Расчет и проектирование сварных конструкций

«Расчет и проектирование сварных конструкций».

                                                                                            «Утверждаю»

                                                                      Председатель  ЦМК

Специальности 150203

               Т .В.Моисеева

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по дисциплине

«Расчет и проектирование сварных конструкций»

Раздел 1

                                               Введение

Сварная балка-это горизонтальный элемент каркаса промышленного здания соединяющий верхние концы колонн и испытывающий деформацию изгиба. Они применяются в тех случаях, когда балки стандартных фасонных прокатных профилей не отвечают условиям прочности, жёсткости и устойчивости. В этом случае сварная балка представляет  собой конструкцию полученную сваркой трёх листов. Верхние листы с размерами bf и tf  называются поясами балки; bf –ширина пояса, а tf -толщина пояса; размеры поясов одинаковые. Вертикальный лист с размерами hw и tw называются стенкой;  hf  -высота стенки, а tf  -толщина стенки (рисунок 1).

`

                                                                              Рис.1

                                                          Сварная балка.          

В некоторых случаях для предания большей жёсткости и устойчивости стенки и поясов в конструкции балки предусматривают рёбра жёсткости, которые могут быть одиночными и установлены в шахматном порядке или парными. Расстояние между рёбрами называют шагом. В тех случаях когда сварочные балки рассмотренного поперечного сечения не удовлетворяют условиям прочности, жёсткости и устойчивости применяют сварные балки усиленного поперечного сечения. Они бывают двух видов:

1.Сварочная балка с двумя стенками (рисунок 2)

2.Сварочная балка с четырьмя поясами (рисунок 3)

               Рис.2                                                                                 Рис. 3

Св. балка с двумя стенками              Св. балка с четырьмя поясами                                   

                                                       Раздел 2

         Расчёт и проектирование сварочной балки.

2.1 Определение нагрузки на балку.

Определяем расчётное значение нагрузки на балку, составляем её расчётную схему, строим эпюры поперечных сил и изгибающих моментов:

q=P1n * f1+P2n * f2=12*1,4+1,2*180=232,8 кН/м. Определяем максимальные значения поперечной силы и изгибающего момента:

Q max = =232,8*9/2=1048 кН

M max ==232,8*81/8=2357 кН*м

Максимальная поперечная сила действует на опорах балки, а максимальный изгибающий момент - по середине пролёта балки.

                 RA                                                                     RB

              f max

              RA=RB=1048 кН

       Q max

              Q max

              M max             

          Рис.4 Расчётная схема балки и эпюры Qy и Mu

2.2 Определение размеров поперечного сечения балки.

Определяем требуемый момент сопротивления изгибу поперечного сечения балки. В целях  экономии материала проектируем балку переменного поперечного сечения по длине и, поэтому развитие пластических деформаций можно допустить только по середине её пролёта, где действует максимальный изгибающий момент.

W x = =2357*1000000/1,1*215*1= 9966596 мм3, где

c1=1.1-коэффициент безопасности.

с=1-коэффициент надёжности.

Ry=215 Н/мм2-расчётное сопротивление стали.

Определяем высоту поперечного сечения балки:

h==5*215*9*1000*400*192/24*2*100000*232,8=900 мм, где

=-отношение максимального прогиба к пролёту балки.

Для балок высотой поперечного сечения до 3м. рациональное значение толщины стенки:

t w=7+=7+3*900/1000=9,7мм

Определяем оптимальную высоту поперечного сечения балки

h opt =k=1,1*1013,6489=1115мм, где k=1,1-1,15

Принимаем окончательную высоту поперечного сечения балки 1100 мм, что больше минимальной и почти не отличается от оптимальной высоты, а также не выходит за рамки заданного строительного габарита( таблица 1).

Определяем толщину стенки поперечного сечения балки.

Из условия прочности на срез:

tw= = 3*1047,6*1000/2*1050*1*130=3142,8*1000/274000=11,51 мм, где

Rs=0.58*Ryn=0.58*225=130Н/мм2 - расчётное сопротивление на срез

Ryn=225Н/мм – расчётное сопротивление с учётом пластических деформаций

с=1 – коэффициент надёжности.

Из условия местной устойчивости:

tw==1100/6*0,0335=6,141мм

Сравнивая полученные два значения толщины стенки, окончательно принимаем tw=10мм

Определяем размеры поясных листов.

Требуемая площадь сечения пояса:

Af==9966596/1100-10*1100/6=7227,3

Согласно таблицы 1 сортамента на листовой прокат назначаем высоту стенки балки hw=1050, тогда толщина каждого поясного листа:

tf=1100-1050/2=25мм

и требуемая ширина поясного листа:

bf=7227,3/25=289мм

Согласно таблицы 1 сортамента на листовой прокат принимаем с некоторым запасом листы с размерами bf=320мм и tf=25мм.

