Центрально сжатая колонна решетчатого типа

 Содержание

 

 

 Введение

 Конструкторский раздел

1. Описание конструкции колонны
2. Выбор и обоснование металла сварной конструкции
3. Расчет и конструирование стержня колонны
4. Расчет и конструирование соединительных планок
5. Расчет сварных швов, прикрепляющих планки к ветвям колонны
6. Расчет и конструирование базы колонны
7. Расчет и конструирование оголовки колоны и ее стеков

2Технологический раздел

1. Выбор способа сварки и методов контроля качества сварных соединений
2. Выбор режимов сварки и сварочного оборудования
3. Энергосберегающие мероприятия при проектировании колонны

Список литературы

 

Введение

 

Сварка является одним из наиболее распространенных технологических процессов соединения материалов, благодаря которому создано много новых изделий, машин и механизмов.

В промышленности Республики Беларусь эффективно применяются современные сварочные технологии.

На многих предприятиях широко используется автоматизированная и механизированная сварка в среде защитных газов, контактная точечная сварка, различные новые методы сварки, наплавки, напыления, резки: Идет внедрение робототехнических комплексов, новейших средств технологического оснащения, а также современных методов контроля качества сварных конструкций.

Практически во всех отраслях народного хозяйства находят широкое применение различного рода и назначения конструкции. Они отличаются друг от друга размерами, конфигурацией, принципами действия, способом изготовления. Конструкции изготавливаются при помощи различных технологических процессов, в зависимости от этого они могут быть литыми, кованными, точеными, клееными, штампованными, сварными, а также комбинированными - клеесварными, штампосварными и т.д. К сварным относятся такие конструкции, неразъемные соединения которых выполняются при помощи сварки.

Важной задачей является повышение качества сварных конструкций, решение ее заложено во всех стадиях их создания: при проектировании, при разработке технологического процесса изготовления, транспортировке к месту установки, во время осуществления монтажных работ, включая испытания, а также при эксплуатации.

В последнее время появилась возможность проводить сварочные работы как под водой, так и в космосе.

В Республике Беларуси и за рубежом разработаны и внедряются в производство новые конструкции источников питания сварочной дуги, которые потребляют меньшое количество электроэнергии, оборудование для механизированных автоматизированных способов сварки. К высокопроизводительным заводам Республики Беларусь по изготовлению сварных конструкции можно отнести такие заводы, как МТЗ, МАЗ, БЕЛАЗ, МоАЗ, «Могилевтрансмаш», «Могилевлифтмаш».

На заводе «Могилевтрансмаш» 70% всех работ - сварочные. Продукция выпускаемая этим заводом это: автомобильные полуприцепы, рефрижераторы, гидравлические краны, контейнеровозы для перевозки, панелевозы, трубовозы, лесовозы, мусоровозы, погрузчики. Для изготовления такой продукции главной задачей является качество. Поэтому в 2008 году была произведена модернизация производства. Полностью поменялось сварочное оборудование. Все это позволило получить высокое качество изготовляемой продукции и увеличить ее конкурентоспособность.

 

 

1 Конструкторский раздел

1.1 Описание конструкции колонны

Колонна - это металлическая конструкция которая работает на сжатие и применяется в качестве промежуточных опор для балок, ферм, перекрытий больших пролётов.

Колонна состоит из оголовка, стержня и базы.

Оголовок состоит плиты, вертикальных и горизонтальных рёбер жёсткости и предназначен для установки конструкций нагружающих колонну.

Стержень состоит из двух швеллеров, расположенных полками вовнутрь, соединённых планками. Стержень является основным несущим элементом колонны.

База служит для распределения равномерно по площади опирания и обеспечивает закрепление нижнего конца в фундаменте. База состоит из опорной плиты и траверс.

Сечения элементов выбирают такими, чтобы обеспечить одинаковую жесткость в обоих направлениях. Такие колонны имеют достаточно высокую технологичность в изготовлении и экономичны то затратам металла. С точки зрения экономики еще более рациональны колонны трубчатого сечения. Однако ввиду дефицита труб такие колонны применяются редко.

 

1.2Выбор и обоснование металла  сварной конструкции

 

Выбор материала сварного узла/производится с учётом обеспечения прочности и жёсткости при наименьших затратах на его изготовление, с учётом экономии металла, гарантирование условий хорошей свариваемости при минимальном разупрочнении и /снижении пластичности в зонах сварных соединений, обеспечения надёжности эксплуатации при заданных нагрузках переменных температурах.

