Проектирование металлических ограждающих конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование металлических ограждающих конструкций



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

5.9 Проверка местной устойчивости

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

7.3 Расчет соединительных планок

7.4 Расчет базы

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.



1. Исходные данные

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.



2. 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 1 м² настила

Сбор нагрузок выполнен в таблице 1.

Нагрузка на 1м2 настила

Вид нагрузки	Нормативная нагрузка gн, т/м2	Коэффициент надежности по нагрузке гf	Расчетная нагрузка g=gн*гf, т/м2
1. Постоянная
Собственный вес цементной стяжки: толщина - t = 0,025 м; плотность - г = 2,2 т/м3	t* г* гn=0,025*2,2*1=0,055	1,3	0,071
Собственный вес железобетонной плиты: толщина - t = 0,1 м; плотность - г = 2,4 т/м3	t* г* гn=0,1*2,4*1=0,24	1,1	0,264
2. Временная
Полезная	gнпол* гn=2*1=2	1,2	2,4
Итого:	gн=2,3		g=2,735

Примечания:

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

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



4. Расчет балки настила

4.1 Расчетная схема

Расчетная схема балки Б1 с эпюрами внутренних усилий

Рис. 2.Расчетная схема балки Б3 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

q^н=g^н_*а+q_с.в.=2,3*2,5+0,1=5,85

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

б) расчетная

q=g_*а+q_с.в.* г_f =2,735*2,5+0,1*1,05=6,94 т/м

где г_f - 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). Ориентировочно принимаем, что толщина полки прокатной балки (двутавра)

t_f=11-20 мм (Рис. 3)

Рис. 3.Фрагмент сечения балки

По таблице 51 (с. 60 [1]) для стали С245 при t_f=2-30 мм расчетное сопротивление по пределу текучести R_y=2450 кг/см².

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 ф<0,5R_s; тогда в соответствии с формулой (42) [1] с₁=с, где с определяется по таблице 66 [1] в зависимости от отношения площадей сечений полки (пояса) и стенки A_f /A_w.

Принимаем ориентировочно A_f /A_w=0,75 , тогда с использованием линейной интерполяции с₁=с=1,095. Наиболее рационально применять тонкостенные высокие "нормальные" двутавры с параллельными гранями полок по ТУ-14-2-24-72 с буквой "Б" в обозначении (балочные). Во всех случаях критерием для выбора служит минимальная площадь поперечного сечения при выполнении условия.

Принимаем I 50Б1 (нормальный) с параллельными гранями полок по ТУ-14-2-24-72 с моментом сопротивления W_x=1511 см³ > W_x^тр=1495 см³.

4.6 Геометрические характеристики сечения

h=492 мм

b=200 мм

t_w=8,8 мм

t_f=12 мм

A=92,98 см²

I_x= 37160 см⁴

W_x=1511 см³ > W_x^тр=1495 см³

Линейный вес составляет 73 кг/м

Высота стенки

h_w=h-2t_f=492-2*12 =468 мм

Расчетная высота стенки

h_ef=h_w-2r=468-2*21=426 мм

Условная гибкость стенки

Где

A_f = t_f*b=1,2*20=24 см²

A_w= t_w*h_w=0,88*46,8=41,2 см²

A_f / A_w=24/41,2=0,583

Геометрические характеристики сечения представлены на рис. 4.

Рис. 4.Сечение балки

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 (W_ey=c₁W_x) (рис.5, а)

Недонапряжение:

Определить с₁=с можно с помощью линейной интерполяции по табл. 66 [1] или более точно по формуле

Где

-

минимальная относительная высота упругой зоны (рис. 5 б), соответствующая максимальной остаточной деформации

[1].

Рис. 5. Эпюры напряжений в сечении балки Б3

Примечания:

1. Разница между фактическим весом 1 м балки (73 кг) и его значением, принятым предварительно (100 кг) составляет всего 0,46% 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 (с₁-1)100%, балка работает в упругой стадии.

В нашем случае недонапряжение меньше величины (с₁-1)100% = 11,17% ; следовательно, балка будет работать в упругопластической стадии, и фактическая величина относительной высоты упругого ядра о_ф 1 (рис. 6,в). Значение о_ф можно найти по формуле 6[5]:

о_ф===0,494

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 40 [1].



