Розрахунок та технологія виготовлення зварної колони

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

зварювальний колона сталь закріплення

Вступ

1. Загальний розділ

1.1 Характеристика заданної зварної конструкції

1.2 Характеристика матеріалу

2. Проектно - технологічний розділ

2.1 Підбір перетину по першому варіанту

2.2 Підбір перетину по другому варіанту

2.3 Розрахунок планок

2.4 Розрахунок зварювальних швів по другому варіанту

2.5 Порівняння варіантів

2.6 Розрахунок і конструювання бази колнни

2.7 Розрахунок і конструювання оголовка колони

Література



Вступ

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

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

Наскрізні колони досить економічні по витраті металу. В той же час вони більш трудомісткі у виготовленні, так як велика кількість коротких швів ускладнює застосування автоматичного зварювання.

Центрально-стислі колони працюють на поздовжню силу, прикладену по осі колони і викликає рівномірне стиснення її поперечного перерізу.

Розрахунок на міцність та стійкість колон, які працюють при центральному стисненні виконують за нормальними допустимими напругами.

Відносно вільної осі гнучкість наскрізної колони залежить від типу решітки та її деформативності. Очевидно що внаслідок деформативності гнучкість наскрізного стержня відносно вільної осі буде більшою, ніж суцільного. необхідно забезпечити їх рівно стійкість.

За матеріаломісткістю наскрізні колони, як правило, ефективніші за суцільні, в них завжди можна забезпечити принцип рівностійкості стержня, тобто таке положення, при якому гнучкості головних осей були рівні між собою. Гнучкість колони не повинна перевищувати наступних значень:

для осьових колон - 120

для інших - 150

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

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

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



1. Загальний розділ

1.1 Характеристика заданної зварної конструкції

Колонами називають високі вертикальні опори. Вони використовуються в якості проміжних опор, для перекриття великих прольотів, вертикальних елементів, каркаси будівель, опор естакад, опор трубопроводів, робочих площин. Колона складається з трьох основних частин: оголовка, стержня, бази. Оголовок є опорою, на яку спирається конструкція, і яка навантажує колону. Стержень є основним несучим елементом колони, який передає навантаження від оголовка до бази. База колони передає навантаження від стержня на фундамент та служить для закріплення колони в фундаменті.

Цю колону виготовлено з легованої сталі, звареної встик прямолінійним швом.

1 - оголовок 2 - стержень 3 - база

Рисунок 1 Розрахункова схема колони

1.2 Характеристика матеріалу

Сталь конструкційна, вуглецева звичайної якості. Постачається в відповідності з ГОСТ 103-76.

Призначення - Несучі елементи зварних і незварних конструкцій і деталей, що працюють при позитивних температурах, арматура класу Ат400С

Хімічний склад та механічні властивості сталі представлено в таблиці 1 та 2 [18].

Таблиця 1

Хімічний склад сталі Вст3пс У відсотках, %

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
			Не більше
0,14-0,22	0,05-0,15	0,4-0,16	0,3	0,05	0,04	0,3	0,008	0,3	0,08

Таблиця 2

Механічні властивості сталі Вст3пс

в, МПа	т, МПа	, %
370-480	205-245	23-26



2. Проектно - технологічний розділ

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

Рисунок 2 Розрахункова схема колони

2.1 Розрахунок перетину по першому варіанту

При першому варіанті розрахунку колони вибираємо двотавровий перетин стержня суцільної колони

Визначення потрібної площі перетину

Задаємося в першому приближенні значенням коефіцієнту прокольного згину= 0,78 ( = 0,7 - 0,9) [4].

Підбирається гнучкість стержня (таблиця 1 додатку 1 [1]), яка відповідає прийнятому значенню та розрахунковому опору на розтягнення R (таблиця ІV.І [1]).

, (1)

де R - роз рахунковий опір, мПА (для визначення необхідно перевести в кН/cм²);

N - навантаження на колону, кн.;

- коефіцієнт прокольного згину.

A == 107,9

Визначення розрахункової довжини колони l_x, l_y, l_ef,кН в залежності від способу закріплення кінцівок

l_x = l_y = l_ef = H, (2)

де H - висота колони см;

- коефіцієнт закріплення колони

l_x = l_y = l_ef = 0,7· 800 =560

Визначення габаритів перетину

Рисунок 3 Схема перетину колони

Визначаємо радіус інерції, і_Х, см, за формулою

і_Х = і_y = , (3)

де - розрахункова довжина колони,см;

о- гнучкість стержня колони.

