Расчет и проектирование двутавровой балки
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное автономное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
Свердловской области
«НИЖНЕТАГИЛЬСКИЙ техникум металлообрабатывающих производств и сервиса»
Допустить к защите Руководитель МО _____________ /Зашляпина Н.Л. (подпись) «_____»____________ 20___ г. |
спроектировать двутавровую балку
Курсовой проект
Пояснительная записка
Специальность: |
150203 Сварочное производство
|
Выполнил студент |
группа 501 |
ПушкинА. А | |
(группа) |
(подпись) |
Ф.И.О. | |
Руководитель |
преподаватель |
Зашляпина Н. Л. | |
ученая степень, должность |
(подпись) |
Ф.И.О. | |
Консультант |
преподаватель |
Гриценко Н.В. |
2014
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………....…… |
3 |
1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ………………………………………...….… |
5 |
1.1 Технологическая часть……………………… |
5 |
1.1.1 Описание конструкции …………………………………………. |
5 |
1.1.2 Выбор материала конструкции ……………………………….. |
6 |
1.1.3 Выбор способа сварки …………………………………………. |
7 |
1.1.4 Выбор сварочных материалов …………………………………. |
8 |
1.1.5 Технология изготовления и монтажа конструкции …………... |
10 |
1.2 Расчетная часть ……………………………………………….…… |
12 |
1.2.1 Определение расчётных усилий ……………………………….. |
12 |
1.2.2 Определение требуемой высоты балки |
13 |
1.2.3 Определение момента инерции …………………………….…… |
16 |
1.2.4 Определение напряжений ………………………………………. |
19 |
1.2.5 Определение катета шва ………………………………………... |
27 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………. |
28 |
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЛИТЕРАТУРЫ …………… |
29 |
ВВЕДЕНИЕ
Проектирование быстровозводимых зданий на современном этапе требует применения в качестве несущего каркаса стальных балок, поскольку при больших пролетах, от семи и больше метров, другие конструкции становятся неэффективными. Кроме этого существует еще целый ряд сооружений, где нет возможности использовать другие материалы, в частности – железобетонные конструкции.
Одним из лучших вариантов стальных балок является двутавровая балка. Она главным образом применяется для перекрытия больших пролетов промышленных и других зданий (4-18 метров), а также при создании эстакад, мостов, рабочих площадок и других металлических сооружений. Почему данный металлопрокатный продукт столь популярен? Прежде всего, это, безусловно, обширный спектр использования подобного изделия. Применение двутавровой стальной балки встречается в качестве прочных строительных металлоконструкции, что способствует воссозданию наиболее экономичных опорных форм, тем самым значительно снижая весовой показатель металлических конструкций.
Балки разделяются по типу сечения,
они могут быть прокатными либо сварными
Двутавровая металлическая балка имеет ряд преимуществ. В первую очередь такой балкой можно перекрыть большие пролеты со значительной нагрузкой. Балка не горит (но надо помнить, что при воздействии высоких температур на балки – они теряют несущую способность). К тому же она устойчива к биологическому воздействию.
Использование двутавровых балок переменного сечения обеспечивает высокую эффективность внутреннего объема здания и значительно сокращают эксплуатационные расходы.
К недостаткам двутавровых сварных балок можно отнести:
1.Их подверженность коррозии, в случае отсутствия защитного покрытия и при наличии в здании агрессивных веществ;
2.Сложность установки – невозможна без применения специальной техники;
3.Необходимость расчета
для точного соответствия
В соответствии с вышесказанным определена тема курсового проекта «Расчет и проектирование двутавровой балки».
Цель:
Спроектировать двухтавровую балку для заданных условий работы и описать проблемы, связанные с технологией её изготовления.
Задачи:
1.Изучить информацию по курсовому проекту (используя различную литературу).