5. Расчет главной балки Б1

5.1 Расчетная схема

Расчетная схема балки Б2 с эпюрами внутренних усилий представлена

Учитывая малую величину распределенной нагрузки от собственного веса балки, принимаем упрощенную расчетную схему по

5.2 Сбор нагрузок

р=р₁*1,02=q*l*1,02=6,94*6,8*1,02=48,14 т, где коэффициент 1,02 учитывает собственный вес главной балки.

5.3 Статический расчет

При симметричной нагрузке (в нашем случае)

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

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

,

что близко к более точному значению M_max=240,7 т*м и свидетельствует об отсутствии грубых ошибок при его вычислении.

Q_max=R_a-0,5P=1,5P=1,5*48,14=72,21 т

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 t_f=11-20 мм

По таблице 51 (с. 60 [1]) для стали С245

при t_f=11-20 мм расчетное сопротивление материала пояса по пределу текучести R_y=2450 кг/см².

5.5 Подбор основного сечения

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

1. Требуемый момент сопротивления сечения:

2. Задаемся гибкостью стенки

Рекомендуется предварительно принимать =120-140

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

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

h_опт=0,95h¹_опт=0,95*124,2=118 см

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

где = определяется по таблице 40[1]; (см. п. 4.2)

Максимальная высота (при которой отметка низа балки d_д=d_дmin) при этажном сопряжении главных балок и балок настила (см. рис. 7а).

Рис. 7. Сопряжение балок Б3 и Б1

,

где максимальная строительная высота перекрытия:

Если h_опт ,следует принять этажное сопряжение.

У нас > h_опт=118 см, следовательно принимаем этажное сопряжение.

Принимаем h_б= h_опт=118 см; при этом h_б

Высота стенки

Принимаем кратно модулю 5 см.

4. 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:

5. Требуемая площадь пояса из условия прочности

.

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

Проверяем найденное значение исходя из суммы площадей элементов сечения

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)

а) б)

Рис. 8. Изменение сечения балки Б2: а - по ширине поясов; б - по толщине поясов

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 82-70).

При этом удовлетворяются все вышеуказанные условия:

· 115/5=23 см <=36 см <115/2,5=46 см.

· =36 см 30 см.

· =36 см <

·

· соответствует диапазону 1,1 - 2,0 см.

При назначении размеров и рекомендуется рассмотреть несколько вариантов и выбрать такой вариант, при котором величина минимальна. Окончательные размеры основного сечения:

Стенка -

Пояс -

6. Геометрические характеристики основного сечения:

; ;

;

где принимается для материала пояса.

Момент инерции стенки:

Момент инерции поясов:

Где

z=

Момент инерции основного сечения:

Момент сопротивления основного сечения:

5.6 Назначение размеров измененного сечения. Таблица геометрических характеристик

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 (табл. 2)

Геометрические характеристики сечений (рис.9)

Таблица 2

Сечение										,
Основное	72	115	247,5	4,36	-	-	114*103	493*103	607*103	9824,5
Измененное	40	115	183,5	4,36	2340	3828	114*103	274*103	388*103	6521

а) б)

Рис. 9. 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 ==2450 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 160 т*м, находятся в "I" и "IV" отсеках (за отсек принимается участок балки между сосредоточенными силами).

Найдем положение этих сечений относительно опор А и В (Xлев и X пр). Уравнение изгибающего момента для II отсека:

м

Аналогично находится величина X пр (см. рис. 7). В нашем случае, при симметричной нагрузке на балку Xлев = X пр =1,65 м.

Убедимся, что эти сечения отстоят от ближайших ребер (границ отсеков) не меньше чем на 10t_w:

1,65=165 см>10*0,9=9 см.

5.8 Проверка принятых сечений

По первой группе предельных состояний

1. Проверка прочности основного сечения по нормальным напряжениям в месте действия максимального момента (рис. 10,а):

Рис. 10. Эпюры напряжений в сечениях балки:

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

2. Проверка прочности измененного сечения по касательным напряжениям на опоре (рис. 10,б):

Проверка прочности измененного сечения по приведенным напряжениям в месте изменения сечения (рис. 10,в) согласно п. 5.14 [1]:

Здесь у и ф определяются соответственно по М и Q 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.

,

12,5 <15,8.

По второй группе предельных состояний по деформативности при нормальных условиях эксплуатации

(0,9 - коэффициент, учитывающий уменьшение жесткости балки вследствие перемены сечения).