і_Х = і_y = = 9,4

Визначаємо потрібну висоту h, см, та ширина b, см, перетину, які знаходяться з співвідношення

h = , (4)

b = , (5)

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

h = = 21,8

b = = 38,7

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

Приймаємо hw = 46,5см

Розраховуємо товщину стінки та поясів t_w, см, за формулою

t _w = (6)

де hw - висота стержня колони см.

t _w = = 0,465

Товщину необхідно округлити до цілого числа.

Визначаємо площу двох поясів А_f, см², за формулою

А_f = А ? h_w t_w (7)

А_f = 107,9 - 46 · 0,46 = 86,55

Розраховуємо товщину одного поясу t_f, см, за формулою

t_f = (8)

t_f = = 1,39

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

Виконаємо перевірку підібраного перетину

Визначаємо фактичну площу перетину за прийнятими розмірами, А_1, см², за формулою

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

А₁ = 46 · 0,4 + 2· 38,7· 1,93 = 128,74

Визначаємо мінімальний момент інерції, І_min,см⁴ за формулою

І_min = I_y 2I _f = (10)

В курсовому проекті моментом інерції площини перетину стінки відносно осі y знехтуємо в виду його малості

І_min = = 13427,5

Визначаємо мінімальний радіус інерції, і_min, см за формулою

і_min = (11)

де А₁ - фактична площа перетину, см²

^Iy - момент інерції площини перетину стінки відносно вісі у.

і_min = = 10,21

Визначаємо найбільшу гнучкість _max за формулою

_max = (12)

де - не повинна перевищувати значенняu = 120.

_max == 54,8

_max<

54,8 ‹ 120

Визначаємо умовну гнучкість , за формулою

(13)

де Е - перехідний коефіцієнт, який дорівнює 20610³ МПа = 20600 кН/см²

=1,7

Так як умовна гнучкість лежить в межах 0 < 2,5 то подальший розрахунок коефіцієнту продольного згину виконуємо за наступною формулою

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

де - умовна гнучкість.

= 1 - (0,073 - 5,53 )1,7= 0,85

Якщо та відрізняються не значно, то переходять безпосередньо до перевірки перетину, а якщо коефіцієнт суттєво відрізняється від первинно прийнятого значення , то виконують перерахунок та коректування перетину по коефіцієнту за формулою

= (15)

=

Виконуємо перевірку перетину , кН/см² за формулою

= R (16)

= = 21 21

Визначаємо недонапруження та перенапруження стержня колони за формулою

(17)

де - перетин стержня колони

= 0% < 5%

Якщо ‹ 5%, то це вказує на відсутність лишків матеріалу.

Допускається в розрахунку як перенавантаження, так не недовантаження до 5 %.

Виконуємо перевірку умов забезпечення стійкості стінки та поясів, за формулою

(18)

100 ??????

Умова не виконується тому необхідно стінку та пояси укріпити поперечними та продольними ребрами на відстані (2,5-3) та виконати перевірку встановлення поперечних та продольних ребер за формулою

‹ 2,2 (19)

‹2,2

100

Умова не виконується.

› 2,2 (20)

100 > 68,9

Умова виконується потрібно встановити продольними та ребрами.

Для забезпечення стійкості поясу колони двотаврового перетину з умовною гнучкістю 0,8 4 необхідно, щоб виконувалося рівняння

‹ (0,36 +0,1) (21)

‹ (0,36 +0,1· 1,7)

13,75 ‹ 16,5

Умова виконується

Виконаємо конструювання ребер жорсткості

Розраховуємо ширина парного ребра, b_p, мм, за формулою

b_p = (22)

bp = + 4 = 5,56

Товщина ребра в стальних колонах t_p, см, повинна бути не менш

t_p 2b (23)

де b - ширина поясу перетину колони див. рисунок 2

t_p = 2· 38,7 = 2,02

2.2 Підбір перетину по другому варіанту

Знаходимо швелер з приблизним більшим значенням площі поперечного перетину. Це швелер № 40. Виписуємо дані по цьому швелеру, а саме: А_сh - 61,5 см²;

i_x - радіус інерції,

i_x = iу = 15,7 см.

