Проектирование рабочей площадки производственного здания. 3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФГБОУ ВПО «КнАГТУ»

 

 

 

Факультет кадастра и строительства

Кафедра «Строительства и архитектуры»

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине

«Металлические конструкции»

 

Проектирование рабочей  площадки производственного здания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент группы 9ПС-1:                                                                      А.В. Саковец

 

Преподаватель:                                                                                  Т.А. Стасевич                                                      

2013

Содержание

 

Исходные данные……………………………………………………….…………3

1 Расчет вспомогательной  балки…………………………………………………4

2. Расчет главной балки…………………………………………………………...6

3 Расчет центрально сжатой  колонны…………………………………………..16

Список используемой литературы………………………………………………27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные:

В работе рассматривается  одна средняя ячейка балочной клетки нормального типа, состоящая из главных  балок, перекрывающих большой пролет и вспомогательных балок. Главные  балки опираются на четыре колонны, расположенные по углам клетки, а  вспомогательные балки – на главные.

На балочную клетку укладывается и приваривается листовой настил.

Шаг вспомогательных балок  α зависит от типа настила, его  несущей способности и устанавливается  путем технико-экономического анализа.

При железобетонном настиле  толщиной t=0,6….1,2 см, α=0,6….1,6 м. При этом шаг балок должен быть кратен пролету главных балок.

- Пролет главных балок l=10.5м;

- Пролет второстепенных балок l₁ = 5,8 м;

- Временная нормативная  полезная равномерно распределенная  нагрузка на площадке Р₀=19 кН/м²;

- Высота колонны Н=8,8 м;

- Расчетное сопротивление  бетона фундамента R_s=4,5 МПа;

- класс стали несущих  конструкций С38/23.

При  11 ≤ Р≤ 20 кН/м²      δ_н= 8…10 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вспомогательная балка рассчитывается как однопролетная разрезная  балка с пролетом l₁, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой q.

Нагрузки	Нормативное значение нагрузки, кН/м2	Коэффициент надежности по нагрузке γf	Расчетное значение нагрузки, кН/м2
Постоянная: Стальной листовой настил δн=8 мм; γ=78,5 кН/м3		1,05	0,659
Временная: Полезная нагрузка на площадке Р0 ИТОГО:	19   19,628	1,2	22.8   25.81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а = 1.05 – шаг второстепенных балок;

Определим нормативное значение погонной нагрузки на второстепенную балку:

qⁿ = (P₀ + q_н)×a;

qⁿ =(19+0.628) × 1.05 = 20.61 кН/м;

Расчетное значение погонной нагрузки:

q =(P₀×γ_p+

× γ_q)* a;

где γ_p= 1.05, γ_q= 1.2 – коэффициенты надежности по нагрузкам соответственно для временной и постоянной нагрузок.

 

 

q = (19*1.05 + 0.628*1.2 ) * 1.05 = 21.74 кН/м;

Определяется расчетный  изгибающий момент, действующий в  середине балки:

,

M_max = (21.74*5.8²) / 8 = 91.42 кН*м

 

 

Из условии прочности определяется требуемый момент сопротивления

площади поперечного сечения  балки:

,

 

 

 

 

 

 

 

С₁ = 1.11 – коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций;

R_y = 22 – расчетное сопротивление материала балки;

γ_с = 1 - коэффициент условий работы балки;

W_тр = (9142)/(1.11*22*1)= 374.37 см³;

Подбирается по сортаменту прокатная двутавровая балка  и вычисляется геометрические характеристики профиля.

Принимаем двутавр № 30.

W_x = 472 см³; J_x = 7080см⁴; q = 36.5 кг/м;

Проведём проверку прочности  подобранного сечения по формуле:

,

σ = (9142)/1.11*472=17.45 кН/см²;

R_y* γ_с = 22*1=22 кН/см²;

σ< R_y* γ_с;

Проверка деформативности балок проводится от действия нормативных нагрузок по формуле:

где Е = 2.06 *10⁴ кН/ см² – модуль упругости стали,

J_x – момент инерции поперечного сечения балки,

f_n/l – предельное значение относительного прогиба,

 

Принятое сечение удовлетворяет  условиям прочности и прогиба.

