Рабочая площадка
Министерство образования РФ
Иркутский государственный технический университет
Кафедра строительных конструкций
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по металлическим конструкциям на тему
РАБОЧАЯ ПЛОЩАДКА
Выполнил студент _Припутнев А.Г._______________________
(Ф.И.О.)
Группы ГСХ _____Собз-11-4________________
Руководитель проекта _Николаенко Е.А.____________________
(Ф.И.О.)
Принял ______________________________
(подпись) (Ф.И.О.)
г. Иркутск, ____ г.
Рассчитать и запроектировать балочную клетку и колонну рабочей площадки промышленного здания по следующим данным:
- Размеры площадки в плане 3ℓх3b;
- Шаг колонн:
в продольном направлении 11 м,
в поперечном направлении 4 м;
- Отметки:
верха настила площадки по расчёту
верха габарита помещения, расположенного
под рабочей площадкой +6,6 м,
чистого пола 1 этажа
- Нормативная полезная нагрузка:
величина 24,5 кН/м2,
характер действия нагрузки – статическая;
- Расчётная температура - 60°С;
- Тип сечения элементов:
Колонны – сквозные;
балки настила – прокатные;
вспомогательные балки – прокатные;
главные балки – составные сварные с изменением сечения по длине.
- Материалы конструкций:
настила – железобетон,
несущих конструкций и связей – сталь (принять согласно таблице В5 СП 16.13330-2011).
- Условия изготовления металлических конструкций:
На ЗМК общего профиля.
- Способы соединения металлических конструкций:
Заводские – сварка; монтажные – сварка, болты.
- Монтажный стык главной балки запроектировать в середине пролёта, разработать два варианта стыка – сварной и на высокопрочных болтах.
- Класс бетона фундаментов по прочности В12,5.
- Отметка верха фундамента - - 0,400.
- Расчет прокатной балки настила
Подбираем сечение прокатной двутавровой балки (балки настила) в составе балочной клетки нормального типа с железобетонным настилом под полезную временную нагрузку pn = 24,5 кН/м2 (рис. 1). Пролет балок l = В = 4 м, шаг a1, равный пролету настила lн = 2,2 м. Расчетная температура воздуха t = –60ºС.
Для изгибаемых элементов (балок), относящихся ко второй группе, а при отсутствии сварных соединений (балки прокатные) – к третьей группе, возводимых в климатическом районе строительства I1 (расчетная температура –50ºС > t ≥ –65ºС) по табл. В.1[1] выбираем сталь класса С345 с расчетным сопротивление по пределу текучести для фасонного проката толщиной до 20 мм Ry = 320 МПа = 32 кН/см2 (см. табл. В.5)[1], Rs = 0,58 Ry = 0,58·320 = 185,6 МПа.
Нагрузка на балку настила собирается с соответствующей грузовой площади (рис. 1).
Рис. 1. Схема балочной клетки
Балки настила проектируем из прокатных двутавров по ГОСТ 8239-89 (сортамент).
Расчетная схема балки представлена на рис. 2.
Определение нормативной и расчетной нагрузок. Нормативная нагрузка на балку при опирании на нее сплошного железобетонного настила, толщиной 12 см, принимается равномерно распределенной:
Расчетная нагрузка
где g¦g = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке для постоянной нагрузки от железобетонного настила.
Определение усилий и компоновка сечения.
Принимаем неразрезную двутавровую балку длиной 12 м.
Рис. 2. Расчётная схема балки настила
Расчёт на прочность неразрезной
балки постоянного двутаврового
сечения с двумя осями
По формуле (50)[1] условие прочности
Мх/(схβWxn,minRуγс) ≤ 1 (50)[1],
где сх – коэффициент, принимаемый согласно табл. Е.[1];
β – коэффициент, принимаемый равным:
при τх ≤ 0,5Rs β = 1;
при 0,5Rs< τх ≤ 0,9 Rs
β = 1 –[ 0,2/(αf + 0,25)]·( τх/ Rs)4, (52)[1]
где αf = Af/Aw – отношение площади сечения пояса к площади сечения стенки.
