Расчет и проектирование балочной клетки

Пояснительная записка.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное агентство по образованию
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (МГСУ)
Кафедра архитектурно-строительного проектирования
по предмету: «Металлические конструкции»
тема: «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ БАЛОЧНОЙ КЛЕТКИ»
студента второго курса отделения экстернат
Колганова Николая Валерьевича
РУКОВОДИТЕЛЬ ПРОЕКТА: Морозова Д.В.
Выбор схемы балочной клетки .. .
Проектирование и расчет главных балок .
1. Проверка прочности и общей устойчивости главной балки .. .
2 Расчет поясных швов главной балки .. ..
3 Расчет опорного ребра главной балки . .
Проектирование и расчет колонн . .
1. Расчетная схема и расчетная длина колонны .. .
2. Определение продольной силы в колонне выбор типа сечения колонны .
3. Подбор сечения проверка общей устойчивости колонн и местной устойчивости стенки и полок .. .
4. Расчет и конструирование оголовка колонны
5. Расчет и конструирование базы колонны
6. Расчет траверсы ..
Список используемой литературы
Приложение: Графическая часть.1
1 Пролет гл. балок (шаг колонн в продольном направлении)
2 Пролет балок настила (в поперечном направлении) а = 55м;
3 Габариты площадки в плане 3
4 Отметка верха настила h = 75м;
5 Временная нормативная равномерно распределенная нагрузка на площадку от оборудования и людей Рn = 18 кнм²;
6 Материал конструкций Ст 245;
7 Класс бетона фундамента В15;
8 Принимаем колонну сплошного сечения;
9 Принять сопряжение колонны с главной балкой и фундаментом шарнирное;
10 Шаг балок настила b = 100 см;
11 Толщина настила 10 мм tn = 1 см тогда: qнg=0.78 кНм²
Коэффициенты надежности при постоянной: gp = 12
и временной нагрузке: gg = 105; gс = 1
шаг балок настила: аl = 1м
модуль упругости: Е = 206 х 104 = 20600
ВЫБОР СХЕМЫ БАЛОЧНОЙ КЛЕТКИ
Несущий настил состоит из стального листа уложенного на балки и приваренного к ним.
Рис.1 Схема нормального типа балочной клетки
Толщина настила tн = 10 мм
Вес настила r = 785 гсм3 = 7850 кгм3
при tн = 10 мм вес gn= 0785 кНм2
Рис.2 Расчетная схема балок настила
Нормативная нагрузка на балку настила:
qn = (pn +gn)b = 18156 кНм²
Расчетная нагрузка на балку настила:
q = (gppn + gggn) b = 22867 кНм²
где gp = 12 gg = 105 – коэффициенты надежности
Расчетный изгибающий момент балки:
Мmax = Мmax1х100 = 8646.728 кНсм
Требуемый момент сопротивления балки настила:
Ближайший профиль – 26Б1 Wх = 312 см3 что существенно ниже требуемого следовательно:
По сортаменту подбираем профиль: 30Б1
Выполняем проверку подобранного поперечного сечения по второму предельному состоянию:
Сбор нагрузок и подбор сечения балки:
Максимальный прогиб балки:
f = 18 22 = [f] следовательно принятая балка удовлетворяет условиям прочности и прогиба. Проверку касательных напряжений в прокатных балках при отсутствии ослабления опорных сечений обычно не производят так как она легко удовлетворяется из-за относительно большой толщины стенок балок.
Общую устойчивость балок настила проверять не надо так как их сжатые пояса надежно закреплены в горизонтальном направлении приваренным к ним настилом.
Выбранная балка настила проходит по всем проверкам.
Масса балки настила:
qбн = qбн х 001 = 0329 кНм
Ширина балки настила:
bбн = 14см; hбн = 29.6см
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ГЛАВНЫХ БАЛОК
Главные балки несущие балки настила являются балками составного сечения. Составные балки используются в тех случаях когда прокатные балки не удовлетворяют хотя бы одному из условий – прочности жесткости общей устойчивости. Проверим необходимость использования составного сечения.
