Курсовой проект по строительным конструкциям. Расчет балочной клетки

4E_Курсовой проект.docx

ВЫБОР СХЕМЫ БАЛОЧНОЙ КЛЕТКИ
1 Нормальная балочная клетка
2 Усложненная балочная клетка
2.1 Подбор сечения балки настила для УБК
2.2 Подбор сечения вспомогательных балок для УБК
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ГЛАВНОЙ БАЛКИ
2 Выбор высоты главной балки
2.1 Компоновка сечения
3 Изменение сечения главной балки
4 Расчет узла сопряжения балок
5 Обеспечение общей устойчивости главной балки
6 Обеспечение местной устойчивости главной балки
7 Проверка местных напряжений в стенках балок
8 Расчет угловых сварных швов между поясом и стенкой балки
9 Расчет и конструирование опорного узла главной балки
10 Расчет и конструирование монтажного стыка главной балки
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТОЙ
1 Определение расчетной нагрузки
2 Подбор сечения колонны
3 Расчет соединительной решетки
4 Расчет и конструирование базы колонны
5 Расчет оголовка колонны
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Шаг колонн в продольном направлении А = 16 м
Шаг колонн в поперечном направлении В = 65 м
Габариты площадки в плане 48195 м
Отметка верха настила 8 м
Временная нормативная нагрузка кНм2
Материал конструкций:
настила – железобетон сталь С245
балок настила и вспомогательных – сталь С245
главных балок (сварные клепанные) – сталь С255
колонн (сплошные сквозные) – сталь С275
фундаментов – бетон класса В15
Допустимый относительный прогиб настила 1150
Балочной клеткой называется система несущих балок на которые опирается перекрытие.
Существует два вида балочной клетки:
-нормальная балочная клетка (НБК);
-усложненная балочная клетка.
НБК состоит из колонн главных балок и балок настила.
Усложненная балочная клетка состоит из колонн главных балок вспомогательных балок и балок настила. Вспомогательные балки и балки настила прокатного профиля из двутавров. На балки настила укладывается стальной настил. Главные балки выполняются сварного сечения.
Рисунок 1 – Схема нормальной балочной клетки
Шаг балок настила м. Примем м.
Толщину стального настила для НБК определяем по формуле с учетом его деформативности:
где - пролет настила м;
- величина обратная предельной деформации ;
- приведенный модуль упругости стали с учетом поперечной деформации кНм2;
- временная нормативная нагрузка.
Тогда толщина настила для нормальной балочной клетки:
В соответствии с ГОСТ 19903-74* ([1] табл. 26) принимаем мм.
Расчетная схема балки настила приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Расчетная схема балки
Производим подбор сечения балок настила для НБК.
Нагрузку на балки настила собираем с грузовой площади ширина которой равна шагу балок. Вес самих балок настила учитываем при помощи коэффициента равного 102.
Нормативная нагрузка:
где - коэффициент учитывающий собственный вес балки;
- плотность стали кНм2;
- ширина грузовой площади м.
где – коэффициент надежности по материалу для стали ;
- коэффициент надежности по временной нагрузке .
Максимальный изгибающий момент:
Требуемый момент сопротивления балки настила из условия прочности на изгиб:
где - расчетное сопротивление по пределу прочности кНсм2;
- коэффициент пластичности .
По сортаменту подбираем двутавр №40 с характеристиками: см4 см3 вес 1 погонного метра балки настила кгм.
Проверка жесткости (прогиба балки):
где - относительная предельная деформация;
- модуль упругости стали кНсм3.
Данная балка удовлетворяет требованиям деформативности.
Рисунок 3 – Схема усложненной балочной клетки
По главным балкам с шагом b = 2 4 м укладываются вспомогательные балки. Примем b = 2 м.
По вспомогательным балкам с шагом a’ = 05 12 м устанавливаются балки настила. Примем a’ = 065 м.
Толщину настила для УБК определяем по формуле с учетом его деформативности
где - пролет настила м.
Тогда толщина настила для усложненной балочной клетки
Определяем нагрузки на балки настила.