Расчетный изгибающий момент
Мх = 0,5(Мmax + Mef),
где Мmax – наибольший изгибающий момент в пролёте или на опоре, определяемый из расчёта неразрезной балки в предположении упругой работы стали;
Mef – условный изгибающий момент, равный:
в неразрезных балках с
шарнирно опёртыми концами
Mef = max{M1/(1 + а/ℓ)}
Mef = 0,5М2,
где М1 – изгибающий момент в крайнем пролёте, вычисленный как в свободно опёртой однопролётной балке;
а – расстояние от сечения, в которой действует момент М1, до крайней опоры;
ℓ - длина крайнего пролёта;
М2 – максимальный изгибающий момент в промежуточном пролёте, вычисленный как в шарнирно опёртой однопролётной балке.
М1 = М2 = 143,88 кН·м.
Mef = 143,88/(1 + 1,7/4) = 100,97 кН·м.
Mef = 0,5М2 = 0,5·143,88 = 71,94 кН·м.
Принимаем Mef = 100,97 кН·м.
Мmax определяем по таблице главы 2.2.2 [2]: Мmax = - 0,117·71,94·42 = 134,67 кН·м.
Мх = 0,5(Мmax + Mef) = 0,5·(134,67 + 100,97) = 117,82 кН·м.
Qmax = -0,617·71,94·4 = 177,55 кН.
Предварительно определяем требуемый момент сопротивления поперечного сечения балки, в предположении упругой работы стали:
По сортаменту (ГОСТ 8239-89) выбираем ближайший номер двутавра, у которого Wx > Wn,min. Принимаем I30, имеющий момент сопротивления Wx = 472 см3; статический момент полусечения Sx = 268 см3; момент инерции сечения Ix = 7080 см4; площадь сечения А = 46,5 см2; ширину пояса bf = 135 мм; толщину пояса t¦ = 10,2 мм; толщину стенки tw = 6,5 мм; линейную плотность (массу 1 м пог.) 36,5 кг/м.
Касательное напряжение τх = Qx/Aw,
где Aw – площадь сечения стенки, Aw = 18,96 см2.
τх = 177,55/18,96·10-4 = 93,64 МПа,
0,5·185,6< τх ≤ 0,9· 185,6 → 92,8 < 93,64 < 167,04, следовательно
β = 1 –[ 0,2/(αf + 0,25)]·( τх/ Rs)4 = 1 – [0,2/(0,76 + 0,25)]·(93,64/185,6)4 = 0,987.
По таблице Е.1[1] cx = 1,07;
Мх/(схβWxn,minRуγс)
= 117,82·102/(1,07·0,987·472·32·
Условие прочности соблюдается с большим запасом.
Примем I27а :
Wx = 407 см3;
Sx = 229 см3;
Ix = 5500 см4;
А = 43,2 см2;
bf = 135 мм;
t¦ = 10,2 мм;
tw = 6,0 мм;
масса 1 м пог.= 33,9 кг/м.
Касательное напряжение τх = Qx/Aw,
где Aw – площадь сечения стенки, Aw = 14,976 см2.
τх = 177,55/14,976·10-4 = 118,56 МПа,
0,5·185,6< τх ≤ 0,9· 185,6 → 92,8 < 118,56 < 167,04, следовательно
β = 1 –[ 0,2/(αf + 0,25)]·( τх/ Rs)4 = 1 – [0,2/(0,919 + 0,25)]·(118,56/185,6)4 = 0,97.
По таблице Е.1[1] cx = 1,095;
Мх/(схβWxn,minRуγс)
= 117,82·102/(1,095·0,97·407·32·
Условие прочности соблюдается с небольшим запасом.