 

 

 

 

 

 

 

 

Главная балка рассчитывается как однопролетная разрезная  балка пролетом l, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой q.

Нормативное значение погонной нагрузки на главную балку находится  по формуле:

 

Где 1.02 – коэффициент, учитывающий собственный вес балки;

  – нагрузка от настила;

  – нагрузка от второстепенных балок;

  кН/м;

Значение расчетной погонной нагрузки определяют следующим образом:

,

140.95 кН/м,

Определим расчетный изгибающий момент действующий в середине пролета балки:

,

  кН*м,

Максимальная поперечная сила:

,

 кН,

 

 

2.1 Подбор сечения  балки с проверкой прочности  и жесткости.

 

 

 

 

 

 

где С₁ – коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций

R_y –расчетное сопротивление стали

- коэффициент  условий работы

,

Из условий жесткости  минимальная высота балки:

,

 

где E = 2.06 ×10⁴ – модуль упругости стали,

 – предельный  относительный прогиб для главных  балок,

 

Толщина стенки балки определяется в миллиметрах по эмпирической формуле:

;

;

Принимаем =10 мм.

Исходя из условия минимального расхода стали, определяется оптимальная  высота сечения балки:

;

;

Принимаем высоту балки h = 90 см.

Определяем минимально допустимую толщину стенки из условия её прочности  на срез:

 

 

где R_s – расчетное сопротивление стали срезу,

 

 

Из условия обеспечения  местной устойчивости толщина стенки определяется по формуле:

 

 

Принимаем толщину стенки из конструктивных соображений.

Для определения значений b_f и t_f необходимо найти требуемую площадь пояса A_f, которая определяется по формуле:

 

 

С другой стороны, тогда

 

 

Согласно требованиям  ГОСТ 82-70 принимаются

 

где

  ,25

Далее проводим проверку подобранного сечения. Для этого определяется момент инерции сечения относительно оси x-x по формуле:

 

где

 

 

тогда момент сопротивления:

Проверка прочности проводится по формуле:

 

 

Недонапряжение составляет:

 

Для балок постоянного  сечения проверяются максимальные касательные напряжения по формуле:

 

2.2 Изменение сечения  балки по длине.

Определим расчетный момент М₁ и перерезывающую силу Q₁ в сечении

 

 

где , – расчетное сопротивление сварного стыкового шва.

 

 

   

 

Назначим размеры уменьшенного пояса, при этом толщина остается равной 32 мм:

 

 

Определим момент сопротивления  уменьшенного сечения:

 

 

 

Проверка прочности проводится по формуле:

 

 

 

 

 

3.3. Проверка общей устойчивости балки.

Проверка общей устойчивости балок проводится по формуле:

 

 

где

Проверим общую устойчивость балки в месте действия максимальных нормальных напряжений, принимается .

 

В месте уменьшенного пояса(балка работает упруго и )

 

Обе проверки показывают, что  общая устойчивость балки обеспечена.

3.4. Проверка местной устойчивости сжатого пояса и стенки балки.

В балках потерять устойчивость могут сжатый пояс от действия нормальных напряжений и стенка от действия касательных  или нормальных напряжений, а также  от их совместного действия.

Устойчивости стенки балки  добиваются обычно укреплением её поперечными  ребрами жесткости, расположенными нормально к поверхности выпучивания  листа и увеличивающими жесткость  стенки.

Поперечные ребра жесткости  необходимы в то случае, если значение условной гибкости стенки

 

;

В нашем случае . В соответствии с шагом вспомогательных балок a принимается (через две вспомогательные балки).

Ширина каждого из парных симметричных ребер жесткости  должна быть:

 

Принимаем .

Толщина ребер  должна быть не менее

 

Минимальное значение .

3.5. Расчет опорной части балки.