Нормативная нагрузка
Максимальный изгибающий момент определим по формуле (4)
Требуемый момент сопротивления балки настила определим по формуле (5)
По сортаменту подбираем двутавр № 10 с характеристиками: см4 см3 вес 1 погонного метра балки настила кгм.
Проверка жесткости (прогиба) балки по формуле (6)
По сортаменту подбираем двутавр № 45 с характеристиками: см4 см3 вес 1 погонного метра балки настила кгм.
3 Определим расход стали по вариантам
В дальнейших расчетах принимаем вариант с наименьшим расходом стали т.е. кгм2.
Главная балка проектируется в виде сварного симметричного двутавра (рис.4).
Рисунок 4 – Расчетная схема главной балки
Определим нагрузки на главную балку.
Определим максимальный изгибающий момент по формуле (4):
Определим максимальную поперечную силу:
Требуемый момент сопротивления балки настила определим по формуле (5):
Поскольку момент сопротивления балки выходит за пределы сортамента то сечение балки проектируем составное сварное из трех листов.
Рисунок 5 – Геометрические характеристики сечения
Высота главной балки определяется по двум условиям:
Первое условие обеспечивает жесткость главной балки второе условие – наименьшую материалоёмкость балки.
Минимальная высота балки:
где - пролет главной балки;
– величина обратная допустимому относительному прогибу главной
Оптимальная высота балки из опыта проектирования:
где - коэффициент для сварных балок ;
- толщина стенки предварительно принимаем см.
Предварительно принимаем высоту балки по максимальной величине
Задаемся толщиной поясов мм тогда требуемая высота стенки будет:
В соответствии с ГОСТ 19903-74* на листовую сталь ([1] п.2.6) принимаем высоту стенки мм. Тогда окончательная высота балки:
Определяем толщину стенки из условия прочности на срез:
где - максимальная поперечная сила в балке;
- расчетное сопротивление стали срезу кНсм2;
– высота стенки балки см.
Предварительно мы приняли толщину стенки см но так как при расчете на срез мы получили см окончательно примем мм.
Определим момент инерции стенки балки:
Определим требуемый момент инерции для всего сечения балки:
Определим требуемый момент инерции поясных листов:
Определим требуемую площадь поясных листов:
где – расстояние между центрами тяжести поясных листов.
Определим требуемую ширину поясных листов:
Окончательно требуемую ширину пояса принимаем в соответствии с ГОСТ 19903-74* на листовую сталь ([1] п.2.8) (кратно 5 мм при этом не меньше 180 мм) принимаем мм.
Для обеспечения устойчивости пояса должны выполняться условия:
Условия выполняются следовательно окончательная ширина пояса мм.
Определим геометрические характеристики принятого сечения:
Прочность принятого сечения:
Условие прочности выполняется.
В целях экономии материала изменением сечения балки в соответствии с эпюрой изгибающих моментов. Изменение сечения производим за счет уменьшения ширины поясов (рис. 6).
Рисунок 6 – Изменение сечения главной балки
Изменение сечения производится на расстоянии от опоры м.
Определим изгибающий момент в месте изменения сечения:
Определим поперечную силу в этом сечении:
Требуемый момент сопротивления измененного сечения определяется с учетом прочности стыкового сварного шва.
Расчетное сопротивление шва:
Требуемый момент сопротивления измененного сечения:
Определим требуемый момент инерции измененного сечения:
Определим требуемый момент инерции измененного пояса:
Определим требуемую ширину измененного пояса:
Ширину листа принимаем по ГОСТ 82-70* ([2] п.2.8) .
Должны обеспечиваться два условия:
условие выполняется.
0 мм мм условие выполняется.
Производим проверку измененного сечения по нормальным и касательным напряжениям (рис. 7). Для этого определим геометрические характеристики этого сечения:
Рисунок 7 – Измененное сечение
Определим нормальные напряжения в точках А и Б:
Условие выполняется.
