Проектування зварної конструкції

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1.Загальний розділ

1.1.Характеристика заданої зварної конструкції

1.2.Характеристика матеріалу

2.Проектно-технологічний розділ

2.1.Підбір перетину по першому варіанту

2.2.Підбір перетину по другому варіанту

2.3.Розрахунок планок

2.4.Розрахунок зварювальних швів по другому варіанту

2.5.Порівняння варіантів

2.6.Розрахунок і конструювання бази колони

2.7. Розрахунок і конструювання оголовка колони

Література

Вступ

Поперечний перетин колони має різну форму. Вона залежить від значення зусиль, наявності екцентритету довжини колони, конструкції опорних закріплень загальної компоновки об'єкту. Стиснуті елементи повинні бути не тільки міцні, але й стійкі,тому поперечний перетин стиснутих елементів повинний володіти можливо великою жорсткістю по всім напрямкам.

Для виготовлення колон, які працюють при продольних зусиллях до кількох сотень кілоньютонів використовують н-образні двотаврові профілі, які в багатьох випадках найбільш раціональні.

Розрахунок на міцність та стійкість колон, які працюють при центральному стисненні виконують за нормальними допустимими напругами. При розрахунку центрально стиснутих колон (які розраховуються в курсовому проекті) необхідно забезпечити їх рівностійкість, тобто таке положення, при якому гнучкості головних осей були рівні між собою. Гнучкість колони не повинна перевищувати наступних значень:

для осьових колон - 120

для інших - 150

Задача по підбору перетину стиснутих елементів являється статистично не визначеною, тому її вирішують методом послідовних приближень.

Спочатку для приближення необхідно задатися значенням коефіцієнту продольного згину, звичайно для зварних колон знаходиться в межах від 0,7 до 0,9.Для першого приближення з урахуванням прийнятого орієнтовного значення підбираємо площу поперечного перетину колони, яка залежить від розрахункової її довжини і звичайно приймається 1/15 - 1/20 Lp.

Після орієнтовного визначення перетину визначають дійсне значення гнучкості та відповідне йому значення продольного згину, після чого виконують перевірку напружень. В випадку необхідності виконують необхідну корекцію намічених розмірів.

Збільшенням висоти колони габаритні розміри її поперечного перетину повинні відповідно збільшуватися. При цьому більш доцільним є використання скрізних колон, які характеризуються меншою власною вагою.

1. Загальний розділ

1.1 Характеристика заданої зварної конструкції

Колонами називають високі вертикальні опори. Вони використовуються в якості проміжних опор, для перекриття великих прольотів, вертикальних елементів, каркаси будівель, опор естакад, опор трубопроводів, робочих площин. Колонна складається з трьох основних частин: оголовка, стержня, бази. Оголовок є опорою, на яку спирається конструкція, яка нагружає колонну. Стержень є основним несучим елементом колони, який передає навантаження від оголовка до бази. База колони передає навантаження від стержня на фундамент та слугує для закріплення колони в фундаменті. Ця колона виготовлена з легованої сталі, звареної встик прямолінійним швом.

Рисунок 1 - Розрахункова схема колони

1.2 Характеристика матеріалу

Сталь 15ГФ постачається за ГОСТом 380 - 71. Сталь легована, звичайної якості, для зварних конструкцій.

Призначення - елементи зварних конструкцій та різні деталі до яких пред'являються вимоги підвищеної міцності та корозійної стійкості з обмеженою масою та які працюють при температурі від 70 до 450 С

Таблиця-1 Хімічний склад сталі У відсотках,%

C	Si	Mn	V	Ni	S	P	Cr	N	Cu
				Не більше
0.12 - 0.18	0.17 - 0.37	0.9 - 1.2	0.05 - 0.12	0.3	0.04	0.035	0.3	0.012	0.3

Таблиця-2 Механічні властивості

Товщина прокату	ув кГс/мм2	ут кГс/мм2	ув %	Вв кГс/см2
10 - 32	49	35	21	3 - 4

2. Проектно-технологічний розділ

Колона працює на центральне стиснення під дією тиску, який оказується балками які спираються.

Рисунок 2 - Розрахункова схема колони

2.1 Розрахунок перетину по першому варіанту

При першому варіанті розрахунку колони вибираємо двотавровий перетин стержня суцільної колони.

Задаємося в першому приближенні значенням коефіцієнту прокольного згину ( = 0,7 - 0,9).

Підбирається гнучкість стержня, яка відповідає прийнятому значенню та розрахунковому опору на розтягнення R.

(1)

де R - розрахунковий опір, кН (для визначення необхідно перевести вкН/cм²);

N - навантаження на колону, кн.;

- коефіцієнт прокольного згину.

