Балочная клетка

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра архитектуры, строительных конструкций  и геотехники

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому  проекту «Балочная клетка»

по курсу «Металлические конструкции»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 4 курса

Ефимов  М.В.

Руководитель: к.т.н., доцент

Ягнюк Б.Н.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Петрозаводск

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Задание 3

2. Сравнение вариантов балочной клетки с расчетом листового настила, балок настила и вспомогательных балок 4

3.  Компоновка балочной клетки и подбор сечения балок в пролете 14

4 Компоновка и подбор сечения главной балки 21

5 Изменение сечения главной балки по длине 24

6 Проверки прочности и прогиба главной балки 25

7 Проверка общей устойчивости главной балки 26

8 Проверка и обеспечение местной устойчивости элементов главной балки, назначение ребер жесткости для главной балки 27

9 Расчет соединения поясов балки со стенкой 28

10 Расчет фрикционного соединения для укрупнительного стыка балки 30

11. Расчет опорного ребра составной главной балки 33

12. Сопряжение балок 35

12 Выбор типа, компоновка и подбор сечения стальной колонны 41

13 Расчет соединительных планок и крепящих их сварных швов 44

14 Расчет оголовка колонны 48

15 Проектирование базы колонны 50

16. Список использованных источников 55

 

1. Задание

 

 

 

2. Сравнение вариантов балочной клетки с расчетом листового настила, балок настила и вспомогательных балок

2.1 Балочная клетка нормального  типа

2.1.1 Расчет стального настила

Рисунок 1 - Расчетная схема настила

Выбор материала настила

В соответствии с Приложением В [2] конструкция растянуто-изогнутого настила может быть отнесена к Группе 2. Согласно таблице В.1 [2] для конструкций группы 2 принимаем класс стали С 245 по ГОСТ 27772-88, для которой .

Назначение толщины настила.

В соответствии с заданной нагрузкой p_n = 30 кН/м принимаем толщину настила t_d =14 мм.

Определение отношения пролета  настила к его толщине:

 

n₀ - величина, обратная относительному прогибу настила в зависимости от его пролета (n₀=l_d/f). Первоначально принимается равной 120-130, а затем уточняется.

 – модуль упругости стали;

 – коэффициент Пуассона для  стали;

 – нормативная, равномерно-распределенная  нагрузка на 1 поверхности настила балочной клетки;

коэффициент надежности по ответственности.

 

 

Определение пролета настила.

 

Определение количества шагов балки  настила.

 – длина рабочей площадки.

 

Определение шага балок настила.

 

 

Определение расхода стали на настил.

 стального листа толщиной 14 мм весит 109,9 кг.

 

Расчет сварных швов, прикрепляющих  настил.

Усилие распора H:

 

 – предельное значение отношения  прогиба настила к его пролету,  определено по интерполяции таблицы  Е.1 [3] для фактической величины  пролета настила l_d = 1,6 м;

 – толщина настила;

 – коэффициент надежности  по нагрузке – по заданию. 

 

Для приварки настила к  балкам принимаем ручную сварку электродами  типа Э42 по таблице Г.1 [2].

Катет сварного шва:

 

 – наименьшая величина из двух, определяемых по границе сплавления или по металлу сварного шва;

 – коэффициент условий работы;

 – расчетное сопротивление  сварного углового шва;

– коэффициенты для расчета углового шва соответственно по металлу шва  и по металлу границы сплавления. Принимаем по таблице 39 [2];

 – временное сопротивление  стали С245 по ГОСТ 27772, согласно  таблице В.5  [2];

 

 

 

;

 

Окончательно катет сварного шва принимается с учетом рекомендаций таблицы 38 [3].

В зависимости от толщины  листа для балочной клетки (толщины  более толстого из свариваемых элементов) , предела текучести свариваемой стали, вида сварки минимальный катет швов принимается 5 мм.

; .

Принимаем

 

 

 

 

 

 

2.1.2 Расчет балки настила

Рисунок 2 - Расчетная схема балки настила

Выбор материала балки настила.

Согласно Приложению В [2] , балки перекрытий относятся к Группе 2. По таблице В.1 [2] для конструкций группы 2 принимаем класс стали С 245 по ГОСТ 27772-88, для которой .

