Курсовая: Проектирование стальной балочной клетки промздания
МПС РФ
ДВГУПС
Кафедра "Строительные
конструкции"
КУРСОВАЯ РАБОТА
Проектирование конструкции стальной балочной клетки
рабочей площадки промышленного здания
Выполнил: Терентьева Ю.К.
94-ПГС-583
Проверил: Тимохин А.В.
Хабаровск
2001
СОДЕРЖАНИЕ
1. Исходные данные на проектирование стальной балочной клетки.
2. Расчет стальной балочной клетки.
2.1. Разработка вариантов стальной балочной клетки.
2.1.1. Вариант 1. Балочная клетка нормального типа.
2.1.2. Вариант 2. Балочная клетка усложненного типа.
2.2. Проектирование составной сварной главной балки.
2.2.1. Подбор сечения главной балки
2.2.2. Проверка прочности главной балки
2.2.3. Проверка прогиба главной балки.
2.2.4. Определение типа сопряжения вспомогательной и главной балок.
2.2.5. Изменение сечения главной балки.
2.2.6. Расчет поясных сварных швов.
2.2.7. Проверка на устойчивость сжатой полки.
2.2.8. Проверка устойчивости стенки балки.
2.2.9. Расчет опорного ребра жесткости главной балки.
2.2.10. Расчет болтового соединения
2.3. Проектирование колонны сплошного сечения
2.3.1. Расчетная длина колонны и сбор нагрузки
2.3.2. Подбор сечения колонны
2.3.3. Проверка устойчивости полки и стенки колонны.
2.3.4. Расчет базы колонны.
2.3.5. Расчет оголовка колонны.
1. Исходные данные на проектирование стальной балочной клетки
Рабочие площадки служат для размещения производственного оборудования на
определенной высоте в помещении цеха промышленного здания. В конструкцию
площадки входят колонны, балки, настил и связи (рис. 1). Система несущих
балок стального покрытия называется балочной клеткой.
Балочные клетки могут быть упрощенного, нормального или усложненного
типа (рис.2)
Исходные данные:
временная нагрузка - qН0 = 12 кН/м2;
толщина настила площадки нормального типа - 12 мм
толщина настила площадки усложненного типа - 6 мм
пролет главной балки - 17,50 м
пролет вспомогательной балки - 7,00 м
габарит помещения под перекрытием - h = 6,6 м
отметка верха настила (ОВН) - Н = 8,4 м
тип сечения колонны - сплошная
сталь настила и прокатных балок - С235
сталь главной балки и колонны - С375
2. Расчет стальной балочной клетки
2.1. Разработка вариантов стальной балочной клетки
2.1.1. Вариант 1. Балочная клетка нормального типа
Расчет настила
Сбор нагрузки на 1 м2 настила.
Таблица 1
Наименование нагрузки Нормативная нагрузка, кН/м2 (f Расчетная
нагрузка, кН/м2
1 Временная нагрузка - Р 12 1,2 14,4
2 Собственный все настила
gН = (( tН =
где удельный вес стали-
( = ( ( g = 7850 ( 9,81( 10-3 0,924 1,05 0,97
Итого q = g +Р qn = 12,924
q = 15,37
Средняя величина коэффициента надежности по нагрузке
Примем расчетную схему настила (рис.4)
Сварные швы крепления настила к балкам не дают возможности его опорам
сближаться при изгибе. Поэтому в настиле возникают растягивающие цепные
усилия Н. Изгиб настила происходит по цилиндрической поверхности.
Цилиндрический модуль упругости стали определяется по формуле:
:
После подстановки величин qn и tН в формулу, получаем:
. Вычисляем наибольший пролет: Lmax = 2,12 м. По расчету принимаем LН =
1,944 м.
Разбивка главной балки показана на рис.5
Проверка прогиба настила.
Вычислим балочный прогиб, т.е. прогиб от поперечной нагрузки в середине
полосы шириной b = 1 м, имеющий цилиндрическую жесткость Е1J, без учета
растягивающей силы Н:
Прогиб настила с учетом растягивающей силы Н:
, коэффициент ( найдем по формулам.
