Расчёт и конструирование элементов балочной клетки

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Кафедра  Строительных конструкций

 

.

 

 

 

 

 

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине металлические конструкции

 

«Расчёт и конструирование элементов балочной клетки»

 

 

 

 

                                                                 Выполнил: студент группы С11-4

                                                                                                           Доц М.В. 

                                                                                                                 

                                                                                Проверил: Денисов М.Г.

                                                                                             

 

 

 

 

 

 

Тюмень, 2014 г.

 

Содержание

 

Задание    3

1. Выбор стали    4

2. Расчёт настила    4

3.  Компоновка  элементов балочной клетки   7

4. Расчёт балок  настила   7

4.1. Подбор  сечения БН   8

4.2. Проверка  прогиба БН    9

5. Конструирование  и расчёт главной балки 10

5.1. Сбор нагрузок  и статический расчёт  10

5.2. Компоновка  составного сечения  11

5.2.1. Определение  размеров стенки   11

5.2.2. Определение  размеров полки  13

5.3. Изменение  сечения балки по длине   15

5.3.1. Определение  внутренних усилий  15

5.3.2. Ширина  уменьшенного пояса балки  16

6. проверка  прочности и общей устойчивости  ГБ   17

6.1. Проверка  прочности   17

6.2. Проверка  общей устойчивость   19

6.3. Проверка  и обеспечение местной устойчивости  стенки   19

7. Размеры  рёбер жёсткости ГБ   21

7.1. Расчёт  опорного ребра  22

7.2. Расчёт  поясных швов  24

8. Конструирование  и расчёт монтажного стыка   25

9. Болтовой  стык пояса   26

10. Болтовой  стык стенки   28

11. Уточнение  собственного веса ГБ   30

12. Конструирование  и расчёт колонны   31

12.1. Сбор нагрузок  и статический расчёт   31

12.2. Подбор  сечения стержня   32

12.3. Расчёт  соединительных пластинок    35

13. Конструирование  и расчёт базы колонны   37

14. Конструирование  и расчёт оголовка колонны   39

15. Расчёт  сопряжения БН и ГБ   41

Список литературы   43

 

 

 

1. Задание

 

Курсовой проект посвящается проектированию и конструктивной разработке основных несущих элементов балочной клетки.

Балочной клеткой называется комплекс, состоящий из настила, укладываемого на систему балок, которые в свою очередь опираются на колонны. В зависимости от схемы расположения балок различают три основных типа балочных клеток: Упрощенный, нормальный и усложнённый. В данном курсовом проекте запроектирована балочная клетка нормального типа.

Исходные данные:

1.Тип балочной клетки – нормальный 

2. Шаг колонн в продольном  направлении (пролёт главной балки) L=13,6 м

3. Шаг колонн в поперечном  направлении l=4,4 м

4. Отметка верха настила H=10,6 м

5. Нормативное значении полезной (временной) нагрузки =21 кПа (кН/)

6. Район строительства – г. Сургут.

 

 

 

 

1. Выбор Стали

Сталь выбираем в зависимости от температуры воздуха наиболее холодных суток в данном районе строительства с обеспеченностью 0,98.

В городе Сургуте температура наиболее холодных суток по СНиП 23-01-99* -48

Значит на СНиП  СНиП 23-81*«Стальные конструкции» принимаем С345 третьей категории. ГОСТ 27772-88

2. Расчёт настила

Толщина настила принимается в зависимости от интенсивности нагрузки на настил:

-=6÷8мм при p<10 кН/;

-=8÷10мм при p=10÷20 кН/;

-=10÷12мм при p=20÷30 кН/;

-=12÷14мм при p>30кН/;

Размеры настила при работе его на изгиб с учётом распора Н можно приближенно вычислять из условия заданного предельного прогиба (Ⅱгруппа  предельных состояний ) по формуле:

 

Где: - пролёт настила, - толщина настила, = – отношение пролёта настила к его предельному прогибу ( для стального настила рабочих площадок производственных зданий при отсутствии крановых путей = 1/150);- нормативное значение нагрузки воспринимаемой настилом  - приведённый модуль упругости стали;  = = = 2,26× кгс/;

E=2,06 модуль упругости стали

µ=0,3 коэффициент Пуассона для стали

 

 

                                                                 

Рис.1

 

 

 

  Помимо нагрузки, определяемой проектным заданием, настил воспринимает собственный вес. Задавшись оптимальной толщиной настила  =11мм, зная объемный вес стали, можно определить значение нормативной нагрузки, действующей на настил:

