции обеспечена.
Расчетоголовка колонны.
Опирание балок на колонну принято сверху. Поэтому оголовок колоннысостоит из плиты и ребер, поддерживающих плиту и передающих нагрузку настержень колонны. Ребра оголовка приваривают к опорной плите и к ветвямколонны. Швы прикрепляющие ребро оголовка к плите, должны выдерживать полноедавление на оголовок.
Определяем величину катета сварного шва по металлу шва:
/>
По металлу границы сплавления:
/>
Ввиду большой толщины сварного шва торец колонны и ребронеобходимо фрезировать. В этом случае давление от балок будет передаватьсянепосредственно через опорную плиту на ребро оголовка, назначаетсяконструктивно, принимаем />.
Толщину опорной плиты принимаем конструктивно />.
Высоту ребра оголовка определяем из условия требуемой длины швов,предающих нагрузку на стержень колонны. Принимаем />.
По металлу шва:
/>
По металлу границы сплавления:
/>
Принимаем />
Толщину ребра оголовка /> принимаем из условиясопротивления на смятие под полным опорным давлением:
/>
где />-длина сминаемой поверхности,равная ширине опорного ребра балки плюс две толщины плиты оголовка.
/> — расчетное сопротивление смятиюторцевой поверхности.
Согласно сортаменту принимаем 1.2 см.
Проверяем ребро на срез:
/>
назначаем толщину вспомогательных ребер 8 мм.
Проверяем на срез:
/>
Рассчитываем сварные швы, соединяющие опорное ребро оголовка совспомогательными:
По металлу шва:
/>
/> — расчетная длина шва, принимаемаяменьшей его полной длины на 10 мм. />
/>
По металлу границы сплавления:
/>
/>
Окончательно принимаем 7 мм.
Расчет базыколонны.
База является опорной частью колонны и предназначена для передачиусилия с колонны на фундамент. Конструкцию базы принимаем с траверсами.Траверса служит для более равномерного распределения усилий от колонны на плитуи увеличивает ее несущую способность.
Бетон фундамента класса В12,5, для которого призменная прочность />.
Расчетную нагрузку на колонну определяют как сумму нагрузок:нагрузку на колонну /> и вес колонны />
/>
/> — коэффициент надежности понагрузке.
Определяем требуемую площадь опорной плиты базы колонны:
/>
Ширину плиты принимаем по конструктивным соображениям:
/>
/>-расстояние между траверсами,высота сечения ветви=22 см.
/> — толщина траверсы, которая изконструктивных соображений принимается 10…16 мм, принимаем 15 мм.
/> — свободный выступ плиты затраверсу, принимаемый от 2 до 6 см.
/>
Длина плиты:
/>
Плита работает как пластинка на упругом основании, воспринимающаядавление от ветвей, траверс и ребер.
Плиту рассчитывают как пластину, нагруженную снизуравномерно-распределенным давлением /> и опертую на элементы сечениястержня и базы колонны (траверсы, диафрагмы, ребра).
Напряжение под плитой:
/>
В соответствии с принятой конструкцией базы плита имеет участки,опертые на четыре канта, на три канта и консольные.
Участок, опертый на четыре канта:
Отношение сторон
/>
Коэффициент />
Изгибающий момент равен:
/>
Участок, опертый на три канта:
/> />
/>
Изгибающий момент равен:
/>
По максимальному моменту определяем толщину плиты.
/>
в соответствии с сортаментом принимаем 22 мм.
Высоту траверсы находим по длине сварных швов, необходимых дляприкрепления ее к стержню колонны. Прикрепление траверсы к колонне выполняемполуавтоматической сваркой сварочной проволокой СВ-08Г2С.
Расчетные характеристики:
/>
/>
/> />
Расчет ведем по металлу шва.
При 4-х вертикальных швах с катетом 5 мм высота траверсы составит:
/>
Принимаем высоту траверсы 30 см.
Производим проверку траверсы на прочность. Траверса рассчитываетсякак однопролетная балка с консолями.
/>
/>
на максимальном участке:
/>
/>
Приварку торца ветвей колонны к опорной плите выполняемконструктивными швами 6 мм, так как эти швы в расчете не учитывались.
Список литературы
1. БеленяЕ.И. Металлические конструкции.- М.: Стройиздат, 1986. –560 с.
2. ЛихтарниковН.М. и др. Расчет стальных конструкций: Справочное пособие. –
К.: Будивельник,1984. –368 с.
3. СНиП2.01.07.85*. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. –М., 1975 – 36с.
4. СНиПII-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования.- М., 1988 – 93 с.
5. Кикоть А.А.Расчет стальной сварной балки – АлтГТУ, Барнаул, 2005 50 с.