Zo = 2,75

Визначаємо сумарну площу перетину двох прокатних швелерів, А_2, см² за формулою

А₂ = 2 А_сh (24)

А₂ = 2· 61,5 = 106,8

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

Необхідно, щоб › i_x

15,7 › 9,4

Умова виконується.

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

Визначаємо гнучкість, х за формулою

(25)

= 35,66

За таблицею 1.1 визначається R_у - розрахунковий опір фасонного прокату, відповідно марки сталі R_у -21.

Визначаємо умовну гнучкість , за формулою

(26)

= 1,13

Так як умовна гнучкість лежить в межах 0 < 2,5 то подальший розрахунок коефіцієнту продольного згину виконуємо за 14 формулою

=1-(0,073- 5,53)1,13=0,91

Якщо та відрізняються не значно, то переходять безпосередньо до перевірки перетину, а якщо коефіцієнт суттєво відрізняється від первинно прийнятого значення , то виконують перерахунок та коректування перетину по коефіцієнту за 15 формулою

=

Визначаємо напругу , за формулою

‹ R_у (27)

= 20,5 ‹ 21

Недонапруга та перенапруга складає

=2,38%‹10% (28)

Розрахунок відносно вільної осі

Ширину перетину стержня колони назначають з умови рівностійкості:

‹ (29)

Попередньо задається гнучкість гілки = 20

Гнучкість окремої гілки повинна бути не більш 40.

Визначаємо потрібну гнучкість _у, за формулою

(30)

=29,4

Визначаємо радіус інерції і_y, см за формулою

і_y = (31)

де l_ef - розрахункова довжина колони (див. формула 2)

і_y = =19,04

Стержень колони конструюємо полками в середину.

Рисунок 4 Перетин крізної колони

Визначаємо відстань між швелерами b, см за формулою

b = +10 (32)

де х та у - коефіцієнти симетрії (завжди беремо х=0,38 ; y = 0,44)

b = +10 = 53,27

Необхідно пам'ятати, що відстань b, повинна бути не менш подвоєної ширини полки швелера bch, плюс зазор 100мм для можливості очищення та фарбування гілок з зовнішньої сторони.

Остаточна перевірка підібраного перетину по другому варіанту

За довідниковою літературою задаємося значеннями для відповідного номеру швелера №40

І_y = 642 см⁴,

i_y =i_в = 3,23 см,

Z_c = 2,75 см²

Визначаємо момент інерції площі всього перетину , cм⁴ за формулою

= 2 (І_y + A_ch(- Z₀)²), (33)

де - Z_c відстань центра тяжіння;

- це вісь у-у

= 2 [642 + 61,5(- 2,75)²] = 71249

Визначаємо відстань між планками до світла, l_в, см за формулою

l_{в =} i_в (34)

l_в = 20 · 3,23 = 64,6

Визначаємо радіус інерції перетину і_y, см за формулою

i_y = (35)

i_y = = 24,06

Визначаємо гнучкість , за формулою

(36)

= 23,2

Визначаємо приведену гнучкість, за формулою

‹ (37)

=30,6 < 35,6

Так як ‹ , то перевірка напруги не потребується.



2.3 Розрахунок планок

Розраховуємо ширину планок а, мм за формулою

а = (0,5-0,75) в (37.1)

а = 0,553,27=26,6

де в - ширина поперечного перетину стержня колони (дивись рисунок 3)

Приймаємо а = 31 мм

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

(37.2)

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

Рисунок 5 Установка планок

Рисунок 6 Встановлення з'єднуючих планок

Визначаємо дожину планок, в_s, см, за формулою

в_s = в - 2 (в_ch - n) (38)

в_s = 62,43 - 2 (11 - 3,5) = 47,43

з виконанням умов

= 30,2;

Наскрізна центральна - стиснена колона розраховується на поперечну силу, яка може виникати від скривлення стержня при прокольному згині.

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

Q_fic = 7,15 10⁶ A210^-4 206 10^-6() (39)

де А₂ - площа поперечного перетину по другому варіанту;

^- коефіцієнт, враховуючий степінь можливого не напруження поставного стержень можливого недонапруженого поставного стержня в площині.

Визначення коефіцієнту, який враховує степінь можливого не напруження поставного стержня в площині.

