Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого
Президента России Б.Н. Ельцина»

Курсовой проект

по курсу «Металлические конструкции»



Расчет и конструирование основных несущих конструкций стальной балочной площадки







 



                                                                        

                                                Студент: Михеенков В.М.

                                                                 Группа: С – 47022

                                                                 Преподаватель: Кудрявцев С.В.

          
Екатеринбург

2010

                                   Содержание.

1.	Компоновка балочной клетки			3
2.	Расчет прокатных балок			4
3.	Расчет составных балок			7
4.	Узлы главной балки:
			Узел1: Опорный узел главной балки	16
			Узел 2: Монтажный узел главной балки	17
			Узел 3: Узел сопряжения главной балки и балки     настила	18
5.	Расчет колонн сплошного сечения			19
6.	Расчет колонн сквозного сечения			23
7.	Узлы колонны:
		База колонны		26
		Оголовок колонны		28

                                        Компоновка балочной клетки.
            Рассмотрим 2 варианта компоновки балочной клетки и на основании экономического сравнения по расходу материала на балки настила и настил выберем вариант для дальней шей разработки. Учтем, что при железобетонном настиле шаг балок настила 1,5-3,5 м (а - шаг балок настила).

1 вариант:

                        а=3.0 м четное число шагов





2 вариант:

                        а=2 м нечетное число шагов

																															2				2
			2				2				2				2				2				2				2

               

              




                                           Расчет прокатных балок.



Расчетная схема балки





q – расчетная погонная нагрузка


1.     Определение постоянной нормативной нагрузки от пола.







g^н – нормативная постоянная нагрузка от пола

g^н = g_кер*t_кер + g_стяж*t_сяж = 1600*0,02 + 2200*0,03 = 98 кг/м²

по табл. 2 при а₁ = 3 м и Р_н = 25 кН/м² t_наст. = 14 см.

g^н_наст = 2200*0,14 = 308 кг/м² = 3,08 кН/м²

S g^н = 3,08 + 0,98 = 4,06 кН/м²

по табл. 2 при а₂ = 2 м и Р_н = 25 кН/м² t_наст. = 12 см.

g^н_наст = 2200*0,12 = 264 кг/м² = 2,64 кН/м²

S g^н = 2,64 + 0,98 = 3,62 кН/м²
2.     Определение нормативной погонной нагрузки на балку настила.

q^н = (Sg^H + P^H)*a*g_n

g_n  = 1,0 – коэффициент надежности по назначению.

q1н = (4,02 + 25)*3,0*1,0 = 87,06 кН/м

q2н = (3,62 + 25)*2,0*1,0 = 57,24 кН/м

3. Определение расчетной погонной нагрузки на балку настила.

q = (Sg^H*g_f1 + P^H*g_f2)*a*g_n

g_f1 = 1,1; g_f2 = 1,2 – коэффициенты надежности по нагрузке

q1 = (4,02*1,1 + 25*1,2)*3*1,0  =103,3 кН/м

q2 = (3,62*1,1 + 25*1,2)*2*1,0 =68,0 кН/м

4.     Определение максимального расчетного изгибающего момента.





5.     Предварительный подбор сечения балки

По сортаменту принимаем:
I № 50 с Wx = 1598 cм3	I № 40 с Wx = 953 cм3
Общая масса балок настила:
78,5*5,0*7 = 2747,5 кг	57*5,0*9 = 2565 кг

     

Для дальнейшей разработки принимаем 2 вариант компоновки балочной клетки с

а = 2 м.

I_x = 19062 cm⁴

S_x  = 545 cm³

t_w = 13,0 mm = 1,3 cm
6.     Проверка подобранного сечения.

- по первой группе предельных состояний

            Проверка максимальных нормальных напряжений:



Недонапряжение7,1% < 10%

6.2. Проверка максимальных касательных напряжений



                     Проверка общей устойчивости не требуется, т.к. верхний сжатый пояс балки развязан настилом.

                     Проверка местной устойчивости элементов балки не требуется, т.к. она обеспечивается сортаментом.
- по второй группе предельных состояний





Расчет составных балок.(сварка)
                                                                             
l = 18,0 м – пролет главных балок

В = 5,0 м – шаг главных балок

g^н = 3,62 кН/м² – постоянная нормативная нагрузка

Р^н = 25 кН/м² – временная нормативная нагрузка

g_f1 = 1,1; g_f2 = 1,2 – коэффициенты надежности по нагрузке

- предельный относительный прогиб

материал балки – сталь 245
1.     Составление расчетной схемы.
         Т.к. на балку действует 7 сосредоточенных сил (7 балок настила), то нагрузку на главную балку считаем равномерно распределенной.


