Металлические конструкции балочная клетка

Реферат.

Данный курсовой проект дает представление об основах проектирования металлических конструкций. Выполняя курсовой проект, студент самостоятельно учится подбирать материал, компоновать сечения в целях его экономичности и рациональности, также учится работать с нормативной литературой.

Пояснительная записка содержит 14 рисунков, к пояснительной записке прилагается один лист формата А1.

Содержание:

Введение

1 Компоновка балочной клетки

1.1 Расчет настила

1.2 Сравнение вариантов компоновки балочной клетки

1.2.1 Нормальный вариант компоновки

1.2.2 Усложненный вариант компоновки

2 Расчет и конструирование главной балки

2.1 Расчетные нагрузки и расчетные усилия

2.2 Компоновка сечения

2.3 Проверка принятого сечения

2.4 Изменение сечения главной балки по длине

2.5 Проверка по приведенным напряжениям

2.6 Расчет поясных швов

2.7 Расстановка ребер жесткости. Проверка местной устойчивости стенки

2.8 Расчет и конструирование монтажного стыка на высоко прочных болтах

2.8.1 Расчет стыка поясных листов

2.8.2 Расчет стыка стенок

2.9 Сварной стык главной балки

2.10 Расчет и конструирование опорной части балки

3 Расчет и конструирование центрально-сжатой колонны

3.1 Расчетные усилия, расчетная длина

3.2 Подбор и компоновка сечения

3.3 Расчет и конструирование базы колонны

Список литературы

Введение

Металлические конструкции широко применяются при возведении различных зданий и сооружений. Благодаря значительной прочности и доступности металла, эффективности соединений и монтажа, возможности сборки и разборки элементов металлических конструкций, характеризуются относительно малым собственным весом, обладают газа - и водонепроницаемостью, обеспечивают быстрый монтаж зданий и сооружений и ускоряют их ввод в эксплуатацию. Основной недостаток стальных конструкций является подверженность коррозии – устраняется покрытием конструкций полимерными составами и другими методам

1. Компоновка балочной клетки

Рис. 1 Варианты компоновки

1.1 Расчёт стального настила

Цель расчёта стального настила: определить толщины и расстояния между балками настила.

Рис. 2 Расчётная схема стального настила

где ?- гибкость настила;

tн – толщина настила (tн=12 мм).

По заданию допустимый прогиб настила равен ; .

Отсюда прогиб настила равен:

,

где Е₁- цилиндрическая жёсткость пластины.

кПа, где

?=0,3 – коэффициент Пуассона;

Е=2,06*10⁵ МПа;

- норма прогиба;

мм.

1.2 Сравнение вариантов компоновки балочной клетки.

1.2.1 Нормальная компоновка.

Рис. 3 Нормальная схема компоновки

Определяем количество пролётов балок настила на длину главной балки.

;

мм;

- грузовая площадь между балками настила.

Подбираем сечение балки настила. Определяем нормативное значение полной нагрузки: ,

где кПа – собственный вес настила.

Тогда кН/м

Определяем расчётное значение полной нагрузки

кН/м, где

?_fн=1,05 – коэффициент надёжности по нагрузки для стали

?_fр=1,2 – коэффициент надёжности по нагрузке для перекрытий

Определяем изгибающий момент от расчётной нагрузки:

кН?м

В=5500 мм- расчётный пролёт

Проверяем по 1-й группе предельных состояний несущую способность

?_c=1 – коэффициент условия работы

W – момент сопротивления

R_у- расчётное сопротивление стали по пределу текучести

По условию эксплуатации балку относим к 3 группе. Принимаем марку стали 18КП(С-235) R_у= 230 МПа=23 кН/м²

см³

Из сортамента выбираем сечение I 35 Б1 I_Х=10060 см⁴

W_х=581,7 см³ q_бн= 38,9 кг/ м

Проверка жёсткости сечения по 2-й группе предельных состояний

жёсткость балки настила обеспечена

Расчёт расхода металла

кг/м²

1. Усложнённый вариант компоновки

Рис. 4 Усложнённый вариант компоновки

Назначаемм.

Рассчитываем количество пролётов

.

Шаг балок настила

м.

Производим подбор балок настила:

кН/м

кН/м

Определяем изгибающий момент от расчётной нагрузки:

кН?м

Проверяем несущую способность по 1-й группе предельных состояний

W=М/( С₁? R_у? ?_s)=10706/(1,1?23?1)=423,16cм³

Из сортамента выбираем сечение I 30Б1 I_Х=6328 см⁴

W_х=427 см³ q_бн= 32,9 кг/ м

Проверка жёсткости сечения по 2-й группе предельных состояний

жёсткость балки настила обеспечена

Подбор сечения вспомогательной балки

кН/м

кН/м

Определяем изгибающий момент от расчётной нагрузки:

кН?м

Проверяем по 1-й группе предельных состояний несущую способность

Из сортамента выбираем сечение I 70Б1 I_Х=125930 см⁴

W_х=3645 см³ q_бн= 129,3 кг/ м

Проверка жёсткости сечения по 2-й группе предельных состояний

жёсткость балки настила обеспечена

Расчёт расхода металла

Вывод:

Расход материала в нормальной компоновке меньше и по трудоёмкости менее сложен, чем усложнённый, поэтому выбираем нормальный вариант компоновки.