Подобранное поперечное сечение балки требует конструкторской проверке. Необходимо, чтобы: tf<3tw  25<30;а также  bf/h=(0.2...0.33)  320/1100=0.29

Подобранные размеры отвечают условиям конструкторской проверки.

Для окончательного утверждения принятых размеров поперечного сечения балки необходимо проверить местную устойчивость сжатого верхнего пояса. Её обеспечивают следующие соотношения:

Местная устойчивость сжатого верхнего пояса балки обеспечена.

Итак, окончательно поперечное сечение балки имеет следующий вид и размеры:

                                  Рис.5 Поперечное сечение балки.

2.3 Проверка балки на прочность.

По назначенным размерам поперечного сечения балки определяем следующие геометрические характеристики:

площадь сечения:

A=Aw+2Af=twhw+2bftf=10*1050+2*320*25=26500 мм2

статический момент площади половины поперечного сечения относительно нейтральной оси Х:

Sx=

момент инерции поперечного сечения относительно нейтральной оси Х:

момент сопротивления поперечного сечения относительно нейтральной оси Х:

Определяем вес одного метра балки и уточняем расчётные усилия:

Нормативный вес одного метра:qbn=p*a*g=7850*265*10 *9.81=2000Нм

p=7850кг/м3 – плотность стали

Суммарная расчётная нагрузка с учётом веса q`=q+qbn=233+2*1,05=236 кН/м

M`max=ql /8= 236*9 /8=2390 кН             Q`max=ql/2=236*9/2=1060кН

Проверяем прочность балки:

по нормативным напряжениям:

c1=1,09 – коэффициент, зависящий от отношения Af/Aw=

по касательным напряжениям:

Прочность балки по нормальным и касательным напряжениям обеспечена.

2.4 Изменение сечения балки.

Так как нагрузка на балку неравномерна, целесообразно спроектированное поперечное сечение балки выполнять не по всей её длине. На концах балки поперечное сечение выполняем уменьшенным. Рекомендуется ширину уменьшенного пояса принимать в два раза меньшим по сравнению с определённым ранее значением, но не менее 180 мм, в нашем случае:

b`f = 320/2=160мм<180мм – отсюда следует, что b`f выбираем равным 180 мм.

Тогда момент инерции уменьшенного сечения относительно нейтральной оси Х будет:

Момент сопротивления уменьшенного сечения относительно нейтральной оси Х будет:

Wx=2lx/h=2*357*10 /1100=6.49*10 мм

Вычисляем предельный изгибающий момент, который может быть воспринят уменьшенным сечением балки без пластических деформаций:

Mu=Rwy*W`x=180*6,49*106=1168*106Нмм=1168кНм, где

Rwy=0.85*Ry=0.85*215=180Н/мм2

Составляем аналитическое выражение изгибающего момента и приравниваем его к Mu:

         z1=7,8м         z2=1,2м

2.5 Проверка прочности изменённого сечения балки.

Проверяем прочность изменённого сечения балки по касательным напряжениям на опорах:

Статический момент половины изменённого сечения балки относительно нейтральной оси Х:

Максимальные касательные напряжения:

-прочность обеспечена.

По приведённым напряжениям:

Нормальные напряжения на уровне поясных швов:

Поперечная сила на расстоянии от опоры z=1.2м:

Статический момент площади сечения пояса относительно нейтральной оси Х:

Sf=Af*hf/2=180*25*(1100-25)/2=242*10 мм

Касательные напряжения на уровне пояса:

Приведённые напряжения:

=1,15 – коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций.

Прочность по приведённым напряжениям обеспечена.

                       Рис.6 Конструкция пояса балки.

           Рис.7 Эпюры нормальных и касательных напряжений.

2.6 Устойчивость балки и её элементов.

                  Рис.8 Размещение балок настила

Балки настила изготавливаем из фасонного проката двутавр No 30 и устанавливаем на проектируемой балке с шагом l0=1м (таблица 11).

На крайних участках балки, где ширина её поясов уменьшена, отношение

Сравниваем это отношение с величиной, полученной по формуле:

=12,9>5, следовательно устойчивость балки обеспечена.

Коэффициенты принимаются по таблице 4.

В средней части балки, где отношение                   допускается развитие пластических деформаций в сечении с максимальным изгибающим моментом. Следовательно наибольшее значение этого отношения необходимо умножить на поправочный коэффициент, который составляет

Тогда,

,  следовательно, общая устойчивость балки обеспечена.

