Верхний пояс

3м

3м

(-) 120

Нижний пояс

6м

l₁

(+) 400

Шпренгель

l

l

(-) 200

l- подбирается по = 200

4.4.4 Подбор сечений стержней

4.4.4.1 Верхний пояс

Расчёт элементов верхнего пояса ведём, как центрально сжатых по максимальному усилию в стержнях по формуле:

,

где N - продольное усилие в стержне;

- коэффициент надежности по назначению;

- коэффициент продольного изгиба;

- расчетное сопротивление стали;

- коэффициент условий работы

Проверку прочности выполняем по формуле:

,

где A₁ - площадь сечения одного уголка

Принимаем к расчёту только стержень с максимальным продольным усилием, так сечение нижнего пояса является неизменным по всей длине:

Стержень №9:

N₉ = - 1589 кН, [] = 120, l_x = 3 м, l_y = 3 м

Задаёмся = 0,5

см²

см²

По сортаменту принимаем 220х16 с A = 68,6 см², i_x = 6,02 см, i_y = 9,56 см, z₀ = 6,81 см

Проверка прочности

Слишком большой запас прочности - задаёмся = 0,7

см²

см²

По сортаменту принимаем 160х16 с A = 49,1 см², i_x = 4,89 см, i_y = 7,18 см, z₀ = 4,55 см.

Проверка прочности

Условие выполняется.

4.4.4.2 Нижний пояс

Расчёт элементов нижнего пояса ведём, как центрально растянутых по формуле:

Проверку прочности выполняем по формуле:

Принимаем к расчёту только стержень с максимальным продольным усилием, так сечение верхнего пояса является неизменным по всей длине:

Стержень №3

N₃ = 1546 кН, [] = 400, l_x = 6 м, l_y = l₁ = 18 м

см²

см²

По сортаменту принимаем 140х12 с A = 32,5 см², i_x = 4,31 cм, i_y = 6,3 см, z₀ = 3,9 см

Проверка прочности

Условие выполняется.

4.4.4.3 Опорный раскос

Расчёт опорного раскоса ведём, как центрально сжатого (см. расчет верхнего пояса фермы).

Стержень №38 (36)

N_{38 (36)} = - 704,3 кН, [] = 150, l_x = 0,5l = 0,5423 = 212 cм, l_y = l = 423 cм

Задаёмся = 0,5

см²

см²

По сортаменту принимаем 160х10 с A = 31,43 см², i_x = 4,96 см,, i_y = 7,05 с м, z₀ = 4,3 см.

Проверка прочности

Слишком большой запас прочности - задаёмся = 0,7

см²

см²

По сортаменту принимаем 125х9 с A = 22 см², i_x = 3,86 см, i_y = 5,63 см z₀ = 3,4 см

Проверка прочности

Условие выполняется.

4.4.4.4 Раскосы

[] _р = 400, [] _сж = 150, l_x = 0,8444 = 355 см, l_y = 444 см

Стержень №26 (является растянутым) N₂₆ = 579 кН

см²

см²

По сортаменту принимаем 90х7 с A = 12,3 см², i_x = 2,77 см, i_y = 4,21 см, z₀ = 2,47 см.

Проверка прочности

Условие выполняется.

Стержень №27 (является центрально сжатым) N₂₇ = - 468 кН

Задаёмся = 0,5

см²

см²

По сортаменту принимаем 125х10 с A = 24,3 см², i_x = 3,85 см, i_y = 5,66 см, z₀ = 3,45 см.

Проверка прочности

Условие выполняется.

Стержень №28 (является растянутым) N₂₈ = 320,2 кН

см²

см²

По сортаменту принимаем 70х5 с A = 6,86 см², i_x = 2,16 см, i_y = 3,38 см z₀ = 1,9 см

Проверка прочности

Условие выполняется.

Стержень №29 (является центрально сжатым) N₂₇ = - 199,5 кН

Задаёмся = 0,5

см²

см²

По сортаменту принимаем 80х7 с A = 10,8 см², i_x = 2,45 см, i_y = 3,82 см, z₀ = 2,23 см.

Проверка прочности

Условие не выполняется.

Задаемся повторно = 0,4

см²

см²

По сортаменту принимаем 100х7 с A = 13,8 см², i_x = 3,08 см, i_y = 4,59 см, z₀ = 2,71 см.

Проверка прочности

Условие выполняется.

Стержень №30 (является растянутым) N₂₈ = 63,9 кН

см²

см²

Рассмотрим минимально допустимые радиусы инерции (руководствуясь требованиями к предельной гибкости элементов СНиП "Стальные конструкции", таблица 19):

По сортаменту принимаем 70х5 с A = 6,86 см², i_x = 2,16 см, i_y = 3,38 с мz₀ = 1,9 см

Проверка прочности

Условие выполняется.

4.4.4.5 Стойки

Расчет всех стоек ведем как центрально сжатых элементов

[] = 150, l_x = 0,8l₁ = 0,8315 = 252 см, l_y = 315см _с = 0,8

Стержень №14 (№15)

N₁₄ = - 93,7 кН.

Задаёмся = 0,35

см²

см²

По сортаменту принимаем 70х5 с A = 6,86 см², i_x = 2,16 см, i_y = 3,38 см,

z₀ = 1,9 см.

Проверка прочности

Условие выполняется

Стержень №16

Данный стержень устанавливаем конструктивно таким же как и все стойки - 70х5 с A = 6,86 см², i_x = 2,16 см, i_y = 3,38 см, z₀ = 1,9 см

4.4.5 Расчёт узлов

В данном дипломном проекте узлы отправочных марок ферм рассчитаны по требованиям и указаниям типовой серии 1.460.2_10/88 (выпуск 1, части 1 и 2) - расстояния между краями элементов по поверхности фасонок больше 80 мм, а также соответственно длины сварных швов.