Определение погонной равномерно-распределенной нагрузки.

Нормативная нагрузка:

 

Расчетная нагрузка:

 

 – вес квадратного метра  стального листа для принятого  настила;

 – технологическая нагрузка  на 1 поверхности настила балочной клетки;

 – принятый шаг балок настила  (в зависимости от его пролета);

 – коэффициент надежности  для постоянной нагрузки (вес  настила);

 – коэффициент надежности  для временной нагрузки - по заданию;

 – коэффициент надежности  по ответственности.

 

 

Определение максимального изгибающего  момента.

 

 – пролет балки настила;

 

Подбор сечения прокатного двутавра с учетом упругопластической работы.

Требуемый момент сопротивления:

 

 – расчетное сопротивление  стали С245 по ГОСТ 27772;

 – коэффициент условий работы  балки;

 – коэффициент, учитывающий  развитие пластических деформаций (принимаем).

β = 1, так как касательные  напряжения в месте действия максимального  момента практически равны нулю.

 

По сортаменту принимаем  ближайший больший двутавр: I 36 по ГОСТ 8239-89

Основные характеристики:

, ,  , 

,   , , 

Уточнение коэффициента .

Так как коэффициентом c₁ мы задавались, то для подобранного профиля его уточняют в зависимости от отношения площади полки к площади стенки.

Площадь стенки и полки  двутавра с переменной толщиной полок определяются:

;

 

 

 

По отношению величин A_f/A_w в соответствии с таблицей Е.1 [2] находят фактическую величину c₁ = c_x.

 

Проверка прочности по нормальным напряжениям

 

 

Проверка выполняется.

Проверку прочности по касательным напряжениям в прокатных  балках при отсутствии ослабления опорных  сечений обычно не производят из-за относительно большой толщины стенок балок. Общую устойчивость балок  настила проверять не надо, поскольку  их сжатые пояса надежно закреплены в горизонтальном направлении приваренным  к ним настилом.

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки

 

 – модуль упругости стали;

 – нормативная нагрузка;

 – пролет балки настила;

 

 

.

 

Условие жесткости выполняется.

Определение расхода стали на один квадратный метр

 – принятый шаг балок настила;

 – вес квадратного метра  стального листа принятого настила;

 – линейная плотность балки  настила.

 

 

Рисунок 3 – Ячейка балочной клетки нормального типа

 

2.2 Балочная клетка усложненного  типа

2.2.1 Расчет стального настила

Принимаем три шага вспомогательных  балок по главной. В этом случае величина шага будет равняться

, что укладывается в промежуток  от 2,5 до 5 м.

Принимаем настил такой же толщины, как и в первом случае, . Тогда расчетный пролет настила будет . Число шагов

, принимаем 5, тогда

 

2.2.2 Расчет балки настила

Определение погонной равномерно-распределенной нагрузки.

Нормативная нагрузка:

 

Расчетная нагрузка:

 

 

Рисунок 4 - Расчетная схема балки настила

 – вес квадратного метра  стального листа для принятого  настила;

 – технологическая нагрузка  на 1 поверхности настила балочной клетки;

 – принятый шаг балок настила  (в зависимости от его пролета);

 – коэффициент надежности  для постоянной нагрузки (вес  настила);

 – коэффициент надежности  для временной нагрузки (по заданию);

 – коэффициент надежности  по ответственности.

 

 

Определение максимального изгибающего  момента.

 

 – пролет балки настила;

 

Подбор сечения прокатного двутавра с учетом упругопластической работы.

Требуемый момент сопротивления:

 

 – расчетное сопротивление  стали С245;

 – коэффициент условий работы  балки;

β = 1, так как касательные  напряжения в месте действия максимального  момента практически равны нулю.

 – коэффициент, учитывающий  развитие пластических деформаций.

 

По сортаменту принимаем ближайший больший двутавр: I 27 по ГОСТ 8239-89

Основные характеристики:

, ,  , 

,   , , 

Уточнение коэффициента .

Так как коэффициентом c₁ мы задавались, то у подобранного профиля его уточняют в зависимости от отношения площади полки и площади стенки.