Определим статистический момент измененного пояса относительно нейтральной оси:
Определим статический момент измененного пояса относительно нейтральной оси:
Определим касательные напряжения в точках А и Б:
где - расчетное сопротивление срезу.
Приведенные напряжения проверяем в точке Б.
12 кНсм2 29325 кНсм2
Условие прочности выполняется в обоих сечениях.
Рисунок 8 – Узел сопряжения балок:
– ребро жесткости главной балки;
– вспомогательная балка; 4 – балка настила;
В целях экономии строительной высоты перекрытия стык балок осуществляют пониженным. Вспомогательные балки подвешиваем к ребрам жесткости главных балок а балки настила опираем на верхние пояса главных и вспомогательных балок. Сопряжение балок показано на рисунке 8.
Стык производим при помощи болтов нормальной точности класса 56 диаметром мм диаметр отверстий под болты мм.
Болты воспринимают реакцию т.е. усилие возникающее на опоре вспомогательной балки .
где - расчетная нагрузка на вспомогательную балку (см. п.1.2.2).
Расчетное сопротивление болтов на срез принимаем по [1] п.3.4 и получаем .
Расчетное сопротивление болтов на смятие принимаем по [1] п.3.5 и получаем .
Рассчитаем несущую способность одного болта на срез:
где - коэффициент условий работы ;
- количество плоскостей среза .
Определим несущую способность на смятие:
где - минимальная толщина соединяемых элементов принимается по толщине ребра равной 1 см.
Количество болтов находим по минимальному значению несущей способности. кН.
Количество болтов определяется по формуле:
Принимаем 3 болта и размещаем их по высоте балки (рис.9).
Рисунок 9 – Схема размещения болтов
Общая устойчивость обеспечивается конструктивно. Для этого проверяем 2 условия.
)Верхние пояса балок связываются жестким настилом непрерывно опирающимся на балки.
В нашем случае это условие выполняется т.к. стальной настил приварен к балкам настила что создает жесткий диск.
)Отношение расчетного пролета балки к ширине пояса не должно превышать нормативной величины.
где - расчетный пролет главной балки при расчетах на устойчивость
принимается равным расстоянию между балками м;
- коэффициент упругости для сечений работающих упруго .
Общая устойчивость балки обеспечена.
Местная устойчивость балки включает устойчивость стенки и поясов.
Устойчивость поясов обеспечивается нами при конструировании сечения определенным соотношением размеров.
Для обеспечения местной устойчивости стенки устанавливаются ребра жесткости. Ребра жесткости служат опорой для подвешивания вспомогательных балок. Поэтому желательно устанавливать их в местах опирания вспомогательных балок.
Рисунок 10 – Предварительная схема
расположения ребер жесткости
Расстояние между ребрами жесткости должно соответствовать требованиям СНиПа где шаг ребер зависит от гибкости стенки.
Рассчитаем условную гибкость стенки:
Два условия которые учитываются при определении расчетного шага ребер жесткости :
Проверяем соответствие принятого шага ребер расчетным условиям.
0 мм 320 мм – дополнительные ребра жесткости не нужны и схема расстановки останется прежней.
Произведем расчет второго отсека на местную устойчивость стенки. Для этого найдем расстояние до середины второго отсека от опоры . м.
Это расстояние не совпало с местом изменения сечения ( м) поэтому изгибающий момент и поперечную силу в данном сечении вычисляем.
Определим нормальные напряжения:
Определим касательные напряжения:
Определим критические нормальные напряжения которые возникают при потере устойчивости:
где - коэффициент принимаем по таблице 1 [1] в зависимости от определяемого по формуле:
Тогда значение коэффициента при будет равно 3366.
Определим критические касательные напряжения которые возникают при потере устойчивости:
где – расчетное сопротивление срезу кНсм2;
- коэффициент равный отношению большей стороны рассматриваемого отсека к меньшей стороне .
Устойчивость стенки считается обеспеченной если соблюдается условие:
- в данном отсеке условие устойчивости выполняется.