Длины сварных швов рассчитаны при помощи программы MS Excel 2003 в соотвествии требований СНиП II-23-81* и сведены в таблицу 4.4.5.1.

Таблица 4.4.5.1 "Расчёт сварных швов и узлов фермы"

Обозначение элемента	Сечение (профиль)	Усилие	Площадь сечения	Расчетная длина	Расчетная длина	c	Радиусы инерции	Предельная гибкость?		Напряжение	Ry	Z0	Катет шва по перу	Катет шва по обушку	Длина шва по перу	Длина шва по обушку
		N	A	lx	ly		ix	iy	[]					kwf	kwz	lwf	lwz
20,7,21,8,22,9	160х16	-1589	49,1	3	3	0,95	4,89	7,18	120	0,7	202,77	240	4,6	12	12	180	400
1,2,3	140х12	1546	32,5	6	18	0,95	4,31	6,3	400	-	237,8		3,9	10	10	210	470
36 (опорный)	160х10	-704	31,4	3,6	4,44	0,95	4,96	7,05	150	0,719	222,57		3,4	8	8	130	270
27	125х10	-468	24,3	3,6	4,44	0,8	3,85	5,66	150	0,596	236,67		3,5	8	8	100	220
29	100х7	-200	13,8	3,6	4,44		3,08	4,59	150	0,447	192,06		2,7	6	6	60	130
26	90х7	579	12,3	3,6	4,44	0,95	2,77	4,21	400	-	235,37		2,5	6	6	140	300
28	70х5	320	6,86	3,6	4,44		2,16	3,38	400	-	233,38		1,9	6	6	40	70
30	70х5	63,9	6,86	3,6	4,44		2,16	3,38	400	-	45,57		1,9	6	6	34	50
14,15,16	70х5	-93,7	6,86	2,5	3,15	0,8	2,16	3,38	150	0,439	184,74		1,9	6	6	40	70

4.5 Расчет и конструирование подкрановой балки

4.5.1 Определение крановых нагрузок

В данном дипломном проекте выполнен расчет одной подкрановой балки, расположенной по оси "A" расчётной рамы (разрез 2-2) в пролете A-B, которая идентична подкрановой балке по оси "B" в данном пролёте. На этой подкрановой балке работает 2 крана №1 (по табл.4.1.1) режима работ 7К.

При учёте двух мостовых кранов, расположенных на подкрановой балке, нагрузки от них необходимо умножать на коэффициенты сочетаний = 0,95.

При учёте одного крана вертикальные и горизонтальные нагрузки необходимо принимать без снижения.

Рис. 5.5.1.1. Расчётная схема кранового поезда (2 крана - сверху, 1 кран - снизу)

4.5.2 Статический расчёт балки

Рассматривая расположение на подкрановой балке двух мостовых кранов одинаковой грузоподъёмности - 20 т, необходимо учесть, что для подкрановой балки длинной 12 м крайние колёса могут заезжать на другую подкрановую балку при некотором невыгодном положении.

Вариант 1 (2 крана)

Рис. 5.5.2.1. Расстановка кранов для определения изгибающих моментов и поперечных сил.

Используя правило Винклера, устанавливаем три груза на балке (см. рис.4.2.) и находим положение равнодействующей R относительно опоры А:

мм

Расстояние от критического груза до равнодействующей:

С = (7,5 + 0,6) - 6 = 2,1 м

По теореме Винклера устанавливаем колёса крана на балке таким образом, чтобы расстояние от левой опоры до равнодействующей было равно:

м

Проверяем правильность установки грузов по неравенствам:

1) ,

где R₁ - равнодействующая грузов, расположенных слева от рассматриваемого сечения на участке а балки пролётом L.

R₁ = 0;

Условие выполняется.

2)

Оба условия выполняются, следовательно, принятая установка кранов является расчётной.

Нормативный и расчётный максимальный изгибающий момент для подкрановой балки от вертикальных нагрузок определяем по линии влияния момента от критическрго груза.

Определяем ординаты из эпюры для критического груза:

Графическим методом определяем:

у₂ = 2,21

= 0,95293 (2,91 + 2,21) = 1425,2 кН·м

кН·м.

Вариант 2 (1 кран)

Рис. 5.5.2.2. Расстановка кранов для определения изгибающих моментов и поперечных сил.

Используя правило Винклера, устанавливаем два катка одного кран на балке (см. рис.4.5.2.2.) и находим положение равнодействующей R относительно опоры А:

мм

Расстояние от критического груза до равнодействующей:

с = (7,5 + 2,0) - 5,75 = 3,75 м

По теореме Винклера устанавливаем колёса крана на балке таким образом, чтобы расстояние от левой опоры (А) до равнодействующей было равно:

м

Проверяем правильность установки грузов по неравенствам:

1) ,

где R₁ - равнодействующая грузов, расположенных слева от рассматриваемого сечения на участке а балки пролётом L.

R₁ = 293;

кН

Условие выполняется.

2)

кН

Оба условия выполняются, следовательно, принятая установка кранов является расчётной для второго варианта (1 кран).

Нормативный и расчётный максимальный изгибающий момент для подкрановой балки от вертикальных нагрузок определяем по линии влияния момента от критического груза.

Определяем ординаты из эпюры для критического груза:

Графическим методом определяем:

у₂ = 0,13

= 293 (2,71 + 0,13) = 832 кН·м

кН·м.

Таким образом, более невыгодным является загружение балки двумя кранами, так значение момента больше, несмотря на понижающий коэффициент 0,85.

Принимаем его к дальнейшему расчету.

Максимальная поперечная сила на опоре для балки определяется по линии влияния при установке кранов, указанной на рис.4.5.2.1 Так как все вертикальные силы давления катков одинаковы, то очевидно, что самым невыгодным вариантом будет показанный на рисунке 4.5.2.3.

Рис. 5.5.2.3. Расстановка кранов для определения изгибающих моментов и поперечных сил.

