Розрахунок і конструювання основних несучих металевих конструкцій балочної клітки робочої площадки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Кафедра будівельних конструкцій і мостів

Пояснювальна записка

до курсової роботи з дисципліни “Металеві конструкції”

Розрахунок і конструювання основних несучих металевих конструкцій балочної клітки робочої площадки

Виконала:

ст. гр. БД-33

Панасюк А.В.

Прийняв:

Кущенко В.М.

Львів - 2018

Зміст

балка колона настил прольот

1. Вибір схеми балочної клітки

1.1 Розрахунок варіанта 1 (нормальний тип клітки)

1.2 Розрахунок варіанта 2 (ускладнений тип балкової клітки)

1.3 Техніко-економічне порівняння варіантів

2. Розрахунок і конструювання головної балки

2.1 Розрахункова схема. Розрахункові навантаження

2.2 Визначення необхідної висоти головної балки

2.3 Підбір перерізу головної балки. Остаточна перевірка балки на міцність і жорсткість

2.4 Зміна перерізу головної балки по її довжині

2.5 Перевірка забезпечення загальної стійкості балки

2.6 Перевірка місцевої стійкості стиснутого пояса і стінки

2.7 Розрахунок поясних швів головної балки

2.8 Конструювання та розрахунок опорної частини балки

2.9 Конструювання та розрахунок монтажного стику головної балки

3. Розрахунок і конструювання колони

3.1 Розрахункове зусилля. Тип перерізу і розрахункова схема колони. Підбір перерізу колони

3.2 Розрахунок вузла обпирання балки на колону

3.3 Розрахунок бази колони

Список використаної літератури



1. Вибір схеми балкової клітки

1.1 Розрахунок варіанта 1 (нормальний тип клітки)

Нормативне навантаження на 1 м² настилу:

де =25 кН/м²- задане корисне тимчасове навантаження,

а - постійне нормативне навантаження від асфальтового захисного покриття (0,04 м - товщина, 18 кН/м³ - густина шару асфальту).

Максимально допустиме відношення прольоту настилу до його товщини з умови жорсткості:

де відношення прольоту настилу до допустимого прогину;

Е - модуль пружності. Для всіх марок сталі Е=2,06Ч10⁵ MПа, .

Приймаємо крок балок настилу Б1 а_Б1 = 0,83 м (рис. 1). Рахуючи попередньо, що ширина поясів балок складає см, отримуємо чистий проліт настилу .

Мінімальна товщина настилу:



Приймаємо товщину настилу

Оскільки настил працює на розтяг зі згином , його приєднання до балок у місці стиків листів треба розрахувати на передачу зусиль розтягу, що припадають на одиницю довжини:

,

де =1,2 - коефіцієнт надійності для корисного навантаження.

Кріплення листів здійснюємо за допомогою ручного електродугового зварювання електродами Е42 ( Положення швів при зварюванні: нижнє ; ; Розрахунковий катет швів, обчислений за наплавленим металом:

та межею сплавлення:



Приймаємо конструктивно з умови зварюваності

Розрахунок балки настилу Б1. Рівномірно розподілене навантаження на один погонний метр балки збирається зі смуги, ширина якої дорівнює кроку а_Б1 балок настилу (рис. 1, заштрихована площа).

Рис. 1. Фрагмент схеми балочної клітки

Нормативне навантаження на 1 м.п. балки:

де = 0,009Ч78,5 = 0,7065 кПа - нормативне постійне навантаження від маси металевого настилу (0,009 м - товщина настилу, 78,5 густина сталі).

Розрахункове навантаження на 1 м.п. балки:

;

де ?коефіцієнти надійності за навантаженням для тимчасового корисного та постійного навантажень від маси асфальту та металевого настилу.

Розрахункові зусилля (рис. 2):

Рис. 2. Розрахункова схема балки настилу

Переріз балки підбираємо, як цього вимагають норми, з врахуванням пластичних деформацій.

Потрібний момент опору перерізу балки:



де коефіцієнт, що враховує вплив пластичних деформацій. Значення коефіцієнта для двотаврових балок залежить від відношення площі одного пояса до площі стінки . Для прокатних балок можна приймати с₁=1,1 незалежно від номера двотавра; розрахунковий опір сталі. Для сталі класу С235, товщина 2-20 мм,

Приймаємо?27а: ;;

; ;

;

Перевіряємо остаточно прийнятий переріз. Навантаження на балку з врахуванням її власної ваги:

;

;

Зусилля в балці:

Оскільки товщина полички t_f ( найтовстішого елемента перерізу балки ) знаходиться в межах 2-20 мм, значення R_y корегувати не треба.