Примем I27 :
Wx = 371 см3;
Sx = 210 см3;
Ix = 5010 см4;
А = 40,2 см2;
bf = 125 мм;
t¦ = 9,8 мм;
tw = 6,0 мм;
масса 1 м пог.= 31,5 кг/м.
Касательное напряжение τх = Qx/Aw,
где Aw – площадь сечения стенки, Aw = 15,02 см2.
τх = 177,55/15,02·10-4 = 118,21 МПа,
0,5·185,6< τх ≤ 0,9· 185,6 → 92,8 < 118,21 < 167,04, следовательно
β = 1 –[ 0,2/(αf + 0,25)]·( τх/ Rs)4 = 1 – [0,2/(0,816 + 0,25)]·(118,21/185,6)4 = 0,969.
По таблице Е.1[1] cx = 1,073;
Мх/(схβWxn,minRуγс)
= 117,82·102/(1,073·0,969·371·
Условие прочности соблюдается.
Уточнение расчетных усилий М и Q c учетом собственного веса балки настила.
Равномерно распределенная нагрузка от собственного веса балки настила длиной 1 м .
Нормативная нагрузка
Расчетная нагрузка
Qmax = -0,617·72,27·4 = 178,36 кН.
τх = 178,36/15,02·10-4 = 118,75 МПа,
0,5·185,6< τх ≤ 0,9· 185,6 → 92,8 < 118,75 < 167,04, следовательно
β = 1 –[ 0,2/(αf + 0,25)]·( τх/ Rs)4 = 1 – [0,2/(0,816 + 0,25)]·(118,75/185,6)4 = 0,9686.
По таблице Е.1[1] cx = 1,073;
Мх/(схβWxn,minRуγс)
= 117,82·102/(1,073·0,9686·371·
Условие прочности соблюдается.
Недонапряжение (резерв несущей способности) составило
·100% = 4% < 5%, что допустимо.
Проверка прочности балки по
касательным напряжениям у
Общую устойчивость балок настила проверять не надо, поскольку передача нагрузки на балку происходит через сплошной жёсткий железобетонный настил ( п. 8.4.4)[1]. Проверка местной устойчивости поясов и стенки прокатных балок не требуется, так как она обеспечивается большой их толщиной, обусловленной технологическими условиями проката.
Проверка жесткости. Прогибы, определяемые от нормативных нагрузок, не должны превышать их предельных значений, установленных нормами проектирования. Для трёхпролётной балки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, проверка прогиба производится по формуле
где при пролете l = 4 м (см. табл. 2 приложения 1[3]).
Принятое сечение
Определяем вес балки настила на 1 м2 рабочей площадки, необходимый для дальнейших расчетов, деля линейную плотность балки на шаг балок настила а1 = 2,2 м:
gn,бн = 31,5/2,2 = 14,32кг/м2 = 0,143 кН/м2.
2.Расчет и конструирование составной сварной главной балки
Применяют сечение главной
балки двутавровое
Подбираем сечение составной сварной главной балки пролетом l = 11 м. Шаг балок b в составе балочной клетки нормального типа равен шагу колонн B = 4 м (рис. 3). Шаг балок настила 2,2 м, вес балок настила из I27 gn,бн = 0,143 кН/м2. Настил железобетонный толщиной 12 см, весом 3,0 кН/м2 под полезную нагрузку pn = 24,5 кН/м2. Коэффициент надежности по нагрузке для железобетонного настила γfgb = 1,1. Сталь для климатического района строительства I1 C345 c расчетным сопротивлением Ry = 32 кН/см2 для листового и фасонного проката толщиной до 20 мм включительно и Ry = 30 кН/см2 для проката толщиной свыше 20 мм(табл. В.5)[1].
2.1. Определение усилий
При частом расположении балок настила (а1 = 2,2 м) = (l/5 = 11/5 = 2,2 м) сосредоточенную нагрузку, передаваемую на главную балку от балок настила, заменяем равномерно распределенной нагрузкой, собираемой с соответствующей грузовой площади (см. рис. 1).