Графическим методом определяем ординаты линии влияния максимальной поперечной силы на опоре:

у₁ = 1; у₂ = 0,9; у₃ = 0,275

кН

Принимаем данное значение для дальнейшего вычисления расчётной поперечной силы на опоре.

кН

Расчётные значения изгибающего момента и поперечной силы с учётом собственного веса балки (коэффициенты , взяты сооветсвенно по таблице 3.2, Лихтарников) и постоянной нагрузки на ней равны:

кН·м;

кН·м;

кН;

кН.

Нормативный и расчётный максимальный изгибающий момент для подкрановой балки от горизонтальных нагрузок (сил поперечного торможения):

кН·м

кН·м.

В связи с тем, что подкрановая балка особо. тяжёлого режима работы, ее необходимо проверить на выносливость от нормативных нагрузок одного крана:

Используя правило Винклера, устанавливаем два катка одного кран на балке (см. рис.4.2.) и находим положение равнодействующей R относительно опоры А:

мм

Расстояние от критического груза до равнодействующей:

с = (7,5 + 2,0) - 5,75 = 3,75 м

По теореме Винклера устанавливаем колёса крана на балке таким образом, чтобы расстояние от левой опоры (А) до равнодействующей было равно:

м

Проверяем правильность устфановки грузов по неравенствам:

1) ,

где R₁ - равнодействующая грузов, расположенных слева от рассматриваемого сечения на участке а балки пролётом L. R₁ = 293;

кН

Условие выполняется.

2)

кН

Оба условия выполняются, следовательно, принятая установка кранов является расчётной.

Нормативный и расчётный максимальный изгибающий момент для подкрановой балки от вертикальных нагрузок определяем по линии влияния момента от критического груза.

Определяем ординаты из эпюры для критического груза:

Графическим методом определяем:

у₂ = 0,13

= 293 (2,71 + 0,13) = 832 кН·м

Соответствующая поперечная сила:

кН

Значения усилий при учете собственного веса балки (для расчета на вынослитвость):

кН·м;

кН;

кН·м.

4.5.3 Определение размеров поперечного сечения подкрановой балки

Определение требуемого момента сопротивления:

см³

Требуемая площадь сечения стенки из условия её смятия:

,

где МПа

см²

Определяем толщину стенки по приближенной формуле:

Принимаем по сортаменту мм = 1,2 см.

Высота стенки балки из условия оптимальности её веса:

см

Принимаем = 92 см.

Минимальная высота стенки:

см

Принимаем (по ГОСТ 19904-90)

Исходя из принятых размеров, проверяем толщину стенки :

из условия работы на срез:

см;

из условия обеспечения устойчивости:

см.

Принимаем мм (по ГОСТ 82-70).

Тогда площадь сечения стенки будет равна:

Требуемые площади сечения верхнего и нижнего поясов:

см²

Ширина поясов:

Принимаем см (по ГОСТ 82-70)

Отсюда толщина поясов:

см = 24,5 мм.

Принимаем см (по ГОСТ 82-70). Действительная площадь поясов:

Рис. 4.5.3.1. Подобранное сечение подкрановой балки

см²

Проверка устойчивости сжатого (верхнего) пояса:

;

Условие выполняется

Из условий крепления листа тормозной конструкции принимаем лист верхнего пояса шириной 380 мм.

Определяем геометрические характеристики полученного сечения:

момент инерции:

см⁴

момент сопротивления:

4.5.4 Проверки

4.5.4.1 Выполняем проверку прочности нижнего (растянутого) пояса:

МПа

Условие выполняется.

4.5.4.2 Проверка касательных напряжений:

статический момент полусечения:

см⁴

касательные напряжения:

Условие выполняется.

4.5.4.3 Проверка жесткости балки:

,

где ,

Условие выполняется.

4.5.4.4 Проверка местной устойчивости стенки балки

Определяем условную гибкость стенки:

Условие не выполняется, следовательно, необходима проверка стенки на устойчивость. Так как = 2,62 > 2,2 (наличие подвижной нагрузки на поясе), то необходима постановка поперечного ребра жёсткости. При < 3,2 расстояние между поперечными рёбрами должно быть меньше 2,5 · h_ef.

Принимаем расстояние а = 2000 мм < 2,5 · h_ef = 2,5 · 950 = 2375 мм.

Определяем сечение рёбер жёсткости по конструктивным требованиям норм:

ширина ребра:

мм.

Принимаем b_r = 8 см.

толщина ребра:

мм

Принимаем t_r = 0,6 см.

Для проверки местной устойчивости стенки балки выделяем два расчётных отсека - первый у опоры, где наибольшие касательные напряжения, и второй - в середине пролёта балки. Т.к. длина отсека а = 2000 мм превышает его высоту h_ef = h_w = 950 мм, то напряжение проверяем в сечениях, расположенных на расстоянии x = 0,5 · h_w = 0,5 · 950 = 475 мм от края отсека; длину расчётного отсека принимаем а₀ = h_w = 950 мм.

Вычисляем расстояния до центров расчётных отсеков х₁ и х_{2 (}см. рис.4.3):

х₁ = 2000 - 475 = 1525 мм;

х₂ = 3 ·2000 - 475 = 5525 мм.

Рис. 4.5.4.4.1. Подкрановая балка с рёбрами жёсткости. Расстановка сил для проверки устойчивости стенки балки в опорном и среднем отсеках.

Проверяем местную устойчивость стенки балки первого (приопорного) отсека. Критический груз устанавливаем над центром расчётного отсека.

Опорная реакция:

кН

Средние значения изгибающего момента и поперечной силы на расст оянии х₁ = 1525 мм от опоры (с учётом коэффициента б₁ = 1,05 на массу тормозной балки) составляют:

в сечении 1-1:

М₁ = б₁ · (1,15 · Q_A - F · 0,325) = 1,05 · (1,05 · 613,47 - 293 · 0,6) =

= 491,76 кН·м;

Q₁ = б₁ · (Q_A - F) = 1,05 · (613,47 - 293) = 336,5 кН.