Сопряжение балок со стальными  колоннами осуществляется путём их опирания сверху или примыкания сбоку к колонне. Такое соединение может быть или шарнирным, передающим только опорную реакцию балки, или жестким, передающим на колонну, кроме опорной реакции, ещё и момент  защемления  балки  в  колонне. В большинстве балочных конструкций широко применяется шарнирное соединение - опирание  балок сверху на колонну: опорные рёбра приварены к торцу балки.

 

 

Расчет опорных частей балок заключается в назначении сечения опорных ребер с проверкой  их устойчивости. Участок стенки балки  над опорой укрепляется опорными ребрами жесткости и рассчитывается на продольный изгиб из плоскости  изгиб из плоскости как стойка высотой h, нагруженная опорной реакцией  F. В расчетное сечение включается, кроме опорных ребер, и часть стенки, длина которой равна:

 

Размеры опорных ребер  жесткости определяются из расчета  на смятие торца ребра:

 

где - опорная реакция главной балки;

- площадь смятия  опорного ребра;

.к. то формула расчета ребра на смятие приобретает вид:

 

Отсюда определяется толщина  опорного ребра . Проверка устойчивости опорной части балки проводится по формуле:

 

где - коэффициент продольного изгиба;

- площадь сминаемой  опорной части балки, включая часть стенки.

Предварительно определяют гибкость опорной стойки балки, включая  часть стенки.

 

 

 

 

 

 

 

В нашем случае опорная реакция главной балки .

Определим площадь смятия торца ребра:

 

В соответствии с  и , назначается толщина опорного ребра

 

 

Опорная стойка проверяется  на устойчивость относительно оси x-x. Предварительно определяется ширина участка стены, включенной в работу опорной стойки:

 

тогда площадь сминаемой  опорной части  определяется по формуле:

 

 

Следовательно, момент инерции  сечения стойки:

  

тогда радиус инерции 

 

Гибкость стойки

 

Коэффициент продольного  изгиба ,

 

 

 

 

                                            

 

Устойчивость опорной  части обеспечивается.

Для составления сварных  балок рассчитывается толщина сварного шва, приваривающего пояса к стенке балки по формуле:

 

Определяется наиболее опасное  сечение шва:

 

где - расчетное сопротивление материала шва по срезу для электродов типов Э-42, Э-42А, сварочной проволоки марок Св-08, Св-08А;

- расчетное сопротивление  срезу по металлу границы сплавления  для электродов типов Э-42, Э-42А,  сварочной проволоки марок Св-08, Св-08А;

 

 

Таким образом, толщина сварного шва равна

 

Минимально допустимая толщина  шва  при толщине пояса t_f = 28мм принимается , что больше получившегося по расчету . Принимается толщина .

 

 

 

 

 

 

 

 

Центрально сжатые колонны  применяются для поддержания  междуэтажных перекрытий и покрытий зданий, в рабочих площадках, эстакадах  и т.д.

Колонны передают нагрузку от выше лежащей конструкции на фундамент. Расчетная схема одноярусной  колонны определяется с учетом способа  закрепления её в фундамент, а  так же способа прикрепления балок, передающих нагрузку на колонну.

Расчетная длина колонны  определяется по формуле:

 

где -коэффициент расчетной длины, принимаемый в зависимости от закрепления концов стержня, при шарнирном креплении колонны сверху и снизу =1,

В нашем случае рассматривается  расчет сквозной колонны, сечение которой  составлено из двух швеллеров.

 

3.1. Подбор сечения  сквозной колонны

3.1.1. Расчет относительно  материальной оси x-x.

Подбор сечения колонны  начинается с определения требуемой  площади поперечного сечения  колонны по формуле:

 

где N- расчетная нагрузка на колонну, передаваемая балками. Так как на колонну опираются две главные балки, то

- реакция главной балки,

- коэффициент продольного  изгиба, в зависимости от продольного  изгиба 

-расчетное сопротивление стали марки С38/23 фасонного профиля.

Требуемый радиус инерции  сечения 

 

 

 

см,

По требуемой площади  сечения и радиусу инерции  подбираем по сортаменту соответствующий  прокатный профиль и выписываем действительные характеристики принятого  сечения h, для сечения, составленного из двух швеллеров.

