Рабочая площадка промышленного здания

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Проектирование площадки производится на основании выданного задания к выполнению курсовой работы по дисциплине “Металлические конструкции” на тему “Рабочая площадка промышленного здания”.

Задание на курсовое проектирование (см. приложение) содержит необходимые для расчета исходные данные: размеры площадки в плане (в осях), шаг колонн в продольном и поперечном направлениях. Отметки верха габарита площадки и оборудования под перекрытием, класс стали для основных несущих конструкций, тип монтажного стыка главной балки и т.д.

В расчетно-пояснительной записке дается краткое описание и обоснование основных архитектурно-строительных решений, целесообразности применения металлических конструкций, определена основная конструктивная схема здания и подобраны типовые конструкции элементов конструктивной схемы. В соответствии с расчетами разработаны основные чертежи: планы и разрезы со схематическим изображением основных конструкций, приведенные в графической части курсовой работы.

Проектирование ведется с учетом, по возможности, следующих требований: выбор наиболее рациональных конструктивных решений, обеспечивающих экономию металла, минимум трудоемкости изготовления, унификация и типизация типов конструкций и скоростной монтаж.

1. Конструирование и расчет элементов и узлов балочной клетки

Выбор оптимального варианта ячейки балочной клетки

Компоновка и расчет элементов ячейки балочной клетки нормального типа.

Рис. 1. Ячейка балочной клетки нормального типа

Компоновка ячейки.

Примем шаг балок настила а = 1,5 м. Для того, чтобы ни одна из балок настила не попала на монтажный стык главных балок, принимаем вариант компоновки со смещением крайних балок настила в ячейке с поперечных разбивочных осей на полшага (рис.1).

,

.



Рис. 2. Плоский стальной настил: а) конструктивная схема; б) расчетная схема

Расчет настила.

Конструктивная и расчетная схемы настила представлены на рис.2. Величина временной нормативной нагрузки, действующей на настил.

Рис. 3. Графики Лейтеса

(qvn=25 кН/м2), находится в пределах 50 кН/м2. Прочность настила при данной нагрузке будет обеспечена, поэтому расчет производим только по жесткости. Критерием жесткости для изгибаемых элементов является величина предельного относительного прогиба; для стального настила [f/a] = 1/150.

Расчет настила будем производить с помощью графиков (рис.3). Для заданной нагрузки qvn = 25 кН/м2 и предельно допустимого относительного прогиба [f/a] = 1/150 определяем требуемое отношение пролета настила к его толщине (a/t = 100); тогда минимальная толщина настила t = a/100 = 150 см/100 = 1,5 см. По ГОСТ 19903_74* принимаем толщину настила t = 16 мм.

Настил передает вниз на балки настила временную нагрузку и нагрузку от собственной массы. Нормативная величина нагрузки от массы настила, распределенной на 1 м2 площади gн может быть определена умножением объемной плотности стали (7850 кг/м3) на толщину листа:

= 7850 кг/м3 = 78,5 кН/м3; t = 0,016 м

= 78,5 кН/м3·0,016 м = 1,256 кН/м2

Расчет балок настила.

Конструктивная схема опирания балок настила на главные балки представлена на рис. 4,а. В запас прочности и жесткости в качестве расчетной схемы принимаем однопролетную балку с шарнирными опорами (рис. 4,б).

Каждая балка настила воспринимает нагрузку, действующую в пределах ее грузовой площади. Расчетная балка (рис.1) воспринимает временную нагрузку.

Рис. 4. К расчету балки настила: а) конструктивная схема; б) расчетная схема; в) эпюра изгибающих моментов

И постоянную нагрузку от массы настила, действующие в пределах грузовой полосы, шириной а.

Таким образом, нормативная нагрузка, действующая на балку настила:

.

Расчетная нагрузка определяется с учетом коэффициентов надежности по переменной нагрузке и постоянной нагрузки .

.

Для стального листа =1,1. Временная нагрузка в примере не конкретизирована, поэтому условно примем коэффициент ее надежности =1,2.

Определим величину расчетной погонной нагрузки, действующей в данном конкретном случае на балку настила:

Величина максимального изгибающего момента, действующего в середине пролета рассматриваемой балки (рис. 4,в), определяется как:

.

