Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Государственный Строительный Университет

Кафедра металлических конструкций

Курсовой проект

на тему

Расчет стальной балочной клетки

Студент: Петров А.А.

ПГС-IV-1

Проверил: Туснин А.Р.

Москва 2013 г.

1. Исходные данные

монтажный стык балка жесткость

1. Шаг колонн в продольном направлении А, м: 12

2. Шаг колонн в поперечном направлении В, м: 6.5

3. Габариты в плане: 2Ах2В

4. Отметка верха настила, м: 7

5. Временная равномерно распределенная нагрузка- q, кН/м2: 34

6. Материал конструкций: - сталь С255

7. Допустимый относительный прогиб настила: 1/150

2. Cсхема балочной клетки

Определение ширины настила

Примем толщину настила tн=12 мм.

Определяем пролет настила lн исходя из условия заданного относительного прогиба настила:

Ширина настила: l ? lн + 100мм = 103.38 см

Окончательно принимаем ширину настила (и, следовательно, шаг балок настила):

l = a = 1 м

3. Расчет и конструирование балок настила

Определяем нормативную и расчётную нагрузку:

Наименование	gнорм (кН/м2)	?s	gрасч (кН/м2)
1. Вес настила	0,924	1,05	0,97
2. Вес балок настила	0,40	1,05	0,42
3. Временная нагрузка	34	1,2	40,8
?	35,324		42,19



Нормативная нагрузка на балку настила

qn=gнормa=35,3241=

= 35,324 кН/м=0,35324 кН/см.

Расчетная нагрузка на балку настила

qрасч=gрасчa=42,191=42,19 кН/м.

Расчетный изгибающий момент (пролет балки 6,5 м)

Мрасч==42,196,52/8=222,82 кНм.

Требуемый момент сопротивления балки определяем по формуле;

Wn,треб=М/(Ry?c)

=22282/(241)=928,4 см3.

Выбираем двутавр № 40 по ГОСТ 8239-89, имеющий ближайший больший Wx=953 см3; Ix=19062 см4; g=57 кг/м; b=155 мм; Sx=545 см3; tw=13 мм. Фактический пролет настила lн= 100-15,5=84,5<93 см.

Определяем окончательную нормативную и расчётную нагрузку:

Наименование	gнорм (кН/м2)	?s	gрасч (кН/м2)
1. Вес настила	0,924	1,05	0,97
2. Вес балок настила	0,559	1,05	0,587
3. Временная нагрузка	34	1,2	40,8
?	35,483		42,357

Нормативная нагрузка на балку настила

qn=gнормa=35,4831=

=35,483 кН/м=0,35483 кН/см.

Расчетная нагрузка на балку настила

qрасч=gрасчa=42,3571=42,357 кН/м=

=0,42357 кН/см.

Проверки:

1) Проверка балки на прочность:

Mmax = qрасч·l2/8 = 39,82·6,52/8=210,3 кН·м

2) Проверка прочности на срез:



Qmax = qрасч·l/2 = 42,357·6.5/2 = 137,7 кН

Rs = 0.58·Ry = 0,58 ·24 = 13,92

3) Проверка балки на жесткость:

4. Расчет и конструирование главной балки

Расчетная схема и усилие в главной балки

Определяем нормативную и расчётную нагрузку на балку:

Наименование	gнорм (кН/м2)	?s	gрасч (кН/м2)
1. Вес настила	0,924	1,05	0,97
2. Вес балок настила	0,559	1,05	0,587
3. Вес главной балки	0,5	1,05	0,525
4.Временная нагрузка	34	1,2	40,8
?	35,983		42,882

qn=gнормB=35,983·6,5=233,89 кН/м;

qрасч=gрасчB=42,882·6,5=278,73 кН/м.

Определяем расчетный изгибающий момент в середине пролета:

Мmax=ql2/8=278,73122/8=5017,14 кН·м=501714 кН·см.

Определяем поперечную силу на опоре:

Qmax=ql/2=278,73*12/2=1672,38 кН.

