Компоновка первого этажа

Петрозаводский Государственный  Университет

Строительный факультет

Кафедра строительных конструкций, оснований и фундаментов

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

ПО МЕТАЛЛИЧЕСКИМ  КОНСТРУКЦИЯМ

 

 

 

 

Выполнил:

Студент 51401 группы

      Пономарев  Н.В.

Руководитель: Ягнюк Б. Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Петрозаводск 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Сравнение вариантов балочной клетки с расчётом листового настила, балок настила и вспомогательных балок

 

Требуется выполнить сравнение вариантов компоновки балочной клетки по следующим исходным данным:

Шаг  колонн в продольном направлении – L =14,5 м;

Шаг  колонн в поперечном направлении – B=6,5 м;

Число шагов в продольном и поперечном направлениях – 3×3;

Отметка верха настила – Н= 8,2 м;

Временная равномерно распределённая нагрузка – р_n=11,5 кН/м²;

Коэффициент надёжности по нагрузке – γ_f2=1,3;

Материал фундаментов – бетон класса В12,5.

Рисунок 1 - Исходные данные.

 

1. Балочная клетка нормального типа

 

Рисунок 2 - Схема балочной клетки нормального типа.

1.1.1 Расчёт стального настила

 

Согласно таблице 50* принимаем группу конструкций 3, класс стали С235 по ГОСТ 27772-88.

 

Рисунок 3 - Расчетная схема настила.

 

В соответствии с заданной нагрузкой принимаем  толщину настила  =8 мм.

Предварительно определяем Н/мм² и задаваясь n₀=125, получим , тогда l_d=232,2*t_d=232,2*0,8=185б8 см. Пролет настила равен шагу балок настила, т.е. l_d=а_d,тогда число шагов балок настила по главной балке будет:

n_d=

Нужно принять  целое, нечетное число. Возьмем 9 шагов. Определение шага балок настила: cм. Если шаг n=7,то: cм. Разница между принятой и расчетной величинами будет 207,1-161,1=46 см>12 см. .

Оставляем 9 шагов величиной 161,1 см.

 

Определим силу растяжения в настиле, на действие которой проверим сварные швы, прикрепляющие настил к поддерживающей его конструкции: Н/мм , по этому усилию определим катет сварных швов, которые выполняются на монтаже вручную электродами типа Э42.( по таблице 55^* СНиПа II-23-81; группа конструкций 3, район строительства II₄). Тогда по таблице 34^* СНиПа II-23-81 ; ;  ; ; :

 Н/мм

Н/мм , где =0,45*360=162Н/мм², -по таблице 51.

 мм, минимальный катет сварного шва =6мм. (табл. 38^*)

 

Принимаем минимальный  катет сварного шва  =6мм.

1.1.2 Расчёт  балки настила

 

Согласно таблице 50* принимаем группу конструкций 3, класс стали С235 по ГОСТ 27772-88

 

Рисунок 4 - Расчетная схема балки настила в балочной клетке нормального типа.

 

Постоянная  нагрузка от собственного веса настила:

g_n=0,8*78,5=62,8кг/ м²=0,628 кН/м²

Распределенная  нагрузка на погонный метр будет:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Максимальный  изгибающий момент:

Требуемый момент сопротивления:

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I33, имеющий основные характеристики: W_а=397 см³; I_а=9840см⁴; А=53,8 см²; t_f=11,2мм; t_w=7мм;  b_f=140 мм; ρ=42,2 кг/м.; h=330 мм.

Рисунок 5 - Балка настила в балочной клетке нормального типа.

 

Уточняем значение коэффициента : ; =0,847 в соответствии с таблицей 66 c₁=c_x=1,09

Выполняем проверку прочности балки:

МПа - условие выполняется.

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется.

Расход стали  на: стальной настил – 62,8 кг/м²,

балку настила - =26,2 кг/м².

 

ВСЕГО – 89,0 кг/м².

 

 

2. Балочная клетка усложнённого типа.

Расчёт  стального настила.