В данном курсовом проекте выбрана сталь СтЗпс, которая является низкоуглеродистой, так как содержание углерода до 0.25% и по степени раскисления является промежуточной между спокойной и кипящей. Она содержит такое количество раскислителей, при котором газов выделяется меньше, чем при затвердевании кипящей стали, и поэтому имеет меньшую химическую однородность. Степень раскисления отражается в ее маркировке, например; Ст2кп, СтЗпс и т.д. Она является хорошо свариваемой сталью, так как количество углерода не превышает 0.25%. Химические и механические свойства стали представлены таблицах 1 и 2 соответственно.

 

Таблица1 - Химический состав стали

 

Марка стали	Гост	Содержание элементов , %			/о
		C	Si	Mn	Сг	Ni	Cu
09Г2	19282-73	До 0,12	0,17-0,37	1,4-1,8	До 0,3	До 0,3	До 0,3

 

 

 

 

 

Таблица 2 - Механические свойства стали

Марка стали	ГОСТ	Временное сопротивление разрыву, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, мДж/м2			Расчётное сопротивление, МПа
					При t C
					20	40	70
СтЗпс	380-94	450	310	21	-	-	-

 

1.3 Расчёт и конструирование  стержня колонны

Ориентировочно принимаем коэффициент продольного изгиба φ= 0,8. Определяем требуемую площадь поперечного стержня колонны Атр, см2, по формуле

Атр =N/(Ry* φ)=950/0.8*22.5=53 см2

где N - расчетная нагрузка, кН;

Ry - расчетное сопротивление металла, кН/см

 

Так как сечение колонны состоит из двух швеллеров, находим требуемую площадь одного швеллера, А’тр, см2, по формуле

 А’тр= Атр /2=53/2=26,5см2

По таблицам сортамента подбираем близкую к требуемой площади А'тр действительную площадь поперечного сечения одного швеллера А'д и вписываем геометрические характеристики швеллера:

№ швеллера = 22;

А'д см2 =26,7

Ix, см4 = 2110

IУ, см4 = 151

rх, см = 8,89;

rу, см = 2,37;

z0, см = 2,21

Определяем /действительное значение площади поперечного сечения стержня Ад, см2, .по формуле

АД=2*А'Д=2* 26,7 = 53,4 см2

 

 

 

1.4 Расчёт и конструирование  соединительных планок

 

 

 Рисунок 1 - Стержень сквозной колонны

 

Определяем расстояние lB, см, между соединительными планками 2 в соответствии с рисунком 1, по формуле

 lB = λB * ry = 30*2.37 = 71 см,

где λB – гибкость одной ветви, λВ = 30

 

 

 

Определяем гибкость колоны относительно оси х-х, λx, по формуле

 λx = lp/rx

 

Где lp - расчетная длина стержня колонны, зависящая от закрепления ее концов в соответствии с рисунком 1 ,см;

 lp =hк=1000см;

 rх - радиус инерции, см.

 λx =1000/8.89=112,5

 

Определяем гибкость стержня относительно оси у-у, λу, по формуле

 

 λу = √(λх2- λb2)=√(122,72-302)=108,4

 

Определяем необходимый радиус инерции сечения стержня r`у, см, относительно оси у-у, по формуле:

r`у=lр/ λу=1000/108,4=9,2

Расстояние между ветвями колонны b,см, определяем по формуле:

b= r`у/0.44=9,2/0.44=20,9 см

Определяем геометрические характеристики сечения стержня.

Определяем момент инерции сечения колоны относительно оси y-y, I`y, см4, по формуле:

 

I`y=2(Iy+a2*A`д)=2(151+8,242*26,7)= 3927,7 см4

Определяем расстояние а, см, по формуле

 a = (b/2) –z0 = (20,9/2)-2,21=8,24 см

Определяем действительное значение радиуса инерции сечения стержня относительно оси у-у r``у, см, по формуле:

r``у=√(I’y/ Aд)=√(3927,7/53,4)=8,6 см.

 

Определяем действительную гибкость колоны относительно оси у-у λ`y, по формуле

 λ´y = lp / r``y = 1000/8,6 = 116,3

 

Определяем приведенную гибкость стержня λпр, по формуле:

λпр=√((λ´y)2+( λв)2)=√((116,3)2+(30)2=120,1

Сечение колонны подобрано правильно.