Расчетная схема для главной балки будет выглядеть как показано на рисунке (см. ниже). Здесь же построены эпюры изгибающих моментов М и поперечных сил Q.
Рис.3 Расчетная схема для главной балки
Нормативная нагрузка на главную балку:
Расчетная нагрузка на главную балку:
С учетом принятой расчетной схемы и того что на главную балку действует равномерно распределенная нагрузка расчетный максимальный изгибающий момент в середине пролета найдем по формуле:
Максимальное значение поперечная сила принимает на опорах и равняется:
Определяем требуемый момент сопротивления балки настила::
Рассчитываем сварную балку:
Для определения высоты балки следует найти:
а) оптимальную высоту:
б) из условия жесткости главной балки найдем величину минимальной высоты главной балки hmin:
Переводим в l в см: l1=lx100=2000см
n=400 – предел допустимого отношения длинны балки к ее ширине
В целях унификации конструкции примем окончательное значение высоты балки кратное 100 мм т.е. h=165 см.
Проверяем принятую толщину стенки из условия работы на срез:
Rs = 0.58 x Rv = 13.92кНсм²
из условия работы стенки на касательные напряжения на опоре
Чтобы не применять продольных ребер жесткости
Сравнивая полученную расчетным путем толщину стенки с принятой (12 мм) приходим к выводу что она удовлетворяет условию прочности на действие касательных напряжений и не требует укрепления ее продольным ребром жесткости для обеспечения местной устойчивости.
Найдем размеры горизонтальных листов пояса исходя из необходимой несущей способности балки. Для этого вычислим требуемый момент инерции сечения балки:
который распределяется на момент инерции стенки и двух поясов балки:
Принимаем толщину поясов балки tf = 25 см тогда высота стенки балки будет равной
Момент инерции стенки балки
Момент инерции приходящийся на поясные листы
Момент инерции поясных листов балки относительно ее нейтральной оси пренебрегая моментом инерции поясов относительно их собственной оси ввиду его малости будет равен
где h - расстояние между параллельными осями поясов балки
Отсюда получаем требуемую площадь сечения поясов балки
Находим требуемое значение ширины пояса балки:
Окончательно примем bf = 55 см.
Проверяем по окр.размера площадь пояса:
Af = bf x tf 137.5 см2.
Принимаем пояса из универсальной стали 560х20 мм для которой что находится в пределах рекомендуемого отношения.
Проверим отношение ширины свеса сжатого пояса к его толщине из соображений местной устойчивости ( по п.7.24 СНиП II-23-81* ):
принятое соотношение размеров пояса удовлетворяет условию его местной устойчивости.
Подобранное сечение балки проверяем на прочность. Определим момент инерции балки:
Определим момент сопротивления балки:
Проверим нормальные напряжения в балке по следующей формуле:
= 1.15Ry x γc = 27.6 кНсм2
следовательно подобранное сечение удовлетворяет условию прочности и не имеет недонапряжений больше 5%.
Проверку прогиба делать нет необходимости так как принятая высота сечения главной балки больше минимальной и регламентированный прогиб будет обеспечен.
1. Проверка прочности и общей устойчивости главной балки
Проверим общую устойчивость в месте действия максимальных нормальных напряжений принимая за расчетный пролет lef = 100 см - расстояние между балками настила. Условие устойчивости записывается в виде:
- коэффициент означающий что балка не испытывает пластической деформации.
bf – ширина сжатого пояса (ширина полки);
tf – толщина сжатого пояса (толщина полки);
hef – расстояние (высота) между осями поясных листов.
Проверим общую устойчивость в месте уменьшенного сечения главной балки (балка работает упруго и):
проверки показали что общая устойчивость балки обеспечена.
Проверка устойчивости стенки.
Определим необходимость укрепления стенки поперечными ребрами жесткости по п. 7.10 СНиПа II-23-81*. Так по СНиПу II-23-81* стенки балок следует укреплять поперечными ребрами жесткости если значение условной гибкости стенки балки`lw превышает 22.
