Балочная клетка. 5

                                                                                                                                                                                                                                                  Министерство образования и науки РФ

Казанский государственный  архитектурно-строительный университет

 

 

 

 

Кафедра металлических конструкций

и испытания  сооружений

 

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

«Балочная клетка»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                             Выполнила: ст.гр. 9ЭХ-301

                                                                               Уфимцева Е.А.

                                                                         Проверил: Моисеев М.В 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань 2012

 

Содержание

 

     Введение………………………………………………………………………………3

     Исходные данные…………………………………………………………………….4

1. Компоновка балочной клетки………………………………………………........5                                                     
2. Расчет несущего настила…………………………………………………………7
3. Расчет балок настила……………………………………………………………...9
4. Расчет главной балки…………………………………………………………….11
1. Определение нагрузок и расчетных усилий………………………………..11
2. Подбор сечения прокатной балки…………………………………………...12
3. Проверка прочности и прогибов балок…………………………………….13
4. Расчет опорных ребер………………………………………………………..14
5. Расчет узлов сопряжения балок……………………………………………..16
5. Расчет колонны……………………………………………………………………18
1. Расчет стержня сплошной колонны………………………………………....19
2. Расчет базы колонны…………………………………………………………20
3. Конструирование оголовков колонн………………………………………..22
6. Оформление графической части курсовой работы…………………………….25

Литература……………………………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Разработка  проекта балочной клетки имеет своей  целью закрепить теоретические  знания по соответствующему разделу  курса и дать необходимые навыки в расчете и конструировании  металлических конструкций.

По характеру  рассматриваемых и решаемых задач  курсовая работа разделена на две  основные части: расчетную и графическую. В расчетной части выбирается вариант балочной клетки, выполняются  расчеты настила, балок настила, главных балок, колонн, деталей и  узлов.

В графической  части составляются чертежи балочной клетки в стадии КМ и КМД. В этой части разрабатываются: монтажная схема балочной клетки с маркировкой всех элементов, чертежи отправочных марок главной и вспомогательной балок, колонны, а также узлов сопряжения конструкций. Составляется спецификация стали и таблица отправочных марок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные  данные

Исходные  данные задания на проектирование определяются по табл.1 в соответствии с шифром, устанавливаемом по последней и  предпоследней цифрам номера зачетной книжки согласно табл.2.

Номер зачетной книжки:

Шифр: 9259

Продольный  шаг колонн L= 9м

Поперечный  шаг колонн l= 4м

Нормативная полезная нагрузка p =600 кг/м²

Толщина настила  t = 4мм

Высота колонн h_k = 6м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Компоновка балочной клетки

Система несущих  балок, образующих конструкцию перекрытия, называется балочной клеткой. Балочные клетки подразделяют на три основных  типа: упрощенный, нормальный и усложненный. В курсовом проекте разрабатывается  нормальный тип балочной клетки. В  нормальной балочной клетке балки настила  опираются на главные балки, которые  устанавливаются на поддерживающие конструкции (колонны) в направлении  большого пролета. Сопряжения балок  между собой выполняются в  одном уровне (рис.2).

Основные  размеры балочной в плане и  по высоте устанавливаются заданием на проектирование балочной клетки.

Шаг балок  настила определяется по несущей  способности настила. При стальном настиле он может быть в пределах 0,6 – 1,6 м. для упрощения узлов  сопряжения балки настила не следует  размещать в местах опирания главных балок на колонны.

После компоновки выполняется расчет настила, балок  настила и главных балок, узла опирания балок настила на главные балки, сплошной колонны, базы колонны и конструируется оголовок колонны.

 

 

Рис.1. Нормальный тип балочной клетки

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Сопряжение балок в одном уровне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Расчет несущего настила

В качестве настила чаще всего применяют  стальные листы. Стальной настил крепится к балкам с помощью сварки (рис.3) и рассчитывается на прочность и  жесткость.

Из расчета  на жесткость определяется пролет настила  при заданной толщине по формуле:

 

l_H – пролет настила, t_H – толщина настила;

 

 – модуль упругости стали при цилиндрическом изгибе.

- нормативная длительная нагрузка на настил, которая равняется полезной нагрузке по заданию.