5.9 Проверка местной устойчивости

Проверка местной устойчивости.

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

где - величина неокаймленного свеса/

В нашем случае:

устойчивость пояса обеспечена.

Проверка местной устойчивости стенки.

Расстановка ребер жесткости (см. пункт 7.10 [1]). Предусматриваем парные поперечные (вертикальные) ребра в местах опирания балок настила и на опорах (см. рис. 11).

Рис. 11. Схема расстановки ребер жесткости по длине балки

При этом расстояния "a"между ними не должны превышать 2h_ef при

и 2,5h_ef при

В нашем случае при a=125 см < 2h_ef =2*115=230 см.

Определение размеров промежуточных ребер (см. пункт 7.10 [1]).

Требуемая ширина:

(см. рис. 12).

Принимаем

Требуемая толщина ребра:

Тогда

При сопряжении в одном уровне минимальные размеры ребра:

Принимаем

Проверка местной устойчивости стенки (см. пункты 7.1,7.4, 7.6 [1]). Проверка местной устойчивости требуется при и выполняется по формуле:

По таблице 6 [1]

,

где Q - 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 M - 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 М - момент в месте изменения сечения.

Критические напряжения и определяются в соответствии с п. 7.4 [1].

Проверка устойчивости в I-ом отсеке

Так как в нашем примере сечение балки в отсеке I постоянно (), то M и Q должны быть вычислены на расстоянии

(см. рис. 6).

Вычислим критические напряжения для I отсека по формуле 75[1]:

где - принимается по таблице 21 [1] и меняется от 30 до 35,5.

Для упрощения расчета и в запас можно принять .

)

Здесь м - отношение большей стороны отсека к меньшей, в данном случае:

Здесь d - меньшая из сторон отсека (в данном случае d=115 см)

Проверяем устойчивость по формуле 74[1]:

Местная устойчивость стенки в I-м отсеке обеспечена.

Проверка устойчивости в II-ом отсеке

В нашем случае во II-м отсеке балка меняет сечение. В месте изменения сечения максимальное нормальное напряжение в стенке (рис. 13):

рис. 13

(см. рис. 6).

(см. п. 5.8.1).

Среднее касательное напряжение

(см. пункт 5.8.1).

Так как рассчитываемый отсек имеет те же размеры, что и отсек I, считаем, что критические напряжения имеют те же значения.

Тогда:

Местная устойчивость стенки в II-м отсеке обеспечена.

Проверка устойчивости в III-м отсеке.

Устойчивость в этом отсеке обеспечена, так как значение будет близким к во II-м отсеке, а величина будет меньше.

Устойчивость стенки в крайних отсеках справа следует проверять при несимметричном загружении главной балки.

Расчет поясных швов

Расчет производится согласно пункту 11.16 [1] по формулам:

1) по металлу шва (сечение 1-1 рис. 14).

2) по границе сплавления (сечение 2-2 рис.14).

В нашем случае по пункту 12.8[1] катет шва

;

по табл. 38[1]

Принимаем минимальное возможное значение .

Рис. 14. Расчетные сечения поясных швов

По табл. 38[1] для автоматической сварки в "лодочку" и при диаметре проволоки d=1,4-2 мм и для катета шва коэффициенты, учитывающие форму поперечного сечения шва, составляют

В соответствии с пунктом 11.2 [1] коэффициенты условий работы шва

.

Принимаем материалы для сварки по табл. 55 [1] для района II 5 2-ой группы конструкций стали ВСт3пс - флюс АН-348-А (по ГОСТ 9087-81) и сварочную проволоку СВ-08А (по ГОСТ 2246-70*).

По табл.3 [1] расчетное сопротивление углового шва срезу по металлу шва:

где нормативное сопротивление шва по временному сопротивлению принимается по табл. 4 [1], а коэффициент надежности по материалу шва определяется по табл. 3 [1] (примечание 3).

Расчетное сопротивление по металлу границы сплавления (по табл. 3 [1]) где временное сопротивление стали принимается по табл. 51 [1] для менее толстого листа, так как его прочность меньше.В соответствии с пунктом 11.2 [1] проверим условие:

(*) ;

Условие (*) выполняется, следовательно материалы для сварки выбраны правильно. Проверим прочность по металлу шва:

,

где сдвигающее усилие на единицу длины:

.

Таким образом, прочность по металлу шва обеспечена.