в середине отсека при х₁ = 1525 мм:

М_х1 = б₁ · (1,525 · Q_A - 1,2 · F) = 1,05 · (1,525 · 613,47 - 1,2 · 293) = 613,14 кН·м;

Q_х1 = б₁ · (Q_A - 2 · F) = 1,05 · (613,47 - 2 · 293) = 28,84 кН.

в сечении 2-2:

М₂ = б₁ · (2,0 · Q_A - F · 1,675) = 1,05 · (2,0 · 613,47 - 293 · 1,675) = 773 кН·м;

Q₂ = б₁ · (Q_A - 2 · F) = 1,05 · (613,47 - 2 · 293) = 28,84 кН.

средние значения момента и поперечной силы в расчётном отсеке:

кН·м;

кН.

Определяем напряжения в стенке опорного отсека при х₁ = 1525 мм:

нормальное (в уровне верхней кромки стенки):

, МПа, где у_с = 0,5 · h_w = 0,5 · 0,95 = 0,475 м.

касательные напряжения:

МПа

Местные напряжения под колесом мостового крана:

,

где _f = 1,1 - при проверке устойчивости стенки;

F₁ = 1,1 · 293 = 322,3 кН;

, см,

где I_bt - сумма моментов инерции верхнего пояса I_f и кранового рельса КР100 - I_{р (}I_р = 2864,73 см⁴ из сортамента):

см⁴

см

МПа.

Определим критическое напряжение для стенки опорного отсека при отношениях:

; ;

коэффициент защемления стенки

,

где в = 2 - для неприваренных рельсов (СНиП II-23-81* табл.22)

При таких значениях отношений по табл.24 СНиП II-23-81* находим предельное значение для балок симметричного сечения:

Условие выполняется.

Критические напряжения:

нормальное напряжение вычисляем по формуле (75) СНиП II-23-81*:

, МПа,

где с_cr = 34,61 по табл.21 СНиП II-23-81* при .

МПа

касательное критическое напряжение по формуле (76) СНиП II-23-81*:

, МПа,

где м = = 2,11;

где d = h_щ = 950 мм;

МПа

критические напряжения от местного давления колеса крана по формуле (80) СНиП II-23-81* при = 2:

, МПа,

где с₁ = 21,52 по табл.23 СНиП II-23-81* при = 1 и д = 6,09;

МПа

Проверяем устойчивость стенки балки по формуле (79) СНиП II-23-81* при ? 0:

,

т.е. устойчивость стенки в опорном отсеке балки обеспечена.

Проверяем местную устойчивость стенки балки среднего отсека.

Критический груз устанавливаем над центром расчётного отсека.

Опорная реакция:

кН.

Средние значения изгибающего момента и поперечной силы на расстоянии х₂ = 5525 мм от опоры (с учётом коэффициента б₁ = 1,05 на массу тормозной балки) составляют:

в сечении 3-3:

М₃ = б₁ · (5,05 · Q_A - 0,725 · F) = 1,05 · (5,05 · 345,5 - 0,725 · 293) = = 1609 кН·м; Q₃ = б₁ · (Q_A - F) = 1,05 · (345,5 - 293) = 55,125 кН.

в середине отсека при х₂ = 5525 мм:

М_х2 = б₁ · (5,05 · Q_A - 0,725 · F) = 1,05 · (5,05 · 345,5 - 0,725 · 293) = = 1609 кН·м;

Q_х2 = б₁ · (Q_A - 2 · F) = 1,05 · (345,5 - 2 · 293) = - 252,525 кН.

в сечении 4-4:

М₄ = б₁ · (6 · Q_A - F · (0,475 + 1,675)) =

= 1,05 · (6 · 345,5 - 293· (0,475 + 1,675)) = 1515,2 кН·м;

Q₄ = Q_х2 = - 252,525 кН.

средние значения момента и поперечной силы в расчётном отсеке:

кН·м;

кН.

Определяем напряжения в стенке опорного отсека при х₂ = 5525 мм:

нормальное (в уровне верхней кромки стенки):

, МПа,

где у_с = 0,5 · h_щ = 0,5 · 0,95= 0,475 м

МПа

касательные напряжения:

МПа

Местные напряжения под колесом мостового крана:

,

где _f = 1,1 - при проверке устойчивости стенки;

F₁ = 1,1 · 293 = 322,3 кН;

, см,

где I_bt - сумма моментов инерции верхнего пояса I_f и кранового рельса КР100 - I_{р (}I_р = 2864,73 см⁴ из сортамента):

см⁴

см

МПа.

Определим критическое напряжение для стенки опорного отсека при отношениях:

;

;

коэффициент защемления стенки

,

где в = 2 - для неприваренных рельсов (СНиП II-23-81* табл.22)

При таких значениях отношений по табл.24 СНиП II-23-81* находим предельное значение для балок симметричного сечения:

Условие выполняется. Критические напряжения:

нормальное напряжение вычисляем по формуле (75) СНиП II-23-81*:

, МПа,

где с_cr = 34,61 по табл.21 СНиП II-23-81* при .

МПа

касательное критическое напряжение по формуле (76) СНиП II-23-81*:

, МПа,

где м = = 2,11;

где d = h_щ = 950 мм;

МПа

критические напряжения от местного давления колеса крана по формуле (80) СНиП II-23-81* при = 2:

, МПа,

где с₁ = 21,52 по табл.23 СНиП II-23-81* при = 1 и д = 6,09;

МПа

Проверяем устойчивость стенки балки по формуле (79) СНиП II-23-81* при ? 0:

,

т.е. устойчивость стенки в среднем отсеке балки обеспечена.

4.5.4.5 Проверка прочности

Для упрощения будем считать, что подкрановые балки для пролета A-B и B_C одинаковые.