Проверку устойчивости центрального отсека произведем с учетом пластических деформаций по формуле:
где – коэффициент условий работы конструкции ;
Устойчивость балки в центральном отсеке обеспечена дополнительные ребра жесткости не требуются.
Местные напряжения возникают в стенках вспомогательных балок в сечениях расположенных под балками настила (рис.11).
Рисунок 11 – Распределение местных напряжений
Определим давление от балки настила на вспомогательную балку:
где - расчетная нагрузка на балку настила (п. 1.2) кНм;
- пролет балки настила м.
Определим местные напряжения:
где - расчетная длина на которой возникают местные напряжения;
-толщина стенки вспомогательной балки по сортаменту мм.
где - толщина пояса балки настила по сортаменту мм;
- толщина пояса вспомогательной балки по сортаменту мм.
73 - прочность обеспечена.
Принимаем для стали марки С255 по ГОСТ 9467-75* электроды типа Э46 ([2] табл. 3.1) с расчетным сопротивлением МПа = 20 кНсм2 ([2] табл.3.2).
Для ручной сварки принимаем коэффициент сварки ([2] табл. 3.1).
Определим катет шва из формулы для определения касательных напряжений:
В соответствии с ([2] п.3.9) по условию свариваемости примем катет шва мм.
Опирание главной балки на колонну производится сверху на выступающие части опорных ребер (рис.12).
Рисунок 12 – Схема опирания главной балки на колонну
Определим требуемую толщину опорного ребра из условия на смятие:
где - опорная реакция в главной балке кН;
- расчетное сопротивление смятию торцовой поверхности.
где - нормативное сопротивление по пределу прочности ([2] п. 1.2) кНсм2;
– коэффициент надежности по материалу .
Окончательно принимается по сортаменту на листовую сталь мм.
Проверим опорную часть балки на устойчивость.
В опорную часть кроме самого ребра включается участок стенки длиной S.
Проверка устойчивости сводится к выполнению условия:
где - площадь сечения условной стойки;
- коэффициент продольного изгиба.
Коэффициент продольного изгиба определяется в зависимости от и .
где - радиус инерции сечения условной стойки.
где - момент инерции сечения условной стойки.
При кНсм2 и по п. 4.2 [2] найдем .
Устойчивость обеспечивается.
Стык проектируется в середине пролета балки и осуществляется при помощи 3 накладок пояса и парных накладок стенки на высокопрочных болтах.
Рисунок 13 – Размещение болтов на монтажном стыке
Возьмем высокопрочные болты диаметром мм и диаметром отверстий мм. Болты выполняются из стали марки 40Х «Селект». Характер обработки газопламенный.
Определим усилие которое выдержит один болт:
где - расчетное сопротивление на срез кНсм2;
– коэффициент учитывающий работу болта ;
- площадь сечения болта нетто см2;
- коэффициент трения ;
- коэффициент учитывающий работу болта .
Определим усилие которое может возникнуть в верхнем поясе:
Рассчитаем количество болтов с одной стороны стыка:
где - число плоскостей трения в стыке пояса .
Определим высоту накладки:
Шаг болтов по всей высоте накладки примем мм.
Определим изгибающий момент воспринимаемый стенкой:
Болты в стыке расставляются вертикальными и горизонтальными рядами. Максимально загруженные болты находятся в дальних от нейтральной оси рядах (горизонтальных).
Определим максимальное усилие в наиболее загруженном болте:
где - расстояние между наиболее удаленными от нейтральной оси
горизонтальными рядами м;
- число вертикальных рядов болтов с каждой стороны стыка ;
- сумма квадратов расстояний между равноудаленными от нейтральной оси горизонтальными рядами.
Выполним проверку на условие прочности:
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТОЙ
Рисунок 14 – Действие нагрузки на колонну
Определим расчетную нагрузку на колонну:
где - вес главной балки.
где - площадь сечения главной балки;
- пролет главной балки м.
Определим длину колонны (рис.15):
Рисунок 15 – Размеры колонны
где - отметка верха настила м;
- толщина настила м;
- высота балки настила м;
– высота главной балки м;
- глубина защемления колонны м.