Учитывая выполнение условия (*) и положительный результат проверки прочности по металлу шва, можно сделать вывод, что при расчет прочности по металлу границы сплавления даст заведомо положительный результат.

Расчет опорных ребер

Конструкция ребер на опорах "А" и "Б".

Сечения опорных ребер представлены на рис. 15.

Рис. 15. Расчетные сечения опорных ребер

Определение размеров опорных ребер из условия прочности на смятие

Требуемая ширина ребра на опоре по оси "А" (см. рис. 15):

Принимаем (кратно 5мм). Длина площадки смятия ребра

Требуемая толщина этого же ребра из условия прочности на смятие:

Здесь - расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности при наличии пригонки. По табл. 1 [1]

,



Где - временное сопротивление стали разрыву, принимаемое по табл. 51 [1], а - коэффициент надежности по материалу, определяемый по табл. 2 [1].

В нашем случае

Принимаем (по сортаменту широкополосной универсальной стали см. пункт 5.5, д).

Назначаем для ребра по оси "Б" такую же толщину , а ширину , тогда площадь смятия для ребра по оси "Б" будет больше чем по оси "А" (см. рис. 16), и прочность на смятие будет заведомо обеспечена.

Расчет опорных ребер на устойчивость в плоскости, перпендикулярной стенке

В расчетное сечение условной стойки включается сечение ребра части стенки шириной 2S на опоре по оси "А" и S на опоре по оси " Б". На разрезах 1-1 и 2-2 расчетные сечения выделены штриховой (см. рис. 15):

рис. 16

Проверяем устойчивость ребра по оси "Б", так как в этом случае расчетное сечение имеет меньшую площадь. Расчетная схема условной стойки представлена на рис. 16.

(по табл. 72 [1]),

Расчет сварного шва, соединяющего опорное ребро по оси "Б" со стенкой

По табл. 34 [1] принимаем полуавтоматическую сварку в углекислом газе проволокой диаметром d<1,4 мм при нижнем положении шва, тогда коэффициенты, учитывающие форму поперечного сечения шва:

В соответствии с пунктом 11.2 [1] коэффициенты условий работы шва:

.

По табл. 55 [1] для района II₅ 2-ой группы конструкций и стали ВСт3пс принимаем сварочную проволоку Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70*. По табл. 3 [1] расчетное сопротивление углового шва срезу по металлу шва:

где нормативное сопротивление шва по временному сопротивлению принимается по табл. 4 [1], а коэффициент надежности по материалу шва определяется по табл. 3 [1] (примечание 3).

Расчетное сопротивление по металлу границы сплавления (по табл. 3 [1])

где временное сопротивление стали принимается по табл. 51 [1] (для стали ВСт3пс6-1 по ТУ 14-1-3023-80 при толщине листа 11-20 мм). В соответствии с пунктом 11.2 [1] проверим условие:

(*) ;

Учитывая выполнение условия (*), а также то, что требуемую высоту катета шва следует определять по величине :

Принимаем =0,8 см >

При этом =0,8 см > по табл. 38[1] при

и по п. 12.8 [1].

Расчет монтажного стыка на высокопрочных болтах

Общие указания

При определении места стыка следует исходить из предположения, что по условиям транспортировки балка должна быть разделена на две отправочные марки, так, чтобы разница их длин была минимальной. Тогда местоположение стыка определится по несущей способности сечения, ослабленного отверстиями под болты.

Предварительная разработка конструкции

При высоте балки h_б=0,9+1,9 м рекомендуется применять следующие диаметры высокопрочных болтов: 16, 20, 24 мм. Площади сечений нетто A_бn этих болтов соответственно равны 1,57; 2,45 и 3,52 см² по табл. 62 [1]. Принимаем предварительно d_в=20 мм.

Диаметр отверстия под болт: d= d_в+3=23 мм .

Из конструктивных соображений и унификации толщина каждой из двух накладок для стенки t_н принимаются равной толщине стенки t_w. Размеры накладок по ширине и длине должны быть минимальными. Размещение болтов производится с учетом допустимых минимальных и максимальных расстояний между центрами болтов и от центра болта до края элемента в соответствии с табл. 39 [1]. При этом расстояние следует округлять до 5 мм в большую или меньшую сторону (для минимальных и максимальных расстояний соответственно).