2.Выполнить расчеты по
определению элементов
3.Описать технологию
-способ сварки;
-выбрать режимы сварки;
-сварочные материалы;
-сварочное оборудование;
-описать последовательность изготовления;
4.Выполнить сборочный чертеж балки.
5.Сделать вывод.
1 ОСНОВНЯ ЧАСТЬ
1.1Технологическая часть
1.1.1 Описание конструкции
Двутавровая балка — это профиль конструктивных элементов, выполненный из черного металла. Имеет сечение, больше всего напоминающее букву «Н».
Для возведения сооружений ее начали использовать еще в начале двадцатого века. Двутавровая балка незаменима в современном строительстве. Она служит составляющей несущей конструкции. Основными свойствами, которым двутавр обязан такой популярностью, являются простая конструкция и особая прочность, выдерживающая большие нагрузки.
Двутавровая балка работает в несущих конструкциях преимущественно на изгиб. Сечение, присущее двутавру, признано самым выгодным и надежным, так как именно при этой конструкции лучше всего происходит распределение материала. Балка двутаврового профиля является в семь раз более прочной и в тридцать раз более жесткой, чем балка квадратного профиля равнозначной площади сечения.
Для производства балки применяют углеродистую и низколегированную стали. Длина изготовления балки двутавровой (двутавры) зависит от ее назначения. Этот вид металлопроката нашел свое применение в сферах промышленного и гражданского строительства, а также в производстве перекрытий, мостовых сооружений и т.д.
1.1.2 Выбор материала конструкции
Основной материал, из которого изготовлена балка – углеродистая, конструкционная сталь марки Ст 3 ГОСТ 380-94.
Сталь сваривается без ограничений всеми способами сварки, не склонна к трещинообразованию.
Сталь поставляется в виде листов или сортового проката.
Таблица 1 – Химический состав стали Ст 3 по ГОСТ 380-94, %:
Марка |
Содержание элементов, % | ||||||||
C |
Si |
Mn |
Cr |
Ni |
Cu |
P |
S |
As | |
Ст 3 |
0,14-0,22 |
0,12-0,30 |
0,40-0,65 |
≤ 0,3 |
≤ 0,3 |
≤ 0,3 |
0,04 |
0,05 |
0,08 |
Механические свойства стали Ст 3 по ГОСТ 380-94:
- предел текучести σТ = 250 МПа;
- предел прочности σТ = 380-490 МПа;
- относительное удлинение δ = 26 %;
Оценка склонности основного металла к образованию трещин проводим по эквиваленту углерода:
Т.к. эквивалент углерода Сэ< 0,45, то делаем вывод, что сталь Ст 3 не склонна к образованию трещин и относится к хорошо свариваемым.
1.1.3 Выбор способа сварки
Выбор способа сварки зависит от многих факторов: от толщины металла, от марки материала, от сложности выполнения сварного шва, от условий работы конструкции, от длины шва, от типа производства.
Для длины 12м. рекомендуется использовать полуавтоматическую и автоматическую сварку под слоем флюса.
Также виды сварки как ручная дуговая сварка, и полуавтоматическая в среде защитного газа, контактная сварка – неприменимы, т.к. не обеспечивают требуемую глубину проплавления.
Выбор способа сварки от марки материала.
Для данной стали применимы все способы сварки.
Выбор способа сварки от сложности выполнения св. шва.
Шов открытого типа, поэтому применимы все способы сварки.
Выбор способа сварки от длины шва.
Длина двутавровой балки 12 м, поэтому лучше применять автоматическую сварку.
Выбор способа сварки от условий работы.
Балка эксплуатируется в условиях нормальных температур, при допустимой влажности воздуха. Сварку можно производить всеми способами.
Из предложенных выше способов можно предложить: автоматическую сварку под слоем флюса или автоматическую в среде защитного газа.
Наиболее лучшим способом сварки является под слоем флюса, т.к. флюс по сравнению с двуокисью углерода обеспечивает высокое качество сварного шва при минимальных затратах вспомогательных материалов.