Расчетная длина колонны м.
Подбор сечения колонны производим по условию устойчивости:
Колонну принимаем сквозного сечения состоящую из двух ветвей двутаврового профиля (рис.16).
Рисунок 16 – Колонна сквозного сечения
Определим требуемую площадь двутавра:
где - предельное значение коэффициента продольного изгиба .
По сортаменту подбираем двутавр № 50 с см4 см4 кгм см2 см см мм.
Определим гибкость колонны относительно материальной оси:
Из условия равноустойчивости выразим требуемую гибкость относительно оси y:
где - гибкость колонны относительно собственной оси
С другой стороны определяется следующим образом:
Отсюда определим требуемый радиус инерции сечения:
Определим требуемую ширину сечения:
где – коэффициент зависящий от формы сечения для двутаврового
Принимаем ширину сечения колонны см.
Проверяем возможность размещения зазора между ветвями которые должны быть не менее 150 мм.
Ширина сечения устраивает.
Определяем геометрические характеристики подобранного сечения:
По формуле (92) определим :
Проверку устойчивости производим по большей из гибкостей и :
Устойчивость колонны обеспечивается.
Ветви колонны соединяем при помощи листовых планок шириной и при этом мм.
Листовые планки приварены к ветвям колонны ручной сваркой электродами Э46. Расчетное сопротивление данного электрода кНсм2.
Зададим расстояние между ветвями :
Толщину планки примем мм.
Определим условную поперечную силу которая приходится на две плоскости планок:
Определим усилие действующее на одну планку:
Определим срезающую силу:
Определим момент сопротивления:
Определим нормальное напряжение в сварном шве:
В соответствии с ([2] п.3.9) по условию свариваемости примем катет шва см.
Определим касательное напряжение в сварном шве:
Определим равнодействующее напряжение:
Прочность швов обеспечивается.
Так как колонна сквозная то базу принимаем с траверсами.
Определим нагрузку на базу:
Рисунок 17 – База колонны
Определим размеры плиты:
Конструктивная длина плиты:
Примем толщину траверса мм.
По номеру профиля двутавра определим мм.
Конструктивная ширина плиты:
Определим конструктивную площадь:
Рассчитаем требуемую площадь опорной плиты:
где - расчетное сопротивление фундамента кНсм2.
Определим фактическое напряжение под плитой:
Разбиваем плиту на участки в зависимости от их защемления и определяем моменты на этих участках:
В расчет принимаем самый больший момент т.е. кН.
Определим требуемую толщину плиты:
Высоту траверсы принимаем из условия прочности на срез угловых сварных швов:
где 1 – учет непровара в сварном шве см
Примем высоты траверсы 180 см.
Эскиз оголовка колонны приводится на рисунке 18.
Рисунок 18 – Оголовок колонны
Толщину ребра оголовка определим из условия смятия ребра опорной реакцией главной балки:
По таблице 1.2 [2] для марки стали С275 кНсм2.
Примем толщину ребра оголовка мм
Высоту ребра определим по условию прочности сварных швов:
Примем высоту ребра мм
Расчет конструкций балочной клетки: метод. указания к курсовому проектированию Л.А. Губенко Т.А. Никитина. – Архангельск: Северный (Арктический) федеральный ун-т 2010. – 36 с.
Губенко Л.А. Справочные материалы к расчету и подбору сечений элементов металлических конструкций Л.А. Губенко В.А. Катаев Е.А. Мошникова. – Переизд. – Архангельск: С(А)ФУ 2010. – 44 с.

4Е_РТЕЖ.cdw

Материал конструкции:
второстепенных-сталь С245
- главных балок - сталь С255;
- колонн - сталь С275;
Сварку производить электродами Э42;
Условные обозначения:
заводской сварной шов;
болт нормальной прочности класса 8.8
болт высокой прочности из стали 40Х "Селект"
отверстие для болтов
Схема расположения элементов
Общая масса по чертежу 140591
Схема расположения элементов балочной клетки
Масса наплавленного металла