Зазор между отправочными марками принимаем равным 10 мм (см. рис. 17). Число вертикальных рядов в стенке по одну сторону от стыка n=2 , минимальное расстояние между ними 2,5d=2,5*23=57,3 (60 мм) ; расстояние от края стенки или накладки до ближайшего ряда 1,3d=1,3*23=29,9 (30 мм).

Шаг болтов по вертикали обычно составляет (4-6)d=92-138 мм; принимаем его равным 100мм (кратным 10мм). При этом расстояние "с" между крайним болтом в вертикальном ряду и внутренней гранью пояса должно находиться в пределах 60-120 мм. В нашем случае с=100 мм .

Толщина накладок в поясе должна быть больше 0,5t_f. Расстояние между внутренними накладками d1 Площадь сечения накладок должна быть не меньше площади пояса.

Для пояса следует принять четырехрядное расположение болтов, а если четыре ряда не размещаются в соответствии с требованиями табл. 39 [1] (в случае узкого пояса) - шахматное или двухрядное расположение болтов.

Принимаем четырехрядное расположение болтов.

Рис. 17. Конструкция стыка

Определение места стыка

Момент инерции ослаблений (отверстиями) сечения пояса:

То же сечения стенки:

,

Где

(размеры показаны на рис. 17)

Момент инерции ослаблений всего сечения:

.

Момент инерции ослаблений сечения с учетом ослаблений (нетто):

.

Так как величина , то в соответствии с п. 11.14 [1] условный момент инерции сечения нетто:

.

Условный момент сопротивления:

Предельный изгибающий момент в месте монтажного стыка:

По эпюре изгибающих моментов (рис. 6) определяем, что сечения с изгибающим моментом, равным предельному (224 т*м), находятся во II-м и III -м отсеках.

Принимаем, что стык будет во II-м отсеке.

Из уравнения M _II

для II-го отсека определим положение стыка (Х_ст):

M _II =(

1,5P

.

Расстояние от оси стыка до ближайшего поперечного ребра жесткости должно быть не менее 0,5 м. В противном случае следует уменьшить величину X_ст.

Проверяем: 5-4,31=0,69>0,5 м.

Окончательно принимаем стык на расстоянии от левой опоры. Внутренние усилия в месте стыка: .

Расчет стыка стенки

Момент, воспринимаемый стенкой:

,

Где

- момент инерции стенки с учетом ослаблений (нетто).

Поперечная сила, воспринимаемая стенкой,

.

Усилие, приходящееся на крайний болт вертикального ряда от момента

,

То же от поперечной силы

Где m - число болтов в вертикальном ряду.

Суммарное усилие, приходящееся на крайний болт вертикального ряда,

Предельное усилие многоболтового соединения, приходящееся на один болт в соответствии с п. 11.13 [1],

Здесь - наименьшее временное сопротивление материала болта разрыву. По табл. 61 [1] можно принять одну из следующих марок стали для высокопрочных болтов: 40Х "Селект" и 30ХЗМФ с величиной

И 13500 кг/см² соответственно.

Примем наименее прочную сталь 40Х "Селект":

количество плоскостей трения;

коэффициент условия работы соединения при количестве болтов больше 10 (п. 11.13);

- коэффициент трения, принимаемый по табл. 36 [1] в зависимости от способа обработки соединяемых поверхностей и равный 0,5; 0,42; 0,35 и 0,25 при металлизации цинком, при газопламенном способе, очистке стальными щетками и без всякой обработки соответственно;

Принимаем газопламенный способ обработки.

коэффициент условия работы балки в месте стыка на высокопрочных болтах (табл. 6, примечание 4 [1]);

коэффициент надежности при газопламенном способе обработки и при ре- гулировании натяжения болтов по моменту закручивания (табл. 36 [1]);

(*)

(**)

Прочность соединения стенки обеспечена.

Расчет стыка пояса.

Определение числа болтов в стыке пояса.

Момент, воспринимаемый поясами:

Продольное усилие в поясе

:

Требуемое число болтов (по одну сторону от оси стыка):

Принимаем 14 болтов (четное число, большее, чем )

Проверка прочности накладок.

Пусть толщина накладок в поясе t_н=12 мм>0,5t_f=0,5*20=10 мм.

Ширина наружной накладки

b_н=b_f=360 мм.

Ширина внутренней накладки должна быть не больше чем:

0,5(b_f-40)=0,5(360-40)=160 мм

Принимаем b_н=150 мм (кратно 10мм), тогда

d1= b_н - 2b¹_н=360-2*150=60 мм>40 мм.