Определяем условную поперечную силу Fycл, кН, возникающую в сечении стержня как следствие изгибающего момента, по формуле:

Fусл = 0,3*АД = 0,3*53,4 =16,02 кН

Определяем силу Т, кН, срезывающую планку, при условии расположения планок с двух сторон, по формуле

Т = Fycл *lB /2b = 16,02*71/2*20,9=27,2 кН

Определяем момент М, кН*см, изгибающий планку в ее плоскости, при условии расположения планок с двух сторон, по формуле:

 M = Fусл*lB/4 = 16,02*71/4 = 284,4 кН*см

Принимаем размеры планок

Высота планки dпл, см

 dпл = 0,5*b= 0,5*20,9 = 10,45см

Толщина планки Sпл., см

 Sпл = dпл/30 =10,45/30=0,35

Толщину планки принимаем Sпл = 1см

1.5 Расчёт сварных швов, прикрепляющих  планки к ветвям колоны

Определяем напряжение τш M, kH/см2, от изгибающего момента в шве, по формуле:

 τш M = M/Wш =284,4/23,7 = 12 кН/см2

Где Wш - момент сопротивления сварного шва, см3 по формуле:

Wш=β*Kf*l2ш/6=0,85*0,8*14,452/6=23,7 см3

Lш=dпл+4=14,45

Определяем напряжение среза в сварном шве τшT, кН/см2, по формуле

 τшT = T/Aш = 27,2/9,8 = 2,8 кН/см2

где Аш - площадь поперечного сечения сварного шва, см .

Определяем площадь поперечного сечения сварного шва Аш, см2, по формуле

 

 Аш = β*kf*lш = 0,85*0,8*14,45 = 9,8 см2

Определяем равнодействующую напряжения τпр кН/см2. по формуле:

τпр=√(( τш M)2+( τшT)2)=√((12)2+(2,8)2)=12,3 кН/см2

1.6 Расчёт и конструирование  базы колоны

База служит для распределения нагрузки от стержня равномерно по площади опирания и обеспечивает закрепление нижнего конца колонны.

База - рисунок 5 - состоит из опорной плиты 3 и двух траверс 4. Для уменьшения толщины плиты, если по расчету она получилась больше номинальной, ее укрепляют ребрами жесткости. Анкерные болты фиксируют правильность положения колонны относительно фундамента.

 

Определяем требуемую (расчетную) площадь опорной плиты Ар, см2, в соответствии с рисунком 5, по формуле

 Ap = N/R бсм

 Ap = 950/0,6 = 1583см2

 

где N - расчетное усиление в колонне, кН;,

R бсм - расчетное сопротивление бетона (фундамента) на смятие;

R бсм = 0,6 кН/см'

 

 

Определяем ширину опорной плиты В, См, по формуле

 

 В = h + 2Smp +2С = 22 + 2*1,2 + 2*10 = 44

 

где h – высота сечения профиля, см

Sтр – толщина траверсы, Sтр = 1,2*Sпл = 1,2*1 = 1,2 см

C – консольная часть опорной плиты, см

 С = 10 см

Определяем длину опорной плиты L, см, по формуле

 L = Ap/B =1583/44=36 см

Определяем действительную площадь опорной плиты Ад, см2, по формуле

 АД = В*LД = 44*36 = 1584см2

Определяем изгибающий момент М1 кН*см, по формуле:

 

 МI = σ*С2/2 = 0,34*102/2=17кН*см,

 

где σб – давление фундамента, кН/см2 , по формуле:

 

 σб = N/Aд = 950/1584 = 0,6 кН/см2

 

где Ад – действительная площадь опорной плиты, см2

 

Определяем изгибающий момент М2, кН*см, по формуле

 М2 = α*σб*h2 = 0,055*0,6*102 = 3,3 кН*см

Α=0,055

 

Определяем изгибающий момент М3, кН*см, по формуле

 

 М3 = β* σб*h2 = 0,06*0,6*102 = 3,6 кН*см

β=0,06

 

Определяем по максимальному из трех изгибающих моментов толщину плиты Soп.пл см, по формуле:

 

Soп.пл=√(6Мmax/Ry)=√(6*17/22.5)=2,1

 

Определяем суммарную длину сварных швов Σlш, см, прикрепляющих траверсу к ветвям колонны, по формуле:

 

 

 Σlш = N/(β*Kf*Rwf) = 950/0,85*0,8*19 = 73,5 см,

 

где β - коэффициент, зависящий от способа сварки;

 Kf - катет сварного шва принимается по наименьшей толщине металла по СНиП 11-23-81 (с.48, таблица 38), см.

 

 

Определяем высоту траверсы hтр, см, по формуле

 hтр = Σlш /4 = 73,5/4 =18,4 см

 

 

 

 

2. Технологический раздел