- проверка удовлетворяется
Проверка прочности настила:
Изгибающий момент с учетом приварки настила на опорах:
Растягивающая сила
Проверка прочности полосы настила шириной b = 1 м.
,
где W=(t2Н)/6 =0,0122/6 = 2,4(10-5 м3
(СR( =1,1(230 = 253 МПа, где R(=230 МПа - расчетное сопротивление
проката по табл. 51* СНиП II-23-81*
Требуемый момент сопротивления при с1= 1,1 в первом приближении
)
По сортаменту принимаем двутавр № 40Б1 ГОСТ 26020-83 (Jх = 15 750 см4,
Wх = 803,6 см3, А = 61,25 см2, b = 165 мм, h = 39,2 см, tf = 10,5 мм, tw
= 7,0 мм, m = 48,1 кг/м).
Расход стали на 1 м2 площади балочной клетки покрытия по главным балкам:
по первому варианту - m1 = 118,94 кг/м2
по второму варианту - m1I = 77,2 кг/м2
Вывод: по расходу стали более экономичен второй вариант. Поэтому к
дальнейшему проектированию принимаем второй вариант усложненной балочной
клетки. Тип сопряжение вспомогательной и главной балок определится после
расчета высоты главной балки.
2.2. Проектирование составной сварной главной балки.
Разрезная балка загружена сосредоточенными нагрузками. Нагрузки на
балку передаются в местах опирания на нее вспомогательных балок.
Сосредоточенные силы подсчитываются по грузовой площади:
Агр = Lв Lбн = 7( 2,5 = 17,5 м2
Сбор нагрузки на главную балку
Таблица 5
Наименование нагрузки Нормативная нагрузка, кН/м2 (f Расчетная
нагрузка, кН/м2
1 Временная нагрузка
Р = Рн ( Агр = 12 ( 17,5 210,0 1,2 252
2 Собственный вес настила и балок
Gбн = mgAгр=77,2(9,81(10-3 (17,5 13,25 1,05 13,91
3 Собственный вес главной балки (3% от временной нагрузки)
2.2.1. Подбор сечения главной балки
Сечение составной сварной балки состоит из трех листов: вертикального -
стенки и двух горизонтальных - полок (рис. 9).
Для принятой толщины листов полок tf ? 20 мм расчетное сопротивление
стали С375 равно Rу =345 МПа. Коэффициент условия работы (с =1. В первом
приближении с1 = 1,1.
Требуемый момент сопротивления:
Высоту сечения балки h предварительно определим по соотношению между
hоптW, hопт,f и hmin, где hоптW - оптимальная высота сечения из условия
прочности; hопт,f - оптимальная высота сечения из условия жесткости;
hmin - оптимальная высота сечения из условия минимальной жесткости, при
обеспечении прочности.
1) оптимальная высота балки из условия прочности:
,
- отношения высоты балки к толщине стенки в пределах kW = 125…140.
Принимаем kW = 130.
2) оптимальная высота балки из условия жесткости:
,
, n0 = 231,94 - для пролета L = 17,5 м
3) высота балки из условия минимальной жесткости при обеспечении
прочности:
Выбор высоты балки
Т.к. hmin ( hоптW ( hопт,f , принимаем h = hоптW
Высота главной балки должна соответствовать наибольшей строительной
высоте перекрытия согласно заданию:
h ? hc max - tн,
где tн - толщина настила.
Наибольшая строительная высота перекрытия определяется разностью отметок
верха настила и габарита помещения под перекрытием:
hc max = 8,4 - 6,6 = 1,8 м
Т.к. h = 1199 см ( hc max - tн = 1800 - 6 = 1794 мм -оставляем выбранную
высоту h = 1199 см.
Принимаем толстолистовую сталь шириной 1250 мм. С учетом обрезки кромок
с двух сторон по 5 мм hW = 1250 -10 = 1240 мм.
По коэффициенту kW = 130 определяем толщину стенки: tW = hW /kW =
1240/130 = 9, 5 мм. Принимаем tW =10 мм. Толщину полок назначим равной
tf =18 ? 3 tW = 30 мм.