Главную балку рассчитываем в упругой стадии работы. Определяем требуемый момент сопротивления балки:

Wтреб=Mmax/(Ry?c)=501714/(241)=20904,75 см3.

Определяем высоту сечения балки:

1. Определяем минимальную высоту из условий жёсткости по формуле:

2. Определяем оптимальную из условия минимального расхода металла:

Предварительно определяем толщину стенки балки:

Выполним условие долговечности:

Условие выполнено.

Определяем геометрические размеры сечения:



Определяем фактические момент инерции и момент сопротивления балки:

Iх=Iw+If=tw/12+2bftf((hf-

-tf)/2)2=1,21223/12+2384(63)2=1388160,8 см4;

Wх=2I/h=21388160,8/130=21356,32 см3;

Проверки:

1) Проверка прочности балки на изгиб.

2) Проверка прочности балки на срез.

=Апhef/2+Аст/8=152*126/2+146,4*122/8=11808,6 см3

3) Проверка балки на жёсткость

4) Проверка устойчивости сжатого пояса балки по формуле в месте действия максимальных нормальных напряжений, принимая за расчетный пролет lef=100 см -- расстояние между балками настила:

Условная предельная гибкость определяется по СП 16.13330.2011, откуда =0,5752

Таким образом, прочность и устойчивость принятого сечения главной балки обеспечена

Расчет измененного сечения главной балки

x=2 м = 200 см

Mx=qx(l-x)/2=278,73·2(12-2)/2= 2787,3 кН·м

Qx=975,555 кН

Определяем фактические момент инерции и момент сопротивления измененного сечения балки:

Iх'=tw/12+2bf'tf((hf-tf)/2)2=1,21223/12+2194(63)2=784872,8 см4;

Wх'=2I'/h=2784872,8/130=12075 см3;

Определяем статический момент полусечения балки:

=Апhef/2+Аст/8=76·126/2+146,4·122/8=7020,6 см3

Проверки:

1) Проверка прочности балки на изгиб.

2) Проверка прочности балки на срез.

3) Проверка прочности по местным напряжениям.

Проверка приведенных напряжений в стенке балки



Таким образом, прочность принятого уменьшенного сечения главной балки обеспечена.

3. Расстановка ребер жесткости

Определяем необходимость расстановки ребер жесткости:

следовательно, поперечные ребра жесткости необходимы.

Расстояние между поперечными ребрами жесткости не должно превышать 2hef при

Принимаем: а1 = 1 м;

а2 = 2 м;

Рёбра принимаем шириной:

br=hw/24+50=1220/24+50= 100.8 мм, принимаем 100 мм, и толщиной

tr=2br= 6.83 мм, принимаем толщину 10 мм.

Параметр	Отсеки
	1	2	3	4
x (м)	0,50	1,61	2,39	3,61	4,39	5,61	6,00
1	Mi=(qx/2)(l-x) (кН·м)	801,349	-	3250,884	-	4677,981	-	5017,140
2	?i= (кН/см2)	5,361	-	21,747	-	20,557		22,047
3	Qi=q(l/2-x) (кН)	1533,015	1237,561	-	680,101	-	122,641	-
4	?i=Qi/(hw·tw) (кН/см2)	10.471	8.453	-	4.645	-	0,838	-
5	hef (см)	126	126	126	126
6	a (см)	100	200	200	200
7	?=a/hef	0,794	1,587	1,587	1,587
8	(При а=а1=0,67hef=0.67·126= 84,42 см (при a/hef>1,33))	-	(0,67)	(0,67)	(0,67)
8	Условная приведённая гибкость (по СП 16.13330.2011 п. 8.5.3)	2,844	3,584	3,584	3,584
9	?cr=10,3·(1+0,76/?2)(Rs/) (по СП 16.13330.2011 п. 8.5.3)	39,096	14,530	14,530	14,530
10	Местные напряжения (кН/см2)	9,442	9,442	9,442	9,442
11	?=?(bf/hef)(tf/tw)3	8,936	8,936	5,409	5,409
	(по СП 16.13330.2011 п. 8.5.4 таблица№12)	35,02	61,402	61,402	61,402
	(по СП 16.13330.2011 п. 8.5.5 таблица№14) при ?=1,04lef/hef=1,04·24,3/126=0,2.	19,398	11,352 (23,5)	11,352 (23,5)	11,352 (23,5)
	(по СП 16.13330.2011 п. 8.5.5 таблица№14)	1,774	2,342 (1,707)	2,215 (1,677)	2,215 (1,677)
12	(кН/см2)	65,578	114,981	114,981	114,981
	(кН/см2)	64,440	49,786 (75,118)	47,086 (73,798)	47,086 (73,795)
13	Устойчивость стенок балок следует считать обеспеченной, если выполнено условие:	0,279	0,694	0,496	0,396
14	Устойчивость стенок балок следует считать обеспеченной, если выполнено условие:	-	(0,661)	(0,443)	(0,160)
15	Устойчивость сжатых поясов следует считать обеспеченной, если условная гибкость не превышает	0,1<1,06	0,1<0,5	0,157<0,54	0,157<0,522