Расчетная схема главной балки представлена на рис. 4.
Нормативная нагрузка
qn = b(pn + gn,н + gn,бн) = 4(24,5 + 3,0 + 0,143) = 110,57 кН/м.
Рис. 3. Балочная клетка с железобетонным настилом
Рис. 4. Расчетная схема главной балки
Расчетная нагрузка
Расчетный изгибающий момент в середине пролета
Нормативный изгибающий момент
Mn,max = αqnl2/8 = 1,04 · 110,57 · 112 / 8 = 1739,27 кН∙м.
Расчетная поперечная сила в опорном сечении
где a = 1,04 – коэффициент, учитывающий собственный вес главной балки (предварительно принимается a = 1,02 – 1,05).
2.2. Компоновка сечения
Балку рассчитываем в упругой стадии работы (рис. 5).
Рис. 5. Сечение главной балки и эпюры напряжений σ и τ
Из условия прочности требуемый момент сопротивления балки
где Ry = 30 кН/см2 при толщине проката более 20 мм.
Назначаем высоту сечения балки h, которая определяется максимально допустимым прогибом балки, экономическими соображениями и строительными габаритами площадки.
Наименьшая рекомендуемая высота балки hmin определяется из условия жесткости балки (второе предельное состояние) при равномерно распределенной по длине балки нагрузке:
где qn – суммарная погонная нормативная нагрузка на балку.
Минимальная высота балки
где fu = 24,3 мм – предельный прогиб главной балки пролетом l = 11 м, определенный интерполяцией по табл. 2[3].
Высоту разрезной главной балки принимают в пределах (1/10 – 1/13)l = (1,1 – 0,85 м). Предварительно принимаем высоту балки h = 1,0 м.
Оптимальная высота балки по металлоемкости
где tw –толщина стенки балки, определяемая по эмпирической зависимости: tw = 7 + 3h/1000 = 7 + 3 · 1000 / 1000 = 10,0 мм.
Принимаем tw = 10 мм.
Допускается отклонение оптимальной высоты балки в меньшую или большую сторону на 10 – 15%, так как это мало отражается на весе балки.
Максимально возможная высота балки определяется строительной высотой перекрытия H (разницей в отметках верха настила рабочей площадки и верха габарита помещения, расположенного под площадкой) и зависит от сопряжения балок между собой по высоте. В нашем случае, отметка верха настила не задана (по заданию).
Сопряжение балок может быть поэтажное, в одном уровне и пониженное.
Высота стенки hw приблизительно равна высоте балки h, ее размеры увязываем со стандартными размерами листов, выпускаемых заводами (табл. 14 и 15)[3]. Сравнивая полученные данные, назначаем стенку высотой hw = 950 мм и толщиной tw = 10 мм (минимальная толщина стенки принимается 8 мм).
Толщиной поясов задаёмся в пределах от 10 до 40 мм, увязывая ее с толщиной стенки: не менее толщины стенки tw и не более 3tw = 30 мм (в поясных швах при приварке толстых поясных листов к тонкой стенке развиваются значительные усадочные растягивающие напряжения). Приняв предварительно толщину поясов tf = 25 мм, назначаем высоту балки h = 1000 мм. При высоте балки менее 1100 мм рекомендуется принимать стенку из широкополосной универсальной стали по ГОСТ 82-70*.
Определяем требуемую толщину стенки из условия прочности на срез в опорном сечении:
tw = kQmax/(hwRsγc) = 1,5 · 751,6 / (95,0 · 18,56 · 1) = 0,64 см = 6,4 мм,
что меньше предварительно принятой толщины tw = 10 мм (здесь k = 1,5 – для разрезных балок, опирающихся на колонну с помощью опорного ребра, приваренного к торцу балки). Считается, что в опорном сечении балки на касательные напряжения от поперечной силы работает только стенка. При передаче давления на колонну через опорные ребра, торцы которых совмещаются с осью полок сплошной колонны или стенок ветвей сквозной колонны, включаются в работу и пояса балки, коэффициент принимается k = 1,2.