1.1.4 Выбор сварочных материалов
Сварочные материалы должны обеспечивать механические свойства наплавленного металла шва не ниже механических свойств основного металла.
При автоматической сварке под слоем флюса применим сварочную проволоку марки Св08А ГОСТ 2246-70 диаметром 3 мм.
Химический состав сварочной проволоки Св08А ГОСТ 2246-70 приведен в таблице 2.
Таблица 2 - Химический состав проволоки Св08А, %
Углерод |
Марганец |
Кремний |
Фосфор |
Сера |
Хром |
Никель |
Алюминий |
≤ 0,10 |
0,35 –0,6 |
≤0,03 |
≤0,03 |
≤0,03 |
≤0,12 |
≤0,25 |
≤0,01 |
Сварочный флюс марки АН-348А ГОСТ 9087-81. Область применения этого флюса – сварка и наплавка конструкций из низко углеродистых и низколегированных сталей, нелегированной и низколегированной сварочной проволокой при температурной эксплуатации конструкции до минус 50°С.
Химический состав флюса АН-348А ГОСТ 9087-81 приведен в таблице 2.
Таблица 3 – Химический состав флюсаАН-348А, %
SiO2 |
CaO |
MnO |
Al2O3 |
MgO |
CaF2 |
Fe2O3 |
Сера |
Фосфор | |
40-44 |
≤ 12 |
31-38 |
≤ 6 |
<7 |
3-6 |
не более | |||
0,5-2 |
0,12 |
0,12 | |||||||
Прихватки выполняются ручной дуговой сваркой, применяются электроды типа Э-50А УОНИ-13/55 ГОСТ 9466-75, диаметром 4 мм.
Требования к сварочным материалам:
Сварочные материалы перед использованием должны быть проконтролированы на наличие сертификата (на электроды, проволоку и флюс) с проверкой полноты приведенных в нем данных и их соответствия требованиям стандарта, технических условий или паспорта на конкретные сварочные материалы. Все сварочные материалы проверяются на отсутствие повреждений упаковок и самих материалов.
1.1.5 Технология
изготовления и монтажа
Последовательность операций выбирается с учетом возможностей сборочно-сварочного оборудования, транспортных средств и должна обеспечить качественное сварное соединение.
1. Транспортирование
Для сборки балки все сборочные единицы транспортируются к месту сборки. Для перемещения используют мостовой кран и захват.
2. Контроль
Проверка маркировки и сертификата листового проката.
Контроль деталей на соответствие требованиям чертежа (использовать штангенциркуль, рулетка).
3. Сборка
Двутавровая балка составляется из трех длинных листовых элементов (поясов и стенки).
Сборка деталей производится в сборочном кондукторе.
Кондуктор с винтовыми прижимами для сборки двутавровых балок. Основание выполнено в виде жесткой сварной рамной конструкции, состоящей из продольных и поперечных балок. Упоры и прижимы установлены на поперечных балках, продольные балки заделаны в фундамент. Подача длинных и гибких элементов балки в кондуктор осуществляется мостовым краном сверху с помощью жесткой траверсы со специальными захватами. Вертикальная стенка укладывается на продольные швеллеры, после чего устанавливаются полки, и детали плотно прижимаются друг к другу винтами. Прихватки обычно становятся только с одной стороны сверху, их размеры и расположение должны обеспечить жесткость и прочность балки при извлечении из приспособления краном и переносе к месту сварки.
4. Прихватка
Перед выполнением прихваток места под прихватки необходимо зачистить от окалины, масла и других загрязнений. Затем выполняют прихватки ручной дуговой сваркой.
5. Зачистка
Зачищают прихватки от шлака и сварочных брызг при помощи шабера или металлической щетки
6. Транспортирование
Освободить двутавровую балку от зажимов и передать ее с помощью крана на дальнейшую сварку.