Полная высота балки:
h = hW + 2 tf = 1240 + 2(18 = 1276 мм
Момент инерции стенки:
Требуемый момент инерции полок:
Jтр = Jтр max - JW,
где Jтр max определим по двум значениям из условий
Толщина стенки из условия обеспечения ее местной устойчивости:
В расчете было принято 1,8 см, что больше tf = 1,42 см.
или bf = 427 …256 мм. Принимаем bf =360 мм, что соответствует ширине
листа универсальной стали по сортаменту. Уточним собственный вес балки
по принятым размерам.
Площадь поперечного сечения:
А = 2Аf + АW = 2( 1,8 ( 36 + 1,0(124 = 253,6 см2
Вес погонного метра балки:
gг = (S А( = 77 ( 0,02536(1,03 = 2,01 кН/м,
где (S= 77 кН/м - удельный вес стали;
( = 1,03 - конструктивный коэффициент, учитывающий вес ребер жесткости и
сварных швов.
Вес главной балки на участке между вспомогательными балками:
Ранее была найдена наибольшая строительная высота перекрытия hc,max =
=1,8 м. Принимаем пониженное сопряжение вспомогательной и главной балок.
2.2.5. Изменение сечения главной балки.
С целью экономии материала уменьшаем сечение приопорного участка балки
за счет уменьшения ширины поясов на участке балки от опоры до сечения,
расположенного на расстоянии равном 1/6 пролета балки: 17,5/6 = 2,92 м.
Ширина пояса балки b`f должна соответствовать ширине листа универсальной
стали по сортаменту и быть не менее
b`f ( 180мм, b`f ( 0,1h; b`f ( 0,5 bf ,
т.е., 0,1h=127,6 мм; 0,5 bf = 0,5(360 = 180 мм.
По сортаменту принимаем b`f = 200 мм.
Геометрические характеристики сечения балки на приопорных участках:
Проверка устойчивости стенки балки в первом отсеке (на расстоянии 125 см
от опоры).
Изгибающий момент
М = RA (1,25 = 817,58 кН(м.
Нормальные и касательные напряжения
Проверка устойчивости стенки
Проверка устойчивости удовлетворяется.
2.2.9. Расчет опорного ребра жесткости главной балки.
Принимаем сопряжение балки с колонной шарнирным, с опиранием на колонну
сверху. Опорное ребро жесткости крепится сварными швами к стенке балки.
Нижний торец опорного ребра балки остроган для непосредственной передачи
давления на колонну.
Толщина опорного ребра определяется из расчета на смятие его торца
, где N = RA = 817,58 кН – опорная реакция;
RP = Run/(m = 490/1,025 = 478 МПа – расчетное сопротивление стали смятию
торцевой поверхности; b = b(f = 20 см – ширина опорного ребра.
Принимаем толщину опорного ребра t = 10 мм, а опорный выступ а = 14 мм
<1,5t = 1,5(10 = 15 мм.
Проверка ребра на устойчивость.
Площадь расчетного сечения ребра:
,
.
.
.
Коэффициент продольного изгиба при (Х = 1,136
.
Проверка опорного ребра на устойчивость:
Расчет катета сварных швов крепления ребра к стенке балки:
По толщине более толстого из свариваемых элементов принимаем катет шва
Kf = 5 мм.
2.2.10. Расчет болтового соединения
Сопряжение вспомогательной балки с главной выполняется поэтажно.
При пяти грузах в пролете опорная реакция вспомогательной балки равна
RA = 3,5 (G+P) = 3,5(33,248 = 116,4 кН
Принимаем болты нормальной точности (класс В), класс по прочности – 4,6,
диаметром 20 мм. Расчетное сопротивление срезу болтов для принятого
класса прочности Rbs = 150 Мпа.
Расчетные усилия, которые может выдержать один болт:
а) на срез
Nbs = Rbs((b(A(ns,
где Rbs = 150 МПа,
(b = 0,9 – коэффициент условия работы,
ns = 1 – число срезов болта.
А = (d2/4 = 3,142(2,02/4 = 3,14 см2 – расчетная площадь сечения болта
Nbs = 150 (103( 0,9 ( 3,14 ( 10-4 = 42,39 кН.