 

Рисунок 6 - Схема балочной клетки усложненного типа

 

Принимаем 5 шагов вспомогательных балок по главной балке. В этом случае величина шага будет равняться , что укладывается в промежуток от 2,5 до 5 м. Принимаем настил такой же толщины, как и в первом случае t_d=8 мм. Тогда расчетный пролет настила l_d=185,8 см. Число шагов примем n_d=4, тогда .

1.2.1 Расчёт балки настила

Рисунок 7 - Расчетная схема балки настила.

 

Постоянная  нагрузка от собственного веса настила: g_n=0,628 кг/м²

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Максимальный  изгибающий момент: кНм

Требуемый момент сопротивления:

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I16, имеющий основные характеристики: W_а=109 см³; I_а=873 см⁴; А_а=20,2 см²; h=160 мм; t_f=7,8 мм; t_w=5,0мм;

ρ=27,3 кг/м.

                            Рисунок 8 - Балка настила в балочной клетке усложненного типа.

 

Уточняем значение коэффициента :

  ; =1,06 в соответствии с таблицей 66  c₁=c_x=1,07

Выполняем проверку прочности балки:

МПа - условие выполняется.

 

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

проверка  выполняется.

1.2.2 Расчёт вспомогательной балки

 

 Рисунок 9 - Расчетная схема вспомогательной балки.

 

При определении  нагрузки на вспомогательные балки, нагрузка от балок настила добавляется к весу настила и тогда постоянная нагрузка на 1м площадки будет равна:

стальной настил – 62,8кг/м ;

балка настила - кг/м ;

постоянная нагрузка кг/м

Распределительная нагрузка на вспомогательную балку:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Максимальный изгибающий момент: кНм

Требуемый момент сопротивления: см³

По ГОСТ 26020-83 принимаем ближайший больший двутавр 40Б2, имеющий основные характеристики: W_а=935,7 см³; I_а=18530 см⁴; А=69,72 см²; h=396 мм; t_f=11,5 мм; t_w=7,5мм; b_f=165 мм; ρ=54,7 кг/м.

Уточняем значение коэффициента :

  ; =0,83  в соответствии с таблицей 66  c₁=c_x=1,09

 

Выполняем проверку прочности балки:

МПа - проверка выполняется.

 

Проверка общей  устойчивости второстепенной балки:

Фактическое отношение свободной длины балки  к ее ширине:

Предельное  отношение:

;  9,8<20,07 – условие выполняется.

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется

 

Расход стали  на:

стальной настил – 62,8 кг/м²,

балку настила – 16,8 кг/м²,

вспомогательную балку - кг/м²

ВСЕГО – 98,5 кг/м²

 

Таблица 1 - сравнения вариантов компоновки балочной клетки( разм.ячейки 14,5*6,5м)

 

№ варианта	Расход стали, кг			Кол-во  типоразмеров на ячейку	Кол-во мон. Единиц на яч.
	На 1м	на ячейку	в процентах
1	89,0	8388,25	100	1	10
2	98,5	9283,63	111	2	21

 

Для дальнейшей разработки выбираем 1-й вариант как более экономичный.

1.3 Компоновка и подбор сечения вспомогательных балок.

Рисунок 10 - Расчетная схема  второстепенной балки.

 

Расчет балки №1

 

Распределенная  нагрузка на погонный метр будет:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Рисунок 11 - Расчетная схема  второстепенной балки.

 

Максимальный  изгибающий момент:

Требуемый момент сопротивления: =561,9см³

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I33, имеющий основные характеристики: W_а=597 см³; I_а=9840 см⁴; А=53,8 см²; h=330 мм; t_f=11,2 мм; t_w=7,0 мм;

ρ=42,2 кг/м; b_f=140 мм;

 

Уточняем значение коэффициента :

  ; =0,85  в соответствии с таблицей 66  c_x=1,09

Выполняем проверку прочности балки:

МПа – условие выполняется.

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется

 

Расчет балки №2

 

Распределенная  нагрузка на погонный метр будет:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Рисунок 12 - Расчетная схема  второстепенной балки.