По см² и , по сортаменту подбирается два швеллера № 33. Тогда см² и .

Затем рассчитываем гибкость стержня:

 

По, в зависимости от определяется коэффициент продольного изгиба ,

Проверяется устойчивость стержня  колонны по формуле

 

 

Перенапряжение не допускается, недонапряжение допускается не более 5 %:

 

Принимается сечение, составленное из двух швеллеров № 33 на планках.

 

 

3.1.2. Расчет относительно  свободной оси y - y.

 Определяется расстояние между ветвями колонны из условия равноустойчивости: где - приведенная гибкость относительно оси y-y, - гибкость относительно оси x-x.

Для этого задаются гибкостью  ветки на участке между планками Длина рядовых планок где в – ширина сечения сквозной колонны. Концевые планки принимаются длиной, равной примерно . Толщина планок назначается из конструктивных , и в пределах 6…12 мм.

Ширина сечения сквозной колонны 

 

где - ширина пояса швеллера,

а – 100…150 мм из конструктивных соображений

Принимаем - для швеллера №33

а=100 мм

Тогда,

 

 

 

 

Максимальное расстояние между планками определяется по принятой гибкости :

 

где = 30 – гибкость на участке между планками, 2.97 см – радиус инерции швеллера № 33.

 

Принимаем

Тогда расчетная длина  ветви

 

Значение принимается кратным высоте колонны.

Затем вычисляется соотношение 

 

где - момент инерции площади поперечного сечения планки;

= 410 см⁴ – момент инерции сечения швеллера № 33, в сортаменте

,

 

 

 

Вычисляется гибкость стержня  колонны . При

 

Определим радиус инерции сечения стержня колонны:

 

где - момент инерции сечения колонны

 

 

 

,

принимается в = 33 см.

Определяется гибкость стержня  колонны относительно свободной  оси:

 

И тогда 

Т.к. , то напряжение можно не проверять, колонна устойчива в двух плоскостях.

 

 

3.2.  Расчет планок.

Расчет планок сквозной колонны  сводится к назначению их размеров и расчету их прикрепления к ветвям.

Расчет планок проводится на условную поперечную силу . 

где А- площадь поперечного сечения стержня колонны.

 

Поперечная сила, приходящаяся на планку одной грани:

 

Определяется изгибающий момент и поперечная сила в месте  прикрепления планки:

 

 

Принимается приварка планок к полкам швеллера угловыми швами  с катетом шва ,

Определяется, какое из сечений  угловых швов по прочности, по металлу  шва или металлу границы сплавления имеет решающее значение.

 

По СНиП «Стальные конструкции» принимаем для электродов типов Э-42, Э-42А, сварочной проволоки марки Св-08А, Св-08; коэффициенты, зависящие от вида сварки,

 

Следовательно, необходима проверка по металлу шва.

Для проверки определяется расчетная площадь сварного шва

 

момент сопротивления  шва

 

Определяются напряжения в шве от момента и поперечной силы

 

 

Прочность шва проверяется  по равнодействующему напряжению

 

 

 

Проверка выполняется.

3.3. Расчет оголовка  колонны.

Опорная плита, на которую  укладываются балки, принимается конструктивно  толщиной . Расчетными элементы оголовка является ребро(диафрагмы) и швы, прикрепляющие ребра к колонне.

 

Высота ребер определяется требуемой длиной швов, передающих нагрузку на стержень колонны:

 

где - продольная сила в колонне,

- принимается  по наименьшей толщине свариваемых  элементов, но не менее 6 мм,

 – расчетное  сопротивление металла шва,

 – коэффициент  условий работы,

Толщина ребра  определяется из условия среза

 

где Q=0.5N

Принятая толщина ребра  проверяется на смятие торцов ребер  под полным опорным давлением:

 

где – расчетное сопротивление смятию.