Проверку прочности подкрановой балки запроектированного сечения производим по формуле (38) СНиП II-23-81*:

Рис. 4.5.4.5.1. Сечения двух подкрановых балок одной колонны и тормозной конструкции (схематично)

Для этого необходимо найти момент инерции сечения относительно оси y на расстоянии c (см. рис.4.5.4.5.1):

м.

Моменты инерции каждого элемента сечения балки находим отдельно:

см⁴;

см⁴;

, см^4,

где t_т = 0,6 см - толщина тормозного листа, соединяющего балки одной колонны;

а = 5 см - длина области наложения тормозного листа и верхнего пояса подкрановых балок.

Суммарный момент инерции:

I_у = 2 · 47045 + 2 · 3650,1 + 71090,35 = 172480.55 см⁴

Расстояние Х находим по формуле:

м

Подставляем полученные значения в условие проверки:

Условие выполняется.

4.5.5 Расчёт опорного ребра

Рис. 4.5.5.1. Схема опорного ребра подкрановой балки.

Торцы балки в месте опирания их на колонны укрепляются опорными ребрами (см. рис.4.5.5.1.). Считают, что вся опорная реакция передается с балки на опору через эти ребра. Опорные рёбра надежно прикрепляют к стенке сварными швами, а нижний торец ребер строгают для плотного соприкосновения с опорой и равномерной передачи опорного давления.

Задаёмся толщиной опорного ребра t_{о. р.} = 30 мм.

Требуемая ширина опорного ребра:

Принимаем ширину опорного ребра равной = 32cм > в соответствии с шириной пояса подкрановой балки.

Тогда толщина опорного ребра:

Согласно требованиям, толщина опорного ребра не может быть меньше 12 мм, поэтому принимаем t_{о. р.} = 12 мм.

Принимая длину сварного шва , необходимый катет определяем по:

По требованиям табл.38* СНиП II-23-81*, принимаем минимально допустимую толщину шва, равную = 7 мм.

4.5.6 Проверка поясных сварных швов

Поясные швы крепления верхнего пояса и стенки воспринимают продольные сдвигающие усилия, возникающие от изгиба балки и сосредоточенные усилия от колеса крана.

При подвижном характере нагрузки угловые сварные швы следует рассчитать исходя из условия:

- по металлу шва;

- по металлу границы сплавления;

где Т - сдвигающее пояс усилие на единицу длины, вызываемое поперечной силой:

МПа;

МПа

V - давление от сосредоточенного груза:

МПа.

Обычно сварка подкрановых балок выполняется сварочным автоматом при положении "в лодочку" или "нижнее".

Для подкрановой балки (1 группа конструкций) принимаем электроды Э42А, для них выбираем R_wf = 180 МПа, R_wz = 166,5 МПа.

Для катета шва, равного 7 мм принимаем = 0,9; = 1,05.

Подставляем все данные в проверочные условия:

Условия прочности сварных швов удовлетворяются.

4.6 Расчёт средней колонны ряда В

4.6.1 Расчётные усилия и сочетания

Все расчётные данные приведены в таблице 4.6.1.2.

Для расчёта решетки нижней части колонны нужно найти наибольшую поперечную силу.

Таблица 4.6.1.1 "Значения поперечной силы Q колонны среднего ряда B при разных загружениях"

Загружение
1	2	3	4	9	10	5	6	11	12	7	8	13	14	15	16
0.16	0.12	-6.00	-9.32	1.15	-22.16	4.70	3.30	10.67	-0.41	-1.37	1.38	0.57	-0.76	-2.16	2.16

Рассматриваем комбинацию при таком сочетании нагрузок.

Q⁺_max = (1) + ( (2) + (5) + (11) + (8) + (16)) · n_c = 19,18 кН;

Q^-_max = (1) + ( (2) + ( (4) + (10) /0,95) + (7) + (15)) = - 36,4 кН.

4.6.2 Компоновка колонны

Выбор высоты траверсы:

h_тр= (0,5…0,6) ·b_н = 0,5 ·2 = 1 м.

Расчётная высота нижней части колонны (вне траверсы):

h_н' = h_{н -} h_тр = 12,65 - 1 = 11,65 м.

Высота панели:

м

Длина раскоса в панели:

м

4.6.3 Определение расчётных длин колонн

Колонны входят в состав каркаса здания, имеющего пространственную структуру. Рассматриваем колонну среднего ряда B. Вверху колонна закреплена фермами и связями между фермами, внизу - в фундаменте, в уровне подкрановой консоли - вдоль пролета подкрановыми балками.

Элементы колонны могут терять устойчивость в плоскости колонны (рамы) и из плоскости.

Ветви нижней части колонны в плоскости колонны закреплены шарнирно в узлах решетки, из плоскости ветви, в уровне подкрановой консоли и в фундаменте - также шарнирно; раскосы решетки закреплены шарнирно по концам. При проверке устойчивости верхней части колонны в плоскости ее считают неподвижно шарнирно закрепленной вверху и упруго закрепленной в нижней части колонны, из плоскости - шарнирно закрепленной вверху и в подкрановой консоли. При проверке общей устойчивости колонны в ее плоскости считают, что верх колонны закреплен шарнирно-неподвижно, а низ - жестко.

Размеры колонны:

l₁ = h_н = 12,65 м;

l₂ = h_в = 5,05 м;

b_н = 2 м;

b_в = 0,71 м.

Максимальные усилия:

F₁ = 1918,51 кН;

F₂ = 1292,8 кН.

Возможность вычисления коэффициентов расчётных длин:

;

;

; = 0,82 (по таблице 69, СНиП II-23-81*).