б) на смятие
Nb = Rbр ( (b ( d ( ( tmin,
где (b = 0,9;
Rbр = 690 МПа – расчетное сопротивление на смятие для стали при RUM =
490 МПа
( tmin = 10 мм – толщина стенки балки и ребра.
Nb = 690 ( 103( 0,9 ( 20 (10-3( 10( 10-3 = 124,2 кН.
Сравнивая результаты, принимаем меньшее Nbs,min = 42,39 кН.
Требуемое количество болтов в соединении
Принимаем 3 болта диаметром 20 мм, диаметр отверстия D=22 мм.
Проверка касательных напряжений в стенке вспомогательной балки с учетом
ослабления отверстиями диаметром 22 мм под болты, а также с учетом
ослабления сечения балки из-за вырезки полки в стыке, выполняется по
формуле:
При опирании балок на колонну сверху, колонна рассматривается как
шарнирно закрепленная в верхнем конце. Соединение с фундаментом легких
колонн в расчете также принимается шарнирным. Поэтому длина колонны
определяется при ( = 1:
Выполним расчет относительно оси Y, пересекающей полки. Гибкость колонны
(у = 89,3. Находим (у = 0,50.
Требуемая площадь сечения колонны Атр = 115,2 см2.
Требуемые радиус инерции и ширина полки
Ширина полки находится из соотношения iY ( 0,24bf .
bf = 36 см – принимаем ширину полки, в соответствии с сортаментом
прокатной стали.
Высоту стенки hW назначаем так, чтобы удовлетворялось условие h( bf, hW
= 360 мм. Назначив толщину tW = 1,2 см, получим площадь сечения стенки:
АW = 43,2 см2. Свес полки:
bef = 0,5(bf – tW) = 0,5(360-12) = 17,4 см.
Предельное значение bef = 17,5 см – находится из условия возможности
применения автоматической или полуавтоматической сварки. Т.к. величина
свеса полки меньше предельной, условие технологичности сварки
выполняется.
, то поперечные ребра жесткости по расчету устанавливать не требуется.
По конструктивным соображениям принимаем на отправочном элементе два
парных ребра. Назначим размеры парных ребер: ширина bP = hW/30 + 40 мм =
36/30 + 40 = 41,2. Принимаем bP =50 мм.
Толщина tP ( bP/12 = 50/12 = 4,2 мм. Принимаем tP = 6 мм.
В центрально-сжатых колоннах сплошного сечения сдвигающие усилия между
стенкой и полкой незначительны. Поэтому сварные швы, соединяющие полки
со стенкой, назначаем конструктивно толщиной катета kf = 6 мм.
2.3.4. Расчет базы колонны.
База колонны, состоящая из опорной плиты и траверс, крепится к
фундаменту анкерными болтами.
Размеры плиты базы.
Ширину плиты назначаем по конструктивным соображениям:
Длина плиты минимальная по конструктивным соображениям:
Lпл min = h +2c = 380 + 2 ( 50 = 480 мм.
Учитывая стандартные размеры листов, назначаем Lпл = 480 мм.
Проверим достаточность размеров плиты в плане расчетом из условия смятия
бетона под плитой. Класс бетона фундамента В12,5. Расчетное
сопротивление бетона смятию при коэффициенте условия работы (в = 1,2:
Rв,loc = (вRв(в1 = 1,2 ( 7,5 ( 0,9 = 8,1 МПа
Требуемая длина плиты по расчету:
Принимаем по сортаменту универсальной стали Lпл = 530 мм.
Получаем размеры плиты базы в плане
Lпл ( Впл = 530 ( 480 мм с площадью Апл = 0,25 м2.
Назначаем размеры верхнего обреза фундамента
Вф = Впл + 20 см = 48 + 20 = 68 см
Lф = Lпл + 20 см = 53 + 20 = 73 см
Площадь Аф = 0,50 м2
Уточним сопротивление бетона смятию
Rв,loc = 1,26 ( 7,5 ( 0,9 = 8,51 Мпа
Проверим бетон на смятие под плитой базы:
- проверка удовлетворяется
Расчет толщины плиты базы.