Если λw больше 22 принимаем шаг балок настила равный 2хhw (максимальный шаг)
Ребра жесткости следует разместить таким образом чтобы под каждой второй балкой настила было ребро жесткости.
Шаг ребер принимаем а х 2 = 11см
Рис.5 Расстановка поперечных ребер жесткости главной балки сечения проверки устойчивости стенки.
Т.к. расчет ведется в середине балки т=0 и loc=0
Т.к. имеем монтажный стык 2-х отправочных элементов (разбиваем на 2 балки т.к. перевозка таких длинных балок приведет к повышенным затратам) поэтому балка настила не ставится в результате чего местное напряжение под балкой настила составит: loc=0
Критическое напряжение в главной балке составит (коэффициент Сcr принимаем из СНиП II-23-81):
Максимальное нормально-направленное напряжение в балке:
исходя из этого формула приобретает вид:
Если условие не выполняется уменьшаем шаг поперечных ребер.
2. Расчет поясных швов главной балки
Расчёт поясных швов главной балки:
Расчёт поясного шва сводится к определению катета сварного шва (если длина балки известна).
При расчёте нам потребуются следующие значения: (хRw)-берём минимальное значение полученное при расчете по металлу шва и по границе сплавления:
- коэффициент проплавления шва который зависит от вида сварки типа соединения марок свариваемых изделий марок элекродов и т.д.
Расчётное сопротивление сварного шва принимаем меньшее:
Rw = 16.5 кНсм берём по границе сплавления (при расчете по металлу шва Rw=18)
- (статический момент полки)
- местное напряжение в шве балки где F -сила действующая от балки настила она равна 2-м поперечным силам от балок настила в местах их опирания на главную балку:
n = 2 при двухсторонних швах;
3. Расчет опорного ребра главной балки
Толщину опорного ребра (tр) выбираем из условия возможного смятия ребра для чего нам потребуется найти требуемую площадь опирания ребра:
расчётное сопротивление стали балки смятию для стали С-245 принимаем по СНИП II-23-81 "Стальные конструкции" таблица1:
где по табл. 51 СНиП II-23-81* для стали С245 определим временное сопротивление стали разрыву Run = 38 кНсм2; по табл. 2* СНиП II-23-81* для стали по ГОСТу 27772-88 находим что коэффициент надежности по материалу gm = 1025.
Найдем требуемую площадь опорного ребра:
Уже принятая ширина пояса bfx = 36 cм следовательно толщину ребра определим как
принимая окончательно tp = 10 см.
Тогда :см2 сечение подобранного торца балки проходит проверку на смятие.
Проверим опорный участок балки на устойчивость из плоскости балки как условного опорного стержня включающего в площадь своего сечения опорные ребра и часть стенки балки шириной bw.
Рис.6 Расчетная схема на устойчивость опорного участка главной балки.
Площадь расчетного сечения опорной части балки:
Момент инерции сечения относительно оси z-z:
Радиус инерции сечения:
Условие устойчивости можно записать в виде:
где j = 0962 - коэффициент продольного изгиба балки (по табл. 72 СНиПа II-23-81*)
кНсм2 Ry×gc = 24 кНсм2
то есть принятая опорная стойка главной балки устойчива.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ КОЛОНН
1. Расчетная схема и расчетная длина колонны
В качестве расчетной схемы выберем колонну шарнирно закрепленную с двух сторон. Найдем фактическую длину колонны l при высоте фундамента 500 мм:
Расчетная длина колонны равна: см.
где m - коэффициент расчетный длины определяется по табл. 71а СНиПа II-23-81*.
Рис.7 Расчетная схема центрально-сжатого стержня колонны.
2. Определение продольной силы в колонне выбор типа сечения колонны
Продольная сила в колонне составит:
N = 2×Qmax +08lk = 3037.691кН используем колонну сплошного типа сечения. Примем что сечение будет двутавровым сваренным из трех листов.