2 Расчёт и конструирование главной балки

2.1 Расчётные нагрузки и усилия.

Нагрузка на наиболее нагруженные балки по средним осям

кН/м

кН/м

кН?м

кН

Определяем группу стальных конструкций

Сварная главная балка относится ко II – группе конструкций. Для II группы выбираем сталь класс С-245 (18пс)

R_У=220 кН/см²

2.2 Компоновка сечения

Рис. 5 Поперечное сечение главной балки

см³

где ?_с – коэффициент условия работы

Определяем высоту сечения

1. минимальная высота сечения из соображения жёсткости при допустимом прогибе (n₀=150)

м

1. оптимальная высота

см.

где ?_w – гибкость стенки

Принимаем ?_w=125

1. предельная высота сечения главной балки определяется из обеспечения заданной строительной высоты перекрытия

см

78<145>

Принимаем h=140 см.

Определяем толщину стенки t_w

1. из условия прочности на срез в опорном сечении

см

где R_s= 0,58 R_у

h_w=0,96h

1. из условия укрепления стенки только поперечными рёбрами

см

1. из условия получения предполагаемой гибкости стенки

см

Назначаем толщину стенки согласно сортаменту универсальной широкополосной стали

• t_w=12 мм

Определяем сечение поясных листов

см²

или

Принимаем окончательно по сортаменту —530x18

t_f =18 мм; b_f = 53см; А_f =95,4 см²

Проверка условия свариваемости

– условие удовлетворяется

2.3 Проверка принятого сечения

Вычисляем геометрические характеристики сечения

см⁴

см

см

см³

см³

W_x> W_тр – условие удовлетворяется

%<5>

Проверка по нормальным напряжениям

кН/см³

кН/см^3условие прочности выполняется

Определение недогруза

%<5%условие удовлетворяется

2.4 Изменение сечения главной балки по длине

Рис. 6 Схема изменения сечения главной балки

Изменение сечения главной балки проектируем на расстоянии равном м от опоры, уменьшаем сечение поясных листов.

кНм

кН

Сварку поясов производим стыковым швом полуавтоматическим методом. При этом обеспечиваем физический контроль качества шва.

Расчёт сопротивления шва

R_wy=R_у=22 кН/см³

Определяем геометрические характеристики уменьшенного сечения

см³

см²

Определяем ширину уменьшения поясных листов

см

где t_f1= t_f=18 мм

По сортаменту универсальной широкополосной стали выбираем b_f1=200 мм

мм

мм

Принимаем b_f= 280 мм

По техническим требованиям принимаем — 18х280

А_f1= 1,8· 28=50,4 см²

Геометрические характеристики уменьшенного сечения

cм⁴

см³

см³

W_x> W_тр ? по нормальным напряжениям уменьшенное сечение удовлетворяет требованиям

см³

S₁- статический момент сечения

Проверка по наибольшим касательным напряжениям на опоре

где R_s=0,58 R_У=0,58?22=12,76 кН/см³

кН/см³ ? условие прочности на срез удовлетворяется

2.5 Проверка по приведённым напряжениям

Проверку производим в верхней точке стенки, в месте изменения сечения.

где ?_у= ?_loc- нормальное напряжение в точки опирания балки настила на главную балку

?_х – нормальное напряжение по оси х

Если балка настила не опирается на главную балку в рассматриваемой точке, то ?_у= ?_loc=0

кН/см²

кН/см³

кН

Рис. 7 К определению локальных напряжений

см

кН/см³

без учёта локальных напряжений

кН/см²

? условие прочности по предельным напряжениям удовлетворяется

Проверка прогиба главной балки

жёсткость балки настила обеспечена

2.6 Расчёт поясных швов

Так как главная балка несёт статическую симметрично приложенную нагрузку, то проектируем односторонние поясные швы. Сварка полуавтоматическая. Сварная проволока Св 08А.

R_wf – расчётное сопротивление углового шва по середине шва

R_wf=180 мПа=18 кН/см²

R_un- нормативное временное сопротивление стали (R_un=36 кН/см²)

R_wz- расчётное сопротивление по границе сплавления

Рис. 8 К расчёту поясных швов

R_wz=0,45R_un=0,45?36=16,2 кН/см²

Положение шва «в лодочку». Коэффициент проплавления ?_f=0,9; ?_z=1,05.