Площадь сечения накладок:

Прочность накладок обеспечена.

Окончательно принятую конструкцию монтажного стыка показываем на рис.17.

Подбор сечения с учетом развития пластических деформаций

Согласно п. 5.18 [1] расчет на прочность разрезных балок сплошного сечения из стали с R_y , несущих статическую нагрузку, следует выполнять с учетом развития пластических деформаций при обеспечении общей устойчивости (п. 5.20), местной устойчивости стенки (п. 7.5) и пояса (п. 7.24), при укреплении стенки поперечными ребрами по (п. 5.21).

Для балок переменного сечения должны быть выполнены требования (п. 5.19).

При изгибе в одной из главных плоскостей при ф расчет производится по формуле (39) [1]:

наибольшее значение c₁=c>1 соответствует относительной высоте упругого ядра:

о=2d/

При этом максимальная остаточная деформация:

е=3 R_y/Е;



полная:

е=5 R_y/Е.

Величина "с" меньше значений, соответствующих пластическому шарниру (о=0) всего на 0,2-0,8%. Значения "с" даны в табл. 66 [1] при

или определяются по формуле (6) работы [5]. При наличии неблагоприятных факторов (зоны чистого изгиба, больших касательных напряжений и гибкости стенки ) высота упругого ядра должна быть увеличена, а значение c₁, соответственно уменьшено.



6. Конструкции и расчет прикрепления балки настила к главной балке

Этот расчет выполнять не следует, т.к. в п. 5.5 принято этажное сопряжение (если h_опт ,следует принять этажное сопряжение. У нас > h_опт=118 см.)



7. Расчет колонны К1

7.1 Расчетная схема, определение нагрузки, статический расчет

Нагрузка на колонну может быть определена как сумма опорных давлений главных балок, опирающихся на колонну.

В нашем случае

,

где 1,005- коэффициент, учитывающий вес колонны. Проверим (приближенно) значение , определяя нагрузку через грузовую площадь:

где 1,04- коэффициент, учитывающий вес балок и колонны;

расчетная нагрузка на 1 м² (см. п.3).

Определим отметку верха колонны.

В нашем случае при этажном сопряжении:

Здесь - отметка настила (пола) площадки (см. п. 1);

принятые ранее (см. п. 3) толщины стяжки и железобетонной плиты;

высота сечения главной балки (см. п. 5.5);

высота сечения балки настила (см.п. 4.6)

0,015- величина выступа опорного ребра главной балки.

Длина колонны:

где - отметка низа колонны. Ориентировочно можно принять 0,4 м (эта отметка должна быть уточнена при конструировании).

Расчетная схема колонны представлена на рис. 18.

Расчетные длины относительно обеих главных осей:

рис. 18

7.2 Подбор сечения и проверка устойчивости колонны

Определение сечения ветвей

Принимаем сквозную колонну из двух прокатных швеллеров, соединенных планками (см. рис. 19).

Рис. 19. Конструктивное решение колонны К1

Марку стали назначаем по табл. 50 [1]. Колонна относится к 3-й группе конструкций. Принимаем сталь С245 по ГОСТ 27772-88. По табл. 51 [1] для фасонного проката из выбранной стали при толщине 2-20 мм R_y=2450 кг/см². Tак как ослабления в колонне отсутствуют ( A_n=A), расчет на прочность по формуле 5 [1] не требуется; определяющим является расчет на устойчивость по п. 5.3 [1].

Находим сечения ветвей из расчета на устойчивость относительно материальной оси X-X.

Задаемся гибкостью

().

Тогда по табл. 72 [1]. ( можно также определить по формулам п. 5.3 [1]). Требуемая площадь сечения одного швеллера (одной ветви):

Здесь по табл. 6[1].

Требуемый радиус инерции:

.

По сортаменту (ГОСТ 8240-72) принимаем швеллер №36:

А_в= 53,4 см²; i_x=14,2 см; b_f=11 см; I_y1=513 см⁴; i_y1=3,1 см; z₀=2,68 см;

t_w=0,75 см; t_f=1,26 см.

Проверка устойчивости колонны относительно материальной оси X-X

где 120 - предельное значение гибкости, определяемое по табл. 19 [1], по табл. 72 [1] находим (по интерполяции). Значение ?? можно также определить по формуле в соответствии с п. 5.3 [1].