= +ρ×=21+78,5×0,011=21,86 кН/

Тогда можно определить предельное отношение пролёта настила к его толщине:

 

Из полученного значения и заданной ранее толщины настила допустимый пролёт настила определяется следующим образом:

= 98,8147 = 98,81471,1=108,696 см

Силу распора Н, на действие которой рассчитываются сварные швы, крепящие настил к балкам настила, можно определить по приближенной формуле:

Н=

Где: – коэффициент надежности по нагрузке для действующей равномерно-распределённой нагрузки при полном нормативном значении нагрузки ≥200 кгс/, принимаемый =1,2

Н==326,813 кгс/

Сварные соединения с угловыми швами следует рассчитывать на срез по двум сечениям по формулам:

- по  металлу шва:

 

- по  металлу границы сплавления

 

Где: N=Н=326,813 кгс/; - коэффициенты глубины проплавления шва, принимаемые соответственно 0,9 и 1,05 (автоматическая и полуавтоматическая); – коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I1, I2, II2 и II3(для которых γwf = 0,85 для металла шва с нормативным сопротивлением Rwun = 410 МПа (4200 кгс/см2) и γwz = 0,85 - для всех сталей.); - длина сварного шва (ширина полоски настила, закреплённой неподвижными шарнирами) принимаем=1см ; - расчётное кгс/; будем принимать для электрода типа Э50 ( для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением разрыву до 50 кгс/мм2 ГОСТ 9467-75) ; – расчётное сопротивление металла граници сплавления сварного соединения с угловыми швами , принимаемое

= 0,55= 0,55 =2200 кгс/

- для швов выполняемых ручной сваркой следует применят равным значению временного сопротивления разрыву металла шва, ГОСТ 9467-75* =50 кгс/=5000 кгс/

 – Значение коэффициента  надёжности по материалу. Для  сталей с  не более 5000 кгс/ следует принимать =1,25

 =0,45=0,4549=22,05 кН/=2205кгс/

 для листа по ГОСТ 27772-88=49 кН/м

- коэффициент условной работы  конструкции, принимаем =1

Расчётная высота катета шва, крепящего настил к балке, определяется из условий прочности углового шага на срез:

= = =0,165 см

= = =0,141 см

Конструктивная высота катета сварного соединения должна быть для толщины наиболее толстого из свариваемых элементов 11мм и механизированной сварки тавровое с односторонними угловыми швами 0,6см. Поэтому принимаем 0,6см

Расчётная высота катета сварного шва, крепящего настил к балкам, определяется из условий прочности углового шва на срез:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Компоновка элементов балочной клетки

В случае балочной клетки простого типа. Балки настила (БН) оперяются на главные балки (ГБ) с шагом 0,6-1,6 м при стальном настиле ( в нашем случае а= 1,36 м). Тип сопряжения балок- в уровень.

Рис 2

4. Расчёт балок настила

Балки настила воспринимает следующие нагрузки:

- Полезная нагрузка =21 кПа (кН/);

- Собственный  вес настила  =78,5×0,011=0,8635 (кН/);

-Собственный  вес БН , который в первом приближении ориентировочно принимается равным 1-2% от полезной нагрузки, =0,01×21=0,21 кН/

Для определения интенсивности распределённой нагрузки, действующей на БН, необходимо все нагрузки привести к погонным кН/. Ширина грузовой площади БН равна их шагу, а= 1,36м

Нормативное значение нагрузки, действующей на БН:

=(21+0,8635)1,36+0,21=29,944≈30 кН/

Расчётное значение нагрузки, действующей на БН:

=(211,2+0,86351,05)=35,73 кН/

- коэффициент надёжности по нагрузке, - для действующей равномерно-распределённой нагрузки при полном нормативном значении нагрузки ≥200 кгс/, принимаемый =1,2 ; для металлических конструкций.

Максимальный изгибающий момент ( в середине пролёта балки) равен:

==86,46 кН

Максимальная поперечная сила (опорная реакция балки) равна:

==78,606 кН

Расчётная схема БН и эпюра внутренних усилий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 3

4.1. Подбор сечения

Требуемый момент сопротивления нетто поперечного сечения балки равен:

= = = 209,488

- по ГОСТ 27772-88 для С345 =33,5 кН/

- коэффициент условной работы  принимаем =1,1

 – коэффициент учитывающий  упруго пластичную работу материала. Зависит от вида сечения и  от касательных напряжений. Принимаем =1,12

По сортаменту прокатных профилей выбираем двутавр  № 22 по ГОСТ 8239-72 с моментом сопротивления не сечения не менее требуемого.