Міцність балки забезпечена. Загальна стійкість балки забезпечена суцільним приваренням настилу і перевіряти її не будемо.

Прогин посередині прольоту балки:

Умова виконується, підібраний переріз відповідає вимогам міцності, стійкості та жорсткості.

1.2 Розрахунок варіанта 2 (ускладнений тип балкової клітки)

Крок балок настилу Б3, приймаю а_Б3=700 мм (рис. 3). Рахуючи попередньо, що ширина поясів балок складає см, отримуємо чистий проліт настилу

.

Мінімальна товщина настилу:

Приймаю товщину настилу

Крок допоміжних балок приймаю 3,32 м. Таким чином, проліт балок настилу l₃=3,32 м, а допоміжних балок l₄=5,6 м.



Рис. 3. Фрагмент схеми балочної клітки

Підбираємо балки настилу Б3.

Нормативне навантаження на 1 м.п. балки:

;

Розрахункове навантаження на 1 м.п. балки:

;

Максимальний згинальний момент (рис. 4):



Рис. 4. Розрахункова схема балки настилу та допоміжної балки

Необхідний момент опору перерізу балки:

Приймаємо ?18: ; ;

; ;

;

З урахуванням навантаження від власної маси балки:

Значення R_y корегувати не треба, оскільки товщина полички t_f знаходиться в межах 2-20 мм.

Прогин балки:

Вимоги міцності та жорсткості задовольняються. Загальна стійкість балки настилу забезпечена приварюванням настилу по всій довжині балки.

Підбираємо переріз допоміжних балок Б4.

Навантаження на допоміжні балки передаються як зосереджені сили в місцях обпирання балок настилу. В нашому випадку на допоміжну балку опирається більше 5 балок настилу і тому приймаємо розрахункову схему (рис. 4), за якої навантаження вважаємо рівномірно розподіленим.

Ширина смуги навантаження дорівнює кроку допоміжних балок а₄=3,32 м.

Нормативне навантаження на 1 м.п. балки:

,

Розрахункове навантаження на 1 м.п. балки:

,

Розрахункове зусилля:



Необхідний момент опору перерізу балки:

Приймаємо ?45: ; ;

; ;

З урахуванням власної маси балки:

Прогин балки:

Умова виконується, підібраний переріз відповідає вимогам міцності, стійкості та жорсткості. Стійкість балки забезпечена суцільним приваренням настилу і перевіряти її не треба.



1.3 Техніко-економічне порівняння варіантів

Для майданчиків з металевим настилом основним показником є витрати на 1 м² покриття.

Для першого варіанта(нормальний тип клітки):

де ?загальні витрати металу, ;?витрати металу на настил;

? витрати металу на балки настилу що визначаються як відношення маси одного погонного метра балки до кроку балок.

Для другого варіанту(ускладнений тип клітки):

де ?витрати металу на допоміжні балки, .

Порівнюючи варіанти бачимо, що перший варіант (нормальний тип клітки) вигідніший. Його і вибираємо для подальших обчислень.



2. Розрахунок і конструювання головної балки

2.1 Розрахункова схема. Розрахункові навантаження

На головну балку передається зосереджене навантаження від балок настилу. Приймаємо , що навантаження рівномірно розподілене, оскільки до балки прикладено більше п'яти зосереджених сил. Розрахункова схема для такого випадку (варіант 1 - нормальний тип балочної клітки) показана на рис. 1, ширина смуги з якої збирається розподілене навантаження, дорівнює кроку головних балок - 1,0 м, схема для визначень навантажень зображена на рис. 2. Навантаження від власної маси головної балки попередньо приймаємо у розмірі 2-4% всього навантаження, що припадає на неї. Підбір перерізу головної балки здійснюємо з урахуванням пластичних деформацій сталі.

2.2 Визначення необхідної висоти головної балки

Висоту h головної балки визначаємо за трьома умовами: найменшої витрати сталі, забезпечення необхідної жорсткості балки та конструктивних вимог.

Нормативне навантаження на один метр погонний довжини балки:

,

де 1,03 коефіцієнт, що враховує навантаження від власної маси головної балки;

8,0 - крок головної балки, м;

Розрахункове навантаження:



,

де коефіцієнти надійності щодо тимчасового та постійного навантажень.

Максимальний згинальний момент і поперечна сила:

Необхідний момент опору перерізу:

Мінімальна висота головної балки становить:

де розрахунковий опір листової сталі С255 ДБН В. 2. 6 - 198 2014, завтовшки 10-20мм.

