Содержание

1. 
   Задание на выполнение курсового проекта
   
2. 
   Компоновка балочной клетки
   
3. 
   Расчёт настила
   
4. 
   Расчёт балки настила
   
5. 
   Расчёт главной балки
   
6. 
   Расчёт колонны
   
7. 
   Расчёт и конструирование узлов
   
8. 
   Расчет связей
   
9. 
   Список литературы
   

1. 
   Задание на выполнение курсового проекта
   

• 
  Назначение помещения: покрытие перронов вокзала
  
• 
  Номер схемы: 1А
  
• 
  Высота здания: 5.5 м
  
• 
  Толщина защитного слоя: 170 мм
  
• 
  Пролёт: 10м
  
• 
  Шаг: 3 м
  
• 
  Плотность слоя: 1300 кг/м³
  

2. Компоновка балочной клетки

Исходные данные: пролет главной балки L = 10 м; шаг колонн B = 3 м;

высота верха настила H = 5,5 м





Согласно рекомендаций при B<4 м, принимаем балочную клетку нормального типа.

1. 
   Настил;
   
2. 
   Балка настила;
   
3. 
   Главная балка;
   
4. 
   Колонна.
   

3. Расчёт настила
3.1. Выбор марки стали

Настил относятся к III группе конструкций. Назначаем марку стали С 235 - т 50 [1];

Ryn= 235 МПа; Run= 360 МПа; Ry= 230 МПа; Ru= 350 МПа – т 51 [1]

_m=1,025 т 2 [1]

Rs=0.58 Ryn/_m=0.58*235/1.025=195,22 МПа
3.2. Сбор нагрузок на настил
Прикладывается распределённой по площади.

Наименование нагрузки	Нормативные нагрузки	Коэффициент надежности по нагрузкеп 2.2 табл.1 /2/	Расчетные нагрузки
Собственный вес настила	0,471	1,05	0,495
Вес защитного слоя	2,21	1,2	2,65
Полезная нагрузка	4	1,2	4,8

3.3. Определение параметров настила

Прочность настила обеспечена, необходимо обеспечить жесткость
, где
где 1/n₀=[f/a] = п₀=150 - отношение прогиба настила к его пролету, принимается по табл. 19/2/,

E₁=E/(1-ν²)= – цилиндрический модуль упругости:

E = – модуль упругости стали, принимается по табл. 63/1/,

ν - коэффициент Пуассона; ν=0.3.



Назначаем а=1,25 м; кратно L=10м
3.4. Проверка прочности настила

Рассчитаем усилие, действующее на единицу длины сварного шва:



_c=0,9 табл.6/1/;

где ;
А=1*0,006=0,006м²

R_y_c=230*0,9=207 мПа



Условие выполняется, прочность обеспечена.
3.5. Расчёт крепления настила к балке настила

Сварка ручная, тип электрода Э42 (ГОСТ 9467-75)

k_f≥[k_f]

[k_f]_min=5мм – табл.38/1/

l_w=1м – расчет ведется на ед. длины сварного шва.

R_w=180 мПа – табл. 56/1/;

_w=1 – п. 11.2/1/; _=0,7 – табл. 34/1/;

R_wz=0,45R_un=0,45*360=162 мПа – табл. 3/1/;

_с=1 – табл. 6/1/; _wz=1–п. 11.2/1/; _z=1 – табл. 34/1/;

Разрушение по металлу шва



Разрушение по границе сплавления:



Необходимый катет сварного шва определяем по металлу шва:

;

Согласно табл. 38/1/, принимаем k_=5 мм.

Окончательно принимаем: а = 1,25м; t_Н = 6 мм; k_=5 мм.
4. Расчёт балки настила

На балку настила опирается настил. Балка настила представляет собой изгибаемую конструкцию. Опорами балки являются нижележащие конструкции (второстепенные балки, главные балки, несущие стены и т.п.).
4.1. Выбор марки стали

Балка настила относится ко II группе конструкций. Назначаем марку стали C245 табл.50/1/

Ryn= 245 МПа; Run= 370 МПа; Ry= 240 МПа; Ru= 360 МПа – т 51 [1]

_m=1,025 т 2 [1]

Rs=0.58 Ryn/_m=0.58*245/1.025=155,61 МПа
4.2. Выбор расчётной схемы

4.3. Сбор нагрузок

Балка загружена равномерно распределённой нагрузкой по длине





γ_f=1,1÷1,2 – коэффициент надёжности по нагрузке

ρ – собственный вес балки (2÷4% от нагрузки)
4.4. Статический расчёт
Расчётные усилия в балке М_ьах и Q_мах определяем по правилу строительной механики.