Двутавр имеет следующие геометрические характеристики:

h=220мм=22см; b=110мм=11см;  t=8,7мм=0,87см;  A=30,6; =22550 ; =232; = 24 кг =0,24 кН/; d=5,4мм=0,54см

Собственный вес 1 п.м. балок выбранного профиля составляет 0,24 кН/, что очень близко к значению собственного веса ВБ, принятого в первом приближении (=0,21 кН/), поэтому пересчёт нагрузок с учётом действительного веса балки не производим.

Значения касательных напряжений в сечениях изгибаемых элементов должны удовлетворять условию:

= ≤

Где: Q= 78,606 кН –максимальная поперечная сила; I/S=h=22см – высота сечения стенки балки на опоре ; t=d =0,54см – толщина стенки балки на опоре; - расчётное сопротивление стали сдвигу, =0,58=0,583350=1943 кгс/; - коэффициент условной работы принимаем =1,1

= = 661,667 кгс/

=1943 1,1=2137,3 кгс/

(=661,667 кгс/ <=2137,3 кгс/)

Условие выполняется, т.е. опорные сечения БН удовлетворяют условиям прочности по касательным напряжениям.

Проверку общей устойчивости  по. СНиП II-23-81* «Стальные конструкции» пункту 5.16. а  можно не выполнять «при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный (плиты железобетонные из тяжелого, легкого и ячеистого бетона, плоский и профилированный металлический настил, волнистую сталь и т.п.)».

 

4.2. Проверка прогиба

Относительный прогиб однопролётной балки, нагруженной равномерно - распределённой нагрузкой, определяется по формуле:

=

Где - нормативное значение нагрузки. Воспринимаемой БН (кгс/см)

- пролёт БН (см); =2.1× кгс/- модуль упругости стали; -момент инерции сечения БН ()

Для балок рабочих площадок производственных зданий при отсутствии крановых путей []=1/250

= = 0,000512 ;  = 0,000512 ≤0,004

Т.е. сечение БН удовлетворяет требованиям жёсткости.

 

5.  Конструирование  и расчёт главной балки

5.1. Сбор  нагрузок и статический расчёт

 

Балки настила опираются на главные балки равномерно с шагом 1,36 м,  пролёт ГБ составляет 13,6 м , таким образом. Сосредоточенные силы от балок настила можно представить как равномерно распределенную нагрузку. Величина полной нагрузки, действующей на главные балки, складывается из полезно нагрузки собственного веса настила, балок настила и собственного веса ГБ, который ориентировочно принимается равным 2 кН/.

ГБ рассчитывается аналогично БН, как однопролётная балка. Для сбора нагрузок на ГБ ширина грузовой площади равна шагу ГБ или шагу колонн в поперечном направлении –b=4,4 м.

Нормативное значение действующей на ГБ: будешь  

 

  Где:

- фактический вес 1 п.м. БН; -количество БН, приходящихся на грузовую площадь ГБ; - ориентировочный вес 1 м.п. ГБ

 +2= 96,1994+2,747=98,946 кН/

Расчётное значение нагрузки, действующей на ГБ:

=(21=114.87+2.884=117,75 кН/

==2722,38 кН

Максимальная поперечная сила (опорная реакция балки) равна:

 

 

Расчётная схема ГБ и эпюры внутренних усилий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 4

5.2. Компоновка составного сечения

Внутренние усилия, возникающие в ГБ достаточно значительны, поэтому не следует использовать прокатные профили. ГБ проектируется составной.

5.2.1. Определение размеров стенки

Главная балка проектируется переменного по длине сечения и рассчитывается без учёта развития пластических деформаций. Определяющим в компоновке сечения ГБ является подбор размеров стенки балки – высоты и толщины.

Минимальная высота стенки ГБ определяется из условия жёсткости балки с использованием формулы, связующей момент сопротивления сечения W и момент инерции I:

W=I/y

Где y- расстояние от нейтральной оси сечения до крайнего волокна.

Поскольку определяется минимальное значение высоты, используется минимальное значение y.

 

Где - минимальный требуемый момент инерции всего сечения ГБ; - минимальный требуемый момент сопротивления всего сечения ГБ.

Минимальный требуемый момент сопротивления всего сечения ГБ определяется из условия прочности изгибаемых элементов:

 

Минимальный момент инерции сечения ГБ определяется из условия жёсткости ГБ в соответствии с требованием обеспечения допустимого относительного прогиба балки, который для главных балок рабочих площадок производственных  зданий при отсутствии крановых путей составляет