(40)

= 0,88

Тоді

Q_fic = 7,15 10⁶ 123 10^-4 206 10^-6 0,84 ^{() =} 20,6

Визначаємо перерізаючу силу в планці, F_c, кН, за формулою

F_c = Q_fic (41)

F_c = 20,6= 31,9

де - відстань між вузлами планки (крок) (дивись рисунок 5)

l = lb +a

l = 64,6+26,6=91,2

с = в - 2 z₀ (42)

с = 53,27 - 2 · 2,75 = 47,77

Визначаємо згинаючий момент планки, М_s, кН см, за формулою

М_s = F_c (43)

М_s = 19,6 = 468,1

2.4 Розрахунок зварних швів по другому варіанту

Перевіряємо міцність з'єднання кН/cм, за формулою:

(44)

де - коефіцієнт, який залежить від способу зварювання

- катет шва який дорівнює 0,5

- розрахунковий опір металу шва зварних з'єднанянь кутовим швом (=21,5 кН/cм)

= 14 < 21,5

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



2.5 Порівняння двох варіантів

Візначаємо по другому варіанту визначаємо приведену площу , см², за формулою

=А₂ - 2в_s а (45)

де А₂ - площа перетину, см²;

в_s - довжина планки, см;

а - ширина планки, см;

t_пл - товщина планки, см.

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

=123 - 2· 36,27· 26,6 = 97,6

Рисунок 7 Конструювання планок, що зварюються

Перевагу слід віддавати тому варіанту, площа перетину якого менше, тобто колона яка економніше по витратам матеріалу.

Так як площа по першому варіанту дорівнює А₁ = 99,5, а по другому =97,6 то виконується умова А₁ > і, подальші розрахунки та графічну частину слід виконувати по другому варіанту.

2.6 Розрахунок та конструювання бази колони

Визначення розмірів опорної плити в плані

Візначаємо площу опорної плити з урахуванням ваги колони А_рл, см², за формулою

А_рл (46)

де - коефіцієнт стану бетону (1,2);

R_сб - розрахунковий опір бетону осьовому стиску, кН/см² (див. додаток 1 таблицю 1 методичних вказівок).

А_рл = = 3611,1

Для забезпечення надійності колони змінюємо марку бетону з М200 на М100

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

Приймаємо траверсу товщиною = 0,8 - 1,2см з випуском на них плити на відстані с = 40 - 60мм.

Визначаємо ширину плити В_pl, см, за формулою

В_pl = 2b + +2(t_t2 + C) (47)

В_pl = 21,2 + 40+2(0,8 + 4) = 52

Визначаємо довжину плити L_рл, см, за формулою

L_рл (48)

L_рл = 69,4

Товщина плити

Плиту закріплено по 4 сторонам.

Потрібну товщину плити визначаємо по максимальному моменту.

Визначаємо реактивний опір фундаменту, q, кН, за формулою

q = (49)

По необхідності (див. рисунок УП 31б [2]) приймаємо кріплення плити ребром жорсткості товщиною t_s = 0,8 - 1,2см [4] при в₁ = t_пл

q =

0,54=0,54

Визначаємо максимальний момент М_max, кН*см за формулою

М_max = q в₁² (50)

де - коефіцієнт, який залежить від відношення 2/b (таблиця 2) і дорівнює =12

М_max = 16· 0,54· 1,2² = 12,4

Визначаємо товщину листа плити, t_рл, см_, за формулою

t_рл = (51)

де V_c - коефіцієнт опору, який дорівнює 1,2 [5];

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

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

t_рл = = 1,7

Розрахунок та конструювання траверси бази

Визначаємо необхідну висоту траверси , см, при чотирьох зварних швах. Задаємо катет шва К_f = , тоді

= + (52)

де R_wf - розрахунковий опір металу швів зварних з'єднань з кутовими швами (дивись додаток 1, таблицю 2 методичних вказівок), кН/см²;

- коефіцієнт викоритання, який дорівнює одиниці

= +1 =39,08

Виконати перевірку міцності траверси на згин та зріз

‹‹ R (53)

де - згинаючий момент траверси кНсм²;

= 0,46‹‹ 21

‹ R_s = 0,58 R (54)

‹0,58 21

1,138 ‹ 16,82

(55)

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

= 94,1

Визначаємо навантаження на одиницю довжини цілого навантаження листа траверси, кН/см², за формулою

= q (в₁/2 + + c) (56)

= 0,54 ( + 0,8+ 4) =2,9

Підставляючи числові значення в формулу отримуємо

(57)

= 203,6

Визначаємо силу що діє на траверсу кН, за формулою,

(58)

Розрахунок та конструювання ребер жорсткості бази

Рисунок 8 Схема бази колони

Виконуємо розрахунок ребер жорсткості, яки примикають до полок колони.