21,63 + 21,63 – 10,3*4,2 = 0
Участок 1: 0 ≤ х₂ ≤ 0,6 м

при х₁ = 0, Q₁ = 0; при х₁ = 0,6 м, Q₁ = 6,18 кН

при х₁ = 0, М₁ = 0; при х₁ = 0,6 м, М₁ = -1,85 кНм

Участок 2: 0 ≤ х₁ ≤ 3 м

при х₂ = 0, Q₂ = 15,45 кН; при х₂ = 3 м, Q₂ = -15,45 кН

при х₂ = 0, М₂ = -1,85; при х₂ = 3 м, М₂ = -1,85 кНм

Найдём критическое значение момента на 2-ом участке:





4.5. Предварительный подбор сечения
Балка настила загружена статической нагрузкой, имеет сплошное сечение, следовательно, ее расчет можно выполнять с учетом развития пластических деформаций, тогда требуется момент сопротивления.
где (табл. 6 п7 /1/)
Принимаем номер проката по сортаменту №12






4.6. Поверка балки по первой группе предельных состояний

4.6.1. Прочность по нормальным напряжениям





4.6.2. Прочность по касательным напряжениям





4.6.3. Проверка на совместное действие нормальных и касательных напряжений



;
;


<

4.6.4. Проверка на устойчивость

Согласно пункту 5.16а [1] проверка на общую устойчивость может не выполняться, так как нагрузка передаётся через сплошной жесткий металлический настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный при помощи сварного шва.

4.7. Проверка балки по второй группе предельных состояний

4.7.1. Проверка на жесткость, или проверка предельного прогиба
Прочность обеспечена, если выполняется условие , где т. 40 /1/
Фактический прогиб определяем по правилам строительной механики от действия нормативной нагрузки




=



Прочность обеспечена, окончательно принимаем балку двутаврового сечения №12,

ГОСТ 8239-72
5. Расчёт главной балки

5.1. Выбор марки стали

Главная балка относится ко II группе конструкций. Назначаем марку стали C245 табл.50/1/

Ryn= 245 МПа; Run= 370 МПа; Ry= 240 МПа; Ru= 360 МПа – т 51 [1]

_m=1,025 т 2 [1]

Rs=0.58 Ryn/_m=0.58*245/1.025=155,61 МПа

5.2. Выбор расчётной схемы


5.3. Сбор нагрузок

Балка загружена равномерно распределённой нагрузкой по длине

;



γ_f=1,1÷1,2 – коэффициент надёжности по нагрузке

ρ – собственный вес балки (2÷4% от нагрузки)
5.4. Статический расчёт
Расчётные усилия в балке М_ьах и Q_мах определяем по правилу строительной механики.
Расчётные усилия в балке М_ьах и Q_мах определяем по правилу строительной механики.


202,4 – 202,4 = 0
Участок 1: 0 ≤ х₁ ≤ 10 м

при х₁ = 0, Q₁ = 101,2кН; при х₁ = 10 м, Q₁ = -101,2 кН

при х₁ = 0, М₁ = 0; при х₁ = 10 м, М₁ = 0 кНм

Найдём критическое значение момента на 1-ом участке:






5.5. Предварительный подбор сечения
Балка настила загружена статической нагрузкой, имеет сплошное сечение, следовательно, ее расчет можно выполнять с учетом развития пластических деформаций, тогда требуется момент сопротивления.
где (табл. 6 п7 /1/)
Принимаем номер проката по сортаменту № 45





5.6. Поверка балки по первой группе предельных состояний

5.6.1. Прочность по нормальным напряжениям





5.6.2. Прочность по касательным напряжениям





5.6.3. Проверка на совместное действие нормальных и касательных напряжений



;
;


<

5.6.4. Проверка на устойчивость

Согласно пункту 5.16а [1] проверка на общую устойчивость может не выполняться, так как нагрузка передаётся через сплошной жесткий металлический настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный при помощи сварного шва.

5.7. Проверка балки по второй группе предельных состояний

5.7.1. Проверка на жесткость, или проверка предельного прогиба

Прочность обеспечена, если выполняется условие , где т. 40 /1/
R_В = 101,2 кН; R_А = 101,2 кН





=


Прочность обеспечена, окончательно принимаем балку двутаврового сечения № 45,

ГОСТ 8239-72
6. Расчёт колонны

6.1. Выбор марки стали

Колонна относится к III группе конструкций (табл./50/1/). Принимаем марку стали С235.