2.     Определение погонной нагрузки

            нормативной – q^н



g_n = 1,0 – коэффициент надежности по назначению

q^н = (3,62+25)*5*1,0 = 143,1 кн/м

            расчетной – q



q = (3,62*1,1+25*1,2)*5*1,0 = 169,91 кН/м

3.     Определение максимальных усилий в балке

           
максимальный расчетный изгибающий момент



a = 1,04 – коэффициент учитывающий собственный вес балки



           
максимальный нормативный изгибающий момент





           
максимальная поперечная сила



4.     Подбор и компоновка сечения главной балки

                                          

R_y = 24 кН/см² – расчетное сопротивление по пределу текучести

g_с = 1,0 – коэффициент условий работы





            4.1. Определение высоты балки

Оптимальная высота балки – это такая высота балки, при которой масса балки минимальна.



k = 1,15 – для сварных балок

h = (1/8 – 1/10)l = 1/10 * 18,0 = 1,8м

t_w = 7+3h = 7+3*1,8 = 13,0 мм



Минимальная высота балки – это такая высота, при которой прогиб балки максимально-возможный, т.е. равный допустимому




Принимаем высоту балки h = 170 см.

Проверим толщину стенки из условия прочности ее на срез.



- в балке оптимального сечения



R_s = 0,58R_y – расчетное сопротивление срезу



Принятая t_w = 13 мм удовлетворяет условию прочности на срез.

           

4.2. Компоновка поясов балки

I_x = I_2f + I_w, где

I_х – момент инерции сечения балки

I_2f - момент инерции поясов

I_w - момент инерции стенки



Принимаю t_f = 36мм =3,6см

h_w = h – 2t_f = 170- 2*3,6 = 162,8 см

h_f = h – t_f = 170 –3,6 = 166,4см



I_2f = – = 2002391 cm⁴






Конструктивные требования

1) b_f = (1/3 – 1/5)h - условие общей устойчивости

57см > 42см > 34см

2) - технологическое требование

     

3) b_f ³ 180 мм – монтажное требование

            b_f = 420 мм > 180 мм

Конструктивные требования:

1)      t_f = 10 ¸ 40 мм: 10 мм < 18 мм < 40 мм

2)      t_w = 6 ¸ 16 мм: 6 мм < 10мм < 16 мм

3)     
Определение геометрических характеристик:








4.     Проверка подобранного сечения

           
Проверка устойчивости относительно оси
Y-
Y





j_y ® f(l_y)

j_y = 0,776


           
Проверка местной устойчивости полки













10,83 < 17,21 Þ местная устойчивость полки обеспечена.
           
Проверка местной устойчивости стенки

l_w £ [l_w]









36,4 < 60,35 Þ местная устойчивость стенки обеспечена.


                  Расчет колонн сквозного сечения.

Пункты 1, 2 аналогичны расчету колонн сплошного сечения

4.     Подбор и компоновка сечения:

      

Принимаю 2 Ι № 45 SА = 2*84,7 = 169,4 см², i_x = 18,1 см, i_y = 3,09 см, b_f=160 см,I_y=808 см4

Iy= 27696 см⁴



«b» - определяем из условия равноустойчивости

l_х = 1,2l_у



a_х = 0,39  a_у = 0,50



 см, принимаю b = 45 см

х  = b-b_f = 450-160 = 290см

                 Компоновка планок

                  t_пл = (6 ¸ 16) мм, принимаю t_пл = 12 мм

                  d_пл = (0,6 ¸ 0,8)b, принимаю d_пл = 30см

                  i_1-1 = 3,09 см

                  l £ 40 i_1-1 = 40*3,09 = 123,6 cм

                  принимаю l = 120 см

                  l_b = l – d_пл = 120 – 30 = 90 см
Проверка подобранного сечения

1.     
Проверка устойчивости относительно материальной оси Х:







j_x = 0,949



2.     
Проверка устойчивости относительно свободной оси
Y:





l_ef – приведенная гибкость относительно оси Y.