A=

Визначення розрахункової довжини колони в залежності від способу закріплення кінцівок

lx + ly +lef = H (2)

де H - висота колони;

- коефіцієнт розрахункової довжини

Lx = ly = lef =10000,5 = 500

Визначення габаритів перетину

Рисунок 3 - Схема перетину колони

Потрібні радіуси інерції, і_Х, см (мм) визначаємо за формулою

ix = iy = (3)

ix = iy = = 8,33

Потрібні висота та ширина перетину які знаходяться з співвідношення,

b, h, см (мм) визначаємо за формулою

h = (4)

b = (5)

де та - коефіцієнти симетрії ( в роботі для усіх видів колон прийняти = 0,43, = 0,24)

h = = 19,37

b = = 34,7

Для найбільш розповсюдженого двотаврового перетину, в якого 2, приймають b hw, керуючись конструктивними мисленнями та можливістю автоматичного зварювання поясів до стінок.

Підбір товщини стінки та поясів, t_w , см (мм) визначаємо за формулою

tw = (6)

tw = = 0,46

Товщину необхідно округлити до цілого числа.

Площа двох поясів А_f, см² (мм²) визначаємо за формулою

А_f = А - h_w t_w (7)

Af =96.15 - 410,46 = 38.64

Товщина одного поясу, t_f , см (мм) визначаємо за формулою

t_f (8)

tf = = 1,52

Слід досягти такого розподілу загальної площі перетину, щоб біля 80% приходилося на долю поясів. Прийняти розміри перетину b, t_f, h_w, t_w

Виконати перевірку підібраного перетину

Визначити фактичну площу перетину за прийнятими розмірами, А_1, см² (мм²) визначаємо за формулою

А₁ = А_w + 2А_f = h_w t_w + 2b t_f (9)

A1 = 41 0,46 + 234,51,39 = 114,77 = 80%

Визначити мінімальний момент інерції, І_min ,см⁴ (мм⁴) ) визначаємо за формулою

Іmin = Iy 2I f (10)

Imin = = 9513

В курсовому проекті моментом інерції площини перетину стінки відносно осі Y знехтувати в виду його малості.

Визначити мінімальний радіус інерції, і_min, см (мм) ) визначаємо за формулою

іmin (11)

I min = =9.1

де А₁ - фактична площа перетину, см²

Визначити найбільшу гнучкість. Визначаємо за формулою

max (12)

_max = = 54.94

lef не повинна перевищувати межове значення u = 120

max‹ u

Визначити умовну гнучкість визначаємо за формулою

(13)

де Е - 206 * 10³ МПа = 20600 кН/см²

л= =2

Визначити коефіцієнт прокольного згину по одній з формул. При 0‹2,5

= 1 - (0,073 - 5,53 ) (14)

= 1 - (0,073 - 5,53)2=0,815

Якщо та відрізняються не значно, то переходять безпосередньо до

перевірки перетину, а якщо коефіцієнт суттєво відрізняється від первинно прийнятого значення , то виконують перерахунок та коректування перетину по коефіцієнту = , виконуючи таким чином друге приближення.

==0,82

Виконати перевірку перетину визначаємо за формулою

R (15)

= = 22,45<28

Визначаємо недонапруження стержня колони за формулою

(16)

=1.98% <5

Якщо ‹ 5, то це вказує на відсутність лишків матеріалу. Допускається в розрахунках як перенавантаження, так не недовантаження до 5 %.

Виконати перевірку умов забезпечення стійкості стінки та поясів

(17)

87.13< 59.66

Якщо виконується це рівняння в тому вигляді, як воно показано, то

укріплення стінки прокольним ребром жорсткості не потребується, а якщо ‹ 2,2, то необхідно встановити (незалежно від прокольного ребра жорсткості) поперечні ребра жорсткості на відстані (2,5 - 3) h_w один від одного, але не менш двох. При › 2,2в поперечних ребрах нема необхідності 108,3> 65,78 , укріплення поперечними ребрами жорсткості потребується.

Конструювання ребер жорсткості

Ширина парного ребра, b_p, мм визначаємо за формулою

b_p (18)

b_p = =4.015

Товщина ребра в стальних колонах повинні бути не менш

(19)

де b - ширина поясу перетину колони див. вище

=2,54

Після розрахунків прийняти остаточний перетин та представити його ескіз.

Односторонні ребра жорсткості можливі із одиночних кутків, приварених до стінки пером.

2.2 Підбір перетину по другому варіанту

Розраховуємо стержень крізної колони, яка складається з двох прокатних швелерів, з'єднаних планками. Задаємося коефіцієнтом та визначаємо потрібну площину гілки крізної колони, А_mр, см² (мм²) за формулою

А_mр = (20)

Amp

Розрахунок відносно матеріальної осі

За довідковими даними підбираємо прокатний швелер. Виписуємо дані по цьому швелеру, а саме: А_сh - площа перетину, см² при (А_mр А_сh); i_x - радіус інерції, см.