4. Проверка прочности поясных швов

Поясные швы примем двусторонними, так как на балку опираются балки настила, автоматической сваркой в лодочку, сварочной проволокой Св-08А. Расчет выполняется у опоры под балкой настила, где сдвигающая сила максимальна.

В сварных балках сдвигающую силу T, приходящуюся на 1 см длины балки, определяем через касательные напряжения:

По таблице для сварочной проволоки Св-0,8А имеем Rwf = 18 кН/см2.

Для стали С255 имеем Rwz = 0,45Run = 0,45·37 =

= 16,6 кН/см2. При большей из толщин свариваемых деталей в 40 мм минимальный катет шва равен 8 мм, при этом коэффициенты проплавления = 1,1; (сварка автоматическая). Тогда

кН/см2;

кН/см2

Отсюда выбираем минимальное значение 19,09 кН/см2 и используем его в формуле:

Значение = 8 мм принимается как минимально допустимое при толщине пояса = 40 мм, что больше получившегося по расчету .

Таким образом, минимально допустимая толщина шва достаточна для прочности соединения.

5. Расчет монтажного стыка главной балки

Монтажный стык сварной балки выполняем на высокопрочных болтах d = 24 мм из стали 40Х «селект», имеющий Rbun = 110 кН/см2. Стык делаем в середине пролета балки, где M = 5017,14 кН·м и Q = 0. Обработка поверхности газопламенная, ? = 0,42. Несущую способность одного болта, имеющего две плоскости трения, вычисляем по формуле:

Rbh = 0,7Rbun = 0,7·110 = 77 кН/см2; Abn = 3,52 см2 (по табл. Г.9 СП 16.13330.2011 «Стальные конструкции»); = 1,12 (по табл. 36 СНиП II-23-81 «Стальные конструкции»); ks = 2 - две плоскости трения.

Стык поясов.

Перекрываем тремя накладками каждый пояс балки сечением 380?30 мм и 2?160?30 мм; общая площадь сечения Ан = 3·(38 + 2·16) = 210 см2 > 38·4 = 152 см2.

Усилие в поясе определяем по формуле:

Число болтов для прикрепления накладок находим по формуле:

Принимаем 18 болтов и размещаем их согласно рисунку.

Стык стенки.

Стенку перекрываем двумя вертикальными накладками сечением 340?1200?8 мм.

Момент, действующий на стенку, определяем по формуле:

Принимаем расстояние между крайними по высоте рядами болтов:

Вычисляем коэффициент стыка :



По таблице находим число рядов болтов по вертикали k при . Принимаем k = 8 и

. Окончательно принимаем 8 рядов болтов по высоте с шагом 150 мм, так как 7 · 150 = 1050 мм.

Проверки:

Проверяем стык стенки:

Проверяем ослабление нижнего растянутого пояса отверстиями под болты d0 = 26 мм (2 мм больше диаметра болта). Пояс ослаблен двумя отверстиями по краю стыка:

-

ослабление пояса можно не учитывать.