Таблица 4.6.3.1

N п/п	Элементы колонны	Расчётная длина, м
Нижняя часть колонны
1	Ветвь в плоскости колонны	lef,x = l1·= 12,65 · 1,656 = 20,95
2	Ветвь из плоскости колонны	lef,y = l1 = 12,65
Верхняя часть колонны
3	В плоскости колонны	lef,x = l2 · = 5,05 · 0,82 = 4,14
4	Из плоскости колонны	lef,y = hв - hпб = 5,05 - 1,0 = 4,05

Расчётная длина ветви в плоскости рамы:

L_в = 2 · d = 2 · 0,97 = 1,94 м.

4.6.4 Подбор сечения и проверка элементов колонны

Колонны относят к третьей группе конструкций, принята сталь С235 по ГОСТ 27772-88, расчётное сопротивление проката толщиной t = 2.20 мм R_y = 230 МПа.

4.6.4.1 Подбор сечения подкрановой части колонны

Рис. 4.6.4.1.1. Схема сечения подкрановой балки

Колонна по оси B не симметрична, поэтому подбираем её на максимальное усилие в зависимости от знака:

1. а) кН,

б) кН;

2. а) кН,

б) кН,

кН;

Находим требуемую площадь сечения ветви, задавшись = 0,8:

Рис. 4.6.4.1.2. Схема сечения двутавра 30Ш1

Принимаем по сортаменту (ГОСТ 26020-83) двутавр 30Ш1 со следующими характеристиками:

А = 68,31 см²; i_x = 12,32 см; i_y = 4,64 см; B_f = 20 см; t_w = 0,8 см; t_f = 1,1см; I_y = 1470 см⁴, h = 29,1 см

Проверяем гибкость ветви:

;

;

Определим для центрально сжатого элемента: = 0,845

Тогда усилие в ветви будет равно:

Условие выполняется.

4.6.4.2 Расчёт соединительной решётки

Решётку колонны подбираем на Q_max.

Условная поперечная сила:

? - коэффициент продольного изгиба на ходим по таблице 72 (СНиП II-23-81*) в зависимости от :

,

где

где ,

,

см^4, см⁴

см²

см⁴

Радиус инерции сечения ветви колонны:

м

Гибкость:

, отсюда ?0,227

= 86,68 кН

Т.к. условная сила меньше действующей силы Q^-_max = - 36,4 кН, то к дальнейшему расчёту принимаем большую из них Q_расч = 86,68 кН.

Находим угол б:

Усилие в раскосе:

кН

Требуемая площадь сечения раскоса при = 0,4:

см^2,

Принимаем по сортаменту уголок 50х6:

А = 5,69 см²; i_x0 =1,91 см; i_у0 = 0,98 см.

Проверяем гибкость стержня:

Условие не выполняется, поэтому увеличиваем площадь сечения раскоса.

Принимаем по сортаменту уголок 70х5: А = 6,86 см²; i_x0 = 2,72 см; i_у0 = 1,39 см. Проверяем гибкость стержня:

Условие выполняется.

4.6.4.3 Проверка устойчивости подкрановой части колонны (как единого стержня)

Общая площадь сечения:

А = 2·А₁ = 2·68,31 = 136,62 см²

Момент инерции сечения колонны:

см⁴

Радиус инерции сечения колонны:

см

Гибкость колонны:

< [л] = 180 - 60·б = 120

Определим приведённую гибкость, учитывая влияние решётки:

,

где б - коэффициент, учитывающий угол наклона вертикальной решётки:

Тогда приведенная гибкость:

< [л] = 120.

Условная приведенная гибкость:

Проверку устойчивости колонны как единого стержня согласно СНиП проводим по комбинации нагрузок.

M_max = 564,54 кН·м; N_c = 1918,51 кН

Эксцентриситет:

е = M_max / N_c = 564,54/1918,51 = 0,29 м

Находим приведенный эксцентриситет по формуле СНиП:

, где

a = b_н / 2 = 2/2 = 1 м, тогда

Из таблицы 74 СНиП II-2-81* по значениям m и определяем ц_е = 0,865.

Проверяем устойчивость колонны как единого стержня:

Условие выполняется.

4.6.4.4 Подбор сечения и проверка верхней части колонны

При компоновке принята ширина колонны b_в = 0,71 м.

Принимаем по сортаменту двутавр 70Б1:

А = 164,7 см²; W_x = 3645 см³; W_у = 350,5 см³; i_y = 5,26 см i_x = 27,65 см.

Согласно СНиП II-2381*, расчёт на прочность внецентренно-сжатых и сжато-изгибаемых элементов выполнять не требуется, если приведенный эксцентриситет

m_ef = ·m < 20,

где - коэффициент влияния формы сечения, определяется по СНиП (табл.73)

m - относительный эксцентриситет:

,

Значит коэффициент влияния формы сечения:

,

где - условная гибкость:

Вычисляем коэффициент влияния формы сечения:

Приведенный эксцентриситет:

m_ef = · m = 1,68·0,238 = 0,4 < 20,

Следовательно, расчёт на прочность выполнять не следует.

Проверка устойчивости оголовка в плоскости рамы:

где - коэффициент при приведенном относительном эксцентриситете m_{ef (}зависит от условной гибкости) принимаем по таблице 74 (СНиП II-23-81*):

0,884

Условие выполняется.

Проверяем устойчивость верхней части колонны из плоскости рамы (по СНиП II-23-81*, формулы 56-58, табл.10):

m_y = 2/3· m = 2/3·0,238 = 0,159 < 5,

значит коэффициент с рассчитываем по формуле:

где б = 0,7; в - выбираем в зависимости от , (табл.10):

,

>, значит ,

- коэффициент, принимаемый по таблице 72 СНиП II-23-81*: = 0,717

Устойчивость верхней части колонны:

Условие выполняется.

4.6.4.5 Расчёт базы колонны

Базу колонны выполняют, как правило, раздельной в виде башмаков под каждую из ветвей колонны. Расчет башмака аналогичен расчету башмака центрально сжатой колонны.