Оптимальна висота головної балки при гнучкості така:



Приймаємо висоту стінки , а товщину поясів , тоді:

2.3 Підбір перерізу головної балки. Остаточна перевірка балки на міцність і жорсткість

Підбір перерізу складається з таких етапів:

а) визначення товщини стінки: з умов забезпечення міцності на зріз, місцевої стійкості стінки без зміцнення її повздовжніми ребрами жорсткості, та з досвіду проектування:

де = 240 МПа - розрахунковий опір сталі С255 при товщині листів 10-20 мм.

Приймаємо товщину стінки , а товщину поясів орієнтовно

б) Знаходимо необхідну площу поясів, що забезпечують необхідний момент інерції:



в) Визначаємо остаточні розміри і . Приймаємо пояси з листів універсальної сталі 520x20 мм.

Площа кожного поясу:

Перевіримо виконання умов:

Умови задовольняються.

Перевіряємо умову забезпечення стійкості верхнього(стиснутого) поясу. Гнучкість стінки:

При наявності пластичних деформацій мають задовольнятись умови:



Характеристики перерізу балки:

Площа перерізу:

Момент інерції відносно нейтральної осі x-x:

Момент опору перерізу:

Співвідношення:

Перевіряємо міцність балки за нормальними напруженнями:

де коефіцієнт .

Недонапруження .

Прогин балки не перевіряємо, оскільки h=1,74м>=1,618 м.



Рис. 5. Прийнятий переріз головної балки

2.4 Зміна перерізу головної балки по її довжині

Стикуємо розтягнутий пояс прямим стиковим швом з візуальним контролем якості. Приймаємо ширину зменшеного перерізу пояса значення якого перевищує та більше мм і відповідає стандартній ширині універсальної сталі за ГОСТ 82-70. Геометричні характеристики зменшеного перерізу:

площа поясу:

момент інерції:



Момент опору:

Граничний згинальний момент, який сприймає зменшений переріз:

Значення згинального моменту в довільному перерізу:

Прирівнюємо частини рівнянь:

Розв'язуючи квадратне рівняння знаходимо:

Перевірка міцності зміненого перерізу:

а) Максимальні розтягуючі напруження в точці А (для матеріалу стикового шва, рис. 5) на віддалі м від опори:



б) Приведені напруження на грані стінки (на рівні поясних швів) в точці Б, де :

Перерізуюча сила в перерізі з абсцисою :

Статистичний момент площі перерізу пояса відносно нейтральної осі:

Дотичні напруження на рівні поясних швів:

Приведені напруження:

Перевірка міцності опорного перерізу на максимальні дотичні напруження:

Статистичний момент площі перерізу:

Перевірка місцевих напружень в стінці від тиску балок настилу:

;

Рис. 6. Схема зміни перерізу головної балки по довжині



Рис. 7. До перевірки приведених і місцевих напружень

2.5 Перевірка забезпечення загальної стійкості балки

Навантаження на головну балку передається через балки настилу, які закріплюють головну балку з площини через 1 м.

Умова задовольняється, стійкість балки перевіряти не треба.



2.6 Перевірка місцевої стійкості стиснутого пояса і стінки

Умовна гнучкість:

Необхідно ставити поперечні ребра жорсткості.

Максимальна віддаль між ребрами для : . Конструктивно крок ребер приймаємо кратним до кроку балок настилу В середній частині балки, розрахованої з врахуванням пластичних деформацій, ребра жорсткості ставимо під кожною балкою настилу.

Ребра жорсткості приймаємо односторонні, завширшки:

Товщина ребра:

Приймаємо 10 мм.

Перевірку стійкості у відсіку №1 виконую з врахуванням пластичних деформацій:



;

Стійкість стінки не забезпечена.

,

Стійкість стінки забезпечена.

Визначаємо довжину зони використання пластичних деформацій посередині прольоту балки. Для цього вираховуємо граничний згинальний момент в балці без врахування розвитку пластичних деформацій:

Розрахунковий момент від зовнішнього навантаження у довільному перерізі балки:



Довжина зони використання пластичних деформацій: в цій зоні поперечні ребра ставимо під кожною балкою настилу.

Перевірка місцевої стійкості у відсіку № 3. Розрахункові зусилля приймаю в перерізі а абсцисою , під балкою настилу.

Згинальний момент і поперечна сила:

Нормальні напруження на грані стійки:

Місцеві напруження: .

Середні дотичні напруження:

Визначення критичних напружень.

Відношення сторін відсіку:



0, - граничне значення у_loc / уз табл. Д. 7 за м = і коефіцієнтом защемлення стінки в поясах балки.