Проверяем ослабление накладок в середине стыка четырьмя отверстиями:

- при статических нагрузках принимается условная площадь сечения

6. Конструирование и расчет опорной части балки

Требуется рассчитать опорное ребро сварной балки. Опорная реакция балки N = ql/2 = =278,73·12/2= 1672,4 кН. Конструкцию опирания принимаем по рисунку. Определяем площадь смятия торца ребра по формуле:

где расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности Rp = Ru =

= 36 кН/см2 для стали С255.

Принимаем ребро с поперечным сечением 190?25;

.

Проверяем опорное ребро балки на устойчивость. Ширина участка стенки, включенной в работу опорной стойки:

;

;

Iz = 2,5·193/12 = 1429 см4;

=4,36 см;

;

.

По таблице коэффициентов устойчивости при центральном сжатии СНиП II-23-81* ;

;

Рассчитываем прикрепление опорного ребра к стенке балки двусторонними швами с помощью полуавтоматической сварки проволокой Св-08ГА.

Предварительно находим параметры сварных швов и определяем минимальное значение :

Rwf = 20 кН/см2 (по табл. 56 СНиП II-23-81* «Стальные конструкции»); Rwz = 0,45Run = =0,45·37 = 16,65 кН/см2; (по табл. 34* СНиП);

= 1,05·16,65 = 17,48 кН/см2

Определяем катет сварных швов, исходя из его прочности и максимально допустимой длины :

Принимаем шов , что больше (по таблице 38* СНиП II-23-81* «Стальные конструкции»). Проверяем длину расчетной части шва

=122 см.

Ребро приваривается к стенке по всей высоте сплошными швами.

7. Расчет колонны

Требуется подобрать сечение сплошной центрально-сжатой колонны, защемленной внизу и шарнирно закрепленной вверху.

Расчетная схема:

Расчетные длины:

lefx = lx ·

lefy = ly ·

Принимаем двутавровое сечение стержня колонны:

От сюда расчетные длины равны:

lefx = lx · = 5,763 · 0,7 = 4,04 м

lefy = ly · = 7,088 · 0,7 = 4,96 м

Расчетное усилие усилие N = 2Qmax/г.б.= 2 · 1672,38 = 3345 кН.

Определяем гибкость колонны. Так как N > 2500 кН, следовательно ?3 = 50?70.

Примем ?3 = 60. Определим условную гибкость

;

По табл. Д1 приложения Д по СП 16.13330.2011 с помощью линейной интерполяции определяем коэффициент устойчивости колонны = 0,818

Требуемая площадь поперечного сечения колонны

= 170,4 см2.

Требуемый радиус инерции сечения

Ширина сечения колонны

.

hwтр? 40 см определяем исходя из возможности сварки механическим способом (по графику предельных рамеров сварного элемента при сварке сварочной головкой А-639).

Аw ?0,2Aтр = 34,1 см2. Принимаем сечение полки, равное 400?22 мм, сечение стенки 400?16 мм.

Площадь поперечного сечения колонны

.

Получив предварительные размеры сечения выполним расчет колонны на устойчивость.

1. Геометрические характеристики сечения: A = 240 см2;

Iх=Iw+If=tw/12+2bftf((hf-

-tf)/2)2=(1,6403)/12+2402,2(40,9)2=302948 см4; Iy = 2(2,2·403/12) = 23467 см4;

;

;

2. Определяем гибкость:

Выбираем максимальную гибкость ?max = 51,6.

3. Условная гибкость

откуда по таблице находим коэффициент устойчивости = 0,86.

4. Проверка общей устойчивости:

Запас: [(24 - 16,2)/24]·100% = 32,5% > 5%, следовательно необходимо корректировать размеры сечения.

Принимаем сечение полки, равное 320?22 мм, сечение стенки 360?10 мм.

Площадь поперечного сечения колонны

.

Получив предварительные размеры сечения выполним расчет колонны на устойчивость.

1. Геометрические характеристики сечения: A = 176,8 см2;

Iy = 2(2,2·323/12) = 12014,9 см4;

;

2. Определяем гибкость:

3. Условная гибкость

откуда по таблице находим коэффициент устойчивости = 0,817.