Проверяем необходимость постановки продольных ребер жесткости для исключения образования волн выпучивания в верхней сжатой части стенки от нормальных напряжений. Постановка продольных ребер жесткости усложняет конструкцию балки, поэтому они целесообразны только в высоких балках (более двух метров), имеющих тонкую стенку с гибкостью
Условная гибкость стенки
3,62 < 5,5.
Оставляем без изменений принятую толщину стенки tw = 10 мм, так как она удовлетворяет условиям прочности на действие касательных напряжений
и не требует укрепления ее продольным ребром жесткости.
Размеры горизонтальных поясных листов находим, исходя из необходимой несущей способности балки. Вычисляем требуемый момент инерции сечения балки:
Находим момент инерции стенки балки:
Момент инерции, приходящийся на поясные листы:
Момент инерции поясных листов балки относительно ее нейтральной оси х-х (пренебрегая моментом инерции поясов относительно собственной оси 1-1 ввиду его малости) можно расписать: If ≈ 2Af(hw/2)2,
где Af – площадь сечения одного пояса;
hf = h – tf = 100 – 2,5 = 97,5 см – расстояние между центрами тяжести поясов.
Находим требуемую площадь одного пояса:
Ширина пояса
Ширина пояса должна отвечать следующим требованиям:
– bf = (1/3 – 1/5)h = 33,3 – 20 см при h = 100 см;
– bf ≥ 180 мм.
По сортаменту принимаем пояса из горячекатаного широкополочного универсального проката по табл. 15[3] сечением 250´25 мм, для которых ширина bf находится в рекомендуемых пределах.
Необходимо проверить местную устойчивость сжатого пояса, для чего отношение свеса пояса = (250 – 10) / 2 = 120 мм к его толщине tf должно быть не более предельного, определяемого по табл. 16[3].
Проверяем:
Условие выполняется.
2.3. Проверка прочности балки
По назначенным размерам
вычисляем фактические
– момент инерции
– момент сопротивления
– статический момент половины сечения относительно нейтральной оси
– площадь сечения
По найденной площади A и плотности стального проката ρ = 7850 кг/м3 определяем вес 1 м пог. балки:
где k = 1,1 – конструктивный коэффициент, учитывающий увеличение веса балки за счет ребер жесткости, накладок и т.п.
Уточняем расчетные значения изгибающего момента M и поперечной силы Q с учетом собственного веса главной балки, для этого определяем:
– нормативную нагрузку
– расчетную нагрузку
– расчетный изгибающий момент
Mmax = q′ l2/8 = 133,4 ∙ 112 / 8 = 2017,7 кН·м;
– нормативный изгибающий момент
– поперечную силу
Qmax = q′l/2 = 133,4 · 11/2 = 733,7 кН.
Проверка прочности балки по нормальным напряжениям:
Недонапряжение в балке составляет
что недопустимо в составном сечении согласно СНиП [6].
Примем hw = 0,9 см, bf = 24 см, тогда
Недонапряжение в балке составляет
что допустимо.
Проверка прочности балки на срез по касательным напряжениям производится по формуле
При наличии местных напряжений σloc, возникающих в местах приложения сосредоточенной нагрузки к верхнему поясу при поэтажном сопряжении балок, запроектируем рёбра жёсткости, в этом случае проверка на местное смятие не требуется.
Рис. 6. Схема распределения сосредоточенной нагрузки
на стенку сварной балки при поэтажном сопряжении балок
2.4 Изменение сечения балки по длине
Сечение балки изменяют в целях экономии металла. В сварных балках конструктивно наиболее просто решается изменение ширины пояса (рис.7).