Визначаємо критичні нормальні та місцеві напруження:

(с₂ = 59,15 з табл. Д. 8).

;

Критичні дотичні напруження:

;



Стійкість стінки забезпечена.

Стійкість відсіку № 2 можна не перевіряти, тому що цей відсік знаходиться в зоні повного перерізу і напруження і тут менші, ніж у відсіку № 3. Стійкість стінки у крайньому відсіку так само не перевіряємо (), бо нормальні напруження значно менші, ніж у відсіку № 3, а критичні напруження більші завдяки тому, що довжина крайнього відсіку менша, ніж відсіку № 3.

Рис. 8. До розрахунку місцевої стійкості стінки головної балки

2.7 Розрахунок поясних швів головної балки

Головна балка розрахована з врахуванням розвитку пластичних деформацій, поясні шви виконуються двосторонніми.

Розраховуємо найнапруженішу ділянку шва біля опори піл балкою настилу.

Розрахункові зусилля на одиницю довжини шва:

Поперечна сила в перетині з абсцисою х=0,5 (під балкою настилу):

;

.

Зварювання автоматичне, виконується в положенні «в човник» зварним дротом Св-0,8А. Для цих умов і для сталі 18 Гсп розрахунковий опір металу кутових швів .

;

;

.

Катет зварного шва:

Конструктивно мінімальне значення , при ;

Перевірка міцності шва по металу межі сплавлення:



Перевірку міцності по металу шва можна не виконувати.

Таким чином, при мінімально допустимій висоті катета шва міцність поясних швів забезпечується.

2.8 Конструювання та розрахунок опорної частини балки

Конструкцію опорного ребра приймаємо за схемою рис. 8. Ребро прикріпляється до стінки балки двома вертикальними кутовими швами. Зварювання напівавтоматичне у середовищі вуглекислого газу, зварний дріт Св-08 Г2 С; Розмір виступаючої вниз частини приймаємо а=18 мм.

Необхідна площа перетину опорного ребра:

;

.

Враховуючи, що ширина біля опор знаходимо:

Приймаю ; площа .

Перевіряємо стійкість опорної частини балки:



Розрахункова площа опорної частини:

Радіус інерції:

Гнучкість:

За табл. Д1 інтерполяцією визначаємо .

Перевіряємо місцеву стійкість ребра:



;

Місцева стійкість ребра забезпечена.

Підбираємо розміри катетів швів кріплення ребра до стінки балки:

;

;

;

;

Приймаю =8 мм.

По металу границі сплавлення можна не перевіряти, тому що:

.



Рис. 9 До розрахунку опорної частини головної балки

2.9 Конструювання та розрахунок монтажного стику головної балки

Стик стінки перекриваємо парними листовими накладками завтовшки . Приймаємо по два вертикальних ряди болтів з кожного боку від осі стику. Крок болтів у вертикальних рядах приймаємо . Прийнятий крок менший за максимально допустимий з умов щільного прилягання накладок .

Максимально допустима віддаль між крайніми горизонтальними рядами:

;

Кількість болтів в одному вертикальному ряду:



Приймаємо та з табл. 2.1.

Згинальний момент, що сприймається стінкою:

Максимальне зусилля в болтах крайніх горизонтальних рядів при Q=0:

Приймаємо болти класу 40Х Селект (.

Приймаємо болти діаметром 24 мм (М24), отвори діаметром 24,3 мм, площу болта

Таким чином:

;

Міцність стику забезпечена.

Стик поясних листів. Приймаю перетин поясних накладок: ззовні ; зсередини . Сумарна площа накладок:

;

Згинальний момент що сприймається поясами балки:

;

Зусилля в поясі (поясних накладках):

Кількість болтів для закріплення накладок:

Приймаю 14 болтів.

Рис. 10. Монтажний стик головної балки

3. Розрахунок і конструювання колони

3.1 Розрахункове зусилля. Тип перерізу і розрахункова схема колони. Підбір перерізу колони

Вихідні дані: корисне навантаження на перекриття першого ярусу , другого - ,відмітка підлоги робочої площадки нижнього ярусу +10,0 м. Відмітка низу колони:-0,6 м. Матеріал колони: сталь С235, . Приєднання колони до фундаменту шарнірне, коефіцієнт розрахункової довжини . Головні балки прилягають до колон збоку з частковим защемленням.

Оскільки проект є навчальним тип балочної клітки усіх ярусів приймаємо такий як розрахований попередньо у другому пункті. Витрата металу на 1 м²: .

Визначимо опорну реакцію головної балки:

,

,

де коефіцієнти надійності щодо тимчасового та постійного навантажень.