Длину плиты назначаем на С = 50 мм больше высоты нормального сечения ветви колонны с каждой стороны, а ширину на С₁ = 80 мм больше ширины полки сечения ветви колонны. Продольное усилие с ветвями колонны на фундамент передается через две траверсы.

Расчётное усилие N_в = 1241,53 кН. Бетон фундамента марки В15, расчётное сопротивление R_b = 8,15 МПа.

Принимаем = 1,3 и вычисляем расчётное сопротивление местному смятию бетона фундамента:

R_b,loc = · R_b = 1,3·8,15 = 10,6 МПа;

Длину и ширину плиты назначаем:

L = h₁ + 2·С = 291 + 2·50 = 391 мм

Принимаем L = 400 мм по ГОСТ 82 - 70.

мм

В = b + 2·t_тр + 2·С₁ = 200 + 2·10 + 2·80 = 380 мм > 293 мм

Принимаем B = 380 мм.

Проверка давления (напряжений) фундамента на плиту:

Условие выполняется. После подбора размеров плиты уточняем: С = 54,5 мм, С₁ = 80 мм. Определим толщину плиты.

Участок 1 (консольный):

кН·м

Участок 2 (закреплены 3 стороны плиты):

На участке 2 при с / a = 54,5/200 = 0,2725; тогда коэффициент = 0,031.

М_II = · у· a² = 0,031· 8,17 · (10⁶) · 0,2² · (10^-3) = 10,13 кН·м.

Участок 3 (закреплены 4 стороны плиты):

На участке 3 при е = h_1/b = 269/96= 3,03; тогда коэффициент б = 0.125.

М_III = б · у · a² = 0,125 · 8,17 · (10⁶) · 0,096² · (10^-3) = 9,41 кН·м

По наибольшему моменту вычисляем толщину плиты:

t_р = мм

Принимаем толщину плиты: t_р = 28 мм.

Высоту траверсы определяем как:

h_тр = l_w+1, см,

где l_w - длина сварного шва:

см

Конструктивно принимаем высоту траверсы h_тр = 40 см.

Анкерные болты рассчитывают по специальным комбинациям нагрузок, выявляющим возможность отрыва башмака от фундамента. Вверху анкерные болты закрепляют к траверсам колонны с помощью плиток.

Усилия в анкерных болтах:

N_A = |N|/2 + M/ b'_н;

N_A = 1241,53/2 + (-564,54/2) = 338,5 кН

Требуемая площадь 1 анкерного болта:

см²

Принимаем 4 болта диаметром резьбы d = 30 мм по ГОСТ 24379.1-80

Рис.4.6.4.5.1. База одной ветви колонны

5. Технология изготовления металлических конструкций

Согласно задания руководителя дипломного проекта для расчета приняты следующие объёмы - 6000 т подкрановых балок Б1, 5000 т отправочной марки Ф1 стропильной фермы, разработана технология изготовления этих конструкций, подобрано и размещено оборудование по наиболее экономичной схеме для создания производства с мощностью 11 тыс. т. металлоконструкций в год, составлена схема погрузки изготовленных металлоконструкций стропильных ферм и определены технико-экономические показатели изготавливаемых металлоконструкций.

Количество каждого из изготавливаемых элементов производиться по формуле:

,

где Q - годовой объём, т,

G - масса конструкции-представителя по чертежу;

Количество отправочных марок Ф1:

шт.

Количество отправочных марок Б1:

шт.

5.1 Обработка металла

5.1.1 Технологические процессы при обработке

Обработка металла

В цехе обработки производится разметка, наметка, механическая резка (на гильотинных ножницах, пресс-ножницах, прессах, пилах и др.), гибка, штамповка, образование отверстий (сверление, прокол), правка деталей, строжка, фрезеровка, вальцовка и другие операции по изготовлению деталей, основные операции указаны в "Объемной ведомости" (см. Приложения, табл. №1)

Резка металла

Резка металла производится после разметки и наметки двумя способами: механическим и термическим. Выбор способов резки зависит от многих факторов: профиля прокатной стали и его размера, класса стали, длины реза, конфигурации вырезаемых деталей, их серийности, требуемой точности резки, наличия металлорежущего оборудования.

Резка листовых деталей прямолинейного очертания толщиной до 25 мм производится на гильотинных ножницах. Однако длинные полосы толщиной более 8-10 мм для колонн и подкрановых балок лучше получать путем роспуска листа на многорезаковых газорежущих машинах. Механическая резка профильной стали выполняется на пилах и прессах.

Длина реза гильотинных ножниц достигает 3150 мм. При резке небольших деталей из листа обычно вначале производят поперечную резку листа по упору, после чего нарезанные заготовки разворачивают на 90° и режут на детали необходимого размера. Подготовка для резки на гильотинных ножницах производится двумя способами: установкой упора ножниц на нужный размер и наметкой деталей по шаблону.

Равнобокие и неравнобокие уголки режут на уголковых ножницах по разметке или по упору. Аналогично режут швеллеры и балки на специальных ножницах.

Термическая резка - это резка, основанная на применении тепла для нагрева и сжигания металла по линии реза. На ЗМК применяются два основных вида: кислородная и плазменно-дуговая резка. Наиболее распространена кислородная резка. Она осуществляется следующими способами - ручным, полуавтоматическим и автоматическим.

Ручная резка применяется только в отдельных случаях, где нет возможности применить другие способы резки, либо при очень малых объемах работ. Полуавтоматами (секаторами) производят резку листовых деталей с прямыми и кривыми линиями резов. При резке прямых линий полуавтоматы перемещаются по направляющим линейкам, при резке деталей криволинейного очертания (с радиусом кривизны свыше 1500 мм) по универсальным шаблонам.

Наиболее высокая производительность достигается при использовании многорезаковых газорежущих машин. Широкое распространение получили портальные машины типа "Днепр-2,5", "Черномор", а также "Юг", "Одесса", ПК. Ф с фотокопировальным масштабным устройством.