 

Максимальный изгибающий момент:

Требуемый момент сопротивления: =629,8см³

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I36, имеющий основные характеристики: W_а=743 см³; I_а=13380 см⁴; А=61,9 см²; h=360 мм; t_f=12,3 мм; t_w=7,5 мм;

ρ=48,6 кг/м; b_f=145 мм;

 

Уточняем значение коэффициента :

  ; =0,83  в соответствии с таблицей 66  c_x=1,10

Выполняем проверку прочности балки:

МПа – условие выполняется.

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется

 

Расчет  балки №3

 

Распределенная  нагрузка на погонный метр будет:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Рисунок 13 - Расчетная схема  второстепенной балки.

 

Максимальный изгибающий момент:

Требуемый момент сопротивления: =135,1см³

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I18, имеющий основные характеристики: W_а=143 см³; I_а=1290 см⁴; А=23,4 см²; h=180 мм; t_f=7,8 мм; t_w=5,0 мм;

ρ=18,4 кг/м; b_f=90 мм;

 

Уточняем значение коэффициента :

  ; =1,07  в соответствии с таблицей 66  c_x=1,066

Выполняем проверку прочности балки:

МПа – условие выполняется.

 

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется

 

Расчет  балки №4

 

Распределенная  нагрузка на погонный метр будет:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Рисунок 14 - Расчетная схема  второстепенной балки.

 

Максимальный  изгибающий момент:

Требуемый момент сопротивления: =163,5см³

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I20, имеющий основные характеристики: W_а=184 см³; I_а=1840 см⁴; А=26,8 см²; h=200 мм; t_f=8,4 мм; t_w=5,2 мм;

ρ=21 кг/м; b_f=100 мм;

 

Уточняем значение коэффициента :

  ; =1,05  в соответствии с таблицей 66  c_x=1,069

Выполняем проверку прочности балки:

МПа – условие выполняется.

 

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется

 

Расчет  балки №5

 

Распределенная  нагрузка на погонный метр будет:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Рисунок 15 - Расчетная схема второстепенной балки.

 

Максимальный изгибающий момент:

Требуемый момент сопротивления: =81,7см³

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I14, имеющий основные характеристики: W_а=81,7 см³; I_а=572 см⁴; А=17,4 см²; h=140 мм; t_f=7,5 мм; t_w=5,9 мм;

ρ=13,7 кг/м; b_f=73 мм;

Уточняем значение коэффициента :

  ; =1,12  в соответствии с таблицей 66  c_x=1,066

Выполняем проверку прочности балки:

МПа – условие выполняется.

 

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется

 

Расчет  балки №6

 

Распределенная  нагрузка на погонный метр будет:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Рисунок 16 - Расчетная схема  второстепенной балки.

 

Максимальный  изгибающий момент:

 

изгибающий  момент от нормативной нагрузки:

Требуемый момент сопротивления: =1672,2см³

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I55, имеющий основные характеристики: W_а=2035 см³; I_а=55962 см⁴; А=118 см²; h=550 мм; t_f=16,5 мм; t_w=11,0 мм;

ρ=92,6 кг/м; b_f=180 мм;

 

Уточняем значение коэффициента :

  ; =0,608  в соответствии с таблицей 66  c_x=1,109

Выполняем проверку прочности  балки:

МПа – условие выполняется.

 

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется

 

Расчет  балки №7

 

Распределенная  нагрузка на погонный метр будет:

Нормативная нагрузка: кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Рисунок 17 - Расчетная схема  второстепенной балки.

 

Максимальный изгибающий момент:

изгибающий  момент от нормативной нагрузки:

Требуемый момент сопротивления: =1704,3см³

По сортаменту принимаю ближайший больший двутавр I55, имеющий основные характеристики: W_а=2035 см³; I_а=55962 см⁴; А=118 см²; h=550 мм; t_f=16,5 мм; t_w=11,0 мм;

ρ=92,6 кг/м; b_f=180 мм;

Уточняем значение коэффициента :

  ; =0,608  в соответствии с таблицей 66  c_x=1,109

Выполняем проверку прочности балки:

МПа – условие выполняется.

 

Проверка жесткости (предельных деформаций) балки:

- условие выполняется

 

 

2. Компоновка и подбор сечения главной балки.