R_yn=245 МПа; R_un=365 МПа; R_y=240 МПа; R_u=355 МПа – табл. 51/1/; _m=1,025–табл.2/1/; R_s=0,58
R_yn/
_m=0,58

245/1,025=138,63 МПа–табл. 1/1/;

6.2 Выбор расчетной схемы

Расчетная схема колонны:

• 
  в плоскости х–х: жесткое сопряжение с фундаментом; верхний конец свободен от закреплений
  
• 
  в плоскости y–y: шарнирное сопряжение с фундаментом; верхний конец закреплен от перемещений, промежуточные закрепления
  

- геометрическая длина колонны

- расчетная длина в плоскости x-x;

– расчетная длина в плоскости y-y;

6.3. Сбор нагрузок на колонну

На колонну действуют опорные реакции балок опирающиеся на неё.

кН,

Где кН – опорная реакция главной балки.

кН,

Где м² - грузовая площадь колонны;

кН/м² – расчётная нагрузка на настил.







Расчет относительно материальной оси.

Сечение стержня подбираем относительно материальной оси y-y. Задаемся гибкостью λ=70 и находим соответствующее значение φ=0,754
(табл.72/1/).

Требуемая площадь сечения:



и радиус инерции iх_,тр=l_х/λ=980/70=14 см.

По сортаменту принимаем 2 швеллера [ 14 со значениями A и i, близкими к требуемым:


h=140 мм; b_п=58 мм; t_п=8,1 мм; t_ст=4,9 мм; J_x=493,0см⁴; J_y=51,5
см⁴; i_x=5,61 см; i_y=1,81см; A=15,6 см²; cечение ориентируем по осям

Сечение ориентируем по осям .Ось x-x совпадает с осью х. Материальная ось совпадает с плоскостью главной балки.

Расчет относительно свободной оси.

Определяем расстояние между ветвями колонны из условия равноустойчивости колонны в двух плоскостях λ_пр=λ_y.

Гибкость относительно свободной оси х-х:

.

Принимаем λ₁=30; λ_х=l_х/i_х=980/5,61=174,6;

находим .

Полученной гибкости соответствует радиус инерции i_у=l_у/λ_у=490/172 =2,84 см

по табл. 72/1/ при помощи интерполяции находим φ = 0,2





Устойчивость колонны обеспечивается.



Проверка сечения колонны относительно свободной оси (у-у):

Для этого определяем геометрические характеристики всего сечения (геометрические характеристики ветвей даны в сортаменте):

J₁=51,5 см⁴; i₁=1,81 см; z₀=1,82 см; b_тр=2*58=116 см;



Радиус инерции сечения стержня относительно свободной оси:



Гибкость стержня относительно свободной оси:





по табл.72/1/ при помощи интерполяции находим φ = 0,2



Устойчивость колонны в плоскости x-x обеспечена.

Сечение колонны подобрано рациональным.
7. Расчет и конструирование узлов.

7.1. Опирание балки настила на главную балку



7.1.1. Проверка устойчивости опорной части балки настила

Устойчивость опорной части обеспечивается при условии:

, где:

= 15,45 кН – опорная реакция балки настила; φ_оп,ч - коэффициент устойчивости опорной части, определяется по табл.72/1/ в зависимости от λ_оп.ч; А_оп.ч – площадь сечения опорной части:





b_п – ширина полки главной балки; t – толщина стенки балки настила.

где:

h – высота стенки балки настила;

- радиус инерции опорной части;

J_оп.ч - момент инерции опорной части относительно продольной оси стенки.



=> 0,756 <

Условие выполняется, установка опорных рёбер не требуется.

7.1.2 Установка поперечных ребер
Условная гибкость стенки:



следовательно укрепляем стенку поперечными ребрами из условия устойчивости стенки
Принимаем:

• 
  - шаг ребер
  

- высоту ребра назначаем h_р= 420 мм;

- ширину ребра;

- толщину ребра согласно сортаменту на сталь t_р=10 мм;
Определяем критические напряжения:



где С_cr=при помощи интерполяции принимается по табл. 21/1/, в зависимости от δ;

;

β= 0,8– табл. 22/1/;

;

где;

=1.57 так как hcт < a

Проверим на устойчивость стенку балки, укрепленную поперечными ребрами среднего и крайнего отсека.