Погонная жесткость планки:



Погонная жесткость ветви:



Отношение погонных жестокостей планки и ветви:







  ()







3.     
Проверка устойчивости отдельной ветви:




                               Расчет базы колонны.

1. Расчет опорной плиты.

           
Определение размеров опорной плиты в плане:

Площадь опорной плиты определяется из условия прочности материала фундамента.

Принимаю для фундамента бетон класса В10 с R_пр = 6 МПа





ψ – коэффициент, учитывающий отношение площади обреза фундамента к площади опорной плиты = 1.2.
В = b + 2t_тр + 2C = 40+ 2*1,2 + 2*8,8 = 60 см

 b – ширина сечения колонны = 40см

t_тр – толщина траверса = 1.2 см

с- консольный участок = 8,8 см

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

L = A / B = 4417,67 /60= 73,62 см

Принимаю L = 75 см

Фактическая площадь опорной плиты:

А _оп.пл = 75*60 = 4500 см²
           
Определение толщины опорной плиты.



q_б = s_б*1см = 0,72 * 1см = 0,72 кН/см

Система траверс и стержня колонны делит плиту на 3 типа участков.


Участок 1 – консольный:



Участок 2 – опертый по 4 сторонам:

Большая сторона участка : b1 = hw = 40см

Меньшая сторона участка: а1 = bef = 19.5см



М₂ = q_б*19,5²*a



М₂ = 0,71*19,5²*0,096 = 25,91 кН*см

 Участок 3 – опертый по 3 сторонам:

М₃ = q_б*40²*b

<  0,5

При таких соотношениях сторон участка плита работает как консоль с длиной консоли 1 см. Следовательно, момент на участке 3 меньше момента на консольном участке 1.
Сравнивая моменты М₁, М₂, М’₃ выбираем M_max = М₁ =27,49кН*см



g_с = 1,2 для опорной плиты

Принимаю толщины опорной плиты 25мм.

Конструктивные требования:

t_оп.пл = (20 ¸ 40) мм ® 20 <25 <40.



Расчет траверсы

           
Определение высоты траверсы:



Назначаем вид сварки: полуавтоматическая, в качестве сварного материала используется проволока СВ-08.  Задаемся катетом шва k_f=1,2 мм

Принимаю полуавтоматическую сварку, сварочный материал Св-08А, R_wf = 180 МПа.

Определяю менее прочное сечение шва

R_wf*b_f = 180*0,7 = 126 МПа

R_wz*b_z = 0,45*370*1 = 162 МПа

В дальнейшем расчет угловых швов веду по металлу шва.

R_wf – расчетное сопротивление угловых швов срезу (условному) по металлу шва

g_wf – коэффициент условий работы шва

g_с – коэффициент условий работы конструкции

S_lw – расчетная длина шва

b_f – коэффициент, принимаемый при сварке элементов из стали с пределом текучести до 580 МПа по табл. 34 СНиПа II-23-81*




Принимаю h_тр = 55 см
           
Проверка прочности траверсы:

Проверку прочности траверсы производим в месте крепления траверсы к ветви колонны.

q_тр – погонная нагрузка на траверсу

 кН/см





Приведенное напряжение в траверсе:



  1,15R_yg_c = 1,15*24*1 = 27,6 кН/см²

12,79 кН/см² < 27,6 кН/см²

Анкерные болты принимаем конструктивно d = 24 мм

                                         

Расчет оголовка колонны.

 Назначаем вид сварки: полуавтоматическая, в качестве сварного материала используется проволока СВ-08.  Задаемся катетом шва k_f=3,0 мм

Опирание главных балок на колонну сбоку

t_оп.ст. = t_оп.л. + (15 ¸ 20 мм) = 22+20 = 42 мм

Принимаю 45 мм       





Принимаю h_оп.ст = 60 см




                                             Литература.

1.      СНиП II-23-81*. Нормы проектирования. Стальные конструкции.

2.      М/у к выполнению курсового проекта по курсу «Металлические конструкции – Расчет и конструирование основных несущих конструкций стальной балочной площадки» – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007.

3.      ГОСТ 82-70: Прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный

4.      ГОСТ 8239-89: Двутавры стальные горячекатаные

5.      СНиП 2.02.07–85*. Нагрузки и воздействия.

6.      Беленя Е.И. Металлические конструкции: учеб. для строит. вузов  . М.:, 2007.

7.      ГОСТ 19903-74: Сталь листовая горячекатаная