 

Подбор сечения  состоит в определении размеров поясов и стенки балки, исходя из заданных технологическим заданием условий, экономичности, прочности, устойчивости, и технологичности изготовления.

Рисунок 18 - Расчетная схема главной составной балки.

 

Согласно таблице 50* принимаем для группы конструкции 2, сталь класса С245.

Собственный вес балки принимаю в размере 2% от нагрузки .

Нормативная нагрузка:

кН/м

Расчётная нагрузка:

 кН/м

Максимальный изгибающий момент:

кНм

Максимальная поперечная сила:

 кН

Главную балку  рассчитываем  в упругой стадии.

     Определим требуемый момент сопротивления: см³

Определим оптимальную высоту балки, предварительно задав  ее высоту: м   и рассчитав толщину стенки: мм примем t_w=11 мм

см, примем 117 см.

 

Проверяем принятую толщину стенки:

 см, где R_s=0,58R_y=0,58*240=139,2 МПа;

чтобы не применять продольных ребер жесткости:

 см, примем толщину стенки равную 0,9 см и пересчитаем оптимальную высоту:

см, принимаем h_opt = 125 см. Проверим толщину стенки:

t_w=9 мм удовлетворяет условию прочности на действие касательных напряжений и не требует укрепления ее продольными ребрами жесткости для обеспечения местной устойчивости.

Минимальная высота балки: см

Принимаю  h =125см

Рисунок 19 - Главная составная балка

 

Размеры горизонтальных поясных листов найдем исходя из необходимой несущей способности балки. Для этого вычислим требуемый момент инерции сечения балки: см⁴.

Примем толщину  поясов см, тогда. Ширина листа по ГОСТ 19903-74, b_л=1250 мм.

Найдем момент инерции стенки балки: см⁴.

Момент инерции, приходящийся на поясные листы: см⁴. Момент инерции поясных листов балки относительно ее нейтральной оси , где - площадь сечения поясов. Отсюда получаем требуемую площадь сечения поясов балки: см , где см.

Принимаем пояса из универсальной стали 400x18мм.

Окончательно получили такие размеры  поясов: с

Проверяем принятую ширину (свес) поясов, исходя из их местной устойчивости:

; - условие выполняется.

Подобранное сечение балки проверяем  на прочность. Для этого определяем момент инерции и момент сопротивления балки:

;

 

Наибольшее нормальное напряжение в балке:

  ;- условие выполняется.

Подобранное сечение балки удовлетворяет  проверке прочности и не имеет недонапряжения больше 5%. Проверку прогиба балки можно не делать, так как принятая высота сечения больше минимальной и регламентированный прогиб будет обеспечен.

 

2.1 Изменение сечения главной балки по длине.

 

    

 

Рисунок 20 - Изменение сечения балки по длине.

Требуется  изменить сечение  главной балки по длине. Место  изменения сечения принимаем  на расстоянии 1/6 пролета от опоры. Сечение  уменьшаем изменением ширины поясов.

Определим расчетный момент и перерезающую силу в сечении 1-1: м.

Определим требуемый момент сопротивления  и момент инерции измененного  сечения,  исходя из  прочности  сварного стыкового шва, работающего  на растяжение:

;

R_wy=R_y*0.85

.

Определим требуемый момент инерции поясов:

Требуемая площадь сечения  поясов:

Принимаем пояс 240х18мм с .

 Принятый пояс удовлетворяет рекомендациям;

 и  ;

Определим момент инерции и момент сопротивления уменьшенного сечения: ;

.

Проверка прочности:

- условие выполняется.

2.2 Проверка прочности и прогиба главной составной балки.

 

Рисунок 21 - Напряжения в измененном сечении

 

 

Проверка максимальных нормальных напряжений в поясах середины балки:

  - условие выполняется; с₁=1(т.к. рассматриваем в упругой стадии).

Проверка максимальных касательных напряжений в стенке на опоре балки:

, где , - статический момент уменьшенного сечения балки.

, тогда

- условие выполняется.

Проверяем приведенные напряжения в сечении 1-1 – месте изменения сечения балки: ,

,

тогда ; - условие выполняется.

2.3 Проверка общей устойчивости и прогиба главной балки

 

Рисунок 22 - Определение свободной длины главной балки.