Устойчивость сжатого верхнего пояса уже проверялась в подразделе 2.2.

Проверяем устойчивость стенки:

условная гибкость

, следовательно, условие устойчивости стенки не выполняется и требуются рёбра жёсткости.

2.7Рёбра жёсткости.

Выясним, возможна ли расстановка рёбер жёсткости на расстоянии, равном удвоенному шагу балок настила. Проверим устойчивость стенки с учётом местных напряжений под балкой настила в отсеке, где изменяется сечение балки, т. е. на расстоянии 1м от опоры:

Определим изгибающий момент и поперечную силу в этом месте:

Краевое нормальное напряжение:

Среднее касательное напряжение:

Местное напряжение:

где b=135 – ширина полки двутавра №30.

Коэффициент защемления стенки в поясах:

гдеВ=0,8при прерывном опирании

Отношение сторон отсека:

Отношение напряжений:

- ( табличное значение ) таблица 7.

В этом случае критическое напряжение определяется по формуле

                                                                             , где с2 выбирается из таблицы 8.

Критическое местное напряжение:

                                                                         , где с1 – выбирается из таблицы 6

                                                                             a=2l0=200см

Критическое касательное напряжение:

Найденные напряжения и их критические значения подставляем в формулу:

Результат показывает, что принятая расстановка рёбер жёсткости обеспечивает устойчивость стенки, и нет необходимости укреплять её под каждой балкой настила.

Конструируем рёбра:

Ширина одиночного ребра:

Ширина свеса уменьшенного пояса:

                                                     94<95 – не подходит.

Конструируем парные рёбра жёсткости, ширина которых:

                                                              .Принимаем bh=мм.

Толщина рёбер:

Предусматриваем парную расстановку рёбер жёсткости.

                                      Рис.9 Ребро жёсткости.

                                            Раздел 3.

                    Технологическая часть.

3.1Анализ технологичности.

Для изготовления сварной балки применяется сталь ВСт3пс, относящаяся а к классу низкоуглеродистых сталей и к первой группе по свариваемости. Сварные  соединения из сталей 1 группы свариваемости отличаются высоким качеством, получаются без применения особых приёмов(подогрев при сварке и отпуск после неё).

Заготовки для элементов балки изготовляются из листового проката термической резкой и не нуждаются в дальнейшем в механической обработке.

Все сваренные соединения располагаются симметрично, отсутствует скопление сварных

швов в одном месте, имеется хороший доступ к местам сварки  и  для выполнения контрольных операций.

Сварная балка позволяет применять высокопроизводительные способы сборки и сварки с

применением прогрессивного оборудования и не требует высокой квалификации основных рабочих.

Всё вышесказанное позволяет сделать вывод, что спроектированная сварная балка является технологичной.

3,2Технология сборки и сварки.

Заготовки элементов, полученных термической резкой, правятся на листоправильных вальцах и транспортируются к месту сборки мостовым краном. Сборка осуществляется по разметке на плите модели ПС-2.Х4 с использованием перпендикулярных зажимов. На сборку

поступают сваренные предварительно ручной электродуговой сваркой широкий и узкий пояса с применением V-образной обработки кромок в количестве 2-х штук (верхний и нижний), одна стенка и 14 ребёр жёсткости. На пояс с помощью мостового крана устанавливаем стенку выверяя установку с помощью угольника, и осуществляем прихватку. Затем устанавливаем и прихватываем второй пояс. При сборке должна соблюдаться симметрия и перпендикулярность поясов относительно стенки. Рёбра жёсткости устанавливаем по разметке и прихватываем. При вертикальном расположении балки сварка производится под флюсом двумя автоматами, обеспечивающими высокую производительность. Для  исключения сварочных деформаций производим жёсткое закрепление балки при помощи зажимов к плите. При  сварке используем проволоку СВ-08А диаметром 5 мм и флюс ОСЦ-45 по ГОСТ 9087-69.Применяемый флюс малочувствителен к

ржавчине, даёт плотные швы, стойкий против образования горячих трещин. Сварку ведем в кантователе «в лодочку» с отклонением электрода от оси в 45.

После сварки двутавровой балки необходим контроль симметричности и перпендикулярности поясов относительно стенки.

Рёбра жёсткости привариваем ручной дуговой сваркой электродами Э42.             

После сварки рёбер жёсткости производим визуальный контроль сварных швов, отбиваем шлак, очищаем металл от брызг и транспортируем сварную балку на склад.

3.3Применяемое оборудование.

Для автоматической сварки применяем аппарат тракторного типа АДГ-502,который комплектуется универсальным выпрямителем ВДУ-506.

Для ручной дуговой сварки в качестве источника питания применяем трансформатор ТД-306.