Подбор сечения балки будем производить с учетом возможности развития в ней пластических деформаций:

,

где: - расчетное сопротивление стального проката на сжатие, растяжение и изгиб.; в данном случае =24 кН/см2. - коэффициент; в курсовой работе для двутавровых балок по ГОСТ 8239-89 можно для упрощения с достаточной точностью принять C1=1,1. - коэффициент условий работы; в рассматриваемом примере =1,0. С учетом конкретных значений , , определяем требуемый момент сопротивления:

По ГОСТ 8239-89 принимаем двутавр I50, имеющий:

, и линейную плотность .

Прочность принятой балки обеспечена так как . Обеспечена и общая устойчивость балки, т.к. нагрузка на нее передается через стальной жесткий лист настила, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно к нему приваренный.

Проверим жесткость балки. Для этого определим относительный прогиб f / l1 и сравним его с предельно допустимым значением [f / l1]=1/250:

,

т.е., жесткость балки обеспечена. Таким образом, балка отвечает предъявляемым к ней эксплуатационным требованиям по 1-й и 2-й группам предельных состояний.

Компоновка и расчет элементов балочной клетки усложненного типа (II вариант).

Рис. 5. Ячейка балочной клетки усложненного типа

Компоновка ячейки.

Как и в ячейке балочной клетки нормального типа, главные балки располагаем, перекрывая больший пролет. Вспомогательные балки размещаем с шагом l2=3,0 м, кратным пролету главной.

Балки настила располагаем вдоль главных балок с шагом а=1,5м, кратным пролету вспомогательных балок.

Расчет настила.

Расчет выполним по аналогии с расчетом настила балочной клетки нормального типа. По графикам Лейтеса (рис.3) для qvn = 25 кН/м2 и ([f/a]=1/150) определяем требуемую величину отношения пролета настила к толщине (а/t=100). С учетом а=1,5м, толщина настила t = 150/100 = 1,5 см. По ГОСТ 19903-73 принимаем настил толщиной t=16 мм. Нормативная величина нагрузки от массы настила.

= 78,5кН/м3·0,016м = 1,256 кН/м2



Рис. 6. К расчету балки настила: а) конструктивная схема; б) расчетная схема; в) эпюра изгибающих моментов.

Расчет балок настила.

Примем этажное опирание балок настила на вспомогательные (рис. 6 а). Расчетную схему в запас прочности можно принять в виде однопролетной шарнирно опертой балки пролетом l2 (рис. 6 б).

Т.к. нормативная величина нагрузки от массы настила не изменилась и шаг балок настила a, как и в первом варианте равен 1,5 м, значения величин нагрузок, действующих на БН не изменятся:

= 0,39 кН/см и = 47,07 кН/м.

Вычисляем максимальное значение изгибающего момента:

Подбор сечения балки производится с учетом возможности развития в ней пластических деформаций:

По ГОСТ 8239-89 принимаем двутавр I22, имеющий:

, ,

и линейную плотность .

Так как , проверка прочности балки не требуется. Не требуется и проверка общей устойчивости балки.

Выполним проверку жесткости балки настила:

,

т.е., жесткость балки обеспечена.

Таким образом, окончательно принимаем в качестве балки настила двутавр I22 по ГОСТ 8239-89, как удовлетворяющий предъявляемым к нему эксплуатационным требованиям.

Рис. 7. К расчету вспомогательной балки: а) конструктивная схема; б) схема передачи нагрузки; в) расчетная схема (точечная); г) эпюра изгибающих моментов.

Расчет вспомогательных балок.

В рассматриваемой балочной системе вспомогательные балки несут временную нагрузку и постоянные нагрузки от массы настила и балок настила. Опорами вспомогательных балок являются главные балки (рис. 7,а).

За расчетную схему вспомогательной балки в запас прочности принимаем однопролетную шарнирно опертую балку, пролетом l1. Нагрузка вспомогательной балке прикладывается в виде сосредоточенной в местах опирания балок настила (рис. 7,б).

При количестве сосредоточенных сил, большем или равным пяти, в целях упрощения расчета с достаточной точностью может быть принята схема с загружением балки равномерно распределенной нагрузкой. В данном примере именно такой случай: количество балок настила, приходящихся на вспомогательную балку, равно шести, поэтому расчет вспомогательной балки будем вести с учетом действия равномерно распределенной нагрузки.