Визначаємо навантаження на одиницю довжини одного листа ребра жорсткості, кН/см², за формулою

q_s = q в₁ (56)

qs = 0,541,2=0,6

Визначаємо згинаючий момент в місці приварювання, М_s, кН*см, за формулою

М_s = (57)

М_s = = 19,4

Визначаємо поперечну силу, Q_s, кН, за формулою

Q_s = (58)

Q_s = = 4,8

Визначаємо потрібну висоту ребра, H_s, см, за формулою

h_s (59)

h_s =4,8

Виконуємо перевірку міцності ребра

‹ R_s (60)

= 1,4 ‹ 12,18

Умова виконується

Виконати перевірку міцності швів, які кріплять ребро до колони. Для кріплення ребра необхідно 2 кутових шва К_f = t_s

+ ‹ R_wf (61)

+= 6,2

6,2 ‹ 12,48

Умова виконується

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

2.7 Розрахунок та конструювання оголовка колони

Рисунок 9 Схема конструкції оголовка

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

Рисунок 10 Схема визначення розмірів плити оголовка

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

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

t_os (62)

де V - опорна реакція однієї балки, так як колона працює на центральне стиснення під дією тиску, яке оказується балками

t_{os= 1,05}

Визначаємо опорну реакцію V, кН за формулою

V = (63)

V =

Приймаємо R_p = R_u

Визначаємо висоту ребра

h_os = (64)

де n - число вертикальних швів в проекті приймати n = 4

= 1см [13]

Задаємося К_f в залежності від t_os

h_o==27,6

Перевіряємо ребро на зріз

(65)

де V_m - коефіцієнт надійності по металу[2].

Для збільшення жорсткості вертикальних ребер оголовка та жорсткості стінки при великих навантаженнях встановлюють обрамлення з продольних ребер жорсткості (рисунок 9).



Література

1 Михайлов А.М. Сварные конструкции. М.: Стойиздат, 1983. 325 с.

2 Майзель В.С., Навроцкий Д.И. Сварные конструкции. М.: Машиностроение, 1973. 345 с.

3 Мороз В.Д. Положення (стандарти) з організації навчально виховної роботи в коледжі.Харків.: ХМК, 1999. 139 с.

4 Николаев Г.А. Сварные конструкции. М.: Высшая школа, 1983. 765 с.

5 Шестак Г.А. Стальные конструкции. М.: Стойиздат, 1968. 234 с.

6 Николаев Г.А. Сварные конструкции.М: Высшая школа, 1990. 445 с.

7 Николаев Г.А. Сварные конструкции. М.: Высшая школа, 1983. 245 с.

8 Николаев Г.А., Куркик С.А., Винокуров В.А. Расчет проектирование и изготовление сварных конструкций. М: Высшая школа, 1971. 759 с.

9 Беленя Е.И. Металлические конструкции.М.: Стойиздат, 1985. 376 с.

10 Муханов К.К. Металлические конструкции. М.: Стойиздат, 1978. 317 с.

11 Окерблом Н.О. Конструктивно-технологическое проектирование сварных конструкций. М: Машгиз, 1954. 419 с.

12 Строительные нормы и правила. 4. П. Гл 6. Нагрузки ивоздействия. Нормы проектирования. М.: Стойиздат, 1976.

13 Строительные нормы и правила. 4. П. Гл 23.Стальние конструкции. Нормы проектирования. М.: Стойиздат, 1982.

14 Сварка в машиностроении. Справочник /Под ред. В.А. Винокурова. М.: Машиностроение, 1979. 432 с.

15 Справочник металиста. В 5-и т. Под ред. А.Г. Рахтадта и др.-М: Машиностроение, 1976.

16 Лихтарников Я.М. Расчет стальных конструкций. К.: Будівельник, 1984. 455 с.

17 ГОСТ 2.105 95.

18 ГОСТ 82 70.

Размещено на Allbest.ru

...