3. Подбор сечения проверка общей устойчивости колонн и местной устойчивости стенки и полок
Продольная сила в колонне: N = Qmax x 2 + 0.8 x k = 3037.691 kH
Материал колонн – сталь С-245. Для нее по табл. 51 СНиПа II-23-81* определим что расчетное сопротивление растяжению сжатию и изгибу по пределу текучести Ry = 24 кНсм2.
По формуле 7 СНиПа II-23-81* имеем что:
Примем lx = 70 тогда j = 0754 из таблицы 72 СНиПа находим требуемую площадь:
Компонируем размеры поперечного сечения: конструируем колонну в виде сварного двутавра требуемая ширина полок для двутавра:
Рис.8 Сечение колонны со сплошной стенкой.
Высоту стенки назначаем по имперической формуле:
тогда согласно табл. 27 СНиП II-23-81* получим что:
принимаем tw = 1.8; tf = 1.8; hw = 40;
Проверяем высоту полок устойчивость полки:
Находим площадь стенки:
Необходимая площадь поясов равна:
Определяем площадь принятого сечения колонны:
Находим толщину пояса:
Проверим местную устойчивость полки колонны по табл.29 СНиП II-23-81*:
Находим общую площадь:
Проверяем напряжение по подобранному сечениюопределяем коэффициенты фи по подобранному сечению:
Проверим местную устойчивость стенки колонны.
Стенка колонны устойчива если условная гибкость стенки:
меньше или равна предельной условной гибкости:
4. Расчет и конструирование оголовка колонны
На колонну со сплошной стенкой свободно сверху опираются балки. Усилие на стержень колонны передается опорными ребрами балок через плиту оголовка. На колонну действует продольная сила N. Торец колонны фрезерован. Толщину плиты оголовка принимаем равной tn = 25 см.
Плита поддерживается ребрами приваренными к стенке колонны. Толщину ребер определяем из условия смятия. Требуемая площадь смятия:
Рис.9 Схема опирания главной балки на колонну
Определим высоту ребра исходя из длины швов прикрепляющих ребро к стенке.
Задаемся катетом шва 10 мм. kf = 1 см.
Сварные швы будем выполнять полуавтоматической сваркой из проволоки сплошного сечения Св-08 или Св-08А со значением γwn=1.25; кНсм2. Для стали С245 значение. Таким образом расчетные сопротивления сварного шва по металлу шва и по границе сплавления соответственно будут равны ( по табл.3 СНиП II-23-81*):
Значения коэффициентов при сварке в нижнем положении равны:
кНсм2 kw = 1 следовательно необходимо рассчитать сварной шов на условный срез по металлу границы сплавления. Тогда длина одного углового шва будет равна ( при kf = 10 мм – для вставки стенки в колонну > 10 мм.)
см принимаем hp=lw+1=53.621см.
Толщину вставки в стенку колонны определим из расчета стенки на срез:
см принимаем tw вс = 2 см.
Проверка принятого сечения по касательным напряжениям:
5. Расчет и конструирование базы колонны
Собственный вес колонны:
Расчетная нагрузка на базу колонны:
Требуемая площадь плиты базы колонны
где y - коэффициент зависящий от характера распределения местной нагрузки по площади смятия при равномерно распределенной нагрузке y = 1;
Rbloc – расчетное сопротивление смятию:
где Rb – расчетное сопротивление тяжелого мелкозернистого и легкого бетонов для предельных состояний первой группы на осевое сжатие для бетона класса В15 Rb = 075 кНсм2;
a - коэффициент для расчета на изгиб зависящий от характера операния плит для бетонов класса ниже В25 a =1;
- принимают не более 25 для бетонов класса выше В75 потому в нашем случае jb = 2.
При центрально-сжатой колонне и значительной жесткости плиты напряжения под плитой в бетоне можно считать равномерно распределенными поэтому y = 1 тогда
Считая в первом приближении плиту базы квадратной будем иметь стороны плиты равными
принимаем размеры плиты см L = 41 cм (по конструктивным соображениям) тогда
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 участке 1 плита работает по схеме "пластинка опертая на четыре канта". Соотношение сторон:
то есть плиту можно рассматривать как однопролетную балочную свободно лежащую на двух опорах.
