Содержание

Введение 3

1 Компоновка балочной клетки, расчёт стального настила, подбор сечений, проверки несущей способности, жёсткости, общей устойчивости балок перекрытия балочной клетки 4

2 Расчёт и конструирование главной балки составного сечения 10

2.1 Компоновка и подбор сечения составной балки 10

2.2 Изменение сечения балки по длине 14

2.3 Проверка прочности и прогиба балки 16

2.4 Проверка и обеспечение общей устойчивости балки 17

2.5 Проверка и обеспечение местной устойчивости элементов балки 17

2.6 Соединение поясов балки со стенкой 18

2.7 Расчёт и конструирование укрупнительного стыка балки на высокопрочных болтах 19

2.8 Расчёт и конструирование опорных и сопрягаемых узлов балок 21

3 Расчёт и конструирование центрально сжатой колонны 24

3.1 Выбор расчётной схемы и типа сечения колонны 24

3.2 Подбор сечения и конструктивное оформление стержня колонны 24

3.3 Расчёт и конструктивное оформление базы с траверсой и консольными рёбрами 26

3.4 Конструирование и расчёт оголовка колонны 28

4 Список используемой справочной и нормативной литературы 30

    Введение

    В данной курсовой работе запроектирована  балочная клетка нормального типа. При таком типе сопряжения нагрузка с настила передается на балки  настила, которые в свою очередь  передают ее на главные балки, опирающиеся на колонны. В качестве настила приняты плоские стальные листы, материал сталь . Балки настила запроектированы прокатными, материал сталь (двутавр №50). В качестве главных балок используем составные сварные балки двутаврового сечения, материал сталь . В соответствии с заданием, сопряжение главных балок и балок настила запроектировано этажное (Рисунок 1).

    Расчёт  элементов конструкций и подбор материала осуществляется в соответствии со СниП II-23-81*. Стальные конструкции/Госстрой СССР.–М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1990.–96 с.

    Графическая часть выполнена в соответствии с требованиями СТБ 21.504-2005 СПДС. Конструкции металлические. Правила выполнения чертежей марки КМ.

    Исходные  данные представлены в Таблица 1.

  Таблица 1 – Исходные данные

Рисунок 1 – Сопряжение балок в одном уровне: 1. настил;

2. балка настила; 3. главная балка; 4. ребро жёсткости

1. Компоновка  балочной клетки, расчёт стального настила, подбор сечений, проверки несущей способности, жёсткости, общей  устойчивости балок  перекрытия балочной клетки

    Компоновка балочной клетки, расчёт стального настила.

    Интенсивность внешней нагрузки, согласно исходным данным (см. Введение), составляет . Для стальных настилов применяют листы толщиной при нагрузке [6]. В соответствии с данной рекомендацией, принимаем толщину стального настила мм.

    Принимая  величину предельного относительного прогиба , определим наибольшее отношение пролёта настила к его толщине . Для этого воспользуемся выражением [3]:

     (1.1)

    где – пролёт настила, мм;

     – заданное отношение пролёта  настила к его предельному  прогибу, принимаем равным ;

      – цилиндрическая жёсткость  настила, определяемая по формуле  [4]:

      (1.2)

    где – модуль упругости прокатной стали;

      – коэффициент Пуассона  для стали.

;    (1.3)

    

    Возможные варианты компоновки балочной клетки:

1. t_н=10 мм l_н=10∙86=860 мм. Возможный шаг балок настила а₁=1170 мм.
2. t_н=10 мм l_н=10∙86=860 мм. Возможный шаг балок настила а₂=1150 мм.
3. t_н=10 мм l_н=10∙86=860 мм. Возможный шаг балок настила а₃=900 мм.
4. t_н=12 мм l_н=12∙86=1032 мм. Возможный шаг балок настила а₄=1000 мм.

    При жёстком закреплении тонкого  настила и отношении 40<l_н/t_н<300 учитываем продольную силу и расчёт ведём на изгиб с распором (Рисунок 1.1). 