4. Проверка общей устойчивости:

Запас: [(24 - 23,16)/24]·100% = 3,5% < 5%, принимаем сечение.

Проверки:

Проверка местной устойчивости стенки по пункту 7.3 СП 16.13330.2011:

следовательно стенка устойчива.

8. Расчет колонны сквозного сечения

Увеличиваем отметку верха настила на 50%: H = 7 · 1,5 = 10,5 м.

x - материальная ось;

y - свободная ось.

Найдем расчетные длины:



От сюда расчетные длины равны:

lefy = ly · = 9,268 · 0,7 = 6,49 м

lefx = lx · = 10,588 · 0,7 = 7,41 м

Расчетное усилие

N = 2Qmax/г.б.= 2 · 1672,38 = 3345 кН.

Определяем гибкость колонны.

Примем ?3 = 40. Определим условную гибкость

;

По табл. Д1 приложения Д по СП 16.13330.2011 с помощью линейной интерполяции определяем коэффициент устойчивости колонны = 0,909

Требуемая площадь поперечного сечения колонны

= 153,33 см2.

Требуемый радиус инерции сечения

Принимаем два двутавра №45: h = 450 мм; А1 = 84,7 см2; Ib1=808 см4 (момент прокатного профиля относительно оси y1);

iy1 =3,09 cм;

ix1 = 18,1 cм.

bf = 160 мм;

Условная гибкость

откуда по таблице находим коэффициент устойчивости = 0,905.

Проверка общей устойчивости:

Приведенная гибкость

- гибкость относительно y. Пусть b = 30 см.

Найдем параметр n:

Где

lb - расчетная длина ветви. ; Примем :

Приведенная гибкость

- следовательно корректируем значение lb и b.

Пусть b = 42 см.

Найдем параметр n:

Где

Примем lb = 80 см ;

Приведенная гибкость

- условие выполнено.

?=0,911

Проверка общей устойчивости:

Расчет планок колонны сквозного сечения:

Условная поперечная по СП 16.13330.2011



Условная поперечная сила, приходящаяся на одну ветвь колонны

Поперечная сила и момент, действующие в планке

Определяем нормальные и касательные напряжения

Проверяем планку на прочность:

Проверяем сварные швы:

Проверяем угловой шов на условный срез:

9. Конструирование и расчет оголовка колонны

Торец колонны - фрезерован. Давление от балок передается через опорную плиту непосредственно на ребра оголовка.

На колонну со сплошной стенкой свободно сверху опираются балки. Усилие на стержень колонны передается опорными ребрами балок через плиту оголовка. Ширина опорных ребер балок bp0 = 19 см = 190 мм. На колонну действует продольная сила N = 1672,4 кН (на одно ребро). Толщину плиты оголовка принимаем равной tп = 25 мм. Сталь С255.

Проверим толщину полок tf = 25 мм на смятие. Требуемая площадь смятия

где расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности

Rp = Ru = 36 кН/см2

для стали С255. Фактическая площадь смятия

Асм.=bp0·tf =

=19· 2,5 = 47,5 см2. Acм = 47,5 см2 > Aр = 46,46 см2

следовательно нет необходимости увеличивать фактическую площадь смятия.

10. Конструирование и расчет оголовка сплошностенчатой колонны

Передача расчетного усилия на опорную плиту осуществляется через сварные швы.

Расчетное усилие с учетом массы колонны N = 3353 кН. Бетон под плитой работает на смятие (локальное сжатие). Требуемая площадь плиты базы колонны

При центрально сжатой колонне и значительной жесткости плиты напряжения под плитой в бетоне можно считать равномерно распределенными, чему соответствует

? = 1, .

Для бетона класса ниже В25 ? = 1. Материал фундамента - бетон класса В10 (Rb = 0,6 кН/см2). Принимаем коэффициент .