 

Пролет настила  следует принять кратным пролету  главных балок. Следовательно, принимаем  пролет настила равным 1 метр

Таким образом, при продольном шаге колонн , получается 10 балок в пролете.

Растягивающее усилие в настиле, по которому рассчитываются сварные швы, крепящие настил к балкам, находят по формуле:

 

 – коэффициент надежности по полезной нагрузке, определяемой по[3], (

 – предельный прогиб [4], равный 1/120 при , 1/150 при (промежуточные значения при интерполяции)

 

Расчетную толщину  углового шва, прикрепляющего настил к  балкам, находят по формулам и принимают  наибольшую:

    или     

Где – коэффициенты, учитывающие глубину проплавления шва [2] (при ручной сварке )

     – расчетные сопротивления угловых сварных швов, опредеяемые по СНиП [2], таблицы 3 и 56;

коэффициенты  условий работы [2], п. 4^*, 11.2*

 

 

 

см=1,43 мм

см=1,11 мм

Катеты угловых швов следует  принимать с учетом конструктивных требований СНиП [2], п.12.8:

 

Рис.3. Стальной настил

 

 

 

3.Расчет балок настила

Балки настила  проектируют из прокатных двутавров.

Расчет балок  начинают с определения нагрузок. Погонная нормативная нагрузка на балку настила определяется по формуле:

 

Расчетная погонная нагрузка на балку настила определяется по формуле:

 

– коэффициенты надежности по нагрузкам;

 – нормативная полезная нагрузка

l_H =1м– пролет настила;

 – нормативная нагрузка от веса настила

  - плотность стали.

Таким образом, нормативная нагрузка от веса настила  составит:

 

Расчетная погонная нагрузка равна:

 

Нормативная нагрузка:

 

 

По расчетной  нагрузке определяется изгибающий момент:

 

l = 4м– пролет настила

 

Затем находим  требуемый момент сопротивления  для балок из высокопрочных сталей по формуле:

 

R_y =2450 кг/см² – расчетное сопротивление стали по пределу текучести [2], табл. 51*

коэффициенты  условий работы [2], табл.6

 

По сортаменту прокатных профилей находим номер  профиля с моментом сопротивления, равным или больше требуемого. В  данном случае подходит двутавр

№ 18 со следующими параметрами:

 

 

 

 

Прочность подобранного сечения балки из высокопрочной  стали проверяется по формуле:

 

 

 

 

 

=0,58*=0,58*2450=1421кг/см²

/см²-прочность обеспечена.

проверка жесткости балок  по формуле:

 

 

предельный прогиб; при l=3м, при l=6м,при l=24м (промежуточные значения определяются линейной интерполяцией).

При l=4м,[ f]=2см

 

              Двутавр № 18  удовлетворяет условию жесткости балок.

 

4.Расчет главной балки

4.1. Определение нагрузок  и расчетных усилий

В курсовой работе балочной клетки рекомендуется запроектировать прокатные главные балки из двутавров с параллельными гранями полок по ГОСТ 26020-83(обозначение Б или Ш).

Расчетной схемой главной  балки является разрезная балка  с шарнирами на опорах, нагруженная  равномерно распределенной нагрузкой [1]. Нормативная погонная нагрузка на балку:

,

где - нормативная постоянная нагрузка от массы перекрытия и массы главной балки; масса главной балки ориентировочно принимается в размере 1÷2% от полезной нагрузки.

Расчетная погонная нагрузка на балку:

,

где: ;

здесь - вес 1 погонного м балки настила, определяемый по сортаменту (линейная плотность);

l =4м–шаг балок настила;

 – нормативная нагрузка  от веса настила

 плотность стали.

Таким образом, нормативная нагрузка от веса настила  составит:

=31,4кг/

;

Расчетная погонная нагрузка на балку равна:

 

Нормативная нагрузка:

 

Расчетный изгибающий момент в середине балки определяем по формуле:

 

L = 10м– продольный шаг колонн

 

Расчетная поперечная сила на опоре::

 

 

4.2. Подбор  сечения балки

Главную балку проектируют из прокатных двутавров.