.



Довжина нижнього ярусу колони:

.

Розрахункова довжина колони:

Розрахункове стискаюче зусилля:

Приймаємо суцільний переріз колони у вигляді зварного двотавра.

Задаємося гнучкістю та коефіцієнтом повздовжнього згину .

Приймаю .

Стінку приймаю також , а товщину стінки приймаю .

Перевіряю місцеву стійкість стінки:



Стійкість забезпечена.

Необхідна площа однієї полички:

Необхідна товщина поличок:

Приймаю стандартну товщину . Реальна площа полички:

.

Перевіряємо місцеву стійкість полички:

;

Стійкість забезпечена.

Геометричні характеристики підібраного перерізу:

;

.

Перевіряємо стійкість тільки відносно осі y-y, оскільки :

,

.

Напруження в перерізі:

Недонапруження:

Що не перевищує допустимі 5%. Однак, оскільки товщина поличок більша за 20 мм, необхідно скорегувати реальне значення R_y. Для фасонного листа завтовшки 20…40 мм - .

Реальне недонапруження:

Коректувати переріз немає необхідності.

Перевіряємо необхідність посилення стінки ребрами жорсткості:



Поперечні ребра не потрібні.

Рис. 11. Переріз суцільної колони

3.2 Розрахунок вузла обпирання балки на колону

При кількості ярусів майданчика два і більше головні балки спираються на колону збоку. Вертикальна реакція V балки передається через її опорне ребро на опорний столик, який приварюється до поличок колон. Товщину столика приймаються такою, щоб на ньому розмістилось опорне ребро балки разом з прокладкою, яка заповнює монтажний зазор.

Приймаю опорний столик (при товщині опорного ребра і зазорі ).

Попередньо приймаємо катет швів (за табл. 5.4 [2]) , зварювання напівавтоматичне, зварний дріт Св-08га; ; .

Необхідна сумарна довжина зварних швів:

Коефіцієнт 1,3 враховує можливу нерівномірність розподілу реакції між швами.

Довжина кожного з двох вертикальних швів:

;

Приймаю .

Рис. 12. Опирання балок на суцільну колону збоку



3.3 Розрахунок бази колони

Бетон фундаменту класу С16/20, з , г = 1,2.

Площа плити в плані з умови міцності бетону фундаменту на стиск:

коефіцієнт, який враховує збільшення несучої здатності бетону за рахунок того, що площа фундаменту в плані звичайно приймається більше площі плити, і орієнтовно прийнятий 1,2.

Попередньо приймаємо товщину траверс та виступ за межі колони мм, тоді ширина плити:

;

Тоді довжина плити:

;

Приймаю .

Дійсне значення напруження під плитою бази:

.

Для ділянки 1опертої на чотири канта відношення більшої сторони до меншої:

;



;

Згинальний момент:

;

Для ділянки 2 опертої на три канти відношення вільного кінця до сторони:

;

;

Згинальний момент:

Для ділянки 3 момент рахується як консольної балки довжиною c:

Визначаємо товщину плити:

;

.

На ділянці 2 приварюю консольні ребра товщиною 12 мм для зменшення моменту, які зменшують ділянку удвічі:



;

;

;

см

Приймаю.

Приварюємо траверси до колони напівавтоматичною зваркою, зварний дріт Св-08Г2С. За [3] табл. 55,56 знаходимо: ; . Катет зварних швів приймаємо . Загальна кількість швів приймається, тому що вважається, що колона не спирається торцем на плиту, а звисає по швах, якими вона приварюється до траверс і консольних ребр.

Загальна довжина швів:

Необхідна довжина одного шва:

;

Враховуючи можливий не провар по 1 см на кожному кінці швів, висота траверс:

;



Приймаю ;

Торець колони конструктивно варимо до плити колони швами .

Рис. 13. База суцільної колони

Список використаної літератури

1. Клименко Ф.Є, Барабаш В.М, Стороженко Л.І. Металеві конструкції. - Львів: Світ, 2002. - 312 с.: 320 іл.

2. ДБН В. 2. 6-198: 2014. Сталеві конструкції. Норми проектування.- К. : Мінрегіон України, 2014 - 198 с.

3. Металлические конструкции / под. ред. Е.И. Беленя - Москва: Стройиздат, 1982. -560с., ил.

4. Михайлов А.М. Сварные конструкции, - М.: Стройиздат, 1983 - 367 с.

5. СНиП П-23-81. Стальные конструкции. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1982. - 93 с.

6. Методичні вказівки кафедри.

Размещено на Allbest.ru

...