Тогда расчетное сопротивление смятию равно = 1,2 кН/см2, а требуемая площадь плиты базы равна 3353/1,2 = 2794,2 см2. Считая в первом приближении плиту базы квадратной, будем иметь стороны плиты равными B = L = = 52,86 см. Принимаем размеры плиты B = L = 53 см = 530 мм. Уточняем площадь плиты Aloc = 532 = 2809 см2. Напряжение под плитой .

Плита работает на изгиб как пластинка, опертая на соответствующее число кантов (сторон). Нагрузкой является отпор фундамента. В плите имеются три участка. На первом участке (в пределах двутавра колонны по одну сторону от стенки) плита работает по схеме «пластинка, опертая на четыре канта». Соотношение сторон b/a = 36/15 = 2,4 > 2. В этом случае плиту можно рассматривать как однопролетную балочную, свободно лежащую на двух опорах.

Изгибающий момент

Нежелательно иметь толщину плиты больше 40 мм. Принимаем для плиты сталь С255 с расчетным сопротивлением Ry = 24 кН/см2.

Требуемая толщина плиты

Принимаем толщину плиты базы 30 мм. На остальных участках плиты изгибающий момент меньше, чем на первом участке. На втором участке плита работает как консоль длиной

= 9,3 см 93 мм

где 1,2 см - толщина траверсы.

Расчет траверсы. Считаем в запас прочности, что усилие на плиту передается только через швы, прикрепляющие ствол колонны к траверсам, и не учитываем швы, соединяющие ствол колонны непосредственно с плитой базы. Траверса работают на изгиб как балка с двумя консолями. Высота траверса определяется из условия прочности сварного соединения траверсы с колонной. Угловые швы рассчитываем на условный срез.

Сварка - полуавтоматическая в среде углекислого газа, материал - сталь С255. Сварку производим проволокой Св-08ГА. По табл.56 СНиП расчетное сопротивление металла шва Rwf = 200 МПа = 20 кН/см2. Расчетное сопротивление металла границы сплавления

Rwz = 0,45Run = 0,45·37=16,65 кН/см2.

Определяем расчетное сечение соединения. По табл.34 СНиП определяем коэффициенты и .

Задаемся катетом шва kf = 14 мм; ; . Произведения ;

;

.

Расчетным сечением является сечение по металлу границы сплавления. Расчетная длина шва

Высота траверсы

hт = lw + 1 см = 43,8 см.

Принимаем высоту траверсы 44 см = 440 мм (что вместе с плитой = 470 мм < hф = 500мм - толщина бетона). Проверяем прочность траверсы как балки с двумя консолями. Момент в середине пролета

Момент сопротивления траверсы Wт = 1,2·612/6 = 744,2 см3.

Напряжения = 2,84 кН/см2 < 24 кН/см2 = Ry. Сечение траверсы принято.

11. Конструирование и расчет узла крепления балки настила к главной балки в одном уровне

Определяем расчетное усилие на срез

,

где Rbs = 21 кН/см2 (по СП 13330.2011 табл. Г5 для класса прочности болтов 5.8), 1 для высокопрочных болтов, 1, Аb = 2,544 см2 - площадь сечения болтов М18, ns = 1 - число плоскостей среза.

Расчетное усилие на срез

.

Определяем расчетное усилие на смятие

где Rbp = 58 кН/см2 (по СП 13330.2011 табл. Г6 для класса точности А), 0,867 для высокопрочных болтов, 1, d = 1,8 см - диаметр сечения болтов,

= 2,2 см - минимальная сумма толщин сминаемых в одном направлении.

Расчетное усилие на срез .

Nb = Nmin = 53,4 кН.



Определяем число болтов

.

Принимаем 3 болта. Ширину накладки принимаем равной hн = 220 мм.

Проверим прочность накладки на срез по ослабленному сечению.

Проверим прочность сварного соединения.

e = 80 мм - место серединой сварки и болтов.

M = Qmax, б.н. · e = 137,7 · 8 = 1101,8 кН·см.

Определяем касательные напряжения.



Где

Разложим

Проверим на прочность сварное соединение при

Определяем касательные напряжения.

Где

Разложим

Узел сконструирован и рассчитан.

Размещено на Allbest.ur

...