Рисунок 1.1 – Работа настила на изгиб с распором

    Приведём  несколько вариантов схем балочной клетки (Рисунок 1.2, Рисунок 1.3).

    

Рисунок 1.2 – Схема балочной клетки №2

    

Рисунок 1.3 – Схема балочной клетки №4

    Подбор  сечения балок  перекрытия балочной клетки.

    Балки настила принимаем прокатными. В  качестве прокатных балок настила  используем балки двутаврового сечения. Номер профиля принимаем из Сортамента прокатной стали по моменту сопротивления, определяемому по формуле:

;       (1.4)

    где – максимальный изгибающий момент, определяемый по формуле:

;       (1.5)

    где – длина балки настила, м;

      – коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций, принимается равным 1,1;

      – расчётное сопротивление материала, для стали марки принимаем равным по [4],

      – коэффициент условий работы, принимаем равным 1 по [1],

      – расчётная прогонная нагрузка на балку; определяется по формуле [4, форм. 3.4]:

;     (1.6)

    где – коэффициент надёжности по нагрузке для равномерно распределённой нагрузки, принимается равным 1,2;

     – коэффициент надёжности по нагрузке, принимается равным 1,05;

      – временная нормативная равномерно распределённая нагрузка на настил, (см. Введение);

      – собственный вес настила, .

      – собственный вес балки настила, принимаем равным нагрузки, приходящейся на балку, .

    Таким образом 

;     (1.7)

    Вес настила можно определить по формуле:

;       (1.8)

      где – масса ромбической стали, [4],

      – ускорение свободного падения, принимаем равным .

    Рассчитаем  нормативную нагрузку на балку настила  и величину фактического прогиба  по следующим формулам:

     ;      (1.9)

     ;     (1.10)

    Результаты  вычислений сведём в таблицу (см. Таблица 1.1 ).

  Таблица 1.1 – Проектные варианты схемы балочной клетки

    Нормативная нагрузка на балку настила и величина фактического прогиба (Таблица 1.2).

  Таблица 1.2 – Определение расхода металла и фактического прогиба

    Окончательно  принимаем вариант №2 за рабочий. Поскольку данный вариант обеспечивает запас по прогибу в пределах 5%.

    Нормативная величина прогиба составляет

    

.

    Изгибающий  момент, действующий в сечении  балки настила:

    

.

     ;      (1.11)

    

. 

    Требуемый момент сопротивления балки:

    

.

    Исходя  из требуемой величины по сортаменту прокатных балок двутавровых принимаем двутавр №50 с Геометрические характеристики сечения (см. Рисунок 1.4 ).

Рисунок 1.4 – Геометрические параметры балки настила

    Проверка  несущей способности, жесткости и общей  устойчивости балок  перекрытия балочной клетки.

    Проверку  на прочность ведем по нормальным и касательным напряжениям:

     ;    (1.12)

     ;    (1.13)

    где – расчетное сопротивление сдвигу стали,

     ,     (1.14)

    где – предел текучести стали, принимаемый равным значению предела текучести по государственным стандартам и техническим условиям на сталь; для стали марки принимаем равным по [4],

      – коэффициент надёжности по материалу проката, принимаем равным 1,025 по [4].

;

;

;

;

    Проверку  общей устойчивости балки настила  не проводим, поскольку она обеспечена настилом, опертым на ее сжатый пояс.

    Определим силу распора  :   ;     (1.15)

      – предельный прогиб, устанавливаемый нормами, для настила равен 1/150.

    

    Принимаем полуавтоматическую сварку в нижнем положении проволокой СВ-08А.

    Расчётное значение катета шва, прикрепляющего настил к балкам, определяем по следующим формулам:

    по  металлу шва:         (1.16)

 
по металлу границы сплавления:      (1.17)

    где l_w – расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины на 10 мм;

    β_f=0,7 и β_z=1,0 – коэффициенты, принимаемые при сварке элементов из стали: с пределом текучести до 530 МПа (5400 кгс/см²) по [1];

    γ_wf и γ_wz – коэффициенты условий работы шва, равные 1 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I1, I2, II2 и II3.