Подбор  сечения начинается с определения  требуемого момента сопротивления  для высокопрочных сталей по формуле:

 

²

По сортаменту прокатных профилей находим номер  профиля с моментом сопротивления, равным или больше требуемого. В  данном случае подходит двутавр № 50Б1 со следующими параметрами:

 

 

 

 

t=12мм=1,2см

h=496мм=49,2см

b=200мм=20см

 

4.3. Проверка прочности  и прогибов балок

Прочность подобранного сечения балки из высокопрочной  стали проверяется по формуле:

 

 

 

Проверка прочности главной  балки на касательные напряжения проверяют в опорном сечении  по формуле:

,

где S – статический момент; Q – перерезывающая сила в расчетном сечении; I – момент инерции; – толщина стенки балки; – расчетное сопротивление стали на срез табл.1[2].

 

 

проверка жесткости балок  по формуле:

 

 

 

Жесткость балки обеспечена.

 

 

 

4.4. Расчет опорных ребер

Участок стенки балки над  опорой должен укрепляться поперечным ребром жесткости. 

Рис.4. Опорные ребра балок

Последовательность расчета  следующая:

1. По конструктивным соображениям толщина опорного ребра назначается 10 мм, что не меньше толщины стенки s=9,2 мм и не менее 10мм по сортаменту на листовую сталь универсальную по ГОСТ 82-70.
2. Определяем требуемую ширину ребра по условию работы его на смятие при опирании через опорное ребро:

,

где F – опорная реакция главной балки; – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности ребра (по таблице 52*[2]).

4 см

Принятый  размер ширины ребра должен соответствовать сортаменту прокатной стали , учитывать конструктивные требования, а также требования, обеспечивающие местную устойчивость ребра:

 

 

Устойчивость  обеспечена.

3. Проверяем прочность ребра на смятие:

 

 

4. Производится проверка опорного участка балки на устойчивость из плоскости балки как условного опорного стержня, сечение которого состоит из опорного ребра и участков стенки балки длиной по 0,65=0,65*0,88см=16,74 см с каждой стороны ребра (рис.4). Площадь поперечного стержня заштрихована на рис.4.

 

А_ОЗ=32,33см²

Момент инерции сечения условного  стержня относительно продольной оси  балки:

 

 

Радиус инерции сечения:

 

4,5см

Гибкость:

 

 

По найденному значению λ определяется величина коэффициента продольного  изгиба φ=0,612 (таблица 72 [2]).

Устойчивость стержня проверяется  по формуле:

 

 

5. Толщина сварных швов, прикрепляющих опорное ребро к стенке балки, вычисляется по формуле:

     или     

где – коэффициенты, учитывающие глубину проплавления шва [2] (при ручной сварке )

     – расчетные сопротивления угловых сварных швов, опредеяемые по СНиП [2], таблицы 3 и 56;

коэффициенты условий  работы [2], п. 4^*, 11.2*

 

см=1,1 мм

см=0,8мм

Катеты  угловых швов следует принимать  с учетом конструктивных требований СНиП [2], п.12.6 - 12.13:

 

 

 

 

4.5. Расчет узлов сопряжения балок

В сопряжениях балок в одном  уровне обычно стенки балок крепятся к ребрам жесткости главной балки  на болтах нормальной точности (рис.5). Болтовое соединение рассчитывается на сдвиг от действия опорной реакции  балки, увеличенной на 20%.

Расчет сопряжения всегда ведется  в следующей последовательности:

1. Выбираем класс болтов – 4.6, диаметр болтов d=16 мм.
2. Определяем несущую способность болта по условию работы его на срез:

и по условию  на смятие стали сопрягаемых элементов:

,

где d – диаметр болта; t – наименьшая из толщин стенки балки настила или опорного ребра;

 

 

Несущая способность 1 болта из учета  сметения:

 

 

 

3. Определяем требуемое количество болтов:

,

где - опорная реакция балки настила.

 

Конструктивно принимаем n=2.

Проверяем возможность размещения расчетного количества болтов с учетом требований таблицы 39 [2]. 