Площадь стенки и полки  двутавра с уклоном граней полок определяются:

;

 

 

 

По отношению величин A_f/A_w в соответствии с таблицей Е.1 [2] находят фактическую величину c₁ = c_x.

 

Проверка прочности по нормальным напряжениям

 

 

 

Проверка выполняется.

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки.

 

 – модуль упругости стали;

 – нормативная нагрузка;

 – пролет балки настила;

 

, п.

 

Деформации лежат в  пределах нормируемых величин.

2.2.3 Расчет вспомогательной балки

Рисунок 5 - Расчетная схема вспомогательной балки

Выбор материала вспомогательной  балки.

Согласно Приложению В [2] , балки относятся к Группе 2. По таблице В.1 [2] для конструкций группы 2 принимаем класс стали С 245 по ГОСТ 27772-88, для которой .

При определении нагрузки на вспомогательные балки нагрузка от балок настила добавляется  к весу настила и тогда постоянная нагрузка на 1м² площадки будет равна:

 – вес квадратного метра  стального листа принятого настила;

 – принятый шаг балок настила;

 – линейная плотность балки  настила.

Определение расхода стали  на один квадратный метр:

 

 

Определение погонной равномерно-распределенной нагрузки.

Нормативная нагрузка:

 

Расчетная нагрузка:

 

 

 – технологическая нагрузка  на 1 поверхности настила балочной клетки;

 – принятый шаг вспомогательных  балок;

 – коэффициент надежности  для постоянной нагрузки (вес  настила и балок настила);

 – коэффициент надежности  для временной нагрузки - по заданию;

 – коэффициент надежности  по ответственности.

 

 

Определение максимального изгибающего  момента.

 

Подбор сечения прокатного двутавра с учетом упругопластической работы.

Требуемый момент сопротивления:

 

 – расчетное сопротивление  стали;

 – коэффициент условий работы  балки;

 – коэффициент, учитывающий  развитие пластических деформаций.

 

По сортаменту принимаем  ближайший больший двутавр:   I 40Ш2 по ГОСТ 26020-83

Основные характеристики:

, ,  , 

,   , , 

Уточнение коэффициента .

Так как коэффициентом c₁ мы задавались, то у подобранного профиля его уточняют в зависимости от отношения площади полки и площади стенки.

Площадь стенки и полки  двутавра с параллельными гранями полок определяются:

;  r – радиус окружности сопряжения полки и стенки;

 

 

 

По отношению величин A_f/A_w в соответствии с таблицей Е.1 [2] находят фактическую величину c₁ = c_x.

 

Проверка прочности по нормальным напряжениям.

 

 

Проверка выполняется.

Проверка общей устойчивости.

Если сопряжение балок  настила и вспомогательных балок  выполняется не в одном уровне, т.е. вспомогательные балки имеют  свободную (не раскрепленную настилом) длину между балками настила, то необходима проверка условия, при  котором обеспечивается ее общая  устойчивость.

Напряжения, возникающие  в балке от изгиба без учета  коэффициента с_х:

 

следовательно, балка работает не упруго и ее устойчивость может быть проверена по условиям п. 8.4.6 [2].

 Условия:

- выполняются.

Фактическое отношение свободной  длины балки к ее ширине

 

1. Проверка  условия:

 

 

=

где: – шаг балок настила;

 – ширина сжатого пояса;

 – толщина сжатого пояса;

 – расстояние (высота) между  осями поясных листов;

 модуль упругости стали;

=.

Где: с_1х =1,0565– коэффициент, определяемы по большему значению из формул:

 

– условие выполняется и проверку по формуле  можно не выполнять.

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки.

 

 

Деформации балки не превышают  предельных величин.

Определение расхода стали на один квадратный метр.

 – вес квадратного метра  стального листа принятого настила;

– вес балки настила;

 – принятый шаг вспомогательных  балок;

 – линейная плотность.

 

 

Рисунок 6 – Ячейка балочной клетки усложненного типа

 

3. Сравнение вариантов компоновки балочной клетки

Сравнение вариантов балочной клетки нормального типа (1 вариант) и усложненного типа (2 вариант) представлено в таблице 1.