Определяем нормативную величину этой нагрузки:

Вычислим расчетную нагрузку, действующую на вспомогательную балку:

Определяем максимальное значение изгибающего момента:

Требуемое значение момента сопротивления сечения вспомогательной балки с учетом ее работы в упругопластической стадии определяется по формуле:

.

По ГОСТ 8239-89 принимаем двутавр I60, имеющий:

, и линейную плотность .

Прочность двутавра не проверяем: она обеспечена, так как .

В отличие от балки настила, сжатый пояс вспомогательной балки не имеет сплошного закрепления от поперечных смещений. Он закреплен лишь в отдельных точках самими балками настила, образующими совместно с настилом жесткий диск. Поэтому вспомогательную балку необходимо проверить на предмет обеспеченности её общей устойчивости.

Общая устойчивость балки обеспечена, если отношение её расчетной длины lef к ширине сжатого пояса b не превышает предельно допустимых значений [lef / b]. За расчетную длину балки lef следует принимать расстояние между точками закрепления сжатого пояса от поперечных смещений. В данном примере расчетная длина равна шагу балок настила, т.е. lef = a = 1,5 м.

Если нагрузка приложена к верхнему поясу, то предельное отношение[lef / b] определяем по формуле:



где b и t - соответственно ширина и толщина сжатого пояса балки; h - расстояние между осями поясных листов.

Производим проверку устойчивости вспомогательной балки.

В соответствии с ГОСТ 8239 - 89 I60 имеет b = 19 см, t = 1,78 см, h = 60 - 1,78 = 58,22 см.

Определяем действительное значение отношения расчетной длины балки к ширине сжатого пояса:

Вычисляем предельно допустимое значение отношения:

,

т.е. общая устойчивость балки обеспечена.

Проверяем жесткость вспомогательной балки:

,

Таким образом, принятая вспомогательная балка отвечает предъявленным к ней требованиям прочности, общей устойчивости и жесткости, т.е. удовлетворяет требованиям и 1-ой, и 2-ой групп предельных состояний.

2. Технико-экономическое сравнение вариантов ячеек балочной клетки.

Расход стали на 1 м2 настила определяем умножением объемной плотности стали на толщину листа:

7850 кг/м3Мt = 7850 кг/м3М 0,016 м = 125,6 кг/м2.

Расход стали на балки настила, отнесенный на 1 м2 ячейки, можно определить делением линейной плотности балок на их шаг:

.

Расход стали на балки настила, относимый к 1м2 балочной ячейки нормального типа определяем, как суммарную величину расхода на настил и на балки настила:

Количество отправочных марок балок в ячейке составляет 10 штук (10 шт. БН).

Количество типоразмеров балок в ячейке - 1 шт., т.е. балка I50 конструктивной длиной 7480 мм (пролет в осях 7500 мм, по 10 мм привязка с двух сторон).

ТЭП для ячейки балочной клетки усложненного типа:

Расход стали на 1 м2 настила:

7850 кг/м3Мt = 7850 кг/м3М 0,016 м = 125,6 кг/м2.

Расход стали на балки настила, отнесенный на 1 м2 ячейки:

,

Расход стали на вспомогательные балки, отнесенный на 1 м2 ячейки:

Расход стали на 1 м2 балочной ячейки усложненного типа:

.

Количество отправных марок балок в ячейке составляет 36 штук, т.е. 30 штук БН и 6 штук ВБ.

Количество типоразмеров балок в ячейке - 2 шт., т.е. 1 шт. БН и 1 шт. ВБ.

Сравнение вариантов.

Для удобства проведения сравнения сведем технико-экономические показатели обоих вариантов в таблицу.

Табл. 1

п.п.	ТЭП	Размерность	Вариант 1	Вариант 2
1	Расход стали на 1 м2 ячейки	кг/м2	177,9	177,76
2	Количество отправных марок балок в ячейке	шт.	10	36
3	Количество типоразмеров балок в ячейке	шт.	1	2

Как видно из таблицы, практически по всем показателям первый вариант является более выгодным по сравнению со вторым, т.е. компоновка ячейки балочной клетки нормального типа почти не уступает компоновке ячейки балочной клетки усложненного типа с экономической точки зрения и является менее трудоемкой.