Здесь: b = hw = 40см; а = bef = 13.75см
Требуемая толщина плиты подбирается по максимальному изгибающему моменту принимая материал плиты – сталь С245:
принимаем толщину базы 32 см.
На участке 2 плита работает тоже как пластинка опертая на три канта.
следовательно плиту можно рассматривать как консоль длиной с.
На участке 3 плита оперта на три канта.
Следовательно плиту можно рассматривать как консоль длиной «В».
Изгибающий момент: кН×см.
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 работает на изгиб как балка с двумя консолями. Высота траверсы определяется из условия прочности сварного соединения траверсы с колонной.
Рассчитаем угловые швы на условный срез.
Задаемся катетом шва kf = 13 см.
Сварные швы будем выполнять полуавтоматической сваркой электродами Э42 выполненными из проволоки сплошного сечения Св-08А со значением кНсм2. Для стали С245 значение кНсм2. Таким образом расчетные сопротивления сварного шва по металлу шва и по границе сплавления соответственно будут равны ( по табл.3 СНиП II-23-81*):
кНсм2 следовательно необходимо рассчитать сварной шов на условный срез по металлу границы сплавления. Тогда длина одного углового шва будет равна:
Высота траверсы hт = lw +1 = 41.478 см принимаем hт = 42 см.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
Учебное пособие «Металлоконструкции» Морозова Д.В.
Металлические конструкции. Под редакцией Г.С. Веденикова Стройиздат 1998.
Металлические конструкции. Под редакцией Е.И. Беленя М. Стройиздат 1986.
СНиП II-23-81*. Стальные конструкции (Госстрой СССР. – М. ЦИТП Госстроя СССР 1996)
Термины и определения
В настоящих ТУ применены следующие термины с соответствующими определениями:
- адгезия покрытия: сопротивление отслаиванию покрытия от поверхности трубы.
- метод экструдирования: Метод нанесения покрытий путем продавливания расплава полимерных материалов из формующей головки экструдера на наружную поверхность трубы.
- диэлектрическая сплошность покрытия: Отсутствие электрического пробоя при воздействии на покрытие высоковольтного источника постоянного тока.
- переходное электросопротивление покрытия: Сопротивление собственно покрытия в цепи электродэлектролит–покрытие–труба характеризующее защитную способность покрытия в электролите.

Графическая часть.dwg

Монтажная схема балочной клетки. М 1:200.
Укрупнительный стык на сварке. М 1:25.
Укрупнительный стык на высокопрочных болтах. М 1:25.
Стальной профнастил tн=10мм
МОНТАЖНАЯ СХЕМА БАЛОЧНОЙ КЛЕТИ
ТОРЕЦ ФРЕЗЕРОВАТЬ ПОСЛЕ СВАРКИ СТЕРЖНЯ
Цифры у монтажных швов показывают последовательность их выполнения.
Ручная сварка выполняется электродами типа Э42А.
Стыковые швы полок вывести на планки.
- заводской сварной шов
Высокопрочные болты М24 из стали 40Х "селект" ГОСТ 7798-70.
Отверстия d=26мм сверлить.
- полуавтоматическая сварка
- монтажный сварной шов
Условные обозначения:
Катет угловых швов 6мм
условно считающимся расчетным.
Болты нормальной точности d=20 мм.
Материал конструкций из стали С245
Поясные швы отправочных марок варить автоматической
Отправочные марки Б-3 показаны только в одном пролете
Отверстия под высокопрочные болты d=26 мм сверлить
- высокопрочный болт
Укрупнительный стык на сварке.
Вертикальные связи прикреплять к колонам и балкам
Все остальные отверстия d=22 мм.
На колонне К1 фасонки связей условно не показаны
Размеры ОБЩИЕ" выдержать с допуском 1 мм
Укрупнительный стык на высокопрочных болтах.
Торец фрезеровать после сварки стержня
после сварки стержня
Соединяемые поверхности очистить газопламенной обработкой без консервации.
Стальной профнастил tн=1мм
Московский Государственный Стороительный Ууниверситет Факультет-ПГС