Выделим три участка плиты с характерными схемами закрепления.
Изгибающие моменты в плите на участках:
на I участке
М1 = ( ( (Р ( в2
в = 50 мм; ( = 0,5; (Р = 7,85 Мпа
М1 = 0,5 ( 7,85 ( 103 ( 0,052 = 9,81 кН(м
на II участке
Отношение сторон а/в = 0,075/0,36 = 0,208
Т.к. отношение сторон меньше 0,5, выполняем расчет как для консоли
М2 = 0,5 ( 7,85 ( 103 ( 0,0752 = 22,08 кН(м
на III участке
Отношение сторон 2,07, отсюда ( = 0,125
М3 = 0,125 ( 7,85 ( 103 ( 0,1742 = 2,971 кН
По наибольшему моменту на участке Мmax = 29,71 кН.
Определим требуемую толщину плиты:
, где (С = 1,0
По сортаменту принимаем плиту толщиной 25 мм.
Расчет траверсы.
Нагрузка со стержня колонны передается на траверсы через сварные швы,
длина которых и определяет высоту траверсы. При четырех швах с высотой
катета kf = 10 мм
В соответствии с требованиями СНиП, расчетная длина флангового шва
должна быть не более 85(fkf = 85( 0,7 ( 0,01 = 0,6 м, в расчете lW =
0,30 м. По сортаменту универсальной стали принимаем hтр = 400 мм.
Расчет катета сварного шва крепления траверсы к плите.
При вычислении суммарной длины швов учитывается непровар по 1 см на
каждый шов.
В соответствии с табл. 38 СНиП при толщине плиты 25 мм минимальный катет
шва равен kf min = 7 мм.
Приварку торца стержня колонны к опорной плите базы выполняем
конструктивными швами kf = 9 мм.
Крепление базы к фундаменту.
При шарнирном сопряжении колонны с фундаментом необходимы анкерные болты
для фиксации проектного положения колонны и закрепления ее в процессе
монтажа. Принимаем два анкерных болта диаметром d = 20 мм. Болты
устанавливаются в плоскости главных балок с креплением к плите базы, что
обеспечивает за счет гибкости плиты шарнирное сопряжение колонны с
фундаментом.
2.3.5. Расчет оголовка колонны.
Оголовок колонны состоит из опорной плиты и подкрепляющих ребер. Опорная
плита передает давление от двух главных балок на ребра оголовка и
фиксирует проектное положение балок при помощи монтажных болтов.
Определяем размеры ребер, задавшись толщиной плиты: tпл = 20 мм.
Требуемая толщина парных ребер из условия работы на смятие:
Ширина ребра должна быть не менее bh ( 0,5 bоп + tпл – 0,5tW = 0,5(0,2
+ 20 – 0,5(12 = 114 мм. Принимаем ширину парных ребер bh = 160 мм вверху
и 130 мм внизу.
Высота вертикальных ребер определяется из условия размещения фланговых
швов длиной не менее:
Здесь катет шва не может быть более kf ( 1,2tW = 1,2 ( 12 = 14,4 мм.
Длина сварного шва не должна быть более lW max = 85(f ( kf = 85 ( 0,7
( 0,9 ( 10-2= 0,54 м. Принимаем kf = 0,9 см и высоту ребра 0,5 м.
Т.к. Стенка колонны тоньше примыкающих ребер (tW = 12 мм < tr = 16 мм),
стенку проверяем на срез:
Вывод: стенка колонны толщиной 12 мм на срез проходит. Торец колонны
фрезеруется, и поэтому толщина швов, соединяющих опорную плиту со
стержнем колонны и ребрами, назначается конструктивно, равной kf = 8 мм.
С целью укрепления стенки колонны и вертикальных ребер от возможной
потери устойчивости снизу вертикальные ребра обрамляются горизонтальными
ребрами толщиной tP = 8 мм.
Неправильная кодировка в тексте? В работе не достает каких либо картинок? Документ отформатирован некорректно? Вы можете скачать правильно отформатированную работу Скачать реферат