Проводить сравнение по стоимости стали, затраченной на 1 м2 ячеек, в данном случае нецелесообразно, так как в обоих вариантах принята одна и та же марка стали.

3. Конструирование и расчет главной балки.

Подбор основного сечения главной балки.

Рис. 8. Расчетная схема главной балки.

Расчетная схема главной балки приведена на рис. 8.

Нормативная нагрузка на главную балку:

Расчетная нагрузка на главную балку:



Расчетный изгибающий момент в середине пролета:

Поперечная сила на опоре:

Главную балку рассчитываем с учетом развития пластических деформаций. Определяем требуемый момент сопротивления балки по формуле:

Находим оптимальную высоту главной балки, предварительно задав ее высоту и рассчитав толщину стенки .

Принимаем толщину стенки 12 мм.

.

Определяем минимальную высоту главной балки по формуле:

Строительную высоту балки находим исходя из заданных отметок верха габарита площадки H1 и верха габарита оборудования под перекрытием Н2 и конструкции перекрытия:

,

здесь hбн - высота балки настила, соответствующая принятому для нее номеру двутавра.

Сравнивая полученные высоты, принимаем высоту главной балки hГБ = h = 150 см.

Проверяем принятую толщину стенки:

· по эмпирической формуле

.

· из условия работы стенки на касательные напряжения на опоре.

,

где Rs = 0,58·Ry =0,58·24 кН/см2 = 13,92 кН/см2;

· из условия обеспечения местной устойчивости в середине пролёта:

.

балочный стальной изгибающий

Сравнивая полученные значения с принятой ранее толщиной стенки (12 мм), приходим к выводу, что она удовлетворяет условию прочности и условию обеспечения местной устойчивости.

Размеры горизонтальных поясных листов находим исходя из необходимой несущей способности балки. Для этого вычисляем требуемый момент инерции сечения балки:

Находим момент инерции стенки балки, принимая толщину поясов 3,2 см:

Момент инерции, приходящийся на поясные листы:

Требуемая площадь сечения поясов балки:

,

где hf = h - tf = 150 см - 3,2 см = 146,8 см.

Принимаем пояса из универсальной стали 480х32 мм.

Проверяем принятое сечение на прочность. Для этого предварительно вычисляем фактический момент инерции и момент сопротивления балки:

.

Максимальные нормальные напряжения в поясах балки составляют:

Проверка максимального касательного напряжения в стенке у опоры не требуется, т.к. принятая толщина стенки больше требуемой по условиям работы на касательное напряжение.

Т.о. подобранное сечение балки удовлетворяет проверке прочности и не имеет недонапряжения больше 5% (недонапряжение составляет 3%).

Проверку прогиба (жесткости) балки, т.е. пригодности к нормальной эксплуатации делать не нужно, т.к. принятая высота сечения балки больше минимальной и регламентируемый прогиб будет обеспечен.

Т.к. на верхний пояс главной балки опираются балки настила, передающие неподвижную сосредоточенную нагрузку, то необходима дополнительная проверка стенки на местные сжимающие стенку напряжения:

,

где:

(опорные реакции балок настила);

(длина передачи нагрузки на стенку балки). Проверка показала, что прочность стенки балки обеспечена.

Конструирование и расчет узла изменения сечения главной балки по длине.

Сечение разрезной составной балки, подобранное по максимальному моменту, можно уменьшить в соответствии с эпюрой в местах снижения моментов на некотором расстоянии от опор. Наиболее простым способом изменения сечения является уменьшение ширины пояса, т.к. при этом не изменяется высота балки и верхний пояс остается гладким, что удобно при проектируемом способе опирания балок настила.

Стык назначаем на расстоянии 1/5 пролета от опоры. Определяем расчетный момент и перерезывающую силу в сечении:

;

Подбор изменяемого сечения ведем по упругой стадии работы материала: Требуемый момент сопротивления:

,

где - расчетное сопротивление растяжению прямого стыкового шва по пределу текучести;

Требуемый момент инерции поясов балки в сечении X:

Требуемая площадь поясных листов:

Принимаем пояса из универсальной стали 380x32 мм. Принятый пояс удовлетворяет рекомендациям, (bf)'> 18 см и (bf)'> h/10 = 15 см.