Чтобы придать жесткость  ребрам, поддерживающим опорную плиту, и укрепить от потери устойчивости стержня колонны, в местах передачи сосредоточенных нагрузок ставятся вертикальные ребра, воспринимающие нагрузку, и обрамляются снизу горизонтальным ребром толщиной t = 6 мм.

  

где - толщина шва, которой задаются,

- расчетное сопротивление  шва,

- коэффициент условий работы,

Тогда,

 

 

Принимается .

Толщина ребра

 

- длина распределения давления. Здесь – ширина опорного ребра.

– расчетное сопротивление  торца ребра смятию.

 

Принимается .

Проведем проверку ребра  на срез ,

 

Проверка выполняется.

3.4. Расчет базы  колонны.

Расчетными элементами базы являются размеры опорной плиты  в плане, толщина опорной плиты  и высота траверсы .

Требуемая площадь опорной  плиты:

 

где  N – расчетная нагрузка на колонну;

- расчетное сопротивление  сжатию бетона фундамента.

 

-расчетное сопротивление бетона осевому сжатию (по заданию):

 

Для определения размеров сторон плиты задаются шириной плиты

 

где h – высота сечения колонны;

- толщина траверса;

 – вылет консоли,  минимальное значение из конструктивных  соображений 100 мм.

 

тогда

 

Принимаем размеры плиты , соблюдая условие:

 

Определяется напряжение под плитой базы

 

 

Конструируется база колонны  с траверсами толщиной 15 мм, которые  привариваются к полкам колонны  и к плите угловыми швами. Опорная  плита базы сечением колонны и  траверсами разделяется на участки.

Вычисляются наибольшие изгибающие моменты на каждом из этих участков, действующие на полосе шириной 1 см.

Участок 1, опертый на четыре каната:

 

где - коэффициент, определяемый по таблице Б.Г.Галеркина, в зависимости от отношения большей стороны участка к меньшей ; - отпор фундамента; a – меньшая сторона участка.

 

 

 

 

Участок 2, опертый на три  каната:

 

где - коэффициент, определяемый по таблице в зависимости от отношения меньшей стороны участка к большей, тогда участок рассматривается как консольный, тогда

 

Участок 3 консольный участок  с вылетом с=8 мм.

 

Требуемая толщина плиты  определяется по формуле:

 

где - наибольший из найденных для различных участков изгибающий момент в полоске шириной 1 см.

 

Принимается

Толщина плиты принимается  по сортаменту в пределах 20…40 мм.

При резком отличии моментов по величине на различных участках плиты надо внести изменения в  схему опирания плиты, чтобы, по возможности, выровнять величины моментов, что должно привести к облегчению базы.

Высота траверс определяется из условия размещения сварных швов, крепящих траверсы к колонне. Суммарная  длина швов:

 

 

 

Прикрепление траверсы к  колонне рассчитывается по металлу  шва, так как:

 

 

 

 

 

 

 

Проверим допустимую длину  шва 

,

 

Требование к максимальной длине швов выполняется.

Проверяется прочность швов, приваривающих траверсы к плите:

 

При вычислении суммарной  длины швов с каждой стороны шва  не учитывалось по 1 см на непровар.

Приварка торца колонны  к плите выполняется конструктивными  швами  , так как эти швы в расчете не учитывались.

Базы колонны крепятся к фундаменту двумя или четырьмя анкерными болтами, диаметры которых  принимаются конструктивно 24…26 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

1. Беленя Е.И. Металлические конструкции. – М. Стройиздат, 1976-600с.
2. СНиП 2-23-81 Стальные конструкции / Госстрой СССР – М. : ЦИТП
3. Проектирование рабочей площадки производственного здания : Методические указания / Сост. Т. А. Стасевич.- Комсомольск-на-Амуре : Комсомольский-на-Амуре гос. Техн. Университет, 2006-36с.
4. ГОСТ 82-70. Прокат стальной горячекатаный широкополосный универсальный.- Введ. 01,01,72. М. : Из-во стандартов, 1988-7с.
5. ГОСТ 8239-89. Двутавры стальные горячекатаные. Сортамент – Введ. 01,01,90. – М. :   Из-во стандартов, 1990-7с.