Образование отверстий

Выбор технологического процесса образования отверстий зависит от толщины детали и марки стали, диаметра отверстий, профиля, размера и массы детали, наличия и мощности оборудования.

Применяются в основном два способа образования отверстий:

продавливание;

сверление;

Продавливание отверстий допускается:

для малоуглеродистых сталей толщиной до 25 мм;

для низколегированных сталей толщиной до 20 мм;

(Диаметр отверстия должен быть больше толщины детали не менее чем на 2 мм).

для сталей повышенной прочности класса С60/45 и выше при толщине стали до 10 мм включительно при номинальных диаметрах отверстий 15-20 мм.

Сверление отверстий в зависимости от профиля стали, размеров деталей, их серийности, типа сверлильных станков, требуемой точности производят по наметке, по кондукторам или пакетами, по шаблону на стационарных или передвижных сверлильных станках.

Обработка кромок

Обработка кромок деталей под сварку и свободных кромок производится после механической или кислородной резки путем строжки на строгальных станках, фрезеровки на фрезерных станках, обработки абразивными кругами и т.п.

Обработка кромок и торцов деталей производится в целях получения размеров деталей с минимальными отклонениями от проектных, удаления неровностей и шероховатостей более 1 мм после кислородной резки, удаления зон наклепа после механической резки на ножах, разделки кромок деталей под сварку. Детали, подлежащие строганию, должны иметь припуск от 3 до 10 мм в зависимости от толщины листа. На кромкострогальных станках строгают кромки листовых деталей пакетом максимальной толщины до 200 мм и длиной до 14 м. На продольно-строгальных станках производят строжку поверхностей толстых листов (плит), а также кромки и торцы деталей с максимальными размерами обрабатываемых деталей 6 х 2 х 1,5 м.

Фрезерование деталей производят на торцефрезерных и продольно-фрезерных станках. За один проход фрезы обычно снимают 3 - 4 мм, нормальный припуск на фрезеровку до 5 мм. Для получения ровной плоскости торцов и заданной длины деталей делается 2 - 3 прохода фрезы. Фрезеровка деталей производится пакетами. Толщина пакета зависит от типа станка. Согласно СНиП III_18_75 длина деталей должна отличаться от проектной на ±0,5 мм при общей длине до 1,5 м и 1-2 мм до 9 м в зависимости от длины детали.

5.1.2 Расчёт оборудования и количества рабочих для обработки

Данный расчёт приведен в табличной форме (табл.5.1.2.1.)

Таблица 5.2.1 "Ведомость расчетного количества оборудования и рабочих"

№	Технологическая операция	Трудоёмкость на годовой объём	Состав звена, чел.	Трудоёмкость на годовой объём, нормо-час	Расчётный годовой фонд времени работы оборудования	Расчётное количество оборудоавания, в долях	Принятое количество оборудования	Коэффициент загрузки оборудования	Количество рабочих, чел.
			чел. - час (3): 1,25
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	Резка ножом листа	304.00	243	1	243	4000	0.06	1	0.06	1	х	1	х	1	2
2	Резка на гильотинных ножницах	1625	1300	2	650	4000	0.16	1	0.16	2	х	1	х	1	4
3	Газовый роспуск	1387	1110	1	1110	4000	0.28	1	0.28	5 чел. (бригада) х 2	10
4	Газовая резка секатором	4491	3593	1	3593	4000	0.90	2	0.45	1	х	2	х	2	4
5	Газовая резка ручная	357	285	2	143	4000	0.04	3	0.01	2	х	3	х	2	12
6	Строжка	488	390	2	195	4000	0.05	4	0.01	2	х	4	х	2	16
7	Фрезеровка	2369	1895	2	948	4000	0.24	5	0.05	2	х	5	х	2	20
8	Сверление	2522	2017	1	2017	4000	0.50	1	0.50	1	х	1	х	2	2
ИТОГО:	13239	-	-	8656	-	-	-	-	68	чел.

5.2 Сборосварочные работы

5.2.1 Технологические процессы

В настоящем разделе дается обоснование выбранному способу сборки. Определяется технология сварки, а также необходимость в другом технологическом оборудовании (правка, сверление, фрезеровка и т.д.). Подготавливаются другие данные, необходимые для составления технологической карты на сборку и сварку, а также для проектирования участка.

Сборка конструкций

Сборку конструкций производят на сборочных стеллажах, козелках, стендовых плитах, в сборочных кондукторах. Сборочные кондуктора с пневматическими, гидравлическими либо с магнитными прижимами целесообразно применять только при большом количестве одинаковых элементов. При мелкосерийном производстве применяются универсально-сборочные и сварочные приспособления. Для временного скрепления деталей при сборке ставятся электроприхватки (короткие швы длиной 50 мм) через каждые 500 мм в местах расположения сварных швов.

Трудоемкость сборки конструкций составляет около 30% всей трудоемкости изготовления. Сборщики работают в основном сквозными бригадами по 4 человека, звеньями по 2 'чел. В проекте необходимо в зависимости от вида конструктивного элемента выбрать один из следующих способов сборки:

1. По кондуктору;

2. По копиру;

3. На сборочных плитах по разметке;

4. На стеллажах вручную.

При сборке деталей должны учитываться припуски на дальнейшие технологические операции, а также строго выдерживаться величины зазоров в стыках, указанные на рабочих чертежах для качественного выполнения сварки.

Сварка конструкций

Электродуговая сварка является основным методом соединения стальных конструкций. Уровень механизации сварочных работ на большинстве заводов достиг 90-98%. Наиболее широко применяются автоматическая сварка под слоем флюса и полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа. В некоторых случаях для сварки особо толстого металлопроката (от 80 мм и более) применяется электрошлаковая сварка.

При разработке технологического процесса сварки конструкций должны быть определены способы сварки, порядок нало...