Визначити сумарну площу перетину двох прокатних швелерів, А_2, см²(мм²) за формулою

А₂ = 2 А_сh (21)

A2 == 106,8

Порівнюємо i_x та (значення i_x дивись 1 варіант 3 формула)

Необхідно, щоб › i_x

Перевіряємо перетин на стійкість відносно матеріальної осі (х - х).

Визначаємо гнучкість за формулою

(22)

За таблицею 1.1 [2]визначається R_п - розрахунковий опір фасонного прокату, відповідно марки сталі.

Визначаємо напругу за формулою

(23)

= 1 - (0,073 - 5,53 )

= 1 - (0,073 - 5,53)1,3=0,9

=

==0,86

Недонапруга складає

(24)

Розрахунок відносно вільної осі

Ширину перетину стержня колони назначають з умови рівностійкості:

(25)

Попередньо задається гнучкість гілки

= 30

Гнучкість окремої гілки повинна бути не більш 40.

Визначити потрібну гнучкість за формулою

(26)

Радіус інерції визначити за формулою

і_y = (27)

де l_ef - дивись результат по 1 варіанту.

Iy =

Стержень колони конструюємо полками в середину.

Рисунок 4 - Перетин крізної колони

Визначити відстань b, см (мм) за формулою

b = +10 (28)

b = +10= 49

Необхідно пам'ятати, що відстань повинна бути не менш подвоєної ширини полки швелера, плюс зазор 100мм для можливості очищення та фарбування гілок з зовнішньої сторони. Остання перевірка підібраного перетину по другому варіанту

З довідникової літератури для підібраного швелера вибирають наступні параметри: № швелера, І_y, i_y = i_в, Z_c

Визначити момент інерції площі всього перетину , cм⁴ за формулою

= 2 (І_y + A_ch(- Z₀)²) (29)

= 2(513+53,4(2,68))= 51874

Визначити відстань між планками до світла, l_в, см (мм) за формулою

l_{в =} i_в (30)

l b = 203,1= 62

Визначити радіус інерції перетину за формулою

i_y = (31)

iy =

Визначити гнучкість за формулою

(32)

Визначити приведену гнучкість за формулою

(33)

< 35.2

Перевірка напруги не потребується

2.3 Розрахунок планок

Ширину планок а, мм приймаємо рівним

а = (0,5 - 0,75) в (34)

де в - ширина поперечного перетину стержня колони (дивись рисунок a = 0,549= 24.5

Товщину планок t_пл назначають в межах 6 - 12мм. Крім того, за уникненням випучування планок повинно витримуватися відношення

(35)

<30

Планки заводять на гілки на відстані n = 30 - 40мм.

Рисунок 5 - Установка планок

Рисунок 6 - Встановлення з'єднуючих планок

Визначити дожину планок, в_s, см (мм) за формулою

b_s = в - 2 (в_ch - n) (36)

bs = 49-2(1.1-3) = 33

Крізна центрально-стиснена колона розраховується на поперечну силу, яка може виникати від скривлення стержня при прокольному прогині.

Умовну поперечну силу визначають за емпіричною формулою та приймають її постійною по всій довжині стержня, Q_fic, кН

Q_fic = 7,15 10⁶ A₂10^-4206 10^-6() (37)

де А₂ - площа поперечного перетину по другому варіанту;

^- коефіцієнт, враховуючий степінь можливого не напруження поставного стержня в площині. колона траверс зварювальний

Qfik = 7,1510⁶106,820610^-6=29.3

Визначення коефіцієнту, який враховує степінь можливого не напруження поставного стержня в площині визначається за формулою

(38)

Визначити перерізаючу силу в планці, F_c, кН, за формулою:

F_c = Q_fic (39)

Fс =

де - відстань між вузлами планки (крок) (дивись рисунок 6)

с = в - 2 z₀ (40)

c =

Визначити згинаючий момент планки, М_s, кН*см за формулою

М_s = F_c (41)

Ms =

2.4 Розрахунок зварних швів по другому варіанту

Перевіряємо міцність з'єднання за формулою:

(42)

де - коефіцієнт, який залежить від способу зварювання [3]

Міцність самих планок заздалегідь забезпечено, оскільки їх товщина більше товщини зварних швів.

2.5 Порівняння двох варіантів

По першому варіанту площа перетину А₁, см²

По другому варіанту визначимо приведену площу, см² за формулою

=А₂ + 2в_s а (43)

де А₂ - площа перетину, см²;

в_s - довжина планки, см;

а - ширина планки, см;

t_пл - товщина планки, см;

l - відстань між середніми лініями планок (дивись рисунок 5).

=

Рисунок 7 - Конструювання планок, що зварюються.