при 0<<2,5

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

у=

Недонапряжение

(2450-2132)/2450*100%=13%

Окончательно принимаем 2 швеллера №36.

Установление расстояния между ветвями

В основу расчета положено требование равноустойчивости:

где приведенная гибкость колонны относительно свободной оси Y-Y.

По табл. 7 [1]

;

Отсюда

(*),

где гибкость ветви относительно оси Y-Y. При этом должно соблюдаться условие , т.к. в противном случае возможна потеря устойчивости колонны в целом.

Отсюда из выражения (*) следует, что

Принимаем , тогда

Требуемый радиус инерции

.

Требуемое расстояние между центрами тяжести ветвей



Требуемая ширина колонны

Проверим полученный результат определив по приближенной формуле

где б - коэффициент, зависящий от формы сечения.

Принимаем

b_к=46 (больше и кратно 1 см).

Зазор между ветвями d не должен быть менее 10 см

В нашем случае

d= b_к-2b_f=46-2*11=24 см > 10 см.

Оставляем принятый размер

b_к=46 см; с= b_к - =46-2*2,68=40,64 см.

Проверка устойчивости колонны относительно свободной оси Y-Y.

.

л=.

Приведенная гибкость относительно свободной оси

Y-Y:



При этом следовательно, устойчивость относительно оси Y-Y можно не проверять так как ??_y> ??_x (??_y=0,87 определен по табл. 72 [1] по гибкости ).

7.3 Расчет соединительных планок

Установление размеров планок

a=(0,5-0,75)b_к=(0,5-0,75)46=23-34,5 см.

Принимаем а=25 см.

Длина планки принимается такой, чтобы края планки заходили на полки швеллера на 30-40 мм:

b_s =d+2*4=24+2*4=32 см.

Чтобы избежать выпучивания, должны быть удовлетворены условия:

Формула, использованная выше для определения справедлива, если выполняется условие

: (табл. 7 [1]),

где

Требуемое расстояние между планками вычисляется по принятой ранее гибкости ветви :

Окончательное расстояние между планками устанавливается при конструировании стержня колонны, оно должно быть равно или менее .

Требуемое расстояние между осями планок:

Следовательно,

.

Определение усилий в планках

Планки рассчитываются на условную фиктивную поперечную силу (п. 5.8 [1]):

где коэффициент, принимаемый равным меньшему из двух значений:

и

где меньший из коэффициентов .

;

Таким образом, ,

Приближенно (и в запас) величина

может быть определена с помощью интерполяции в зависимости от предела текучести :

В нашем случае при

(табл. 51 [1]),

Поперечная сила, действующая в одной плоскости планок:

Сила, срезывающая одну планку:

Момент, изгибающий планку в ее плоскости:



Проверка прочности приварки планок

Предусматриваем использование ручной сварки при изготовлении колонны. Принимаем, что планки прикрепляются к полкам швеллеров угловыми швами с высотой катета k_f=8 мм < t c заводкой швов за торец на 20 мм.

Расчетное сопротивление по металлу границы сплавления:

По табл. 55 [1] принимаем для района II₅ сталь ВСт3пс6, электроды марки Э42 (ГОСТ 9467-75).

Определяем все величин, необходимые для расчета:

в_f=0,7; в_z=1,0 (табл. 34 [1]);

г_wf=г_wz=1,0 (п. 11.2 [1]);

R_wf=1850 кг/см² (табл. 56 [1]);

R_wz=0,45R_un=0,45*3700=1665 кг/см², где временное сопротивление R_un принято по табл. 51 [1] для проката толщины 11-20 мм (у нас t_f=12,6 мм).

Проверяем условие, приведенное в пункте 11.2 [1]:

1,1<

Так как условие выполняется, расчет следует производить только по металлу шва. проект внутрицеховой стальной конструкция

Напряжения в шве (в расчете учитываются только вертикальные швы):

;

;



Уменьшаем k_f до 5 мм , тогда

Окончательно принимаем

k_f = 5 мм. Прочность самих планок заведомо обеспечена, т.к. толщина планки превышает величину k_f. Используем определенные здесь характеристики швов для расчета базы и оголовка.