 

 

Рис.5. Сопряжение балок

 

 

5. Расчет колонны

Колонны рабочей площадки работают в соответствии с заданием на центральное  сжатие. Высота колонны l принимается равной расстоянию от низа главной балки перекрытия до верха фундамента (рис.6).

Расчетная длина колонны определяется в зависимости от конструктивного  решения сопряжения ее с вышележащими балками и фундаментом:

,

где: l – геометрическая длина колонн между точками закрепления стержня;

μ – коэффициент  расчетной длины, равный 1 при шарнирном  сопряжении.

 

Нагрузкой, действующей на колонну, являются опорные реакции балок  и собственный вес колонны:

,

 

Колонна проектируется сплошного  сечения из прокатных двутавров с параллельными гранями полок (серия с обозначением К).

Центрально сжатые колонны рассчитываются на устойчивость в плоскости наибольшей гибкости. Гибкости колонн:

; ,

где - радиусы инерции сечения колонны относительно главных осей х-х и у-у.

Предельная гибкость [λ] для колонн рабочих площадок определяется по таблице 19*[2].

 

 

 

 

 

 

Рис.6.Конструктивные решения колонн

 

5.1. Расчет стержня сплошной колонны

1. Предварительно задается  величина гибкости стержня и  соответствующий ей коэффициент  продольного изгиба φ принимается  по таблице 72 или формулам п.5.3.[2]. Гибкость следует задавать в пределах λ=50 – 90. λ=60; φ=0,805.

2. Определим требуемую площадь сечения стержня колонны по формуле:

 

 

3. Из сортамента прокатных двутавров (рекомендуется использовать прокатные двутавры по ГОСТ 26020-83 колонной серии – обозначение К) подбираем профиль с площадью сечения несколько большим, чем вычисленная требуемая площадь сечения [8,10].

Выбираем двутавр №20К1:

А=52,82,=8,5см, =5,03см

4. Определим фактические гибкости стержня:

 

5. По максимальной гибкости находим минимальный коэффициент продольного изгиба φ=0,419 (по таблице 72 или п.5.3.[2]) и проверяется принятое сечение на устойчивость по формуле:

 

 

 Максимальная гибкость не должна превышать предельную:

 

 

=751,2 кг/см²

2. Расчет базы колонны

Конструктивное решение базы должно обеспечивать принятый в расчетной  схеме колонны тип сопряжения ее с фундаментом (рис.7). Шарнирное  сопряжение колонны с фундаментом  обеспечивается податливостью узла за счет гибкости плиты, которая прикрепляется  к фундаменту анкерными болтами (обычно двумя). Диаметр их принимается  конструктивно 20-30 мм. В проекте рекомендуется  принять базу колонны с фрезерованным  торцом стержня. В этом случае база состоит из опорной плиты, которая  служит для равномерного распределения  усилия от колонны по бетону фундамента.

Опорная плита работает на изгиб  от действия равномерно распределенной нагрузки q – реактивного давления фундамента.

Расчет плиты заключается в  определении ее размеров в плане  и толщины.

1. Исходя из класса бетона фундамента (при В 10 - ) определяется расчетное сопротивление материала фундамента осевому сжатию:

,

где .

Если  база колонны рассчитывается до проектирования, то принимается γ=1,2.

 

2. Опорная плита принимается квадратной со стороной В:

,

где: N – усилие в колонне; - расчетное сопротивление бетона фундамента осевому сжатию.

19,2см

3. Определим реактивное давление фундамента по формуле:

 

²

4. Изгибающий момент для плиты вычисляется по формуле:

М₁=q*A₁*c₁, М₂=q*A₂*c₂,

где: A₁, А₂ – площади трапеций, заштрихованные на рис.7; с₁, с₂ – расстояния от центра тяжести трапеций до краев колонны.

Необходимо рассмотреть оба  направления изгиба опорной плиты (1 и 2, см рис.7).

М₁= 5094,43 кг/см²

А₁== 74,75см²

с₁=

М₂=** = 3556,985 кг/см

А₂=*

с₂==1,3

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7. Базы колонн с фрезерованными концами

5. Рассчитаем требуемую толщину опорной плиты из условия изгиба по двум направлениям:

,       ,

 

 

Толщина опорной плиты t должна быть принята не менее требуемой по двум вариантам расчета в соответствии с сортаментом листового широкополосного универсального проката по ГОСТ 82-70*.

t_пл=16 мм (по конструктивным особенностям не меньше 15 мм)

Толщина швов, прикрепляющих стержень колонны к плите, принимается  конструктивно.