>A, тож подальші розрахунки виконуватимуться по 1-му варіанту.

2.6 Розрахунок та конструювання бази колони

Визначення розмірів опорної плити в плані

Потрібна площа опорної плити з урахуванням ваги колони визначається за формулою:

А_рл (44)

де - коефіцієнт стану бетону (1,2 - 1,5 [2]);

R_сб - розрахунковий опір бетону осьовому стиску, кН/см².

Apl

Базу колони конструюємо з плити, двох траверс та ребер жорсткості, які кріпляться до траверси та плити.

Приймаємо траверсу товщиною = 8 - 12мм з випуском на них плити на відстані с = 40 - 60мм.

Ширина плити L_рл визначається за формулою

=b+2(tt+c) (45)

=34.5+2(1.2+6)=48.9

Довжина плити

L_рл (46)

L_рл

Товщина плити

Плиту закріплено по 4 сторонам.

Потрібну товщину плити визначаємо по максимальному моменту.

Для цього визначаємо реактивний опір фундаменту за формулою

Q = (47)

Q =

По необхідності (див. рисунок УП 31б [2]) приймаємо кріплення плити ребром жорсткості товщиною t_s = 8 - 12мм; в₁ = ,см.

Максимальний момент, М_max, кН*см визначається за формулою:

М_max = q в₁² (48)

М_max =

t_рл = (49)

де V_c = 1,2;

R - розрахунковий опір для листової сталі в кН/см²;

- коефіцієнт, який залежить від відношення (таблиця УП 2 [2])

t_рл =

Товщину плити приймаємо 16 мм

Розрахунок та конструювання траверси бази

Визначити необхідну висоту траверси при чотирьох зварних швах.

Задаємося катетом шва К_f = , тоді

= + (50)

де R_wf - розрахунковий опір металу швів зварних з'єднань з кутовими швами, кН/см²;

- коефіцієнт використання, який дорівнює одиниці.

=

Виконати перевірку міцності траверси на згин та зріз за формулами

‹‹ R (51)

‹ R_s = 0,58 R_y (52)

:30=1,4=4.19 < 16.24

(53)

де - навантаження на одиницю довжини цілого навантаження листа траверси, кН/см².

= q (в₁/2 + + c) (54)

=

(55)

(56)

Qt2 =

Розрахунок та конструювання ребер жорсткості бази

Рисунок 8 - Схема бази колони

Виконуємо розрахунок ребер жорсткості, які примикають до полок колони. Визначити навантаження на одиницю довжини одного листа ребра жорсткості, кН/см², по формулі :

Q_s = (57)

Qs =

Визначити згинаючий момент в місці приварювання, М_s, кН*см по формулі

М_s = (58)

М_s =

Визначити поперечну силу, Q_s, кН, за формулою

Q_s = (59)

Q_s =

Визначити потрібну висоту ребра, H_s, см (мм) за формулою

H_s (60)

H_s? ?

Виконати перевірку міцності швів, які кріплять ребро до колони. Для кріплення ребра необхідно 2 кутових шва К_f = t_s або друге значення, але не менш t_s/2, тоді

+ ‹ R_wf (61)

< 21.5

При кресленні нижньої частини колони, тобто бази необхідно вказати місця під анкерні болти. Анкерні болти фіксують правильність положення колони відносно фундаменту. В центрально-стисненій колоні вони, до сутності, не мають посилень і тому їх діаметр назначають конструктивно в межах 20 - 36мм.

2.7 Розрахунок та конструювання оголовка колони

Рисунок 9 - Схема конструкції оголовка

Товщину f назначаємо конструктивно в межах 16 - 32мм. Для визначення ширини та довжини верхньої плити оголовка (1) необхідно викреслити в масштабі перетин розмірами h та b, задаються конструктивно m = d = 30 - 50мм.

Рисунок 10 - Схема визначення розмірів плити оголовка

Конструктивно задаємося розміром, b_oh, мм, в залежності від ширини спираю чого торця балки.

Визначити необхідну товщину ребра, t_os, мм, сходячи з умов міцності на стиснення за формулою

t_os (62)

де V - опорна реакція однієї балки, так як колона працює на центральне стиснення під дією тиску, яке оказується балками, кН (яке визначається за формулою 67)

t_os (63)

V = (64)

V =

R_p = R_u

Визначити висоту ребра за формулою

h_os = (65)

де n - число вертикальних швів. В проекті приймати n = 4

= 1см задаємося К_f в залежності від t_os

h_os =

Перевірити ребро на зріз по формулі

(67)

де V_m - коефіцієнт надійності по металу [2].

Для збільшення жорсткості вертикальних ребер оголовка та жорсткості стінки при великих навантаженнях встановлюють обрамлення з горизонтальних ребер 3 рисунка 9.

Размещено на Allbest.ru

...