7. Сварка
Перед сваркой необходимо подготовить к работе сварочный автомат: установить на трактор кассету со сварочной проволокой, заправить проволоку, засыпать во флюсобункер предварительно прокаленный флюс.
Поверхность проволоки должна быть очищена от ржавчины, смазки.
Флюс прокаливается при температуре 300 – 4000С в течение 1 – 2 часов.
Перед сваркой необходимо выставить вылет электрода и его положение относительно стыка, используя шаблон.
Закрепляем деталь в кантователе с пневмоприжимами.
Сварные швы выполняем в шахматном порядке.
После сварки необходимо зачистить сварной шов от шлаковой корки и провести контроль сварного шва внешним осмотром.
8. Контроль
После сварки сварной узел транспортируют на позицию контроля. Производится контроль сварных швов внешним осмотром: наличие пор, прожогов, подрезов и т.д. не допускается; проверить размеры балки.
После чего производится ультразвуковой контроль.
Исправление дефектов.
Проверить внешним осмотром качество зачистки сварных швов от шлака, брызг, окалины.
1.2 Расчетная часть
1.2.1 Определение расчётных усилий
Рисунок 1 - Ордината линии влияния равна
т·м
т·м
т·м
т·м
т·м
1.2.2 Определение требуемой высоты балки
Чтобы определить требуемую высоту балки из условия её наименьшего сечения, нужно задаться толщиной вертикального листа балки, для этого воспользуемся приближенным соотношением
см.
Принимаем мм, тогда из условия наименьшего веса требуемая высота для двутаврового профиля составляет
см
Т.к. требуемая высота 113,5 см больше найденной высоты равной 57,6 см, то при подборе сечений балки принимаем высоту балки 116 см, а с учетом толщины листа высоту вертикального листа принимаем 114 см.
Определяем требуемый момент инерции поперечного сечения балки
см4
Определяем момент инерции вертикального листа
см4
см4
С другой стороны момент инерции горизонтальных листов равен
J0 – момент инерции
горизонтального листа
- это расстояние от центра пояса до центра тяжести балки
Принимаем см.
см2
Определяем уточненное значение момента инерции поперечного сечения балки
см4.
Определяем наибольшее напряжение от центра тяжести
Сравнивая это значение с , делаем вывод, что расчетное напряжение не превышает допустимое.
Определяем касательное напряжение на уровне центра тяжести балки в опорное сечении по формуле
где Q – расчётная поперечная сила равна 8400кг.
S – статический момент половины площади сечения относительно центра тяжести балки
см3
Определяем эквивалентные напряжения в сечении, в котором имеется наибольший изгибающий момент М=6400000кг/см и Q=3200кг.
Эквивалентное напряжение на уровне верхней кромки вертикального листа в зоне резного изменения ширины сечения.
Вычислим в этом волокне балки напряжение от М
.
В этом же волокне напряжение от Q
где S – статический момент площади сечения горизонтального листа относительно центра тяжести, равный см3.
Эквивалентное напряжение определяем по формуле
, что меньше наибольшего
нормального напряжения в
1.2.3 Определение моментов инерции
Определим моменты в каждом сечении от веса тележки
т·м
т·м
т·м
т·м
т·м
Наибольшее значение моментов для сечений балки от (Р) показаны на графике 1.
График 1- Значение моментов для сечений балки
Определим изгибающий момент от равносильно распределенной нагрузки (q).
Момент в сечении (а) от равномерно распределенной нагрузки (q) определяется по формуле
т·м
т·м
т·м
т·м
т·м
График 2 - Момент в сечении (а) от равномерно распределенной нагрузки (q)
Вычислим суммарные величины моментов
т·м
т·м
т·м
т·м
т·м
График 3 - Суммарные величины моментов
Таким образом, расчетной величиной момента для балки является т·м =6400000кг·см
1.2.4 Определение напряжений
Требуемый момент сопротивления балки от суммарной влечены моментов.
Определяем ординаты линий влияния поперечной силы в сечении балки.