В однопролетных разрезных балках ордината места изменения сечения, обеспечивающая наибольшую экономию металла, может быть определена по формуле: , где
c = s / Rwy ;
Rwy - расчетное сопротивление стыкового сварного соединения, выполненного полуавтоматической или ручной сваркой, растяжению по пределу текучести (см. табл. 3 [1]).
Значение Rwy принимают в зависимости от того, какие методы контроля качества шва должны быть использованы при изготовлении конструкций:
- при использовании физических методов контроля качества шва Rwy = Ry ;
- при обычных методах контроля Rwy = 0.85 Ry.
Обычно в однопролетных балках, в зависимости от соотношения s, Ry и Rwy место изменения сечения принимается на расстоянии (1/6 ÷ 1/7.5)L от опоры. Окончательно ордината места изменения сечения уточняется исходя из расположения балок (настила или вспомогательных) и округления размеров. Примем Х = 1,5 м.
Изгибающий момент, действующий в месте изменения сечения:
Поперечная сила:
где x – фактическое расстояние от опоры до места изменения сечения.
q = qвр + qпост + 1,05 gсвгб = 133,4 кН/м.
Рис. 7. Место изменения сечения главной балки без консолей.
Ширина пояса в измененном сечении: b'f = A'f.req / tf принимается
при соблюдении условий:
; ; b'f ³180 мм
Для
измененного сечения балки
площадь A' = tw hw + 2 b'f tf
момент инерции
момент сопротивления W'x = 2 J'x /(hω+2tf)
статический момент пояса относительно нейтральной оси
статический момент половины
сечения относительно нейтральной
оси
А´=0,9·95 + 2·18·2,5 = 175,5 см2;
J´x = 0,9·953/12 + 2·18·2,5·(95/2 + 2,5/2)2 = 278193,8 см4;
W´x = 2·278193,8/(95 + 2·2,5) = 5563,88 см3.
S´f = 18·2,5·48,75 = 2193,75 см3.
2.5. Проверка прочности балки в измененном сечении
В месте изменения сечения балки необходимо проверить:
Наибольшие нормальные напряжения: (3.65)
Приведенные напряжения на уровне стыка пояса и стенки от совместного действия нормальных, касательных и местных напряжений (рис. 8 ):
Рис. 8. Эпюры нормальных и касательных напряжений на уровне поясных швов.
где ,
s1ос - местные напряжения смятия учитывают в том случае, если сосредоточенная сила (опорная реакция балки настила или вспомогательной балки) приложена в месте стыка пояса сверху (рис. 9)
где F – опорная реакция балки настила или вспомогательной балки;
z = b1 + 2 tf – условная длина распределения местных напряжений
b1 - длина участка приложения местной нагрузки
Рис. 9. Местные напряжения в месте опирания балки настила.
В том случае, если местные напряжения отсутствуют, формула упрощается:
В нашем случае балка настила не опирается вместе изменения ширины пояса, поэтому применима формула
= [133,4·1,5(11 – 1,5)]/2 = 950,5 кН·м;
= 133,4·(11 - 2·1,5)/2 = 533,6 кН;
=( 95050/278193,8)·(95/2) = 16,229 кН/см2;
=( 533,6·2193,75)/( 278193,8·0,9) = 0,053 кН/см2;
Прочность обеспечена.
2.6. Проверка общей устойчивости балки
Общая устойчивость балки считается обеспеченной при передаче нагрузки через сплошной жесткий настил, непрерывно опирающийся на сжатый пояс балки и надежно с ним связанный, а также, если соблюдается условие: отношение расчетной длины участка балки lef между связями, препятствующими поперечным смещениям сжатого пояса балки, к его ширине bf не превышает критическое значение, определяемое по формуле
где lef = 2,2 м – расстояние между точками закрепления сжатого пояса от поперечных смещений, равное шагу балок настила a1.
Проверяем:
– в середине пролета балки
Общая устойчивость балки обеспечена.