- табл.6/1/.

,











Устойчивость отсека обеспечивается.

7.1.3 Проверка устойчивости стенки главной балки от действия местной нагрузки

Прочность стенки обеспечивается, если:
, где:
F_оп –опорная реакция балки настила;

l_ef=b+2t_n –условная длина распределения нагрузки;

b –ширина опорной части балки настила;

t_ст – толщина стенки главной балки;

t_п – толщина полки балки настила.





Прочность от действия местной нагрузки обеспечивается.
7.2Оголовок колонны коробчатого сечения из прокатных профилей



Рис. Оголовок колонны

1. 
   опорная плита, 2- опорное ребро, 3- окаймляющее ребро
   

Размеры опорной плиты назначаются конструктивно:

t_pl=10 мм; b_pl=116 мм; h_pl=240 мм,

Опорное ребро.

Высота опорного ребра назначается из условия прочности сварных швов:

R_w=180 МПа – табл. 56/1/; _w=1–п. 11.2/1/; _с=1,1–табл. 6/1/; _=0,7–табл. 34/1;

R_wz=0,45R_un=0,45365=164,3 МПа –табл. 3/1/; _z=1,0–табл. 34/1/; _wz=1–п.11.2/1/;

Разрушение по по металлу шва:



Разрушение по границе сплавления:



Необходимую длина сварного шва определяем при разрушении по металлу шва:

;

где – опорная реакция главной балки;

h_p=l_w +1=0,36+1=1,36 см.

Конструктивно назначаем высоту реба h_p=20 см, толщину t_Р=10мм.

Поперечное сечение опорного ребра определяется из условия прочности смятия торцевой поверхности

– площадь опорного ребра;

где , табл. 1/1/.

, принимаем t_p=10 мм тогда b_p=2,8/2*1=1,4 см принимаем b_p=60 мм;

Нижнее окаймляющее ребро. Назначаем ширину ребра b_ок.р= 116мм < H = 140 мм, толщину t_ок.р–10 мм.
База калонны



Рис. База с ребрами жесткости

1 – стержень колонны, 2 – ребро, продолжение стенки, 3 – ребро продолжение полки



а) Определение площади опорной плиты

– требуемая площадь плиты.

;

где ,

N=q_рс_р-усилие действующее на рабро, с_р - длина ребра.

,- погонная нагрузка на ребро

d_р - ширина грузовой площади ребра

α = 1 для бетонов ниже класса В 25;

А_ƒ = 2500 см² – площадь фундаментной плиты (50×50см);

А_pl = 1010,6 см² (32,6×31см) – площадь базы колонны ;

R_b = 8,5 МПа – расчетное сопротивление бетона класса 15 при местном сжатии.

Принимаем плиту размером 32,6×31
см, А_pl = 1010,6
см², а фундамент размером 50×50см , А_ƒ = 2500 см².

б) Определение толщины плиты:

Фактическое давление под плитой:



Рассматриваем три участка :

• 
  консольные участки плиты (участок №1),
  
• 
  участок опертый на три стороны,
  
• 
  участок опертый по контору (участок №3).
  

Выделяем на первом участке плиты полосу шириной 1 см и определяем момент:



Участок №2 работает как плита, опертая на три стороны, т.к. выполняется условие:

, ;



Участок №3 работает как плита опертая на четыре стороны, т.к. выполняется условие:

, ;



Толщина плиты определяется из условия

;

– требуемый момент сопротивления сечения плиты определяем по 2 участку.

– толщина плиты при ширине полосы в 1см;

Принимаем t_pl=20мм.

в) Расчет траверсы колонны

Усилие с колонны передается на траверсу через сварной угловой шов. Соединение осуществляем ручной сваркой электродами Э42,

марка проволки Св-08А.

Определяем расчетные характеристики сварного углового шва:

R_w=180 МПа–табл. 56/1/; _w=1 –п. 11.2/1/; _с=1,1–табл. 6/1/; _=0,7 – табл. 34/1;

R_wz=0,45R_un=0,45365=164,
3 МПа–табл. 3/1/; _wz=1–п. 11.2/1/; _с=1,1– табл. 6/1/;

_z=1,0 – табл. 34/1/;

разрушение по металлу шва:



разрушение по границе сплавления:



Расмчетная длина сварного шва определяется по металлу шва:

,

где k_ƒ=10 мм – катет сварного шва; n=4 – количество швов;

Геометрические размеры траверсы.