Первоначально назначаем катет шва минимально возможный в зависимости от более толстого листа.

k_{f min}= 6 мм при t_f=18 мм

Проверяем катет шва на минимальное значение

кН/см

кН/см

кН/см

Условие прочности швов

кН/см².условие не удовлетворяется

Условие на отрыв по границе сплавления

кН/см².условие не удовлетворяется

Катета 0,6 мм не хватает. Принимаем k_f=0,8 мм

кН/см².условие удовлетворяется

Условие на отрыв по границе сплавления

кН/см².условие удовлетворяется

2.7 Расстановка рёбер жёсткости. Проверка местной устойчивости стенки

Рис. 9 Односторонние рёбра жесткости

Общая устойчивость главной балки не проверяется, поскольку верхний пояс раскреплен настилом. Отдельный элемент главной балки могут потерять местную устойчивость.

Условная гибкость стенки равна:

 требуется установка рёбер жёсткости и проверка устойчивости т.к. балка несёт статическую нагрузку. Принимаем односторонние рёбра жесткости, прикреплённые к другой стороне от поясных швов. Расстояние между рёбрами не более двух высот стенки. Принимаем см

Сечение рёбер жёсткости

мм

Принимаем мм

мм

Условие устойчивости стенки балки

Проверку устойчивости стенки выполняют для отсека, в изменяется сечение главного пояса т.к. в нём относительно высокий уровень как нормальных, так и касательный напряжений, а loc напряженения одинаковы от всех балок настила.

Устойчивость стенки в приопорном отсеке обеспечивается его небольшими размерами. Будем считать, что кН/см²

кН/см²

кН/см²

Вычисляем дополнительные параметры.

- коэффициент условного защемления стенки в поясах.

Определяем граничное значение

;=

Критические напряжения местного смятия определяются по формуле



где

кН/см²

где - гибкость в перпендикулярном отношении

кН/см²

где d- меньшая из сторон пластинки

кН/см²

условие устойчивости стенки обеспечивается с шагом 200 мм.

2.8 Расчёт и конструирование монтажного стыка на высокопрочных болтах

Для устройства стыка применяются болты из стали 40Х 24 мм. кН/см²

Способ подготовки поверхности газопламенный. Способ регулирования усилия натяжения болтов по моменту закручивания. кН/см²  отверстий под болты 27 мм. Расчётное усилие поверхности трения при наличии одного болта вычисляется по формуле:

кН

где см².

- коэффициент трения равный 0,42

- при количестве болтов больше 10.

2.8.1 Расчёт стыка поясных листов

Рис. 10 Монтажный стык на болтах

Количество болтов в стыке поясов определяется по предельному усилию воспринимаемому поясами.

кН

тогда

где - число поверхностей трения

Стык поясов перекрывается двумя накладками шириной 23 см и одной 53 см.

Толщину определяем из условия их равнопрочности с поясом

Рис. 11 К расчёту стыка

2. 8.2 Расчёт стыка стенок

Определяем конструктивные размеры

cм

см.

Стенки балки перекрываются парными накладками толщиной 10 мм из условия их равнопрочности. Определяем долю момента воспринимаемого стенкой

кНм

Болты на стенке устанавливаем с шагом 10 см

Определяем максимальное расстояние между крайними болтами

см

Принимаем см

где - сила воспринимаемая одним болтом

- соответственное плечо

Предварительно принимаем два вертикальных ряда болтов с каждой стороны

кНкН

Проверяем прочность сечения поясом ослабленных отверстиями

см²

где - количество отверстий

см²

Определяем действующее усилие в поясах

кН

условие удовлетворяется, поэтому уменьшать число болтов в ряду не надо.

2.9 Сварной стык главной балки

Рис. 12 Сварной стык главной балки

При монтаже в стык сжатый пояс соединяют прямым швом, а растянутый косым швом под углом 60.

С целью обеспечения его равнопрочности, чтобы уменьшить сварочные напряжения сначала свариваем поперечные стыковые швы стенки (1), затем пояса (2), после завариваем стыковые швы (3).

2.10 Расчёт и конструирование

опорной части балки

Рис. 13 – Опорная часть балки

На опоре имеем уменьшенное сечение пояса главной балки шириной 28 см. Назначаем ширины опорных рёбер

см

Требуемая площадь сечения рёбер определяется из условия прочности сжатого стержня.

см².

где Кн/см². – расчётное сопротивление стали

Толщина рёбер с учётом срезов одного из рёбер должна быть не меньше

см

Назначаем см.

Производим проверку устойчивости приопорного сечения балки

Длина участка стенки в работе опорной части равна:

см

см²

см⁴

см

Условие устойчивости

-коэффициент продольного изгиба центрально- сжатого элемента

кН/см².условие удовлетворяется.

Список литературы

1. Металлические конструкции: Учебник для вузов /Под ред. Е.И. Беленя - 6-е изд. – М. Стройиздат, 1986 – 560 с.

2. Примеры расчета металлических конструкций: Учебное пособие для техникумов /А.П. Мандриков – М. Стройиздат, 1991 – 431с.

3. СНиП 2.01.07 – 85* Нагрузки и воздействия

4. СНиП II-23-81* Стальные конструкции