Рисунок 2 - Линии влияния поперечной силы
Рассчитываем значения Q от веса груза в сечениях балки исходная формула:
т
т
т
т
т
т
График 4 - Значения Q от веса груза в сечениях балки
Определяем напряжение силы от собственного веса q
т
т
т
т
т
т
График 5 - Поперечные силы Q от собственного веса q
Определяем суммарные значения от поперечных сил.
т
т
т
т
т
т
График 6 - суммарные расчетные значения от поперечных сил
1.2.3 Определение высоты
Переходим к определению наименьшей высоты балки из условия нормы жесткости от сосредоточенных грузов при , т.к. суммарный максимальный момент равен 64,0 т·м достигает напряжения , то момент от сосредоточенных грузов будет вызывать напряжение равное от допустимых напряжений т·м.
, эту величину будем учитывать при определении требуемой высоты балки.
Прогиб балки от двух сосредоточенных сил равен
Е – модуль упругости (для ст3 ),
– коэффициент устойчивости, определить .
Рисунок 3 - При симметричном расположении груза схема балки выглядит следующим образом:
Если заменить на М, то получаем , если заменить момент М из формулы и коэффициент J из формулы , то получаем формулу . Отсюда требуемая высота балки
см.
Чтобы определить требуемую высоту балки из условия её наименьшего сечения, нужно задаться толщиной вертикального листа балки, для этого воспользуемся приближенным соотношением
см.
Принимаем мм, тогда из условия наименьшего веса требуемая высота для двутаврового профиля составляет
см
Так как требуемая высота 113,5 см больше найденной высоты равной 57,6 см, то при подборе сечений балки принимаем высоту балки 116 см, а с учетом толщины листа высоту вертикального листа принимаем h=114 см.
Определяем требуемый момент инерции поперечного сечения балки
см4
Определяем момент инерции вертикального листа
см4
см4
С другой стороны момент инерции горизонтальных листов равен
J0 – момент инерции горизонтального листа относительно свободной оси. Этой величиной можно пренебречь вследствие её малости.
- это расстояние от
центра пояса до центра
Принимаем см.
см2
Определяем уточненное значение момента инерции поперечного сечения балки
см4.
Определяем наибольшее напряжение от центра тяжести
Сравнивая это значение с , делаем вывод, что расчетное напряжение не превышает допустимое.
Определяем касательное напряжение на уровне центра тяжести балки в опорное сечении по формуле
где Q – расчётная поперечная сила равна 8400кг.
S – статический момент половины площади сечения относительно центра тяжести балки
см3
Определяем эквивалентные напряжения в сечении, в котором имеется наибольший изгибающий момент М=6400000кг/см и Q=3200кг.
Эквивалентное напряжение на уровне верхней кромки вертикального листа в зоне резного изменения ширины сечения.
Вычислим в этом волокне балки напряжение от М
.
В этом же волокне напряжение от Q
где S – статический момент площади сечения горизонтального листа относительно центра тяжести, равный см3.
Эквивалентное напряжение определяем по формуле
, что меньше наибольшего нормального напряжения в крайнем волокне.
1.2.5 Определяем катет шва
Определяем катет шва мм. Принимаем катет шва 6 мм.
Рисунок 4 – Двутавровая балка
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе была рассчитана, спроектирована двутавровая балка.
Разработана технология автоматической сварки под слоем флюса. Произведен выбор сварочных материалов, оборудования для изготовления.
Был выполнен сборочный чертеж балки двутавровой.
И была произведена оценка результатов выполненных задач.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЛИТЕРАТУРЫ
Марочник сталей и сплавов. /Под общ. ред. В.Г.Сорокина. М.: Машиностроение, 1989.
Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Технология изготовления: Учебное пособие – М.: Высшая школа, 1983.
Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Патона Б.Е. М.: Машиностроение, 1974.
Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением. М., Высшая школа, 1988.
ГОСТ 8713-79 Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.