Примем толщину ребра t_р=10
мм.

Принимаем h_р=200 мм; (конструктивная длина сварного шва 200-10=190 мм).

Проверка прочности ребра.

– погонная нагрузка на ребро;

где d_р=В_pl/2=0.326/2=0.163 –ширина грузовой площади ребро.

Расчетная схема ребра – это однопролетная балка с консолями

Расчетные усилия в ребре:




Определение геометрические характеристики сечения

A₁=20 см²; A₂=31см²;

; ;




;

Проверка прочности по нормальным напряжениям:





Прочность обеспечена.

Проверка прочности по касательным напряжениям:





Прочность обеспечена.

Проверка прочности от совместного действия нормальных и касательных напряжений:

;



Прочность от совместного действия нормальных и касательных напряжений на опоре обеспечена.

Проверка прочности сварных угловых швов соединяющих ребро и колонну от действия нормальных и касательных напряжений:



;



;

;

Прочность обеспечивается.

Анкерные болты назначаем конструктивно d=20 мм.

Проверка прочности фундамента:



Условие прочности выполняется.

8. Расчёт связей

Сечение связей подбираем по предельной гибкости для растянутых элементов.

[λ] = 300 -табл.20/1/.

– требуемый радиус инерции;

где – расчетная длина в плоскости x-x

Расчетные длины связей



По сортаменту принимаем два неравнополочных уголка 56×36×5: B=56 мм; b=36 мм; d=5 мм; А=4,41 см²; J_x=13,80 см⁴; J_y=4,48 см⁴; i_y=1,01 см;

Определяются геометрические характеристики:

- момент инерции составного сечения в плоскости x-x.

- момент инерции составного сечения в плоскости y-y;

Гибкость в плоскости

Проверка устойчивости в плоскости x-x:

- радиус инерции

- расчетная длина.

Гибкость в плоскости x-x

Условие устойчивости в плоскости x-x выполняется.
8. Список литературы

1. 
   СНиП II – 23 – 81. Стальные конструкции. Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 96 с.
   
2. 
   СНиП 2.01.07 – 85. Нагрузки и воздействия. Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 36 с.
   
3. 
   Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов/ Е.И.Беленя, В.А.Балдин, Г.С. Ведерников и др.; Под общей редакцией Е.И.Беленя.- 6-е изд., перераб. И доп. – М.: Стройиздат, 1986. – 560с.
   
4. 
   Металлические конструкции. В 3-х т. Т.1. Элементы конструкций: Учеб. Пособие для строит. Вузов/ В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В.Филиппов и др.; Под ред. В.В.Горева. – М.: Высш. Шк. 1997. – 527 с.: ил.
   
5. 
   Металлические конструкции. В 3-х т. Т.2Конструкции зданий: Учеб. Пособие для строит. Вузов/ В.В.Горев, Б.Ю.Уваров, В.В.Филиппов и др.; Под ред. В.В.Горева. – М.: Высш. Шк. 1999. – 528с.: ил.
   
6. 
   Расчет стальных конструкций: Справ. пособие / Я.М. Лихтарников, Д.В. Ладыжский, В.М. Клыков. – 2-е изд., перераб. И доп. – Киев: Будивельник, 1984. – 386с.
   
7. 
   Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно – теоретический. В 2-х т. Т.1 /Под ред. А.А.Уманского. – 2-е изд., перераб. и доп. – М: Стройиздат, 1972. –600с.
   
8. 
   Стальные конструкции. Справочник конструктора. Изд.3-е, перераб. и доп. Под общ. ред. Н.П.Мельникова. М., Стройиздат, 1976. 328 с.
   
9. 
   Швеллеры стальные горячекатаные. ГОСТ 8240-97.
   
10. 
    Двутавры стальные горячекатаные. ГОСТ 8239—89.
    
11. 
    Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. ГОСТ 26020—83.
    
12. 
    Сталь листовая горячекатаная. (выборка из ГОСТ 19903-74^*).
    
13. 
    Сталь прокатная широкополосная универсальная. ГОСТ 82-70^*.
    
14. 
    Уголки стальные горячекатаные равнополочные. (выборка из ГОСТ 8509-93).
    
15. 
    Уголки стальные горячекатаные неравнополочные. ГОСТ 8510-86.
    
16. 
    Швеллеры стальные гнутые равнополочные. ГОСТ 8278-83.