Находим момент инерции и момент сопротивления уменьшенного сечения:

.

Проверяем нормальное напряжение в уменьшенном сечении балки:



Проверяем приведенные напряжения по формуле:

,

где:

;

;

.

Проверки показали, что прочность балки в месте изменения сечения обеспечена.

Проверка общей устойчивости главной балки.

Проверяем общую устойчивость главной балки в месте действия максимальных нормальных напряжений. Потеря общей устойчивости (изгиб и кручение в горизонтальной плоскости) балки может наступить тогда, когда сжатый пояс не раскреплен в боковом направлении и напряжения достигли некоторого критического значения (уcr). В нашем случае главная балка раскреплена балками настила через 1,5 м. В середине пролета балки, где учтены пластические деформации, проверяем применимость формулы расчета устойчивости:

,

при ф = 0 и С1 = С получаем:

Подставляя значение д в формулу расчета устойчивости, получаем:

В месте уменьшенного сечения балка работает упруго и д = 1:

Обе проверки показали, что общая устойчивость главной балки обеспечена.

Проверка местной устойчивости элементов главной балки.

Потеря местной устойчивости (местное выпучивание) может произойти в сжатом поясе от действия нормальных напряжений или в стенке от действия касательных или нормальных напряжений, а также и от их совместного действия.

1) Проверка устойчивости сжатого пояса производится в месте максимальных напряжений в нем - в середине пролета балки, где возможны пластические деформации.

Рассчитываем:

Проверка показала, что местная устойчивость пояса обеспечена.

2) Проверка устойчивости стенки. Потеря устойчивости стенки от действия только нормальных напряжений невозможна, т.к. принятая толщина стенки и продольные ребра жесткости не требуются. Выясним необходимость постановки поперечных ребер жесткости, предварительно вычислив условную гибкость стенки балки:

.

Т.о. ребра жесткости необходимы. Кроме того, в зоне развития пластических деформаций необходима постановка ребер жесткости под каждой балкой настила, т.к. местные напряжения в стенке в этой зоне недопустимы. Определяем длину зоны использования пластических деформаций в стенке по формуле:

Конструктивно увязываем положения ребер жесткости с шагом балок настила. Затем определяем размеры ребер жесткости. Ширина ребра:

,

принимаем 100 мм.

Толщина ребра:

,

принимаем 8 мм. Т.к. , то необходимо произвести проверку устойчивости стенки.

Проверяем второй отсек от опоры. Определяем среднее значение Q и M в сечении балки на расстоянии xґ= 225 см от опоры (под балкой настила).

Находим действующие напряжения:

,

где - момент инерции уменьшенного сечения;

.

Находим критические напряжения: по формуле:

,

где ; ; a - длина отсека; ;

По формуле:

; при и предельное значение , что больше расчетного значения , поэтому определяем по формуле:

,

где .

,

где .

.

Подставляем вычисленные значения в формулу:

Проверка показала, что устойчивость стенки обеспечена, и принятая расстановка ребер жесткости удовлетворяет условиям обеспечения устойчивости.

Список использованной литературы

1. Конструктивные решения элементов и узлов рабочих площадок промышленных зданий: Методические указания. Родионов И.К. - Тольятти: ТолПИ, 1986.

2. Конструктивные решения элементов и узлов рабочих площадок промышленных зданий: Приложение к методическим указаниям (графическая часть). Родионов И.К. - Тольятти: ТГУ, 2005.

3. Металлические конструкции / Под общ. ред. Е.И. Беленя. - М.: Стройиздат, 1986.

4. Металлические конструкции, В 3т. т1. Общая часть (Справочник проектировщика)/Под общ. ред. В.В. Кузнецова (ЦНИИ Проектстальконструкция им. Н.П. Мельникова) - М.: изд-во АСВ, 1998.

5. СНиП II-23-81. Нормы проектирования. Стальные конструкции. - М.: Стройиздат, 2001.

6. Металлические конструкции, В2т. т.1 Конструкции зданий. Под ред. засл. Деят. Науки РФ д.т.н. проф. В.В. Горева. М.: Высшая школа, 1999.

7. СНиП II-6-74. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия.- М.: Стройиздат, 1967.

Размещено на Allbest.ru

...