 

Проверяем общую устойчивость балки в месте действия максимальных нормальных напряжений, принимая за расчетный пролет - расстояние между балками настила. Будем проверять 2 раза:

В середине пролета балки:  

 и  , следовательно можно применять формулу:

(для сечений балок, работающих упруго, =1)

 ;  

4,65<17,55

В месте уменьшенного сечения балки:

.

Проверки показали, что общая устойчивость балки обеспечена.

Проверку прогиба балки можно  не проводить, так как принятая высота балки больше минимальной.h=128,6см>h_min=63,9см

2.4 Проверка и обеспечение местной устойчивости элементов,

главной балки, назначение ребер жесткости для главной балки

 

Проверка устойчивости полки:

, где  , тогда - местная устойчивость пояса обеспечена.

Проверка устойчивости стенки: (проверяем в самом неблагоприятном месте т.е в месте изменения сечения.).

Для повышения устойчивости стенки её разбивают ребрами жесткости на отдельные отсеки.

а ) Размеры  ребра:

, примем  .

, примем  ,  80×6 (мм)

б) ;  4,74>3,2 →а ≤ 2×h_ef (≈ h_w)  а ≤ 2×1250=2500.

Принимаю .

Каждый отсек между ребрами проверяем на местную устойчивость.

Рассмотрим устойчивость в отсеке с изменением сечения.

Действующие напряжения:

;

;

.

Критические напряжения:

, где

, по таблице 7.4 , тогда

  ;

Определяем условную гибкость ,

тогда  ;

Проверка:

 

-условие выполняется.

Рисунок 23 - Расстановка вертикальных ребер жесткости и места проверки напряжений

2.5 Расчет соединения поясов балки со стенкой

 

 

Рисунок 24 - Схема соединения.

 

Катет сварного шва определим под первой от опоры балкой настила, где сдвигающая сила максимальна.

Примем автоматическую сварку под слоем флюса, в лодочку, сварочной проволокой Св-08А,

, где 

; ;

тогда исходя из конструктивных требований примем катет согласно таблице 38 СНиПа. .

 

2.6 Расчет укрупнительного стыка балки на высокопрочных болтах

 

Монтажный стык делаем в середине пролета балки, где и Q=0. Стык осуществляем высокопрочными болтами d=20мм из стали 40Х”селект” , R_bun=110(кН/см²), d_отв=22 мм. Способ обработки соединяемых поверхностей газопламенный. Способ регулирования натяжения болтов по моменту закручивания.

Несущая способность  болта, имеющего 2 плоскости трения:

; , ; ; .

Стык поясов.

Каждый пояс балки перекрываем тремя накладками так чтобы суммарная площадь  накладок была больше площади пояса, т.е  . Площадь пояса:

Толщина накладок: . Примаю накладки сечением 400х10 и две 180х10. Тогда площадь накладки - условие выполняется.

 

Несущая способность:

Усилия в  поясе:

  ,

.

Количество  болтов  в соединении: , примем n=12 болтов.

Чтобы распределить болты надо вычислить минимальные и максимальные расстояния.

Расстояния:

между болтами: min

max или

до края: min

max или

 

Рисунок 25 - Монтажный стык поясов сварной балки на высокопрочных болтах.

 

 

 

Стык стенки.

Момент, действующий на стенку:

Болты устанавливаем  в 2 ряда на максимальном расстоянии между болтами:

 или  .

Принимаем расстояние между крайними по высоте рядами болтов: а_max=1250-85×2=1080.

, принимаю 2 ряда по 11 болтов, расстояние между которыми 100 мм, расстояние от крайнего болта до края стенки 30 мм.

Размер накладки: 1060×250×11

Проверяем стык стенки: , где k-число плоскостей трения, m-число рядов.

где ;

Рисунок 26 - Монтажный стык стенки сварной балки на высокопрочных болтах.

 

 

-условие выполняется.

Проверка по ослабленному сечению.

 

Проверяем пояс.

;

;           -проверка выполняется.

2.7 Расчет опорного ребра составной главной балки, главной прокатной балки и расчет сопряжения балок между собой