7.4 Расчет базы

Определение размеров плиты в плане

Сначала необходимо определить расчетное сопротивление смятию бетона фундамента:

Где

:

площадь верхнего обреза фундамента; площадь плиты (вначале расчета можно приближенно принять ); призменная прочность (для бетона класса В12,5 Таким образом, Требуемая площадь плиты:

Ширина плиты принимается конструктивно (см. рис. 20):



где с

Требуемая длина плиты:

Требуемая длина плиты из конструктивных соображений:

где величина "a" принимается 100-200 мм, для размещения "плавающей" шайбы под гайки фундаментных болтов. Принимаем (и кратна 1 см).

Определение толщины в плане

Плита работает на изгиб как пластинка, опертая на траверсы и торец стержня и нагруженная равномерно распределенным (условно) реактивным давлением фундамента:

.

Определим максимальные моменты для отдельных участков плиты (полосы шириной 1 см).

I участок. Плита работает как пластинка, опертая по контуру:



где - коэффициент, зависящий от отношения более длинной стороны участка "a" к более короткой "b" (табл.3).

Таблица 3

Значения коэффициента

a/b	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1
	0,048	0,055	0,063	0,069	0,075	0,081	0,086	0,091	0,094	0,098	0,1	0,125

В данном случае:

II участок. Плита работает как пластинка, опертая по 3 (см. рис. 20).

где - коэффициент, зависящий от отношения закрепленной стороны

"a₁" к незакрепленной "b₁" (табл. 4).

рис. 20

Таблица 4Значения коэффициента

a/b	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1
	0,048	0,055	0,063	0,069	0,075	0,081	0,086	0,091	0,094	0,098	0,1	0,125



Если то плита проверяется как консоль вылетом "a₁", тогда: .

III участок. Плита работает как консоль.

Принимаем для плиты по табл. 50 [1] сталь С235 (ГОСТ 27772-88) при t=21-40 мм, тогда R_y=2250 (табл. 51 [1]).

Требуемая толщина плиты:

Принимаем t_пл=40 мм >

Расчет траверсы

Требуемая высота траверсы определяется необходимой длиной каждого из четырех швов, соединяющих ее с ветвями колонны.

При k_f = 1,0 см < 1,2t_трав = 1,2*1,0=1,2 см.

b

Принимаем h_трав=39 см (кратно 1 см и не меньше ).

Произведем приближенную проверку траверсы по прочности.

Нагрузка на единицу длины одного листа траверсы:

Изгибающий момент и поперечная сила в месте приварки к колонне:

Момент сопротивления сечения листа:

Проверка прочности:

у=

Расчет дополнительного ребра

Требуемая толщина плиты:

не превышает 4 см, дополнительное ребро не требуется.

Принятая конструкция базы показана на рис. 21.



Рис. 21. Конструкция базы

7.5 Расчет оголовка

Конструктивно принимаем и k_f =1 см (то же значение что и для траверс). Высота диафрагмы из условия прочности сварных швов:

Принимаем h_g=39 см. Требуемая толщина диафрагмы из условия прочности торца на смятие:

где - см. п. 5.11.2; см. п. 5.6.

Требуемая толщина из условия прочности на срез:

Где 1421 кг/см² (см. п. 5.5, 4).

Принимаем t_g=2,2 см >

Толщина планок, к которым крепится диафрагма,

t_пл

Принимаем t_пл=12 мм.

Принятая конструкция оголовка показана на рис. 22

Рис. 22. Конструкция оголовка



Список использованной литературы

1. СНиП II 23-81* Стальные конструкции. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 2003 г. 96с.

2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. - М.: Изд-во ЦИТП Госстроя СССР, 2003.

3. Металлические конструкции: учебник для вузов/[Ю. И. Кудишин, Е. И. Беленя, В. С. Игнатьева и др. - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательский центр "Академия", 2006 - 688 с.

4. Металлические конструкции: в 3 томах. Т.1. Элементы стальных конструкций./под редакцией В.В. Горева, - 1997.

5. Лапшин Б.С. К расчету балок в упругопластической стадии по СНиП II-23-81*. - в кн.: Металлические конструкции и испытания сооружений /Б.С. Лапшин// Межвуз.темат. сб. тр. - Л.: ЛИСИ, 1984., с. 68-75.

6. СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций.

7. Рабочая площадка промышленного здания: метод. указания / сост.: Л.И. Горданов, Б.С. Лапшин, П.А. Пяткин, И.В. Астахов; СПбГАСУ. - СПб., 2012. - 43 с.

Размещено на Allbest.ru

...