    R_wf и R_wz – расчётные сопротивления сварных соединений угловых швов при срезе соответственно по металлу шва и металлу границы сплавления [4]:

       

.

    где R_wun – нормативное сопротивление металла шва, принимаем равным 410 МПа по [4];

      – коэффициент надежности по материалу шва, следует принимать равными 1,25 при значениях R_wun не более 490 МПа (5000 кгс/см²);

    

,

    где R_un – временное сопротивление стали разрыву, принимаемое по государственным стандартам и техническим условиям на сталь; для стали марки принимаем равным 370 МПа по [4];

    Вычислим  расчётное значение катета шва:

    по  металлу шва:   

    по  металлу границы сплавления: 

    Так как по [4] минимальный катет шва для полуавтоматической сварки мм, то окончательно принимаем мм.

2. Расчёт  и конструирование  главной балки  составного сечения

1. Компоновка  и подбор сечения  составной балки

    Главную балку принимаем переменного  по длине сечения и рассчитываем без учета пластических деформаций. Схема к определению нагрузки, действующей на главную балку (Рисунок 2.1).

    

Рисунок 2.1 – Схема к определению нагрузки на главную балку

    Определим нагрузки, действующие на главную  балку.

    Расчетная нагрузка:

       (2.1)

    где – собственный вес главной балки, принимаем равным 2 % нагрузки, приходящейся на балку, Н/м,

      – вес 1м балки настила,  кН/м.

    

;

    Нормативная нагрузка:

     ;  (2.2)

    

;

    Определим максимальный изгибающий момент в середине пролета (Рисунок 2.2):

     ;      (2.3)

    Определим поперечную силу на опоре.

     ;       (2.4)

.

    Требуемый момент сопротивления составит:

; 

    

Рисунок 2.2 – Расчётная схема и усилия в главной балке

    Компоновку  составного сечения начинаем с установления высоты балки. Предварительно задаемся высотой балки  :

    

;

    Для балок высотой 1–2 м рациональное значение толщины стенки предварительно определим по эмпирической формуле:

     ;       (2.5)

    

; 

    Из  условия экономичности, характеризующейся  наименьшим расходом стали, вычисляем  оптимальную высоту балки  :

     ;      (2.6)

    где – коэффициент, принимаемый для сварных балок равным 1,1 [1].

    

;

    Из  условия обеспечения жесткости  определяем минимальную высоту балки:

     ;      (2.7)

    где – предельный прогиб, устанавливаемый нормами, для главных балок настила равен 1/400.

    

;

    Окончательно  назначаем высоту балки равной .

    Определяем  минимальную толщину стенки из условия работы на срез

     ;       (2.8)

    где – при работе на срез без учета поясов.

    

;

    Местная устойчивость стенки балки без дополнительного  укрепления ее продольным ребром будет обеспечена, если выполняется условие:

     ;       (2.9)

    

;

    Окончательно  назначаем толщину стенки . Местная устойчивость стенки при этом обеспечена.

    Размеры горизонтальных поясных листов балки  находим исходя из необходимой несущей  способности балки. Требуемый момент инерции сечения балки:

     ;       (2.10)

    

;

    Предварительно  назначим толщину поясных листов . Высота стенки балки при этом .

    Момент  инерции стенки: 

    Момент  инерции поясных листов балки  относительно ее нейтральной оси:

    

.

    Требуемая площадь сечения поясов балки:

     ;      (2.11)

    где – расстояния между центрами полок,

    

    

    Ширина полки двутавра:

    

    Окончательно  принимаем  .

    

;

    Принимаем пояса из листа  (Рисунок 2.3) .

    

Рисунок 2.3 – Поперечное сечение главной балки

2. Изменение сечения балки  по длине

    Уменьшаем сечение поясов главной балки  на расстоянии от опоры (Рисунок 2.4).

    Определяем расчетные усилия в измененном сечении:

    

    Для сварки используем стыковой шов. Принимаем стыковую полуавтоматическую сварку с визуальным контролем качества и расчетным сопротивлением