3. Расчет оголовки колонн

Наиболее распространенные конструкции  оголовков при опирании балок сверху на колонну приведены на рис.8.

Необходимо выбрать рациональный тип оголовка колонны. Выбираем случай опирания главных балок через торцевые ребра.

Расчет оголовка с вертикальными  ребрами выполняется в следующем  порядке:

1. Назначаются размеры опорной плиты оголовка по конструктивным требованиям из условия размещения сварных швов соединения плиты со стержнем колонны: 21х21х1,5 см.
2. Выполняется проверка прочности торцевой поверхности стенки двутавра колонны по формуле:

,

где t_w – толщина стенки двутавра колонны; b – расчетная ширина смятия, принимаемая наименьшей из значений: ширины торцевого ребра главной балки b_r  (см. рис.4) или высоты стенки двутавра h_w (рис.7); R_p – расчетное сопротивление смятию торцевой поверхности; γ_с – коэффициент условия работы.

B==195-2*10=175мм

 

²

 

 

 

 

 

          

 

 

                                 Рис.8. Оголовки колонн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Оформление графической части курсовой работы

Графическая часть курсовой работы включает чертежи  КМ (конструкции металлические) и КМД (конструкции металлические деталировочные). Чертежи оформляются на одном листе формата А2.

Чертежи КМ включают: схему элементов балочной клетки (план, продольные и поперечные разрезы) и основные монтажные узлы. На схеме должны быть показаны оси, отметки, пролеты, маркировка элементов и узлов. Отправочные элементы на схемах показывают одной сплошной линией. Каждая линия обозначает отдельную отправочную единицу, поэтому в монтажных узлах линии не должны пересекаться. Схема дополняется ведомостью отправочных элементов.

Чертежи КМД  включают деталировочные чертежи главной балки, балки настила и колонны. Чертежи КМД сопровождаются спецификацией металла на отправочные марки.

Чертежи сопровождаются примечаниями, в которых даются необходимые  пояснения по материалу, электродам, болтам, сварным швам, антикоррозионной защите и т.д.

При выполнении чертежей и оформлении пояснительной  записки необходимо руководствоваться  ЕСКД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Беленя Е.И., Балдин В.А,, Ведеников Г.С., Кошутин Б.Н.,Уваров Б.Ю., Пуховский А.Б., Морачевский Т.Н., Металлические конструкции. М.: Стройиздат,1986.
2. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. СНиП 2.01.07 – 85. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.
3. Строительные нормы и правила. Стальные конструкции. Нормы проектирования. СНиП II – 23 – 81*. М.: ЦИТП Госстроя СССр,1990.
4. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия. СНиП 2.01.07 – 85 (Дополнения. Разд.10. прогибы и перемещения) М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988.
5. Стальные конструкции. Справочник конструктора. Под ред. Мельникова Н.П. М.: Стройиздат,1976.
6. Временная инструкция о составе и оформлении рабочих чертежей зданий и сооружений. Раздел 5. Конструкции металлические. Чертежи КМ СН 460-74. М.: Стройиздат,1978.
7. Абаринов А.А. Составление деталировочных чертежей металлических конструкций. М.: Стройиздат,1978.
8. Справочник проектировщика. Под ред. Кузнецова В.В. М.: Стройиздат, 1998.
9. Стандарт предприятия. Дипломные и курсовые проекты. Требования к оформлению пояснительной записки и чертежей. СТП.КИСИ 5-04-90. Казань,1990.
10. Справочные данные по расчету металлических конструкций. Методические указания по проведению практических занятий и курсового проектирования для студентов специальности 290300 и направления 550100. Казань, 2004.
11. Балочная клетка. Методические указания к курсовой работе по металлическим конструкциям для специальности 270115 «Экспертиза и управление недвижимостью»/ Сост.: М.А.Дымолазов, В.С.Агафонкин. Казань: КГАСУ, 2008.-25 с.